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PCB工程师必备知识:一文看懂PCB层叠设计

已有 125 次阅读2020-3-23 10:21

PCB的层数多少取决于电路板的复杂程度,从PCB的加工过程来看,多层PCB是将多个“双面板PCB”通过叠加、压合工序制造出来的。但多层PCB的层数、各层之间的叠加顺序及板材选择是由电路板设计师决定的,这就是所谓的“PCB层叠设计”。

PCB层叠设计需考虑的因素
一款PCB设计的层数及层叠方案取决于以下几个因素:
1、硬件成本:PCB层数的多少与最终的硬件成本直接相关,层数越多硬件成本就越高,以消费类产品为代表的硬件PCB一般对于层数有最高限制,例如笔记本电脑产品的主板PCB层数通常为4~6层,很少超过8层;
2、高密元器件的出线:以BGA封装器件为代表的高密元器件,此类元器件的出线层数基本决定了PCB板的布线层层数;
3、信号质量控制:对于高速信号比较集中的PCB设计,如果重点关注信号质量,那么就要求减少相邻层布线以降低信号间串扰,这时布线层层数与参考层层数(Ground层或Power层)的比例最好是1:1,就会造成PCB设计层数的增加;反之,如果对于信号质量控制不强制要求,则可以使用相邻布线层方案,从而降低PCB层数;
4、原理图信号定义:原理图信号定义会决定PCB布线是否“通顺”,糟糕的原理图信号定义会导致PCB布线不顺、布线层数增加;
5、PCB厂家加工能力基线:PCB设计者给出的层叠设计方案(叠层方式、叠层厚度 等),必须要充分考虑PCB厂家的加工能力基线,如:加工流程、加工设备能力、常用PCB板材型号等 。
PCB层叠设计需要在以上所有设计影响因素中寻求优先级和平衡点。

PCB层叠设计的一般规则
1、地层与信号层之间应紧密耦合,意思就是说,地层与电源层之间的距离应尽量小,介质厚度应尽量小,以增大电源层与地层之间的电容(如果这里不明白,大家可以想一下平板电容,电容的大小与间距成反比)。
2、两个信号层之间尽量不要直接相邻,这样容易发生信号的串扰,影响电路的性能。
3、对于多层电路板,例如4层板,6层板,一般要求信号层尽量与一个内电层(地层或者电源层)相邻,这样可以利用内电层的大面积覆铜来起到屏蔽信号层的作用,从而有效的避免了信号层之间的串扰。
4、对于高速信号层,一般要位于两个内电层之间,这样做的目的是一方面起到对高速信号提供一个有效的屏蔽层,另一方面则将高速信号限制在两个内电层之间,减小对其他信号层的干扰。
5、要考虑层叠结构的对称性。
6、多个接地的内电层可以有效的降低接地阻抗。
推荐的层叠结构
1、把高频走线布在顶层,以避免高频走线过程中使用到过孔而引入感应电感。在顶层隔离器和发送接收电路的数据线用高频走线直接相连。
2、高频信号线下面放置一个地平面,以控制传输连接线的阻抗,也提供了一个非常低电感的通路给返回电流(return current)流过。
3、将电源层置于接地层下面。这两个参考层构成了一个大约为100pF/inch2的附加高频旁路电容器。
4、在底层布线布置低速控制信号。这些信号线拥有较大的余量来承受过孔引起的阻抗不连续,这样的话就更有灵活性。

▲四层板叠层设计示例
如果还需要增加供电层(Vcc)或信号层,增加的第二组电源层/地层必须对称层叠。这样层叠层压结构才稳定,板子也不会翘曲。不同电压的电源层和地层之间应该靠近一点,这样增加高频旁路电容,从而抑制噪声。
提醒:这里还有一层的意思就是要使用偶数层PCB,避免使用奇数层。因为奇数层电路板容易弯曲。
(图文内容整理自:快点儿PCB学院、CSDN“boy_mey”的博客及网络)
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