布局中板層的PCB堆疊技術(shù)

2021-06-11

布局中板層的PCB堆疊技術(shù)

電路板層堆疊變化將影響電路板的可制造性和成本。

在配置層堆疊時(shí)要考慮的信號和電源完整性細節。

不同的 PCB 堆疊技術(shù)以及您的設計工具如何幫助您實(shí)現目標。

為了清晰起見(jiàn)，將電路板層分開(kāi)是一種 PCB 堆疊技術(shù)

我們大多數人不知道我們日常生活中使用的不同產(chǎn)品和設備都有什么。您的汽車(chē)可以輕松換檔，但您知道自動(dòng)變速器的工作原理嗎？大多數電子產(chǎn)品用戶(hù)不知道在他們的許多設備的核心構建復雜的電路板需要什么，這并不奇怪。然而，對于我們這些設計 PCB 的人來(lái)說(shuō)，了解如何使用和設計不同的層配置是必不可少的。

電路板不僅僅是一個(gè)支持和連接一系列電子元件的簡(jiǎn)單平臺。電路板中電路的信號和電源完整性會(huì )受到電路板各層配置方式的極大影響。這種層排列不僅影響電路板的電氣性能；它還將決定電路板的制造方式和成本。讓我們更深入地研究這個(gè)主題，看看不同的 PCB 堆疊技術(shù)將如何影響電路板，以及設計人員在使用它們時(shí)需要了解什么。

三個(gè)“M”——材料、可制造性和金錢(qián)

電路板的每一層只能包含有限數量的布線(xiàn)，因此設計中的網(wǎng)絡(luò )越多，布線(xiàn)它們的層數就越多。但是，在開(kāi)始為設計添加圖層之前，重要的是退后一步，看看更大的圖景。您應該考慮的第一個(gè)細節是電路板本身的制造。電路板的層數受其材料、可制造性和建造成本的影響（或將對其產(chǎn)生影響）。

材料

使用 FR-4 制造的標準數字/模擬電路板的數量是已知的，但如果您的電路板使用更奇特的高速材料，更改層數可能會(huì )帶來(lái)一些挑戰。盡管這些材料在控制阻抗、信號性能、尺寸穩定性、熱管理等方面更勝一籌，但它們可能難以使用，并且制造電路板的成本更高。在添加額外的層對之前，請確保首先了解所有含義。

可制造性

電路板的層數越高，制造過(guò)程就越復雜。這不僅會(huì )影響構建原始電路板所需的時(shí)間和金錢(qián)，而且可能會(huì )改變制造商承諾的產(chǎn)量。在您承諾額外的層之前，請確保您的制造商也參與您的決定。

錢(qián)

添加到電路板上的每一層對都會(huì )增加其成本。一般來(lái)說(shuō)，如果從兩層增加到四層，或者從四層增加到六層，制造費用會(huì )增加 40%。之后，它會(huì )降低到 35% 或 30%，但它仍然會(huì )影響您的預算底線(xiàn)。而且，雖然在原型設計階段這似乎沒(méi)什么大不了的，但不要忘記，對于每塊構建的電路板，這個(gè)價(jià)格需要在電路板的整個(gè)生產(chǎn)生命周期內延長(cháng)。

另一方面，在某些情況下，添加圖層可以為您省錢(qián)。根據設計中布線(xiàn)的復雜性，最終可能會(huì )為您節省增加額外層的費用并節省開(kāi)發(fā)預算的時(shí)間。額外的層還可以讓您改變孔的數量和尺寸、走線(xiàn)寬度和間距以及電路板尺寸和厚度——所有這些都可能節省制造時(shí)間和費用。使用額外的層也可能最終成為向設計添加更多組件的唯一方法。正如我們最初所說(shuō)的，重要的是退后一步，先看看更大的圖景。當涉及到層堆疊將如何影響 PCB 的電氣性能時(shí)，這一點(diǎn)更為重要。

電路板上的元件下方顯示多層布線(xiàn)

PCB 電氣注意事項

兩層電路板將不得不與放置在其上的組件共享表面層，因此，添加層可以為零件提供更多空間。此外，設計的其他領(lǐng)域也將受益于向電路板添加層。

信號路由

對于具有大量網(wǎng)絡(luò )的設計，多層電路板通常是完成走線(xiàn)布線(xiàn)的唯一選擇。此外，額外的層將有助于以下方面：

串擾：當走線(xiàn)在一層上都擠在一起時(shí)，這些走線(xiàn)可能會(huì )相互耦合并產(chǎn)生噪聲。向電路板添加層允許這些敏感網(wǎng)絡(luò )展開(kāi)并在相鄰層上垂直布線(xiàn)。

