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

电路板层堆叠变化将影响电路板的可制造性和成本。

在配置层堆叠时要考虑的信号和电源完整性细节。

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。

为了清晰起见，将电路板层分开是一种 PCB 堆叠技术

我们大多数人不知道我们日常生活中使用的不同产品和设备都有什么。您的汽车可以轻松换档，但您知道自动变速器的工作原理吗？大多数电子产品用户不知道在他们的许多设备的核心构建复杂的电路板需要什么，这并不奇怪。然而，对于我们这些设计 PCB 的人来说，了解如何使用和设计不同的层配置是必不可少的。

电路板不仅仅是一个支持和连接一系列电子元件的简单平台。电路板中电路的信号和电源完整性会受到电路板各层配置方式的极大影响。这种层排列不仅影响电路板的电气性能；它还将决定电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电路板，以及设计人员在使用它们时需要了解什么。

三个“M”——材料、可制造性和金钱

电路板的每一层只能包含有限数量的布线，因此设计中的网络越多，布线它们的层数就越多。但是，在开始为设计添加图层之前，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电路板本身的制造。电路板的层数受其材料、可制造性和建造成本的影响（或将对其产生影响）。

材料

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

可制造性

电路板的层数越高，制造过程就越复杂。这不仅会影响构建原始电路板所需的时间和金钱，而且可能会改变制造商承诺的产量。在您承诺额外的层之前，请确保您的制造商也参与您的决定。

钱

添加到电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线。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，对于每块构建的电路板，这个价格需要在电路板的整个生产生命周期内延长。

另一方面，在某些情况下，添加图层可以为您省钱。根据设计中布线的复杂性，最终可能会为您节省增加额外层的费用并节省开发预算的时间。额外的层还可以让您改变孔的数量和尺寸、走线宽度和间距以及电路板尺寸和厚度——所有这些都可能节省制造时间和费用。使用额外的层也可能最终成为向设计添加更多组件的唯一方法。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 的电气性能时，这一点更为重要。

电路板上的元件下方显示多层布线

PCB 电气注意事项

两层电路板将不得不与放置在其上的组件共享表面层，因此，添加层可以为零件提供更多空间。此外，设计的其他领域也将受益于向电路板添加层。

信号路由

对于具有大量网络的设计，多层电路板通常是完成走线布线的唯一选择。此外，额外的层将有助于以下方面：

串扰：当走线在一层上都挤在一起时，这些走线可能会相互耦合并产生噪声。向电路板添加层允许这些敏感网络展开并在相邻层上垂直布线。

EMI：附加层允许设计人员将布线层与接地层分开，以降低 EMI 敏感性和辐射。

高速：传输线布线也可以利用额外的层，如果它们用作参考平面以确保干净的信号返回路径。

电源和地平面

电路板上的许多组件都需要多个电压等级来满足其电源要求。试图在两层电路板上保持良好的电源完整性可能具有挑战性，因为所有这些电源都必须通过单独的走线运行。将电路板中的额外层用于额外的电源层有助于解决这个问题。即使电路板上有多个电压电平，也可以拆分电源层以管理组件的不同电源要求。

电路板中附加层的主要好处之一是能够配置多个接地层。除了有助于改善电路板的供电网络之外，地平面还可以作为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线，并可能导致电路板中的许多信号完整性问题。但是，通过多层板中的专用参考平面，高速布线可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线层配置来路由敏感传输线。虽然微带线配置在外部层布线，但带状线配置需要内部布线层和接地层，而这只能通过多层设计来实现。您可以在下图中看到这些 PCB 层配置的一些示例。 

曾几何时，增加多层电路板的层数只是为了为电路板上的额外网络布线创造空间。然而，现在必须设计一个良好的多层堆叠配置，以保护电路板免受外部噪声源的影响，并防止电路板传播它们。接下来，我们将了解一些可用于多层设计的 PCB 堆叠技术。

微带线和带状线布线层配置示例

不同层配置和 PCB 堆叠技术

多层电路板从三层开始，直到它们受到电路板宽度和可用制造技术的限制。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，这些板将混合固体金属平面和布线电源和接地。在某些情况下，内部层可能有一个完整的接地层，或者在外部层上使用电源和接地填充物，内部信号路由。

六层板

传统的六层电路板叠层被安排为顶部、信号、地平面、电源平面、信号和底部。这种配置提供的信号完整性非常差，因为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

电源平面

底部信号

只要敏感走线保留在内部信号层上，这种配置就可以提供更干净的信号完整性解决方案。这样，传输线可以使用相邻的电源层和接地层作为它们的参考平面，尽管它们仍然没有对称的带状线配置可以利用。最好的六层堆叠之一将内部信号层换成另一个接地层，以创建带状线配置。当然，问题是整个布线层都丢失了，但电路板将具有更好的信号完整性保护，用于高速设计。

八层板

随着层数的增加，可能的变体数量也会增加，因此我们不会考虑不同的变体。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

电源平面

地平面

内部信号

电源平面

底层

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

PCB 设计人员的另一个非常重要的资源是他们的电路板制造商。这些人围绕为客户配置和构建板层堆叠而建立了自己的业务，并且他们知道自己在做什么。他们将能够为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。在许多情况下，PCB 制造商可以使用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。