叠层设计基础知识

PCB叠层结构知识

 

较多的PCB工程师,他们经常画电脑主板,对Allegro等优秀的工具非常的熟练,但是,非常可惜的是,他们居然很少知道如何进行阻抗控制,如何使用工具进行信号完整性分析.如何使用IBIS模型。我觉得真正的PCB高手应该还是信号完整性专家,而不仅仅停留在连连线,过过孔的基础上。对布通一块板子容易，布好一块好难。
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　　对于电源、地的层数以及信号层数确定后，它们之间的相对排布位置是每一个PCB工程师都不能回避的话题；
　　层的排布一般原则：
　　元件面下面（第二层）为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面；
　　所有信号层尽可能与地平面相邻；
　　尽量避免两信号层直接相邻；
　　主电源尽可能与其对应地相邻；
　　兼顾层压结构对称。
　　对于母板的层排布，现有母板很难控制平行长距离布线，对于板级工作频率在50MHZ以上的（50MHZ以下的情况可参照，适当放宽），建议排布原则：
　　元件面、焊接面为完整的地平面（屏蔽）；
　　无相邻平行布线层；
　　所有信号层尽可能与地平面相邻；
　　关键信号与地层相邻，不跨分割区。
　　注：具体PCB的层的设置时，要对以上原则进行灵活掌握，在领会以上原则的基础上，根据实际单板的需求，如：是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割情况等，确定层的排布，切忌生搬硬套，或抠住一点不放。
以下为单板层的排布的具体探讨：
*四层板，优选方案1，可用方案3
方案  电源层数 地层数 信号层数  1    2    3    4
1       1       1       2      S    G    P    S
2       1       2       2      G    S    S    P
3       1       1       2      S    P    G    S
　方案1 此方案四层PCB的主选层设置方案，在元件面下有一地平面，关键信号优选布TOP层；至于层厚设置，有以下建议：
　　满足阻抗控制芯板（GND到POWER）不宜过厚，以降低电源、地平面的分布阻抗；保证电源平面的去藕效果；为了达到一定的屏蔽效果，有人试图把电源、地平面放在TOP、BOTTOM层，即采用方案2：
　　此方案为了达到想要的屏蔽效果，至少存在以下缺陷：
　　电源、地相距过远，电源平面阻抗较大
　　电源、地平面由于元件焊盘等影响，极不完整
　　由于参考面不完整，信号阻抗不连续
　　实际上，由于大量采用表贴器件，对于器件越来越密的情况下，本方案的电源、地几乎无法作为完整的参考平面，预期的屏蔽效果很难实现；方案2使用范围有限。但在个别单板中，方案2不失为最佳层设置方案。
　　以下为方案2使用案例；
　　案例（特例）：设计过程中，出现了以下情况：
　　　　A、整板无电源平面，只有GND、PGND各占一个平面；
　　　　B、整板走线简单，但作为接口滤波板，布线的辐射必须关注；
　　　　C、该板贴片元件较少，多数为插件。
　　分析：
　　　１、由于该板无电源平面，电源平面阻抗问题也就不存在了；
　　　２、由于贴片元件少（单面布局），若表层做平面层，内层走线，参考平面的完整性基本得到保证，而且第二层可铺铜保证少量顶层走线的参考平面；
　　　３、作为接口滤波板，PCB布线的辐射必须关注，若内层走线，表层为GND、PGND，走线得到很好的屏蔽，传输线的辐射得到控制；
　　鉴于以上原因，在本板的层的排布时，决定采用方案2，即：GND、S1、S2、PGND，由于表层仍有少量短走线，而底层则为完整的地平面，我们在S1布线层铺铜，保证了表层走线的参考平面；五块接口滤波板中，出于以上同样的分析，设计人员决定采用方案2，同样不失为层的设置经典。
　　列举以上特例，就是要告诉大家，要领会层的排布原则，而非机械照搬。
　　方案3：此方案同方案1类似，适用于主要器件在BOTTOM布局或关键信号底层布线的情况；一般情况下，限制使用此方案；
*六层板，优选方案3，可用方案1，备用方案2、4
方案   电源   地   信号      1       2       3      4      5      6
#1      1    1     4       S1       G      S2     S3      P     S4
#2      1    1     4       S1      S2       G      P     S3     S4
#3      1    2     3       S1      G1      S2     G2      P     S3
#4      1    2     3       S1      G1      S2     G2      P     S3
对于六层板，优先考虑方案3，优选布线层S2（stripline），其次S3、S1。主电源及其对应的地布在4、5层，层厚设置时，增大S2-P之间的间距，缩小P-G2之间的间距（相应缩小G1-S2层之间的间距），以减小电源平面的阻抗，减少电源对S2的影响；
　在成本要求较高的时候，可采用方案1，优选布线层S1、S2，其次S3、S4，与方案1相比，方案2保证了电源、地平面相邻，减少电源阻抗，但S1、S2、S3、S4全部裸露在外，只有S2才有较好的参考平面；
对于局部少量信号要求较高的场合，方案4比方案3更适合，它能提供极佳的布线层S2。
*八层板：优选方案2、3、可用方案1
方案   电源   地   信号      1      2     3     4     5     6     7    8
#1      1    2     5       S1     G1    S2    S3     P    S4    G2   S5