EMI：附加層允許設計人員將布線(xiàn)層與接地層分開(kāi)，以降低 EMI 敏感性和輻射。

高速：傳輸線(xiàn)布線(xiàn)也可以利用額外的層，如果它們用作參考平面以確保干凈的信號返回路徑。

電源和地平面

電路板上的許多組件都需要多個(gè)電壓等級來(lái)滿(mǎn)足其電源要求。試圖在兩層電路板上保持良好的電源完整性可能具有挑戰性，因為所有這些電源都必須通過(guò)單獨的走線(xiàn)運行。將電路板中的額外層用于額外的電源層有助于解決這個(gè)問(wèn)題。即使電路板上有多個(gè)電壓電平，也可以拆分電源層以管理組件的不同電源要求。

電路板中附加層的主要好處之一是能夠配置多個(gè)接地層。除了有助于改善電路板的供電網(wǎng)絡(luò )之外，地平面還可以作為信號返回路徑的參考平面。對于兩層設計，這些返回路徑通常僅限于接地跡線(xiàn)，并可能導致電路板中的許多信號完整性問(wèn)題。但是，通過(guò)多層板中的專(zhuān)用參考平面，高速布線(xiàn)可以位于與其參考平面直接相鄰的層上，以實(shí)現干凈的信號返回。

信號完整性

高速設計通常需要微帶或帶狀線(xiàn)層配置來(lái)路由敏感傳輸線(xiàn)。雖然微帶線(xiàn)配置在外部層布線(xiàn)，但帶狀線(xiàn)配置需要內部布線(xiàn)層和接地層，而這只能通過(guò)多層設計來(lái)實(shí)現。您可以在下圖中看到這些 PCB 層配置的一些示例。 

曾幾何時(shí)，增加多層電路板的層數只是為了為電路板上的額外網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)創(chuàng )造空間。然而，現在必須設計一個(gè)良好的多層堆疊配置，以保護電路板免受外部噪聲源的影響，并防止電路板傳播它們。接下來(lái)，我們將了解一些可用于多層設計的 PCB 堆疊技術(shù)。

微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)布線(xiàn)層配置示例

不同層配置和 PCB 堆疊技術(shù)

多層電路板從三層開(kāi)始，直到它們受到電路板寬度和可用制造技術(shù)的限制。通常，設計人員會(huì )在四層、六層和八層板之間進(jìn)行選擇。以下是這些板中層配置的一些示例。

四層板

四層板的變化不大。通常，這些板將混合固體金屬平面和布線(xiàn)電源和接地。在某些情況下，內部層可能有一個(gè)完整的接地層，或者在外部層上使用電源和接地填充物，內部信號路由。

六層板

傳統的六層電路板疊層被安排為頂部、信號、地平面、電源平面、信號和底部。這種配置提供的信號完整性非常差，因為內部信號層不在兩個(gè)平面之間，并且會(huì )產(chǎn)生大量 EMI。更好的配置如下：

頂部信號

地平面

內部信號

內部信號

電源平面

底部信號

只要敏感走線(xiàn)保留在內部信號層上，這種配置就可以提供更干凈的信號完整性解決方案。這樣，傳輸線(xiàn)可以使用相鄰的電源層和接地層作為它們的參考平面，盡管它們仍然沒(méi)有對稱(chēng)的帶狀線(xiàn)配置可以利用。最好的六層堆疊之一將內部信號層換成另一個(gè)接地層，以創(chuàng )建帶狀線(xiàn)配置。當然，問(wèn)題是整個(gè)布線(xiàn)層都丟失了，但電路板將具有更好的信號完整性保護，用于高速設計。

八層板

隨著(zhù)層數的增加，可能的變體數量也會(huì )增加，因此我們不會(huì )考慮不同的變體。相反，這里是一個(gè)八層板疊層，它將提供良好的信號完整性保護：

頂層

地平面

內部信號

電源平面

地平面

內部信號

電源平面

底層

現在的任務(wù)是如何設置這些板層堆疊，而這正是您的 PCB 設計工具可以提供幫助的地方。

PCB 設計人員的另一個(gè)非常重要的資源是他們的電路板制造商。這些人圍繞為客戶(hù)配置和構建板層堆疊而建立了自己的業(yè)務(wù)，并且他們知道自己在做什么。他們將能夠為您提供適合您的設計類(lèi)型、所需材料和成本的最佳 PCB 堆疊技術(shù)建議。在許多情況下，PCB 制造商可以使用您的信息來(lái)制定最佳的 PCB 層堆疊，然后將該數據直接發(fā)送回您的 CAD 系統。