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PCB設(shè)計

PCB疊層設(shè)計的一般原則

發(fā)布時間:2016-04-22 19:40:34

在設(shè)計 PCB(印制電路板)時,需要考慮的一個最基本的問題就是實現(xiàn)電路要求的功能需要多少個布線層、接地平面和電源平面,而印制電路板的布線層、接地平面和電源平面的層數(shù)的確定與電路功能、信號完整性、EMI、EMC、制造成本等要求有關(guān)。對于大多數(shù)的設(shè)計,PCB 的性能要求、目標(biāo)成本、制造技術(shù)和系統(tǒng)的復(fù)雜程度等因素存在許多相互沖突的要求,PCB 的疊層設(shè)計通常是在考慮各方面的因素后折中決定的。高速數(shù)字電路和射頻電路通常采用多層板設(shè)計。

1.分層

在多層 PCB 中,通常包含有信號層(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體平面,它們將為相鄰信號走線的電流提供一個好的低阻抗的電流返回路徑。信號層大部分位于這些電源或地參考平面層之間,構(gòu)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于放置元器件和少量走線,這些信號走線要求不能太長,以減少走線產(chǎn)生的直接輻射。

2.確定單電源參考平面(電源平面)

使用去耦電容是解決電源完整性的一個重要措施。去耦電容只能放置在 PCB 的頂層和底層。去耦電容的走線、焊盤,以及過孔將嚴(yán)重影響去耦電容的效果,這就要求設(shè)計時必須考慮連接去耦電容的走線應(yīng)盡量短而寬,連接到過孔的導(dǎo)線也應(yīng)盡量短。 例如,在一個高速數(shù)字電路中,可以將去耦電容放置在 PCB 的頂層,將第 2 層分配給高速數(shù)字電路(如處理器)作為電源層,將第3層作為信號層,將第4層設(shè)置成高速數(shù)字電路地。

此外,要盡量保證由同一個高速數(shù)字器件所驅(qū)動的信號走線以同樣的電源層作為參考平面,而且此電源層為高速數(shù)字器件的供電電源層。

3.確定多電源參考平面

多電源參考平面將被分割成幾個電壓不同的實體區(qū)域。如果緊靠多電源層的是信號層,那么其附近的信號層上的信號電流將會遭遇不理想的返回路徑,使返回路徑上出現(xiàn)縫隙。對于高速數(shù)字信號,這種不合理的返回路徑設(shè)計可能會帶來嚴(yán)重的問題,所以要求高速數(shù)字信號布線應(yīng)該遠(yuǎn)離多電源參考平面。

4.確定多個接地參考平面(接地平面)

多個接地參考平面(接地層)可以提供一個好的低阻抗的電流返回路徑,可以減小共模EMI。接地平面和電源平面應(yīng)該緊密耦合,信號層也應(yīng)該和鄰近的參考平面緊密耦合。減少層與層之間的介質(zhì)厚度可以達到這個目的。

5.合理設(shè)計布線組合

一個信號路徑所跨越的兩個層稱為一個“布線組合”。最好的布線組合設(shè)計是避免返回電流從一個參考平面流到另一個參考平面,而是從一個參考平面的一個點(面)流到另一個點(面)。而為了完成復(fù)雜的布線,走線的層間轉(zhuǎn)換是不可避免的。在信號層間轉(zhuǎn)換時,要保證返回電流可以順利地從一個參考平面流到另一個參考平面。 在一個設(shè)計中,把鄰近層作為一個布線組合是合理的。如果一個信號路徑需要跨越多個層,將其作為一個布線組合通常不是合理的設(shè)計,因為一個經(jīng)過多層的路徑對于返回電流而言是不通暢的。雖然可以通過在過孔附近放置去耦電容或者減小參考平面間的介質(zhì)厚度等來減小地彈,但也非一個好的設(shè)計。

6.設(shè)定布線方向

在同一信號層上,應(yīng)保證大多數(shù)布線的方向是一致的,同時應(yīng)與相鄰信號層的布線方向正交。例如,可以將一個信號層的布線方向設(shè)為“Y 軸”走向,而將另一個相鄰的信號層布線方向設(shè)為“X軸”走向。

7.采用偶數(shù)層結(jié)構(gòu)

從所設(shè)計的 PCB 疊層可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)典的疊層設(shè)計幾乎全部是偶數(shù)層的,而不是奇數(shù)層的,這種現(xiàn)象是由多種因素造成的,如下所示。

① 從印制電路板的制造工藝可以了解到,電路板中的所有導(dǎo)電層敷在芯層上,芯層的材料一般是雙面覆銅板,當(dāng)全面利用芯層時,印制電路板的導(dǎo)電層數(shù)就為偶數(shù)。

② 偶數(shù)層印制電路板具有成本優(yōu)勢。由于少一層介質(zhì)和覆銅,故奇數(shù)層印制電路板原材料的成本略低于偶數(shù)層的印制電路板的成本。但因為奇數(shù)層印制電路板需要在芯層結(jié)構(gòu)工藝的基礎(chǔ)上增加非標(biāo)準(zhǔn)的層疊芯層黏合工藝,故造成奇數(shù)層印制電路板的加工成本明顯高于偶數(shù)層印制電路板。與普通芯層結(jié)構(gòu)相比,在芯層結(jié)構(gòu)外添加覆銅將會導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降,生產(chǎn)周期延長。在層壓黏合以前,外面的芯層還需要附加的工藝處理,這增加了外層被劃傷和錯誤蝕刻的風(fēng)險。增加的外層處理將會大幅度提高制造成本。

③ 當(dāng)印制電路板在多層電路黏合工藝后,其內(nèi)層和外層在冷卻時,不同的層壓張力會使印制電路板上產(chǎn)生不同程度上的彎曲。而且隨著電路板厚度的增加,具有兩個不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合印制電路板彎曲的風(fēng)險就越大。奇數(shù)層電路板容易彎曲,偶數(shù)層印制電路板可以避免電路板彎曲。

在設(shè)計時,如果出現(xiàn)了奇數(shù)層的疊層,可以采用下面的方法來增加層數(shù)。

① 如果設(shè)計印制電路板的電源層為偶數(shù)而信號層為奇數(shù),則可采用增加信號層的方法。增加的信號層不會導(dǎo)致成本的增加,反而可以縮短加工時間、改善印制電路板質(zhì)量。

② 如果設(shè)計印制電路板的電源層為奇數(shù)而信號層為偶數(shù),則可采用增加電源層這種方法。而另一個簡單的方法是在不改變其他設(shè)置的情況下在層疊中間加一個接地層,即先按奇數(shù)層印制電路板布線,再在中間復(fù)制一個接地層。

③ 在微波電路和混合介質(zhì)(介質(zhì)有不同介電常數(shù))電路中,可以在接近印制電路板層疊中央增加一個空白信號層,這樣可以最小化層疊不平衡性。

8.成本考慮

在制造成本上,在具有相同的 PCB 面積的情況下,多層電路板的成本肯定比單層和雙層電路板高,而且層數(shù)越多,成本越高。但在考慮實現(xiàn)電路功能和電路板小型化,保證信號完整性、EMI、EMC 等性能指標(biāo)等因素時,應(yīng)盡量使用多層電路板。綜合評價,多層電路板與單雙層電路板兩者的成本差異并不會比預(yù)期的高很多。

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