PCB科技 - PCB層壓板設計應遵循的原則

在設計PCB（印刷電路板）時，需要考慮的最基本問題之一是需要多少佈線層、接地平面和電源平面來實現電路所需的功能，以及印刷電路板的佈線層、地線平面和電源。平面層數的確定與電路功能、信號完整性、EMI、EMC和製造成本等要求有關。 對於大多數設計，在PCB效能要求、目標成本、製造技術和系統複雜性方面存在許多相互衝突的要求。 PCB層壓板設計通常是在考慮各種因素後通過折衷來確定的。 高速數位電路和無線電電路通常採用多層板設計。

級聯設計中應注意的8個原則如下：

1.分層

在多層PCB中，它通常包含訊號層（S）、電源（P）平面和接地（GND）平面。 電源平面和接地平面通常是沒有分割的實心平面。 它們將為相鄰訊號跡線的電流提供良好的低阻抗電流返回路徑。 訊號層主要位於這些電源或接地參攷平面層之間，形成對稱帶狀線或非對稱帶狀線。 多層PCB的頂層和底層通常用於放置組件和少量跡線。 這些訊號跡線不能太長，以减少跡線產生的直接輻射。

2.確定單個電源參攷平面（電源平面）

使用去耦電容器是解决電源完整性的重要措施。 去耦電容器只能放置在PCB的頂層和底層。 去耦電容的跡線、焊盤和通孔將嚴重影響去耦電容的效果。 這要求在設計時連接去耦電容器的跡線應盡可能短和寬，連接到通孔的電線也應盡可能保持短。 例如，在高速數位電路中，您可以將去耦電容器放置在PCB的頂層，將第二層分配給高速數位電路（如處理器）作為電源層，將第三層用作訊號層，並使用第四層作為訊號層。 設定為高速數位電路接地。

此外，儘量保證同一高速數位設備驅動的訊號跡線使用與參攷平面相同的電源層，而這個電源層就是高速數位設備的電源層。

3.確定多功率參攷平面

多功率參攷平面將被劃分為幾個具有不同電壓的物理區域。 如果訊號層靠近多電源層，則附近訊號層上的訊號電流將遇到不希望的返回路徑，導致返回路徑中的間隙。 對於高速數位信號，這種不合理的返回路徑設計可能會導致嚴重的問題，囙此要求高速數位信號佈線遠離多電源參攷平面。

4.確定多個地面參攷平面（地平面）

多個接地參攷平面（接地平面）可以提供良好的低阻抗電流返回路徑，這可以减少共模EMl。 接地平面和電源平面應緊密耦合，訊號層也應與相鄰的參攷平面緊密耦合。 這可以通過减小層間介質的厚度來實現。

5.合理設計接線組合

訊號路徑跨越的兩層稱為“佈線組合”。最佳的佈線組合設計是避免回流電流從一個參攷平面流到另一個參攷面，而是從參攷平面的一個點（表面）流到另一端（表面）。 為了完成複雜的佈線，跡線的層到層轉換是不可避免的。 在訊號層之間切換時，確保返回電流能够從一個參攷平面平滑地流到另一個。 在設計中，使用相鄰層作為佈線組合是合理的。 如果訊號路徑需要跨越多層，將其用作佈線組合通常是不合理的設計，因為通過多層的路徑對返回電流來說並不平滑。 雖然可以通過在通孔附近放置去耦電容器或减小參攷平面之間的電介質厚度來减少接地反彈，但這不是一個好的設計。

6.設定接線方向

在同一訊號層上，應確保大部分佈線方向一致，並應與相鄰訊號層的佈線方向正交。 例如，一個訊號層的佈線方向可以被設定為“Y軸”方向，而另一個相鄰訊號層的配線方向可以被設定為“X軸”方向。

7.採用偶數層結構

從設計的PCB堆疊中可以發現，幾乎所有的經典堆疊設計都是偶數層，而不是奇數層。 如下圖所示，這種緊急情况是由許多因素造成的。

從印刷電路板的製造過程可以理解，電路板中的所有導電層都保存在芯層上。 芯層的資料通常是雙面覆蓋層。 當芯層被充分利用時，印刷電路板的導電層的數量是偶數。

偶數印刷電路板具有成本優勢。 由於缺少一層電介質和銅，奇數編號的印刷電路板的原材料成本略低於偶數編號的印刷線路板的成本。 然而，由於奇數編號的印刷電路板需要在芯層結構工藝的基礎上添加非標準的疊層芯層粘合工藝，奇數編號的印製電路板的加工成本明顯高於偶數編號的印製線路板。 與普通芯層結構相比，在芯層結構中添加銅會導致生產效率降低和生產週期延長。 在層壓和粘合之前，外芯層需要額外的處理，這新增了外層劃痕和錯誤蝕刻的風險。 額外的外層處理將大大新增製造成本。

當印刷電路板處於多層電路鍵合過程中，當內外層冷卻時，不同的層壓張力會導致印刷電路板彎曲到不同程度。 此外，隨著電路板厚度的新增，具有兩種不同結構的複合印刷電路板彎曲的風險變得更大。 奇數編號的電路板容易彎曲，偶數編號的印刷電路板可以避免電路板彎曲。

設計時，如果堆疊奇數層，可以使用以下方法新增層數。

如果設計印刷電路板的電源層是偶數，訊號層是奇數，則可以採用添加訊號層的方法。 新增的訊號層不會導致成本新增，但可以縮短處理時間，提高印刷電路板的質量。

如果你設計的印刷電路板有奇數個電源層和偶數個訊號層，你可以使用添加電源層的方法。 另一種簡單的方法是在不改變其他設定的情况下，在堆疊的中間添加接地層，也就是說，首先在奇數層上佈線印刷電路板，然後複製在中間的接地層。

在微波電路和混合介質（不同介電常數）電路中，可以在印刷電路板堆疊的中心附近添加空白訊號層，以儘量減少堆疊不平衡。

8.成本考慮

在製造成本方面，在PCB面積相同的情况下，多層電路板的成本肯定高於單層和雙層電路板，層數越多，成本越高。 但在考慮實現電路功能和電路板小型化，保證信號完整性、EMl、EMC等性能指標時，應盡可能使用多層電路板。 綜合評估，多層電路板和單層電路板之間的成本差异不會比預期高得多。