PCB叠层设计层布局原理及常见叠层结构

设计前 多层板 电路板,设计人员首先需要根据电路规模、电路板尺寸和电磁兼容(EMC)要求确定所采用的电路板结构,即决定是使用4层、6层还是更多层的电路板. 确定层数后,确定放置内部电气层的位置以及如何在这些层上分配不同的信号。 这是多层PCB堆叠结构的选择。

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叠层结构是影响PCB板EMC性能的重要因素,也是抑制电磁干扰的重要手段。 本文介绍了多层PCB板叠层结构的相关内容。

在确定了电源层、地层和信号层的数量后,它们的相对排列是每个PCB工程师都无法回避的话题;

层布置的一般原则:

1、确定多层PCB板的叠层结构,需要考虑的因素较多。 从布线的角度看,层数越多布线越好,但制板的成本和难度也会增加。 对于制造商来说,叠层结构是否对称是PCB板制造时需要注意的重点,因此层数的选择需要考虑各方面的需要,以达到最佳平衡。 对于有经验的设计师来说,在完成元器件的预布局后,他们会重点分析PCB布线瓶颈。 结合其他EDA工具,分析电路板的布线密度; 然后综合有特殊布线要求的信号线的数量和类型,如差分线、敏感信号线等,确定信号层数; 然后根据电源类型、隔离和抗干扰的要求确定内部电气层数。 这样,整个电路板的层数就基本确定了。

2、元件表面的底部(第二层)为地平面,为顶部布线提供器件屏蔽层和参考平面; 敏感信号层应与内部电气层(内部电源/接地层)相邻,使用较大的内部电气层铜膜为信号层提供屏蔽。 电路中的高速信号传输层应该是信号中间层,夹在两个内部的电气层之间。 这样,两个内电层的铜膜可以为高速信号传输提供电磁屏蔽,同时可以有效地限制两个内电层之间的高速信号的辐射,而不会造成外部干扰。

3、所有信号层尽量靠近地平面;

4、尽量避免两个信号层直接相邻; 容易在相邻信号层之间引入串扰,导致电路功能失效。 在两个信号层之间增加一个地平面可以有效地避免串扰。

5、主电源尽量靠近相应;

6. 考虑叠层结构的对称性。

7、对于主板的分层布局,现有主板难以控制平行长距离布线。 对于50MHZ以上的板级工作频率(参考50MHZ以下的情况,请适当放宽),建议安排原则:

元件面和焊接面为一个完整的地平面(屏蔽);没有相邻的平行布线层;所有信号层都尽可能靠近地平面;

关键信号与地面相邻,不跨越隔板。

注意:在设置具体的PCB层时,要灵活掌握以上原则。 基于对上述原理的理解,根据单板的实际需求,如:是否需要关键布线层、电源、地平面划分等,确定各层的排列,不要不要只是直截了当地复制它,或者坚持下去。

8、多个接地的内部电气层,可有效降低接地阻抗。 例如,A信号层和B信号层使用独立的地平面,可以有效降低共模干扰。

常用分层结构:4层板

下面以4层板为例,说明如何优化各种叠层结构的排列组合。

对于常用的4层板,有如下堆叠方式(从上到下)。

(1) Siganl_1(顶部)、GND(Inner_1)、POWER(Inner_2)、Siganl_2(底部)。

(2) Siganl_1(顶部)、POWER(Inner_1)、GND(Inner_2)、Siganl_2(底部)。

(3) POWER(顶部)、Siganl_1(Inner_1)、GND(Inner_2)、Siganl_2(底部)。

显然,方案3在电源层和地层之间缺乏有效耦合,不应采用。

那么选项1和选项2应该如何选择呢?

一般情况下,设计者会选择方案1作为4层板的结构。 选择的原因不是方案2不能采用,而是一般PCB板只将元器件放置在顶层,所以采用方案1更为合适。

但当元件需要同时放置在顶层和底层,且内部电源层与地层之间的介质厚度较大且耦合性较差时,就需要考虑哪一层的信号线较少。 方案一,底层信号线较少,可以采用大面积铜膜与POWER层耦合; 反之,如果元器件主要布置在底层,则应采用方案1来制作电路板。

如果采用叠层结构,电源层和接地层已经耦合。 考虑到对称性的要求,一般采用方案1。

6层板

完成4层板的叠层结构分析后,下面以6层板组合为例,说明6层板的排列组合及优选方法。

(1) Siganl_1(顶部)、GND(Inner_1)、Siganl_2(Inner_2)、Siganl_3(Inner_3)、电源(Inner_4)、Siganl_4(底部)。

方案一采用1个信号层和4个内部电源/地层,信号层数较多,有利于元器件之间的布线工作,但这种方案的缺陷也比较明显,主要表现在以下两个方面:

①电源平面和地平面相距较远,耦合不充分。

②信号层Siganl_2(Inner_2)和Siganl_3(Inner_3)直接相邻,信号隔离不好,容易产生串扰。

(2) Siganl_1(顶部)、Siganl_2(Inner_1)、POWER(Inner_2)、GND(Inner_3)、Siganl_3(Inner_4)、Siganl_4(底部)。

方案2 与方案1相比,电源层和地平面是全耦合的,相比方案1有一定的优势,但

Siganl_1 (Top) 和 Siganl_2 (Inner_1) 以及 Siganl_3 (Inner_4) 和 Siganl_4 (Bottom) 信号层彼此直接相邻。 信号隔离不好,串扰问题没有解决。

(3) Siganl_1(顶部)、GND(Inner_1)、Siganl_2(Inner_2)、POWER(Inner_3)、GND(Inner_4)、Siganl_3(底部)。

与方案1和方案2相比,方案3少了一层信号层,多了一层内部电气层。 虽然减少了可布线的层数,但该方案解决了方案1和方案2的共同缺陷。

① 电源层和地层紧密耦合。

②各信号层与内电层直接相邻,与其他信号层有效隔离,不易发生串扰。

③ Siganl_2(Inner_2)与两个内部电气层GND(Inner_1)和POWER(Inner_3)相邻,可用于传输高速信号。 两个内电层可以有效屏蔽外界对Siganl_2(Inner_2)层的干扰和Siganl_2(Inner_2)对外界的干扰。

从各方面来看,方案3显然是最优化的。 同时,方案3也是6层板常用的叠层结构。 通过以上两个例子的分析,相信读者对级联结构有了一定的了解,但是在某些情况下,某个方案并不能满足所有的要求,这就需要考虑各种设计原则的优先级。 遗憾的是,由于电路板层数设计与实际电路的特性密切相关,不同电路的抗干扰性能和设计重点各不相同,因此实际上这些原则并没有确定的优先级可供参考。 但可以肯定的是,在设计中首先需要满足设计原则2(内部电源层和地层要紧耦合),如果电路中需要传输高速信号,那么设计原则3 (电路中的高速信号传输层)应该是信号中间层,夹在两个内部电气层之间)必须满足。

10层板

PCB典型10层板设计

一般布线顺序为TOP-GND—信号层—电源层—GND—信号层—电源层—信号层—GND—BOTTOM

布线顺序本身不一定是固定的,但有一些标准和原则对其进行限制:例如,顶层和底层的相邻层使用GND,以保证单板的EMC特性; 例如,每个信号层优选地使用GND层作为参考平面; 整块单板使用的电源优先铺设在整块铜板上; 易感者、高速者、首选沿内层跳跃等。