PCB叠层设计

在设计普通电路或低速信号电子产品时，都是PCB供应商给工程师提供一份层叠结构，工程师照搬照用就行，但是由于信号速度的增加、产品差异化更多、产品认证要求增多，因此工程师需要掌握更多叠层设计方面的知识，以应对这些产品变化所带来的问题。

1.层叠设计的基本原则
层叠设计是一个系统的工作，需要考虑的因素比较多，如PCB需要多厚才能符合结构设计和应力的要求；多少个信号层才能满足产品的布线要求；铜箔需要多厚；多少个电源平面才能满足产品的电源完整性要求；PCB上有多少类不同的阻抗线才能满足不同总线阻抗的要求；需要什么级别的基板材料才能满足总线的传输要求；哪一类表面处理工艺才能满足产品在某些特定的环境中使用。等等。
PCB的层叠设计对整个系统的EMC设计也起着非常重要的作用，良好的叠层可以有效的减小PCB回路的辐射效应，所以层叠设计关系到了信号的完整性、电源完整性、电磁兼容性、结构、散热等方面的设计，当然还有一个非常重要的就是成本的问题。

尽管设计那么多的因素，但在设计PCB层叠结构时，总体来看主要有以下几个基本原则。
（1）确定层叠总的厚度；
（2）PCB材料的选择以满足性能要求且成本最低；
（3）确定层叠的层数；
（4）分配信号层、地平面层和电源平面层；
（5）保持层叠对称，尽量使信号层对应信号层，平面层对应平面层。如果出现信号层对应平面层，注意在信号层没有信号经过的地方要覆地铜以尽量保证对称结构，以免PCB制板时发生翘曲；
（6）摆放元器件表层的相邻层尽量为地平面，以提供元器件出现时能够参考完整地平面，保持阻抗连续性；
（7）电源平面尽可能与相应地平面层相邻靠近，降低电源平面阻抗，有利于电源完整性设计；
（8）信号层尽可能的与地平面相邻，以保证连续和完整的回流通道，保持阻抗连续性；
（9）尽量避免两信号层直接相邻，特别是高三的信号线，以减少空间上的串扰。
目前主流的设计层叠厚度0.8mm，1mm，1.2mm，1.6mm，2mm，2.4mm，高速背板的厚度甚至达到了1cm。

2.4层板叠层设计案例
首先，看一下4层板的层叠设计。在设计层叠之前，工程师应该明确产品之间需要的层叠总厚度，选择板材。和阻抗的种类。4层的层叠一般是两个信号层和两个平面层。所以有两种方案：一种是内层布线；另一种是外层布线。

方案一是常规的PCB设计层叠，有2个信号层，也有单独的电源和地层；
方案二主要是为了更好的屏蔽EMC辐射。
方案二并不是所有的情况都适合，因为方案二的内层相邻都有布线，这样很容易造成相邻布线层的串扰或者跨分割布线，在布线时就会垂直交叉布线；另外，方案二的信号与电源会布在同一层，中间也需要拉大一些空间距离。这些都会使布线空间减小，所以方案二不适合布线密度过高的产品。
通过4层板的方案二可以看出，外层使用GND，虽然针对EMC设计较好，但对于布线空间和信号完整性的牺牲也不小。

3.6层板层叠设计案例
6层板设计和4层板设计类似，但会有更多的设计方案，可以按信号层数进行分类，主要分为三个信号层的方案一和方案二，以及4个信号层的方案三。

方案一和方案二都是3个布线层，但有一个布线层所在的位置不一样，方案一的信号 SIG02在第3层，方案二是在第4层。
方案二的这种设计主要是残桩线比较短，有利于高速信号布线。
方案三有4个信号层，但是内层相邻层布线很容易造成串扰或跨分割布线;由于没有完整的电源平面，方案三也会降低电源完整性的性能。
因此，在布线空间足够的情况下，一般优先选择方案二。
在6层板的方案设计中，工程师经常会遇到“假八层”的设计，其实“假八层”的设计主要是由于层叠结构和生产工艺而产生的一种衍生方案。层叠的总厚度确定了之后，由于L3和L4中间使用的是PP，很多工厂在生产时，最多只能有3张PP叠在一起，超过3张就会造成层间的滑落，使生产良品率降低，所以就出现了在PP中间再增加一种不带铜箔的芯板。常规来看，增加了芯板就相当于增加了两层，由于没有铜箔，所以也不算是真正增加两层，这就是所谓的“假八层”的由来。目前，有一些工厂已经解决了这个问题，可以使用张PP叠在一起，同时不使良品率降低。

4.8层板层叠设计案例
8层板的层叠设计比前两种都复杂，主要是选择的方案更多，这就需要工程师在设计前比各种设计方案的优劣。
8设层数量进行分类，分为信号层的方案一和方案二，以及5个信号层的方案三。

方案一和方案二都是4个信号层，方案一的信号完整性比较好，方案二多了一个电源平面，很明显，电源完整性会好。方案三有5个信号层，第三个信号SIG03尽量不要布高速信号，因为没有完整的GND参考，与SIG02也相邻，容易造成串扰。一般在电源要求不是特别高的情况下，方案一是8层板的主流方案。

5.10层板层叠设计案例
10层板的层叠一般会游泳5个信号层或6个信号层，如果电源比较复杂，也可以设计为4个信号层，那么就可以分成四种方案，方案一为5个信号层，方案二和方案三为6个信号层，方案四为4个信号层。

方案一为5个信号层，信号层基本都能参考到完整的地平面，电源层也与地平面层相邻，不管是电源完整性还是信号完整性效果都非常好，但只有5个信号层。
方案二和方案三6个信号层，但这两个方案会存在相邻信号层布线的情况，串扰的问题可能会稍微严重一些，在布线时必然也会影响到空间的利用率;方案三的电源完整性效果会比较好。
如果10层板只需要4个信号层，不管是电源完整性、信号完整性，还是电磁兼容性都会比较好。
综合考量，方案一和方案三是比较主流的设计方案。

6.多层板层叠设计案例
当然，对于层叠超过10层的PCB，其大致的设计思路与10层的层叠差不多。多层板的号层、地平面层和电源层都比较好分配，如果布线空间足够，可以按照电源平面层和信号层都与地平面层相邻，这样就会有比较好的电源和信号回流路径，对电源完整性、信号完整和电磁兼容性都比较好。如图所示是一个28层5mm的层叠结构，基本上每一个电源、信号层都有一个完整的地平面参考。需要注意的是，L14 和L15是相邻信号层，这种情况下，在设计层叠时使L14 和L15间离大，在布线时，需要考虑两层垂直布线或者至少保证不平行布线，减小两层信号之间的串扰。

层叠的设计根据实际情况千变万化，只要满足前面所述的基本原则和PCB工艺生产的要求，一般主要考虑信号完整性、电源完整性及电磁兼容性的优化。

7.层叠结构中包含的参数信息
层叠结构对于设计、仿真工程师和PCB生产商都是必须要有的文件，如何使不同的工程师或者叠层使用者明白层叠的内容，这就需要层叠结构中包含必要的信息。
一份完整的层叠结构至少具备以下信息。
PCB各层厚度、PCB材料、铜箔、线宽、线间等会影响信号电气特性的参数都需要包含其中。如下是一个实际项目中的层叠结构。

从层叠结构中可以看到使用的材料、半固化片、芯板的类型、介电常数、介质损耗角、各层的厚度、各信号层阻抗对应的设计线宽与间距，以及各类总线设计的阻抗等。这些信息在仿真中非常重要。