PCB疊層設計需要注意哪些事項？

在設計PCB時(shí)，需要考慮的一個(gè)最基本的問(wèn)題就是實(shí)現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的確定與電路功能、信號完整性、EMI、EMC、制造成本等要求有關(guān)。

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

下面列出了層疊設計要注意的8個(gè)原則。

01分層

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

信號層大部分位于這些電源或地參考平面層之間，構成對稱(chēng)帶狀線(xiàn)或非對稱(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)，這些信號走線(xiàn)要求不能太長(cháng)，以減少走線(xiàn)產(chǎn)生的直接輻射。

02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)孔將嚴重影響去耦電容的效果，這就要求設計時(shí)必須考慮連接去耦電容的走線(xiàn)應盡量短而寬，連接到過(guò)孔的導線(xiàn)也應盡量短。例如，在一個(gè)高速數字電路中，可以將去耦電容放置在PCB的頂層，將第2層分配給高速數字電路（如處理器）作為電源層，將第3層作為信號層，將第4層設置成高速數字電路地。

此外，要盡量保證由同一個(gè)高速數字器件所驅動(dòng)的信號走線(xiàn)以同樣的電源層作為參考平面，而且此電源層為高速數字器件的供電電源層。

03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)體區域。如果緊靠多電源層的是信號層，那么其附近的信號層上的信號電流將會(huì )遭遇不理想的返回路徑，使返回路徑上出現縫隙。

PCB盲孔裂紋分析

對于高速數字信號，這種不合理的返回路徑設計可能會(huì )帶來(lái)嚴重的問(wèn)題，所以要求高速數字信號布線(xiàn)應該遠離多電源參考平面。

04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該緊密耦合，信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(zhì)厚度可以達到這個(gè)目的。

05合理設計布線(xiàn)組合

一個(gè)信號路徑所跨越的兩個(gè)層稱(chēng)為一個(gè)“布線(xiàn)組合”。最好的布線(xiàn)組合設計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）。而為了完成復雜的布線(xiàn)，走線(xiàn)的層間轉換是不可避免的。在信號層間轉換時(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)設計中，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計，因為一個(gè)經(jīng)過(guò)多層的路徑對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)好的設計。

06設定布線(xiàn)方向

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

07采用偶數層結構

從所設計的PCB疊層可以發(fā)現，經(jīng)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。

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

PCB晶格分析

偶數層印制電路板具有成本優(yōu)勢。由于少一層介質(zhì)和覆銅，故奇數層印制電路板原材料的成本略低于偶數層的印制電路板的成本。但因為奇數層印制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，故造成奇數層印制電路板的加工成本明顯高于偶數層印制電路板。與普通芯層結構相比，在芯層結構外添加覆銅將會(huì )導致生產(chǎn)效率下降，生產(chǎn)周期延長(cháng)。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(fēng)險。增加的外層處理將會(huì )大幅度提高制造成本。

當印制電路板在多層電路黏合工藝后，其內層和外層在冷卻時(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(zhù)電路板厚度的增加，具有兩個(gè)不同結構的復合印制電路板彎曲的風(fēng)險就越大。奇數層電路板容易彎曲，偶數層印制電路板可以避免電路板彎曲。

在設計時(shí)，如果出現了奇數層的疊層，可以采用下面的方法來(lái)增加層數。

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

如果設計印制電路板的電源層為奇數而信號層為偶數，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置的情況下在層疊中間加一個(gè)接地層，即先按奇數層印制電路板布線(xiàn)，再在中間復制一個(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）電路中，可以在接近印制電路板層疊中央增加一個(gè)空白信號層，這樣可以最小化層疊不平衡性。

08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，而且層數越多，成本越高。但在考慮實(shí)現電路功能和電路板小型化，保證信號完整性、EMl、EMC等性能指標等因素時(shí)，應盡量使用多層電路板。綜合評價(jià)，多層電路板與單雙層電路板兩者的成本差異并不會(huì )比預期的高很多。