PCB叠层设计（2）1~8层板设计示例

显示全部楼层 · 2024-1-12 14:24:48

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层叠结构与阻抗设计的流程

在获得以上几项先决参数后，可以开始层叠结构的设计。层叠结构设计的目标是确定以下几项参数：

[li]信号层、电源层、地层的排列。[/li][li]信号层、电源层、地层以及填充层的厚度。[/li][li]在信号层上，单端信号的线宽，差分对信号的线宽以及对内信号线的间距。[/li]

1.信号层、电源层、地层的排列

在多层板中，信号层、电源层、地层的排列顺序，对信号完整性有很大的影响。
如下图，列出两种六层板的层叠结构，两种结构都由四层信号层与一层电源层、一层地层构成，但两种结构信号层的信号完整性性能却完全不同。

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六层板的层叠结构（1）结构 1 分析
电源层与地层相邻，且距离较近，可以很好地实现电源与地之间的耦合。
电路设计中，常常在器件的电源引脚和地引脚之间并联许多电容，其目的之一就是为了减小电源平面与地平面之间的阻抗，以便使电源平面所受到的干扰更容易地泄放到相对稳定的地平面上。而层叠结构设计中，电源平面与地平面之间的紧密耦合，可理解为在两者之间寄生了大量的小电容，因此对降低电源平面与地平面之间的阻抗有极好的作用。
信号层3与地层相邻，以完整的地层作为参考平面，因此信号完整性最好。
信号层2与电源层相邻，若电源层是完整的平面，则同样也能获得较好的信号完整性，但若电源种类不止一种，则电源层需分块，不完整的参考平面会导致信号回流路径不通畅，对信号完整性存在一定影响。
信号层1、4与信号层2、3相邻，很容易受到相邻信号层的影响，因此完整性最差。
（2）结构 2 分析（推荐）
电源层与地层不相邻，耦合较差，无法形成有效的寄生小电容。
信号层1、2、3、4相邻都能找到地层或者电源层作为参考平面，信号质量相对结构1更好一些，其中，信号层1和4位于表层，而表层的阻抗控制比内层更难，因此，从信号完整性而言，信号层2和3要好于1和4。
在电路设计中，即存在高速的关键信号线，又存在相对低速的非关键信号线，前者应走线在完整性最好的层，而后者的走线应选择在不同与前者的层上，对阻抗控制要求不严的信号线，可选择在表层走线。

2.线宽与层厚

线宽与层厚是决定信号阻抗的两个关键因素。
信号的阻抗可利用 Polar SI9000或者华秋DFM等工具计算。
为了获得某一特定的目标阻抗，信号线宽与信号所在层距离其相邻参考层的间距成正比，因此单板厚度对线宽和层厚存在约束关系。信号线越宽，信号层与参考层之间的距离越大（即层的厚度越大），则总厚度可能超过预先决定的单板厚度，反之亦然。在某些情况下，信号线宽和信号层与参考层之间的距离无法改变，此时，为保证单板的总厚度，可调整电源层与地层之间的间距，电源层与地层之间的距离不影响各信号层的阻抗，为满足线宽、信号层与参考层之间的距离、以及单板总厚度这三项要求，可略微调节电源层与地层之间距离。

3.一到八层电路板的叠层设计方式

3.1 单面板和双面板的叠层

对于两层板来说，由于板层数量少，已经不存在叠层的问题。控制EMI辐射主要从布线和布局来考虑；
单层板和双层板的电磁兼容问题越来越突出。造成这种现象的主要原因就是因是信号回路面积过大，不仅产生了较强的电磁辐射，而且使电路对外界干扰敏感。
要改善线路的电磁兼容性，最简单的方法是减小关键信号的回路面积。
关键信号：从电磁兼容的角度考虑，关键信号主要指产生较强辐射的信号和对外界敏感的信号。能够产生较强辐射的信号一般是周期性信号，如时钟或地址的低位信号。对干扰敏感的信号是指那些电平较低的模拟信号。
单、双层板通常使用在低于10KHz的低频模拟设计中。
设计原则：

[li]在同一层的电源走线以辐射状走线，并最小化线的长度总和；[/li][li]走电源、地线时，相互靠近；[/li][li]在关键信号线边上布一条地线，这条地线应尽量靠近信号线。这样就形成了较小的回路面积，减小差模辐射和对外界干扰的敏感度。当信号线的旁边加一条地线后，就形成了一个面积最小的回路，信号电流肯定会取道这个回路，而不是其它地线路径。[/li][li]如果是双层线路板，可以在线路板的另一面，紧靠近信号线的下面，沿着信号线布一条地线，一线尽量宽些。这样形成的回路面积等于pcb线路板的厚度乘以信号线的长度。[/li]

3.2 四层板的叠层

推荐叠层方式：

[li]SIG－GND(PWR)－PWR (GND)－SIG；[/li][li]GND－SIG(PWR)－SIG(PWR)－GND；[/li]对于以上两种叠层设计，潜在的问题是对于传统的1.6mm（62mil）板厚。层间距将会变得很大，不仅不利于控制阻抗，层间耦合及屏蔽；特别是电源地层之间间距很大，降低了板电容，不利于滤除噪声。
对于第一种方案，通常应用于板上芯片较多的情况。这种方案可得到较好的SI性能，对于EMI性能来说并不是很好，主要要通过走线及其他细节来控制。主要注意：地层放在信号最密集的信号层的相连层，有利于吸收和抑制辐射；增大板面积，体现20H规则。

3.3 六层板的叠层

对于芯片密度较大、时钟频率较高的设计应考虑6层板的设计
推荐叠层方式：

小结：
对于六层板的方案,电源层与地层之间的间距应尽量减小，以获得好的电源、地耦合。但62mil的板厚,层间距虽然得到减小，还是不容易把主电源与地层之间的间距控制得很小。
对比第一种方案与第二种方案，第二种方案成本要大大增加。因此，我们叠层时通常选择第一种方案。设计时，遵循20H规则和镜像层规则设计。

3.4 八层板的叠层

八层板通常使用下面三种叠层方式

[li]由于差的电磁吸收能力和大的电源阻抗导致这种不是一种好的叠层方式。它的结构如下：[/li]　（六层走线层）
　 1 Signal 1 元件面、微带走线层
　　2 Signal 2 内部微带走线层，较好的走线层（X方向）
　　3 Ground
　　4 Signal 3 带状线走线层，较好的走线层（Y方向）
　　5 Signal 4 带状线走线层
　　6 Power
　　7 Signal 5 内部微带走线层
　8 Signal 6 微带走线层

[li]第二种叠层由于增加了参考层，具有较好的EMI性能，各信号层的特性阻抗可以很好的控制[/li](四层走线层)
　　1 Signal 1 元件面、微带走线层，好的走线层
　　2 Ground 地层，较好的电磁波吸收能力
　　3 Signal 2 带状线走线层，好的走线层
　　4 Power 电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收
　　5 Ground 地层
　　6 Signal 3 带状线走线层，好的走线层
　　7 Power 电源层，具有较大的电源阻抗
　　8 Signal 4 微带走线层，好的走线层

[li]最佳叠层方式，由于多层地参考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。[/li](四层走线层)
　　1 Signal 1 元件面、微带走线层，好的走线层
　　2 Ground 地层，较好的电磁波吸收能力
　　3 Signal 2 带状线走线层，好的走线层
　　4 Power 电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收
　　5 Ground 地层
　　6 Signal 3 带状线走线层，好的走线层
　　7 Ground 地层，较好的电磁波吸收能力
　　8 Signal 4 微带走线层，好的走线层