PCB疊層設計需遵循的原則，你知道有多少嗎！

在設計PCB（印制電路闆）時，需要考慮的一個比較基本的問題就是實現電路要求的功能需要多少個布線層、接地平面和電源平面。而印制電路闆的布線層、接地平面和電源平面的層數的确定與電路功能、信号完整性、EMI、EMC、制造成本等要求有關。



對于大多數的設計，PCB的性能要求、目标成本、制造技術和系統的複雜程度等因素存在許多相互矛盾的要求，PCB的疊層設計通常是在考慮各方面的因素後折中決定的。高速數字電路和射頻電路通常采用多層闆設計。



1——分層



下面列出了層疊設計要注意的8個原則！



在多層PCB中，通常包含有信号層（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，它們将為相鄰信号走線的電流提供一個好的低阻抗的電流返回路徑。信号層大部分位于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于放置元器件和少量走線，這些信号走線要求不能太長，以減少走線産生的直接輻射。



2——确定單電源參考平面（電源平面） 



使用去耦電容是解決電源完整性的一個重要措施。去耦電容隻能放置在PCB的頂層和底層。去耦電容的走線、焊盤，以及過孔将嚴重影響去耦電容的效果，這就要求設計時必須考慮連接去耦電容的走線應盡量短而寬，連接到過孔的導線也應盡量短。



例如，在一個高速數字電路中，可以将去耦電容放置在PCB的頂層，将第2層分配給高速數字電路（如處理器）作為電源層，将第3層作為信号層，将第4層設置成高速數字電路闆。



此外，要盡量保證由同一個高速數字器件所驅動的信号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——确定多電源參考平面 



多電源參考平面将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信号層，那麼其附近的信号層上的信号電流将會遭遇不理想的返回路徑，使返回路徑上出現縫隙。對于高速數字信号，這種不合理的返回路徑設計可能會帶來嚴重的問題，所以要求高速數字信号布線應該遠離多電源參考平面。



4——确定多個接地參考平面（接地平面）



多個接地參考平面（接地層）可以提供一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，信号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——合理設計布線組合



一個信号路徑所跨越的兩個層稱為一個“布線組合”。比較好的布線組合設計是避免返回電流從一個參考平面流到另一個參考平面，而是從一個參考平面的一個點（面）流到另一個點（面）。而為了完成複雜的布線，走線的層間轉換是不可避免的。在信号層間轉換時，要保證返回電流可以順利地從一個參考平面流到另一個參考平面。在一個設計中，把鄰近層作為一個布線組合是合理的。如果一個信号路徑需要跨越多個層，将其作為一個布線組合通常不是合理的設計，因為一個經過多層的路徑對于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小參考平面間的介質厚度等來減小地彈，但也非一個好的設計。


6——設定布線方向



在同一信号層上，應保證大多數布線的方向是一緻的，同時應與相鄰信号層的布線方向正交。例如，可以将一個信号層的布線方向設為"Y軸”走向，而将另一個相鄰的信号層布線方向設為“X軸”走向。



7——采用偶數層結構 



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。





從印制電路闆的制造工藝可以了解到，電路闆中的所有導電層就在芯層上，芯層的材料一般是雙面覆闆，當多方面利用芯層時，印制電路闆的導電層數就為偶數。



偶數層印制電路闆具有成本優勢。由于少一層介質和覆銅，故奇數層印制電路闆原材料的成本略低于偶數層的印制電路闆的成本。但因為奇數層印制電路闆需要在芯層結構工藝的基礎上增加非标準的層疊芯層黏合工藝，故造成奇數層印制電路闆的加工成本明顯高于偶數層印制電路闆。與普通芯層結構相比，在芯層結構外添加覆銅将會導緻生産效率下降，生産周期延長。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。增加的外層處理将會大幅度提高制造成本。



當印制電路闆在多層電路黏合工藝後，其内層和外層在冷卻時，不同的層壓張力會使印制電路闆上産生不同程度上的彎曲。而且随着電路闆厚度的增加，具有兩個不同結構的複合印制電路闆彎曲的風險就越大。奇數層電路闆容易彎曲，偶數層印制電路闆可以避免電路闆彎曲。



在設計時，如果出現了奇數層的疊層，可以采用下面的方法來增加層數。



如果設計印制電路闆的電源層為偶數而信号層為奇數，則可采用增加信号層的方法。增加的信号層不會導緻成本的增加，反而可以縮短加工時間、改善印制電路闆質量。



如果設計印制電路闆的電源層為奇數而信号層為偶數，則可采用增加電源層這種方法。而另一個簡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接地層，即先按奇數層印制電路闆布線，再在中間複制一個接地層。



在微波電路和混合介質（介質有不同介電常數）電路中，可以在接近印制電路闆層疊增加一個空白信号層，這樣可以比較小化層疊不平衡性。



8——成本考慮 



在制造成本上，在具有相同的PCB面積的情況下，多層電路闆的成本肯定比單層和雙層電路闆高，而且層數越多，成本越高。但在考慮實現電路功能和電路闆小型化，保證信号完整性、EMl、EMC 等性能指标等因素時，應盡量使用多層電路闆。綜合評價，多層電路闆與單雙層電路闆兩者的成本差異并不會比預期的高很多。