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干貨 | PCB疊層設(shè)計(jì)需要注意哪些事項(xiàng)?

來(lái)源:深圳市晧辰電子科技有限公司   2020年07月24日 16:39  

在設(shè)計(jì)PCB時(shí),需要考慮的一個(gè)基本的問(wèn)題就是實(shí)現(xiàn)電路要求的功能需要多少個(gè)布線(xiàn)層、接地平面和電源平面,而印制電路板的布線(xiàn)層、接地平面和電源平面的層數(shù)的確定與電路功能、信號(hào)完整性、EMI、EMC、制造成本等要求有關(guān)。

 

對(duì)于大多數(shù)的設(shè)計(jì),PCB的性能要求、目標(biāo)成本、制造技術(shù)和系統(tǒng)的復(fù)雜程度等因素存在許多相互沖突的要求,PCB的疊層設(shè)計(jì)通常是在考慮各方面的因素后折中決定的。高速數(shù)字電路和射須電路通常采用多層板設(shè)計(jì)。

 

下面列出了層疊設(shè)計(jì)要注意的8個(gè)原則。

 

1

分層

 

在多層PCB中,通常包含有信號(hào)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(méi)有分割的實(shí)體平面,它們將為相鄰信號(hào)走線(xiàn)的電流提供一個(gè)好的低阻抗的電流返回路徑。

 

 

信號(hào)層大部分位于這些電源或地參考平面層之間,構(gòu)成對(duì)稱(chēng)帶狀線(xiàn)或非對(duì)稱(chēng)帶狀線(xiàn)。多層PCB的頂層和底層通常用于放置元器件和少量走線(xiàn),這些信號(hào)走線(xiàn)要求不能太長(zhǎng),以減少走線(xiàn)產(chǎn)生的直接輻射。

 

2

確定單電源參考平面

 

使用去耦電容是解決電源完整性的一個(gè)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(xiàn)、焊盤(pán),以及過(guò)孔將嚴(yán)重影響去耦電容的效果,這就要求設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮連接去耦電容的走線(xiàn)應(yīng)盡量短而寬,連接到過(guò)孔的導(dǎo)線(xiàn)也應(yīng)盡量短。例如,在一個(gè)高速數(shù)字電路中,可以將去耦電容放置在PCB的頂層,將第2層分配給高速數(shù)字電路(如處理器)作為電源層,將第3層作為信號(hào)層,將第4層設(shè)置成高速數(shù)字電路地。

 

此外,要盡量保證由同一個(gè)高速數(shù)字器件所驅(qū)動(dòng)的信號(hào)走線(xiàn)以同樣的電源層作為參考平面,而且此電源層為高速數(shù)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(gè)電壓不同的實(shí)體區(qū)域。如果緊靠多電源層的是信號(hào)層,那么其附近的信號(hào)層上的信號(hào)電流將會(huì)遭遇不理想的返回路徑,使返回路徑上出現(xiàn)縫隙。

 

對(duì)于高速數(shù)字信號(hào),這種不合理的返回路徑設(shè)計(jì)可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題,所以要求高速數(shù)字信號(hào)布線(xiàn)應(yīng)該遠(yuǎn)離多電源參考平面。

 

4

確定多個(gè)接地參考平面

 

多個(gè)接地參考平面(接地層)可以提供一個(gè)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(yīng)該緊密耦合,信號(hào)層也應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合。減少層與層之間的介質(zhì)厚度可以達(dá)到這個(gè)目的。

 

5

合理設(shè)計(jì)布線(xiàn)組合

 

一個(gè)信號(hào)路徑所跨越的兩個(gè)層稱(chēng)為一個(gè)“布線(xiàn)組合”。較的布線(xiàn)組合設(shè)計(jì)是避免返回電流從一個(gè)參考平面流到另一個(gè)參考平面,而是從一個(gè)參考平面的一個(gè)點(diǎn)(面)流到另一個(gè)點(diǎn)(面)。而為了完成復(fù)雜的布線(xiàn),走線(xiàn)的層間轉(zhuǎn)換是不可避免的。在信號(hào)層間轉(zhuǎn)換時(shí),要保證返回電流可以順利地從一個(gè)參考平面流到另一個(gè)參考平面。在一個(gè)設(shè)計(jì)中,把鄰近層作為一個(gè)布線(xiàn)組合是合理的。

