PCB多層板設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)(6層、10層、多層電源等)

1、PCB多層板設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)PCB多層板設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)對(duì)多層板的分層一直搞的不是很清楚，因這一板的電 路比較重要，所以還是決定花點(diǎn)時(shí)間學(xué)習(xí)一下。網(wǎng)上搜了一些資料，整理如下。多層板層設(shè)計(jì)的幾個(gè)原則：1 -每個(gè)信號(hào)層都與平面相鄰；2- 信號(hào)層與與相鄰平面成對(duì)；3- 電源層和地層相鄰并成對(duì)；4- 高速信號(hào)埋伏在平面層中間，減少輻射；5- 使用多個(gè)底層，減少地阻抗和共模輻射。PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧：解決EMI問題的辦法很多，現(xiàn)代的EMI抑制方法包括：利用EMI抑制涂層、 選用合適的EMI抑制零配件和EMI仿真設(shè)計(jì)等。本文從最基本的PCB布板出發(fā)， 討論P(yáng)CB分層堆疊在控制EMI輻射

2、中的作用和設(shè)計(jì)技巧。電源匯流排在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而，問題并非到此為止。由於電容呈有限頻率響應(yīng)的 特性，這使得電容無法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會(huì)形成電壓降， 這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模 EMI干擾源。我們應(yīng)該怎麼解決這些問題？就我們電路板上的IC而言，IC周圍的電源層可以看成是優(yōu)良的高頻電容器， 它可以收集為干凈輸出提供高頻能量的分立電容器所泄漏的那部份能量。 此外， 優(yōu)良的電源層的電感要小，從而電感所合成的瞬態(tài)信號(hào)也小，進(jìn)而降低共模EM。當(dāng)然，電源層到

3、IC電源引腳的連線必須盡可能短，因?yàn)閿?shù)位信號(hào)的上升沿越來 越快，最好是直接連到IC電源引腳所在的焊盤上，這要另外討論。為了控制共模EM，電源層要有助於去耦和具有 足夠低的電感，這個(gè)電源 層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對(duì)。 有人可能會(huì)問，好到什麼程度才算好? 問題的答案取決於電源的分層、層間的 材料以及工作頻率（即IC上升時(shí)間的函 數(shù)）。通常，電源分層的間距是6mil ,夾層是FF4材料，則每平方英寸電源層的 等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。上升時(shí)間為100到300ps的器件并不多，但是按照目前IC的發(fā)展速度，上 升時(shí)間在100到300ps范圍的器件將占有很高的比例。對(duì)於10

4、0到300ps上升時(shí) 間的電路，3 mil層間距對(duì)大多數(shù)應(yīng)用將不再適用。那時(shí)，有必要采用層間距小 於1mil的分層技術(shù)，并用 介電常數(shù)很高的材料代替FF4介電材料?，F(xiàn)在，陶瓷和加陶塑料可以滿足100到300ps上升時(shí)間電路的設(shè)計(jì)要 求。盡 管未來可能會(huì)采用新材料和新方法，但對(duì)於今天常見的1到3ns上升時(shí)間電路、 3到6mil層間距和FF4介電材料，通常足夠處理高端諧波并使瞬態(tài)信號(hào) 足夠低, 就是說，共模EMI可以降得很低。本文給出的PCE分層堆疊設(shè)計(jì)實(shí)例將假定層間距為3到6mil。電磁屏蔽從信號(hào)走線來看，好的分層 策略應(yīng)該是把所有的信號(hào) 走線放在一 層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對(duì)於

5、電源，好的分層 策略應(yīng)該是電 源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的 距離盡可能小，這就是我們所 講的“ 分層"策略。PCB堆疊什麼樣的堆疊策略有助於屏蔽和抑制EM?以下分層堆疊 方案假定電源電流在 單一層上流動(dòng)，單電壓或多電壓分布在同一層的不同部份。 多電源層的情形稍後討論。4層板4層板設(shè)計(jì)存在若干潛在問題。首先，傳統(tǒng)的厚度為62mil的四層板，即使 信號(hào)層在外層，電源和接地層在 內(nèi)層，電源層與接地層的間 距仍然過大。如果成 本要求是第一位的，可以考慮以下兩種傳統(tǒng)4層板的替代方案。這兩個(gè)方案都能 改善EMI抑制的性能，但只適用於板上 元件密度足夠低和元件周圍有足夠面積 （放置所要求的

6、電源覆銅層）的場合。第一種為首選方案，PCB的外層均為地層，中間兩層 均為信號(hào)/電源層。信 號(hào)層上的電源用 寬線走線，這可使電源電流的路徑阻抗低， 且信號(hào)微帶路徑的 阻抗也低。從EMI控制的角度看，這是現(xiàn)有的最 佳4層PCB吉構(gòu)。第二種方案的外層走電源和地，中間兩層 走信號(hào)。該方案相對(duì)傳統(tǒng)4層板來 說，改進(jìn)要小一些，層間阻抗和 傳統(tǒng)的4層板一樣欠佳如果要控制走線阻抗，上 述堆疊方案都要非常小心地將走線布置在電源和 接地鋪銅島的下邊。另外，電源或地層上的鋪銅島之間應(yīng)盡可能地互連在一起， 以確保DC和低頻的連接性。6層板如果4層板上的元件密度比較大，則最好采用6層板。但是，6層板設(shè)計(jì)中 某些疊層方

