多层板PCB设计知识

一、多层PCB层叠结构

在设计多层PCB电路板之前，设计者需要首先根据电路的规模、电路板的尺寸和电磁兼容（EMC）的要求来确定所采用的电路板结构，也就是决定采用 4 层，6 层，还是更多层数的电路板。确定层数之后，再确定内电层的放置位置以及如何在这些层上分布不同的信号。这就是多层PCB层叠结构的选择问题。层叠结构是影响PCB板EMC性能的一个重要因素，也是抑制电磁干扰的一个重要手段。

1、层数的选择和叠加原则

确定多层PCB板的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说，层数越多越利于布线，但是制板成本和难度也会随之增加。对于生产厂家来说，层叠结构对称与否是PCB板制造时需要关注的焦点，所以层数的选择需要考虑各方面的需求，以达到最佳的平衡。

对于有经验的设计人员来说，在完成元器件的预布局后，会对PCB的布线瓶颈处进行重点分析。结合其他EDA工具分析电路板的布线密度；再综合有特殊布线要求的信号线如差分线、敏感信号线等的数量和种类来确定信号层的层数；然后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的数目。这样，整个电路板的板层数目就基本确定了。

确定了电路板的层数后，接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。在这一步骤中，需要考虑的因素主要有以下两点：
（1）特殊信号层的分布

（2）电源层和地层的分布。

如果电路板的层数越多，特殊信号层、地层和电源层的排列组合的种类也就越多，如何来确
定哪种组合方式最优也越困难，但总的原则有以下几条：
（1）信号层应该与一个内电层相邻（内部电源/地层），利用内电层的大铜膜来为信号层提供屏蔽

（2）内部电源层和地层之间应该紧密耦合，也就是说，内部电源层和地层之间的介质厚度

应该取较小的值，以提高电源层和地层之间的电容，增大谐振频率。内部电源层和地层之间的介质厚度可以在Protel的Layer Stack Manager（层堆栈管理器）中进行设置。选择【Design】/【Layer Stack Manager…】命令，系统弹出层堆栈管理器对话框，用鼠标双击 Prepreg 文本，弹出如下图所示对话框，可在该对话框的Thickness选项中改变绝缘层的厚度。

如果电源和地线之间的电位差不大的话，可以采用较小的绝缘层厚度，例如 5mil（0.127mm）。
（3）电路中的高速信号传输层应该是信号中间层，并且夹在两个内电层之间。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，同时也能有效地将高速信号的辐射限制在两个内电层之间，不对外造成干扰。
（4）避免两个信号层直接相邻。相邻的信号层之间容易引入串扰，从而导致电路功能失效。在两信号层之间加入地平面可以有效地避免串扰。
（5）多个接地的内电层可以有效地降低接地阻抗。例如，A 信号层和 B 信号层采用各自单独的地平面，可以有效地降低共模干扰。

（6）兼顾层结构的对称性。

1.2 常用的层叠结构：

下面通过 4 层板的例子来说明如何优选各种层叠结构的排列组合方式。
对于常用的 4 层板来说，有以下几种层叠方式（从顶层到底层）。
（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），POWER（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。
（2）Siganl_1（Top），POWER（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。
（3）POWER（Top），Siganl_1（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。
显然，方案3电源层和地层缺乏有效的耦合，不应该被采用。

那么方案1和方案2应该如何进行选择呢？

一般情况下，设计人员都会选择方案1作为4层板的结构。选择的原因并非方案 2 不可被采用，而是一般的 PCB 板都只在顶层放置元器件，所以采用方案1较为妥当。但是当在顶层和底层都需要放置元器件，而且内部电源层和地层之间的介质厚度较大，耦合不佳时，就需要考虑哪一层布置的信号线较少。对于方案1而言，底层的信号线较少，可以采用大面积的铜膜来与POWER层耦合；反之，如果元器件主要布置在底层，则应该选用方案2来制板。

如果采用如图 11-1 所示的层叠结构，那么电源层和地线层本身就已经耦合，考虑对称性的要求，一般采用方案1。在完成4层板的层叠结构分析后，下面通过一个 6 层板组合方式的例子来说明 6 层板层叠结构的排列组合方式和优选方法。
（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），Siganl_3（Inner_3），POWER（Inner_4），Siganl_4（Bottom）。
方案1采用了4层信号层和2层内部电源/接地层，具有较多的信号层，有利于元器件之间的布线工作，但是该方案的缺陷也较为明显，表现为以下两方面：
① 电源层和地线层分隔较远，没有充分耦合。
② 信号层 Siganl_2（Inner_2）和 Siganl_3（Inner_3）直接相邻，信号隔离性不好，容易发生串扰。

（2）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），POWER（Inner_2），GND（Inner_3），Siganl_3（Inner_4），Siganl_4（Bottom）。

方案2相对于方案1，电源层和地线层有了充分的耦合，比方案 1 有一定的优势，但是Siganl_1（Top）和 Siganl_2（Inner_1）以及 Siganl_3（Inner_4）和 Siganl_4（Bottom）信号层直接相邻，信号隔离不好，容易发生串扰的问题并没有得到解决。

（3）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），POWER（Inner_3），GND（Inner_4），Siganl_3（Bottom）。

相对于方案 1 和方案 2，方案 3 减少了一个信号层，多了一个内电层，虽然可供布线的层面减少了，但是该方案解决了方案 1 和方案 2 共有的缺陷。
① 电源层和地线层紧密耦合。
② 每个信号层都与内电层直接相邻，与其他信号层均有有效的隔离，不易发生串扰。

③ Siganl_2（Inner_2）和两个内电层 GND（Inner_1）和 POWER（Inner_3）相邻，可以用来传输高速信号。两个内电层可以有效地屏蔽外界对 Siganl_2（Inner_2）层的干扰和Siganl_2（Inner_2）对外界的干扰。

综合各个方面，方案 3 显然是最优化的一种，同时，方案 3 也是 6 层板常用的层叠结构。通过对以上两个例子的分析，相信读者已经对层叠结构有了一定的认识，但是在有些时候，某一个方案并不能满足所有的要求，这就需要考虑各项设计原则的优先级问题。遗憾的是由于电路板的板层设计和实际电路的特点密切相关，不同电路的抗干扰性能和设计侧重点各有所不同，所以事实上这些原则并没有确定的优先级可供参考。但可以确定的是，设计原则 2（内部电源层和地层之间应该紧密耦合）在设计时需要首先得到满足，另外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，并且夹在两个内电层之间）就必须得到满足。下图11-1 给出了多层板层叠结构的参考方案。（仅供参考）

资料来源：一牛网论坛

关键字：PCB、PCB设计、PCB板

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