#2      1    3     4       S1     G1    S2    G2     P    S3    G3   S4
#3      2    2     4       S1     G1    S2    P1    G2    S3    P2   S4
#4      2    2     4       S1     G1    S2    P1    P2    S3    G3   S4
#5      2    2     4       S1     G1    P1    S2    S3    G2    P2   S4
对于单电源的情况下:
方案2比方案1减少了相邻布线层，增加了主电源与对应地相邻，保证了所有信号层与地平面相邻，代价是：牺牲一布线层；
对于双电源的情况:
推荐采用方案3，方案3兼顾了无相邻布线层、层压结构对称、主电源与地相邻等优点，但S4应减少关键布线；
方案4：无相邻布线层、层压结构对称，但电源平面阻抗较高；应适当加大3-4、5-6，缩小2-3、6-7之间层间距；
方案5：与方案4相比，保证了电源、地平面相邻；但S2、S3相邻，S4以P2作参考平面；对于底层关键布线较少以及S2、S3之间的线间窜扰能控制的情况下此方案可以考虑；
*十层板：推荐方案2、3、可用方案1、4
方案3：扩大3-4与7-8各自间距，缩小5-6间距，主电源及其对应地应置于6、7层；优选布线层S2、S3、S4，其次S1、S5；本方案适合信号布线要求相差不大的场合，兼顾了性能、成本；推荐大家使用；但需注意避免S2、S3之间平行、长距离布线；
方案4：EMC效果极佳，但与方案3比，牺牲一布线层；在成本要求不高、EMC指标要求较高、且必须双电源层的关键单板，建议采用此种方案；优选布线层S2、S3,对于单电源层的情况，首先考虑方案2，其次考虑方案1。方案1具有明显的成本优势，但相邻布线过多，平行长线难以控制；
*十二层板：推荐方案2、3，可用方案1、4、备用方案5
方案2、4具有极好的EMC性能，方案1、3具有较佳的性价比；
以上层排布作为一般原则，仅供参考，具体设计过程中大家可根据需要的电源层数、布线层数、特殊布线要求信号的数量、比例以及电源、地的分割情况，结合以上排布原则灵活掌握。
EMC问题
　　在布板的时候还应该注意EMC的抑制！这很不好把握，分布电容随时存在！
如何接地:
　　PCB设计原本就要考虑很多的因素,不同的环境需要考虑不同的因素。
地的分割与汇接
　　接地是抑制电磁干扰、提高电子设备EMC性能的重要手段之一。正确的接地既能提  高产品抑制电磁干扰的能力，又能减少产品对外的EMI发射。
接地的含义
　　电子设备的“地”通常有两种含义：一种是“大地”（安全地），另一种是“系统基准地”（信号地）。接地就是指在系统与某个电位基准面之间建立低阻的导电通路。“接大地”就是以地球的电位为基准，并以大地作为零电位，把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连接。
　　把接地平面与大地连接，往往是出于以下考虑：
　　A、提高设备电路系统工作的稳定性；
　　B、静电泄放；
　　C、为工作人员提供安全保障。
　　接地的目的
　　A、安全考虑，即保护接地；
　　B、为信号电压提供一个稳定的零电位参考点（信号地或系统地）；
　　C、屏蔽接地。
　　基本的接地方式
　　电子设备中有三种基本的接地方式：单点接地、多点接地、浮地。
　　单点接地：
　　单点接地是整个系统中，只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都连接到这一点上。适用于频率较低的电路中（1MHZ以下）。若系统的工作频率很高，以致工作波长与系统接地引线的长度可比拟时，单点接地方式就有问题了。当地线的长度接近于1/4波长时，它就象一根终端短路的传输线，地线的电流、电压呈驻波分布，地线变成了辐射天线，而不能起到“地”的作用。
　　为了减少接地阻抗，避免辐射，地线的长度应小于1/20波长。在电源电路的处理上，一般可以考虑单点接地。对于大量采用的数字电路的PCB，由于其含有丰富的高次谐波，一般不建议采用单点接地方式。
　　多点接地：
　　多点接地是指设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引线的长度最短。
　　多点接地电路结构简单，接地线上可能出现的高频驻波现象显著减少，适用于工作频率较高的（>10MHZ）场合。但多点接地可能会导致设备内部形成许多接地环路，从而降低设备对外界电磁场的抵御能力。在多点接地的情况下，要注意地环路问题，尤其是不同的模块、设备之间组网时。地线回路导致的电磁干扰：
　 　理想地线应是一个零电位、零阻抗的物理实体。但实际的地线本身既有电阻分量又有电抗分量，当有电流通过该地线时，就要产生电压降。地线会与其他连线（信 号、电源线等）构成回路，当时变电磁场耦合到该回路时，就在地回路中产生感应电动势，并由地回路耦合到负载，构成潜在的EMI威胁。
　　浮地
　　浮地是指设备地线系统在电气上与大地绝缘的一种接地方式。
　　由于浮地自身的一些弱点，不太适合一般的大系统中，其接地方式很少采用
　　关于接地方式的一般选取原则：
　　对于给定的设备或系统，在所关心的最高频率（对应波长为）入上，当传输线的长度L〉入，则视为高频电路，反之，则视为低频电路。根据经验法则，对于低于1MHZ的电路，采用单点接地较好；对于高于10MHZ，则采用多点接地为佳。对于介于两者之间的频率而言，只要最长传输线的长度L小于/20　入，则可采用单点接地以避免公共阻抗耦合。
　　对于接地的一般选取原则如下：
　　　　（1）低频电路（<1MHZ），建议采用单点接地；
　　　　（2）高频电路（>10MHZ），建议采用多点接地；
　　　　（3）高低频混合电路，混合接地。