布局中板層的PCB堆疊技術

2021-06-11

布局中板層的PCB堆疊技術

電路板層堆疊變化將影響電路板的可制造性和成本。

在配置層堆疊時要考慮的信號和電源完整性細節。

不同的 PCB 堆疊技術以及您的設計工具如何幫助您實現目標。

為了清晰起見，將電路板層分開是一種 PCB 堆疊技術

我們大多數人不知道我們日常生活中使用的不同產品和設備都有什么。您的汽車可以輕松換檔，但您知道自動變速器的工作原理嗎？大多數電子產品用戶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 的人來說，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支持和連接一系列電子元件的簡單平臺。電路板中電路的信號和電源完整性會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主題，看看不同的 PCB 堆疊技術將如何影響電路板，以及設計人員在使用它們時需要了解什么。

三個“M”——材料、可制造性和金錢

電路板的每一層只能包含有限數量的布線，因此設計中的網絡越多，布線它們的層數就越多。但是，在開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，更改層數可能會帶來一些挑戰。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，制造過程就越復雜。這不僅會影響構建原始電路板所需的時間和金錢，而且可能會改變制造商承諾的產量。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

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

另一方面，在某些情況下，添加圖層可以為您省錢。根據設計中布線的復雜性，最終可能會為您節省增加額外層的費用并節省開發預算的時間。額外的層還可以讓您改變孔的數量和尺寸、走線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，這一點更為重要。

電路板上的元件下方顯示多層布線

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，設計的其他領域也將受益于向電路板添加層。

信號路由

對于具有大量網絡的設計，多層電路板通常是完成走線布線的唯一選擇。此外，額外的層將有助于以下方面：

串擾：當走線在一層上都擠在一起時，這些走線可能會相互耦合并產生噪聲。向電路板添加層允許這些敏感網絡展開并在相鄰層上垂直布線。

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

高速：傳輸線布線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電壓等級來滿足其電源要求。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單獨的走線運行。將電路板中的額外層用于額外的電源層有助于解決這個問題。即使電路板上有多個電壓電平，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接地層。除了有助于改善電路板的供電網絡之外，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，并可能導致電路板中的許多信號完整性問題。但是，通過多層板中的專用參考平面，高速布線可以位于與其參考平面直接相鄰的層上，以實現干凈的信號返回。

信號完整性

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

曾幾何時，增加多層電路板的層數只是為了為電路板上的額外網絡布線創造空間。然而，現在必須設計一個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，我們將了解一些可用于多層設計的 PCB 堆疊技術。

微帶線和帶狀線布線層配置示例

不同層配置和 PCB 堆疊技術

多層電路板從三層開始，直到它們受到電路板寬度和可用制造技術的限制。通常，設計人員會在四層、六層和八層板之間進行選擇。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電源和接地。在某些情況下，內部層可能有一個完整的接地層，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平面之間，并且會產生大量 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，盡管它們仍然沒有對稱的帶狀線配置可以利用。最好的六層堆疊之一將內部信號層換成另一個接地層，以創建帶狀線配置。當然，問題是整個布線層都丟失了，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

隨著層數的增加，可能的變體數量也會增加，因此我們不會考慮不同的變體。相反，這里是一個八層板疊層，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。這些人圍繞為客戶配置和構建板層堆疊而建立了自己的業務，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型、所需材料和成本的最佳 PCB 堆疊技術建議。在許多情況下，PCB 制造商可以使用您的信息來制定最佳的 PCB 層堆疊，然后將該數據直接發送回您的 CAD 系統。