淺談PCB疊層設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)多層PCB電路板之前，設(shè)計(jì)者需要首先根據(jù)電路的規(guī)模、電路板的尺寸和電磁兼容(EMC)的要求來確定所采用的電路板結(jié)構(gòu)，也就是決定采用4層，6層，還是更多層數(shù)的電路板。確定層數(shù)之后，再確定內(nèi)電層的放置位置以及如何在這些層上分布不同的信號。這就是多層PCB層疊結(jié)構(gòu)的選擇問題。

層疊結(jié)構(gòu)是影響PCB板EMC性能的一個重要因素，也是抑制電磁干擾的一個重要手段。

本節(jié)將介紹多層PCB板層疊結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。

對于電源、地的層數(shù)以及信號層數(shù)確定后，它們之間的相對排布位置是每一個PCB工程師都不能回避的話題;

層的排布一般原則：

1、確定多層PCB板的層疊結(jié)構(gòu)需要考慮較多的因素。從布線方面來說，層數(shù)越多越利于布線，但是制板成本和難度也會隨之增加。對于生產(chǎn)廠家來說，層疊結(jié)構(gòu)對稱與否是PCB板制造時(shí)需要關(guān)注的焦點(diǎn)，所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求，以達(dá)到最佳的平衡。對于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來說，在完成元器件的預(yù)布局后，會對PCB的布線瓶頸處進(jìn)行重點(diǎn)分析。結(jié)合其他EDA工具分析電路板的布線密度;再綜合有特殊布線要求的信號線如差分線、敏感信號線等的數(shù)量和種類來確定信號層的層數(shù);然后根據(jù)電源的種類、隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目。這樣，整個電路板的板層數(shù)目就基本確定了。

2、元件面下面(第二層)為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面;敏感信號層應(yīng)該與一個內(nèi)電層相鄰(內(nèi)部電源/地層)，利用內(nèi)電層的大銅膜來為信號層提供屏蔽。電路中的高速信號傳輸層應(yīng)該是信號中間層，并且夾在兩個內(nèi)電層之間。這樣兩個內(nèi)電層的銅膜可以為高速信號傳輸提供電磁屏蔽，同時(shí)也能有效地將高速信號的輻射限制在兩個內(nèi)電層之間，不對外造成干擾。

3、所有信號層盡可能與地平面相鄰;

4、盡量避免兩信號層直接相鄰;相鄰的信號層之間容易引入串?dāng)_，從而導(dǎo)致電路功能失效。在兩信號層之間加入地平面可以有效地避免串?dāng)_。

5、主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰;

6、兼顧層壓結(jié)構(gòu)對稱。

7、對于母板的層排布，現(xiàn)有母板很難控制平行長距離布線，對于板級工作頻率在50MHZ以上的(50MHZ以下的情況可參照，適當(dāng)放寬)，建議排布原則：

● 元件面、焊接面為完整的地平面(屏蔽);

●無相鄰平行布線層;

●所有信號層盡可能與地平面相鄰;

●關(guān)鍵信號與地層相鄰，不跨分割區(qū)。

注：具體PCB的層的設(shè)置時(shí)，要對以上原則進(jìn)行靈活掌握，在領(lǐng)會以上原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際單板的需求，如：是否需要一關(guān)鍵布線層、電源、地平面的分割情況等，確定層的排布，切忌生搬硬套，或摳住一點(diǎn)不放。

8、多個接地的內(nèi)電層可以有效地降低接地阻抗。例如，A信號層和B信號層采用各自單獨(dú)的地平面，可以有效地降低共模干擾。

常用的層疊結(jié)構(gòu):

4層板

下面通過 4 層板的例子來說明如何優(yōu)選各種層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式。

對于常用的 4 層板來說，有以下幾種層疊方式(從頂層到底層)。

(1)Siganl_1(Top)，GND(Inner_1)，POWER(Inner_2)，Siganl_2(Bottom)。

(2)Siganl_1(Top)，POWER(Inner_1)，GND(Inner_2)，Siganl_2(Bottom)。

(3)POWER(Top)，Siganl_1(Inner_1)，GND(Inner_2)，Siganl_2(Bottom)。

顯然，方案 3 電源層和地層缺乏有效的耦合，不應(yīng)該被采用。

那么方案 1 和方案 2 應(yīng)該如何進(jìn)行選擇呢?

一般情況下，設(shè)計(jì)人員都會選擇方案 1 作為 4層板的結(jié)構(gòu)。選擇的原因并非方案 2 不可被采用，而是一般的 PCB 板都只在頂層放置元器件，所以采用方案 1 較為妥當(dāng)。

但是當(dāng)在頂層和底層都需要放置元器件，而且內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度較大，耦合不佳時(shí)，就需要考慮哪一層布置的信號線較少。對于方案 1而言，底層的信號線較少，可以采用大面積的銅膜來與 POWER 層耦合;反之，如果元器件主要布置在底層，則應(yīng)該選用方案 2 來制板。

如果采用層疊結(jié)構(gòu)，那么電源層和地線層本身就已經(jīng)耦合，考慮對稱性的要求，一般采用方案 1。

6層板

在完成 4 層板的層疊結(jié)構(gòu)分析后，下面通過一個 6 層板組合方式的例子來說明 6 層板層疊結(jié)構(gòu)的排列組合方式和優(yōu)選方法。

(1)Siganl_1(Top)，GND(Inner_1)，Siganl_2(Inner_2)，Siganl_3(Inner_3)，POWER(Inner_4)，Siganl_4(Bottom)。

方案 1 采用了 4 層信號層和 2 層內(nèi)部電源/接地層，具有較多的信號層，有利于元器件之間的布線工作，但是該方案的缺陷也較為明顯，表現(xiàn)為以下兩方面。

