硬見小百科 PCB疊層設計需要注意這8件事

2021-09-27 00:10:03 字數 2615 閱讀 6990

在設計pcb(印製電路板)時,需要考慮的乙個最基本的問題就是實現電路要求的功能需要多少個佈線層、接地平面和電源平面,而印製電路板的佈線層、接地平面和電源平面的層數的確定與電路功能、訊號完整性、emi、emc、製造成本等要求有關。對於大多數的設計,pcb的效能要求、目標成本、製造技術和系統的複雜程度等因素存在許多相互衝突的要求,pcb的疊層設計通常是在考慮各方面的因素後折中決定的。高速數位電路和射頻電路通常採用多層板設計。

下面列出了層疊設計要注意的8個原則

1.分層

在多層pcb中,通常包含有訊號層(s)、電源(p)平面和接地(gnd)平面。電源平面和接地平面通常是沒有分割的實體平面,它們將為相鄰訊號走線的電流提供乙個好的低阻抗的電流返回路徑。訊號層大部分位於這些電源或地參考平面層之間,構成對稱帶狀線或非對稱帶狀線。多層pcb的頂層和底層通常用於放置元器件和少量走線,這些訊號走線要求不能太長,以減少走線產生的直接輻射。

2.確定單電源參考平面(電源平面)

使用去耦電容是解決電源完整性的乙個重要措施。去耦電容只能放置在pcb的頂層和底層。去耦電容的走線、焊盤,以及過孔將嚴重影響去耦電容的效果,這就要求設計時必須考慮連線去耦電容的走線應盡量短而寬,連線到過孔的導線也應盡量短。例如,在乙個高速數位電路中,可以將去耦電容放置在pcb的頂層,將第2層分配給高速數位電路(如處理器)作為電源層,將第3層作為訊號層,將第4層設定成高速數字電路板。

此外,要盡量保證由同乙個高速數字器件所驅動的訊號走線以同樣的電源層作為參考平面,而且此電源層為高速數字器件的供電電源層。

3.確定多電源參考平面

多電源參考平面將被分割成幾個電壓不同的實體區域。如果緊靠多電源層的是訊號層,那麼其附近的訊號層上的訊號電流將會遭遇不理想的返回路徑,使返回路徑上出現縫隙。對於高速數碼訊號,這種不合理的返回路徑設計可能會帶來嚴重的問題,所以要求高速數碼訊號佈線應該遠離多電源參考平面。

4.確定多個接地參考平面(接地平面)

多個接地參考平面(接地層)可以提供乙個好的低阻抗的電流返回路徑,可以減小共模eml。接地平面和電源平面應該緊密耦合,訊號層也應該和鄰近的參考平面緊密耦合。減少層與層之間的介質厚度可以達到這個目的。

5.合理設計佈線組合

乙個訊號路徑所跨越的兩個層稱為乙個「佈線組合」。最好的佈線組合設計是避免返回電流從乙個參考平面流到另乙個參考平面,而是從乙個參考平面的乙個點(面)流到另乙個點(面)。而為了完成複雜的佈線,走線的層間轉換是不可避免的。在訊號層間轉換時,要保證返回電流可以順利地從乙個參考平面流到另乙個參考平面。在乙個設計中,把鄰近層作為乙個佈線組合是合理的。如果乙個訊號路徑需要跨越多個層,將其作為乙個佈線組合通常不是合理的設計,因為乙個經過多層的路徑對於返回電流而言是不通暢的。雖然可以通過在過孔附近放置去耦電容或者減***平面間的介質厚度等來減小地彈,但也非乙個好的設計。

6.設定佈線方向

在同一訊號層上,應保證大多數佈線的方向是一致的,同時應與相鄰訊號層的佈線方向正交。例如,可以將乙個訊號層的佈線方向設為"y軸」走向,而將另乙個相鄰的訊號層佈線方向設為「x軸」走向。

7.採用偶數層結構

從所設計的pcb疊層可以發現,經典的疊層設計幾乎全部是偶數層的,而不是奇數層的,這種現象是由多種因素造成的,如下所示。

從印製電路板的製造工藝可以了解到,電路板中的所有導電層就在芯層上,芯層的材料一般是雙面覆板,當全面利用芯層時,印製電路板的導電層數就為偶數。

偶數層印製電路板具有成本優勢。由於少一層介質和覆銅,故奇數層印製電路板原材料的成本略低於偶數層的印製電路板的成本。但因為奇數層印製電路板需要在芯層結構工藝的基礎上增加非標準的層疊芯層黏合工藝,故造成奇數層印製電路板的加工成本明顯高於偶數層印製電路板。與普通芯層結構相比,在芯層結構外新增覆銅將會導致生產效率下降,生產週期延長。在層壓黏合以前,外面的芯層還需要附加的工藝處理,這增加了外層被劃傷和錯誤蝕刻的風險。增加的外層處理將會大幅度提高製造成本。

當印製電路板在多層電路黏合工藝後,其內層和外層在冷卻時,不同的層壓張力會使印製電路板上產生不同程度上的彎曲。而且隨著電路板厚度的增加,具有兩個不同結構的復合印製電路板彎曲的風險就越大。奇數層電路板容易彎曲,偶數層印製電路板可以避免電路板彎曲。

在設計時,如果出現了奇數層的疊層,可以採用下面的方法來增加層數。

如果設計印製電路板的電源層為偶數而訊號層為奇數,則可採用增加訊號層的方法。增加的訊號層不會導致成本的增加,反而可以縮短加工時間、改善印製電路板質量。

如果設計印製電路板的電源層為奇數而訊號層為偶數,則可採用增加電源層這種方法。而另乙個簡單的方法是在不改變其他設定的情況下在層疊中間加乙個接地層,即先按奇數層印製電路板佈線,再在中間複製乙個接地層。

在微波電路和混合介質(介質有不同介電常數)電路中,可以在接近印製電路板層疊**增加乙個空白訊號層,這樣可以最小化層疊不平衡性。

8.成本考慮

在製造成本上,在具有相同的pcb面積的情況下,多層電路板的成本肯定比單層和雙層電路板高,而且層數越多,成本越高。但在考慮實現電路功能和電路板小型化,保證訊號完整性、eml、emc 等效能指標等因素時,應盡量使用多層電路板。綜合評價,多層電路板與單雙層電路板兩者的成本差異並不會比預期的高很多。

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