布局中板层的PCB堆叠技术

2021-06-11

布局中板层的PCB堆叠技术

電(diàn)路板层堆叠变化将影响電(diàn)路板的可(kě)制造性和成本。

在配置层堆叠时要考虑的信号和電(diàn)源完整性细节。

不同的 PCB 堆叠技术以及您的设计工具如何帮助您实现目标。

為(wèi)了清晰起见，将電(diàn)路板层分(fēn)开是一种 PCB 堆叠技术

我们大多(duō)数人不知道我们日常生活中使用(yòng)的不同产品和设备都有(yǒu)什么。您的汽車(chē)可(kě)以轻松换档，但您知道自动变速器的工作原理(lǐ)吗？大多(duō)数電(diàn)子产品用(yòng)户不知道在他(tā)们的许多(duō)设备的核心构建复杂的電(diàn)路板需要什么，这并不奇怪。然而，对于我们这些设计 PCB 的人来说，了解如何使用(yòng)和设计不同的层配置是必不可(kě)少的。

電(diàn)路板不仅仅是一个支持和连接一系列電(diàn)子元件的简单平台。電(diàn)路板中電(diàn)路的信号和電(diàn)源完整性会受到電(diàn)路板各层配置方式的极大影响。这种层排列不仅影响電(diàn)路板的電(diàn)气性能(néng)；它还将决定電(diàn)路板的制造方式和成本。让我们更深入地研究这个主题，看看不同的 PCB 堆叠技术将如何影响電(diàn)路板，以及设计人员在使用(yòng)它们时需要了解什么。

三个“M”——材料、可(kě)制造性和金钱

電(diàn)路板的每一层只能(néng)包含有(yǒu)限数量的布線(xiàn)，因此设计中的网络越多(duō)，布線(xiàn)它们的层数就越多(duō)。但是，在开始為(wèi)设计添加图层之前，重要的是退后一步，看看更大的图景。您应该考虑的第一个细节是電(diàn)路板本身的制造。電(diàn)路板的层数受其材料、可(kě)制造性和建造成本的影响（或将对其产生影响）。

材料

使用(yòng) FR-4 制造的标准数字/模拟電(diàn)路板的数量是已知的，但如果您的電(diàn)路板使用(yòng)更奇特的高速材料，更改层数可(kě)能(néng)会带来一些挑战。尽管这些材料在控制阻抗、信号性能(néng)、尺寸稳定性、热管理(lǐ)等方面更胜一筹，但它们可(kě)能(néng)难以使用(yòng)，并且制造電(diàn)路板的成本更高。在添加额外的层对之前，请确保首先了解所有(yǒu)含义。

可(kě)制造性

電(diàn)路板的层数越高，制造过程就越复杂。这不仅会影响构建原始電(diàn)路板所需的时间和金钱，而且可(kě)能(néng)会改变制造商(shāng)承诺的产量。在您承诺额外的层之前，请确保您的制造商(shāng)也参与您的决定。

钱

添加到電(diàn)路板上的每一层对都会增加其成本。一般来说，如果从两层增加到四层，或者从四层增加到六层，制造费用(yòng)会增加 40%。之后，它会降低到 35% 或 30%，但它仍然会影响您的预算底線(xiàn)。而且，虽然在原型设计阶段这似乎没什么大不了的，但不要忘记，对于每块构建的電(diàn)路板，这个价格需要在電(diàn)路板的整个生产生命周期内延長(cháng)。

另一方面，在某些情况下，添加图层可(kě)以為(wèi)您省钱。根据设计中布線(xiàn)的复杂性，最终可(kě)能(néng)会為(wèi)您节省增加额外层的费用(yòng)并节省开发预算的时间。额外的层还可(kě)以让您改变孔的数量和尺寸、走線(xiàn)宽度和间距以及電(diàn)路板尺寸和厚度——所有(yǒu)这些都可(kě)能(néng)节省制造时间和费用(yòng)。使用(yòng)额外的层也可(kě)能(néng)最终成為(wèi)向设计添加更多(duō)组件的唯一方法。正如我们最初所说的，重要的是退后一步，先看看更大的图景。当涉及到层堆叠将如何影响 PCB 的電(diàn)气性能(néng)时，这一点更為(wèi)重要。

電(diàn)路板上的元件下方显示多(duō)层布線(xiàn)

PCB 電(diàn)气注意事项

两层電(diàn)路板将不得不与放置在其上的组件共享表面层，因此，添加层可(kě)以為(wèi)零件提供更多(duō)空间。此外，设计的其他(tā)领域也将受益于向電(diàn)路板添加层。

信号路由

对于具有(yǒu)大量网络的设计，多(duō)层電(diàn)路板通常是完成走線(xiàn)布線(xiàn)的唯一选择。此外，额外的层将有(yǒu)助于以下方面：

串扰：当走線(xiàn)在一层上都挤在一起时，这些走線(xiàn)可(kě)能(néng)会相互耦合并产生噪声。向電(diàn)路板添加层允许这些敏感网络展开并在相邻层上垂直布線(xiàn)。