① 電源層和地線層分隔較遠(yuǎn)，沒有充分耦合。

② 信號層 Siganl_2(Inner_2)和 Siganl_3(Inner_3)直接相鄰，信號隔離性不好，容易發(fā)生串?dāng)_。

(2)Siganl_1(Top)，Siganl_2(Inner_1)，POWER(Inner_2)，GND(Inner_3)，Siganl_3(Inner_4)，Siganl_4(Bottom)。

方案 2 相對于方案 1，電源層和地線層有了充分的耦合，比方案 1 有一定的優(yōu)勢，但是

Siganl_1(Top)和 Siganl_2(Inner_1)以及 Siganl_3(Inner_4)和 Siganl_4(Bottom)信號層直接相鄰，信號隔離不好，容易發(fā)生串?dāng)_的問題并沒有得到解決。

(3)Siganl_1(Top)，GND(Inner_1)，Siganl_2(Inner_2)，POWER(Inner_3)，GND(Inner_4)，Siganl_3(Bottom)。

相對于方案 1 和方案 2，方案 3 減少了一個信號層，多了一個內(nèi)電層，雖然可供布線的層面減少了，但是該方案解決了方案 1 和方案 2 共有的缺陷。

① 電源層和地線層緊密耦合。

② 每個信號層都與內(nèi)電層直接相鄰，與其他信號層均有有效的隔離，不易發(fā)生串?dāng)_。

③ Siganl_2(Inner_2)和兩個內(nèi)電層 GND(Inner_1)和 POWER(Inner_3)相鄰，可以用來傳輸高速信號。兩個內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對 Siganl_2(Inner_2)層的干擾和Siganl_2(Inner_2)對外界的干擾。

綜合各個方面，方案 3 顯然是最優(yōu)化的一種，同時(shí)，方案 3 也是 6 層板常用的層疊結(jié)構(gòu)。通過對以上兩個例子的分析，相信讀者已經(jīng)對層疊結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)識，但是在有些時(shí)候，某一個方案并不能滿足所有的要求，這就需要考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)原則的優(yōu)先級問題。遺憾的是由于電路板的板層設(shè)計(jì)和實(shí)際電路的特點(diǎn)密切相關(guān)，不同電路的抗干擾性能和設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)各有所不同，所以事實(shí)上這些原則并沒有確定的優(yōu)先級可供參考。但可以確定的是，設(shè)計(jì)原則 2(內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合)在設(shè)計(jì)時(shí)需要首先得到滿足，另外如果電路中需要傳輸高速信號，那么設(shè)計(jì)原則 3(電路中的高速信號傳輸層應(yīng)該是信號中間層，并且夾在兩個內(nèi)電層之間)就必須得到滿足。

10層板

PCB典型10層板設(shè)計(jì)

一般通用的布線順序是TOP--GND---信號層---電源層---GND---信號層---電源層---信號層---GND---BOTTOM

本身這個布線順序并不一定是固定的，但是有一些標(biāo)準(zhǔn)和原則來約束：如top層和bottom的相鄰層用GND，確保單板的EMC特性;如每個信號層優(yōu)選使用GND層做參考平面;整個單板都用到的電源優(yōu)先鋪整塊銅皮;易受干擾的、高速的、沿跳變的優(yōu)選走內(nèi)層等等。

下表給出了多層板層疊結(jié)構(gòu)的參考方案，供參考。

PCB設(shè)計(jì)之疊層結(jié)構(gòu)改善案例(From金百澤科技)

問題點(diǎn)

產(chǎn)品有8組網(wǎng)口與光口，測試時(shí)發(fā)現(xiàn)第八組光口與芯片間的信號調(diào)試不通，導(dǎo)致光口8調(diào)試不通，無法工作，其他7組光口通信正常。

1、問題點(diǎn)確認(rèn)

根據(jù)客戶端提供的信息，確認(rèn)為L6層光口8與芯片8之間的兩條差分阻抗線調(diào)試不通;

2、客戶提供的疊構(gòu)與設(shè)計(jì)要求

改善措施

影響阻抗信號因素分析：

線路圖分析：客戶L56層阻抗設(shè)計(jì)較為特殊，L6層阻抗參考L5/L7層，L5層阻抗參考L4/L6層，其中L5/L6層互為參考層，中間未做地層屏蔽，光口8與芯片8之間線路較長，L6層與L5層間存在較長的平行信號線(約30%長度)容易造成相互干擾，從而影響了阻抗的精準(zhǔn)度，阻抗線的設(shè)計(jì)屏蔽層不完整，也造成阻抗的不連續(xù)性，其他7組部分也有相似問題，但相對較輕微。

L56層存在特殊設(shè)計(jì)(均為信號層，存在差分阻抗平行設(shè)計(jì)、相鄰阻抗層間未設(shè)計(jì)參考地層)，客戶端未充分考慮相鄰層走線存在的干擾，導(dǎo)致調(diào)試不通問題。

與客戶溝通對疊層進(jìn)行優(yōu)化，將L45、L56、L67層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，介質(zhì)層厚度分別由20.87mil、6mil、13mil 調(diào)整為5.12mil、22.44mil、5.12mil，將而L4、L7間的參考地層間的距離拉近，L56層互為參考且屏蔽不足的線路層距離拉遠(yuǎn)，減少干擾。

優(yōu)化后的疊層結(jié)構(gòu)：

優(yōu)化后的阻抗匹配：

改善效果

通過調(diào)整疊層結(jié)構(gòu)，拉大L56層相鄰信號層之間的距離，串?dāng)_造成的系統(tǒng)故障問題得到解決。