 

 

如果一個(gè)信號(hào)路徑需要跨越多個(gè)層,將其作為一個(gè)布線(xiàn)組合通常不是合理的設(shè)計(jì),因?yàn)橐粋€(gè)經(jīng)過(guò)多層的路徑對(duì)于返回電流而言是不通暢的。雖然可以通過(guò)在過(guò)孔附近放置去耦電容或者減小參考平面間的介質(zhì)厚度等來(lái)減小地彈,但也非一個(gè)好的設(shè)計(jì)。

 

6

設(shè)定布線(xiàn)方向

 

在同一信號(hào)層上,應(yīng)保證大多數(shù)布線(xiàn)的方向是一致的,同時(shí)應(yīng)與相鄰信號(hào)層的布線(xiàn)方向正交。例如,可以將一個(gè)信號(hào)層的布線(xiàn)方向設(shè)為"Y軸”走向,而將另一個(gè)相鄰的信號(hào)層布線(xiàn)方向設(shè)為“X軸”走向。

 

7

采用偶數(shù)層結(jié)構(gòu)

 

從所設(shè)計(jì)的PCB疊層可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)典的疊層設(shè)計(jì)幾乎全部是偶數(shù)層的,而不是奇數(shù)層的,這種現(xiàn)象是由多種因素造成的。

 

從印制電路板的制造工藝可以了解到,電路板中的所有導(dǎo)電層救在芯層上,芯層的材料一般是雙面覆板,當(dāng)全面利用芯層時(shí),印制電路板的導(dǎo)電層數(shù)就為偶數(shù)。

 

偶數(shù)層印制電路板具有成本優(yōu)勢(shì)。由于少一層介質(zhì)和覆銅,故奇數(shù)層印制電路板原材料的成本略低于偶數(shù)層的印制電路板的成本。但因?yàn)槠鏀?shù)層印制電路板需要在芯層結(jié)構(gòu)工藝的基礎(chǔ)上增加非標(biāo)準(zhǔn)的層疊芯層黏合工藝,故造成奇數(shù)層印制電路板的加工成本明顯高于偶數(shù)層印制電路板。與普通芯層結(jié)構(gòu)相比,在芯層結(jié)構(gòu)外添加覆銅將會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降,生產(chǎn)周期延長(zhǎng)。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(cuò)誤蝕刻的風(fēng)險(xiǎn)。增加的外層處理將會(huì)大幅度提高制造成本。

 

 

當(dāng)印制電路板在多層電路黏合工藝后,其內(nèi)層和外層在冷卻時(shí),不同的層壓張力會(huì)使印制電路板上產(chǎn)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(gè)不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合印制電路板彎曲的風(fēng)險(xiǎn)就越大。奇數(shù)層電路板容易彎曲,偶數(shù)層印制電路板可以避免電路板彎曲。

 

在設(shè)計(jì)時(shí),如果出現(xiàn)了奇數(shù)層的疊層,可以采用下面的方法來(lái)增加層數(shù)。

 

如果設(shè)計(jì)印制電路板的電源層為偶數(shù)而信號(hào)層為奇數(shù),則可采用增加信號(hào)層的方法。增加的信號(hào)層不會(huì)導(dǎo)致成本的增加,反而可以縮短加工時(shí)間、改善印制電路板質(zhì)量。

 

如果設(shè)計(jì)印制電路板的電源層為奇數(shù)而信號(hào)層為偶數(shù),則可采用增加電源層這種方法。而另一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是在不改變其他設(shè)置的情況下在層疊中間加一個(gè)接地層,即先按奇數(shù)層印制電路板布線(xiàn),再在中間復(fù)制一個(gè)接地層。

 

在微波電路和混合介質(zhì)(介質(zhì)有不同介電常數(shù))電路中,可以在接近印制電路板層疊中央增加一個(gè)空白信號(hào)層,這樣可以小化層疊不平衡性。

 

8

成本考慮

 

在制造成本上,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(shù)越多,成本越高。但在考慮實(shí)現(xiàn)電路功能和電路板小型化,保證信號(hào)完整性、EMl、EMC等性能指標(biāo)等因素時(shí),應(yīng)盡量使用多層電路板。綜合評(píng)價(jià),多層電路板與單雙層電路板兩者的成本差異并不會(huì)比預(yù)期的高很多。

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