EMI：附加层允许设计人员将布線(xiàn)层与接地层分(fēn)开，以降低 EMI 敏感性和辐射。

高速：传输線(xiàn)布線(xiàn)也可(kě)以利用(yòng)额外的层，如果它们用(yòng)作参考平面以确保干净的信号返回路径。

電(diàn)源和地平面

電(diàn)路板上的许多(duō)组件都需要多(duō)个電(diàn)压等级来满足其電(diàn)源要求。试图在两层電(diàn)路板上保持良好的電(diàn)源完整性可(kě)能(néng)具有(yǒu)挑战性，因為(wèi)所有(yǒu)这些電(diàn)源都必须通过单独的走線(xiàn)运行。将電(diàn)路板中的额外层用(yòng)于额外的電(diàn)源层有(yǒu)助于解决这个问题。即使電(diàn)路板上有(yǒu)多(duō)个電(diàn)压電(diàn)平，也可(kě)以拆分(fēn)電(diàn)源层以管理(lǐ)组件的不同電(diàn)源要求。

電(diàn)路板中附加层的主要好处之一是能(néng)够配置多(duō)个接地层。除了有(yǒu)助于改善電(diàn)路板的供電(diàn)网络之外，地平面还可(kě)以作為(wèi)信号返回路径的参考平面。对于两层设计，这些返回路径通常仅限于接地迹線(xiàn)，并可(kě)能(néng)导致電(diàn)路板中的许多(duō)信号完整性问题。但是，通过多(duō)层板中的专用(yòng)参考平面，高速布線(xiàn)可(kě)以位于与其参考平面直接相邻的层上，以实现干净的信号返回。

信号完整性

高速设计通常需要微带或带状線(xiàn)层配置来路由敏感传输線(xiàn)。虽然微带線(xiàn)配置在外部层布線(xiàn)，但带状線(xiàn)配置需要内部布線(xiàn)层和接地层，而这只能(néng)通过多(duō)层设计来实现。您可(kě)以在下图中看到这些 PCB 层配置的一些示例。 

曾几何时，增加多(duō)层電(diàn)路板的层数只是為(wèi)了為(wèi)電(diàn)路板上的额外网络布線(xiàn)创造空间。然而，现在必须设计一个良好的多(duō)层堆叠配置，以保护電(diàn)路板免受外部噪声源的影响，并防止電(diàn)路板传播它们。接下来，我们将了解一些可(kě)用(yòng)于多(duō)层设计的 PCB 堆叠技术。

微带線(xiàn)和带状線(xiàn)布線(xiàn)层配置示例

不同层配置和 PCB 堆叠技术

多(duō)层電(diàn)路板从三层开始，直到它们受到電(diàn)路板宽度和可(kě)用(yòng)制造技术的限制。通常，设计人员会在四层、六层和八层板之间进行选择。以下是这些板中层配置的一些示例。

四层板

四层板的变化不大。通常，这些板将混合固體(tǐ)金属平面和布線(xiàn)電(diàn)源和接地。在某些情况下，内部层可(kě)能(néng)有(yǒu)一个完整的接地层，或者在外部层上使用(yòng)電(diàn)源和接地填充物(wù)，内部信号路由。

六层板

传统的六层電(diàn)路板叠层被安排為(wèi)顶部、信号、地平面、電(diàn)源平面、信号和底部。这种配置提供的信号完整性非常差，因為(wèi)内部信号层不在两个平面之间，并且会产生大量 EMI。更好的配置如下：

顶部信号

地平面

内部信号

内部信号

電(diàn)源平面

底部信号

只要敏感走線(xiàn)保留在内部信号层上，这种配置就可(kě)以提供更干净的信号完整性解决方案。这样，传输線(xiàn)可(kě)以使用(yòng)相邻的電(diàn)源层和接地层作為(wèi)它们的参考平面，尽管它们仍然没有(yǒu)对称的带状線(xiàn)配置可(kě)以利用(yòng)。最好的六层堆叠之一将内部信号层换成另一个接地层，以创建带状線(xiàn)配置。当然，问题是整个布線(xiàn)层都丢失了，但電(diàn)路板将具有(yǒu)更好的信号完整性保护，用(yòng)于高速设计。

八层板

随着层数的增加，可(kě)能(néng)的变體(tǐ)数量也会增加，因此我们不会考虑不同的变體(tǐ)。相反，这里是一个八层板叠层，它将提供良好的信号完整性保护：

顶层

地平面

内部信号

電(diàn)源平面

地平面

内部信号

電(diàn)源平面

底层

现在的任務(wù)是如何设置这些板层堆叠，而这正是您的 PCB 设计工具可(kě)以提供帮助的地方。

PCB 设计人员的另一个非常重要的资源是他(tā)们的電(diàn)路板制造商(shāng)。这些人围绕為(wèi)客户配置和构建板层堆叠而建立了自己的业務(wù)，并且他(tā)们知道自己在做什么。他(tā)们将能(néng)够為(wèi)您提供适合您的设计类型、所需材料和成本的最佳 PCB 堆叠技术建议。在许多(duō)情况下，PCB 制造商(shāng)可(kě)以使用(yòng)您的信息来制定最佳的 PCB 层堆叠，然后将该数据直接发送回您的 CAD 系统。