7、案對(duì)電磁場的屏蔽作用不夠好，對(duì)電源匯流排瞬態(tài)信號(hào)的降低作用 甚微。下面討論兩個(gè) 實(shí)例。第一例將電源和地分 別放在第2和第5層，由於電源 覆銅阻抗高，對(duì)控制 共模EMI輻射非常不利。不過，從信號(hào)的阻抗控制 觀點(diǎn)來看，這一方法 卻是非常 正確的。第二例將電源和地分別放在第3和第4層，這一設(shè)計(jì)解決了電源 覆銅阻 抗問題，由於第1層和第6層的電磁屏蔽性能差，差模EMI增加了。如果兩個(gè)外 層上的信號(hào)線數(shù)量最少， 走線長度很短（短於信號(hào)最高諧波波 長的1/20），則這 種設(shè)計(jì)可以解決 差模EMI問題。將外層上的無元件和無走線區(qū)域鋪銅填充 并將覆銅區(qū)接地（每1/20波長為 間隔）則對(duì)差模EMI的抑制特別好。

8、如前所述，要將鋪銅區(qū)與內(nèi)部接地層多點(diǎn) 相聯(lián)。通用高性能6層板設(shè)計(jì)一般將第1和第6層布為地層，第3和第4層走電源 和地。由於在電源層和接地層之間是兩層 居中的雙微帶信號(hào)線層，因而EMI抑制 能力是優(yōu)異的。該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在於走線層只有兩層。前面介紹過，如果外層走線 短且在無走線區(qū)域鋪銅，則用傳統(tǒng)的6層板也可以實(shí)現(xiàn)相同的堆疊。另一種6層板布局為信號(hào)、地、信號(hào)、電源、地、信號(hào)，這可實(shí)現(xiàn)高級(jí)信號(hào)完整 性設(shè)計(jì)所需要的 環(huán)境。信號(hào)層與接地層相鄰，電源層和接地層配對(duì)。 顯然，不足 之處是層的堆疊不平 衡。這通常會(huì)給加工制造帶來麻煩。解決問題的辦法是 將第 3層所有的空白區(qū)域填銅，填銅後如果第3層的覆銅密度接近於

9、電源層或接地層, 這塊板可以不嚴(yán)格地算作是結(jié)構(gòu)平衡的電路板。填銅區(qū)必須接電源或接地。連接 過孔之間的距離仍然是1/20波長，不見得處處都要連接，但理想情況下應(yīng)該連 接。10層板由於多層板之間的 絕緣隔離層非常薄，所以10或12層的電路板層與層之 間的阻抗非常低，只要分層和堆疊不出問題，完全可望得到優(yōu)異的信號(hào)完整性。 要按62mil厚度加工制造12層板，困難比較多，能 夠加工12層板的制 造商也 不多。由於信號(hào)層和回路層之間總是隔有絕緣層，在10層板設(shè)計(jì)中分配中間6層 來走信號(hào)線的方案并非最佳。另外，讓信號(hào)層與回路層相鄰很重要，即板布局為信號(hào)、地、信號(hào)、信號(hào)、電 源、地、信號(hào)、信號(hào)、地、信號(hào)。這

10、一設(shè)計(jì)為信號(hào)電流 及其回路電流提供了良好的 通 路。恰當(dāng)?shù)牟季€策略是，第1層沿X方向走線，第3層沿丫方向走線，第4層沿 X方向走線，以此類推。直觀地看走線，第1層1和第3層是一對(duì)分層組合，第4 層和第7層是一對(duì)分層 組合，第8層和第10層是最後一對(duì)分層組合。當(dāng)需要改變走線方向時(shí)，第1層上的信號(hào)線應(yīng)藉由“過孔"到第3層以後再改 變方向。實(shí)際上，也許并不總能這樣做，但作為設(shè)計(jì)概念還是要盡量遵守。同樣，當(dāng)信號(hào)的走線方向變化時(shí)，應(yīng)該藉由過孔從第8層和第10層或從第 4層到第7層。這樣布線可確保信號(hào)的前向通路和回路之間的耦合最緊。例如，如果信號(hào)在第1層上走線，回路在第2層且只在第2層上走線，那

11、 麼第1層上的信號(hào) 即使是藉由“過孔"轉(zhuǎn)到了第3層上，其回路仍在第2層， 從而保持低電感、大電容的特性以及良好的電磁屏蔽性能。如果實(shí)際走線不是這 樣，怎麼辦？比如 第1層上的信號(hào)線經(jīng)由過孔到第10層，這時(shí)回路信號(hào)只好從 第9層尋找接地平面，回路電流要找到最近的接地 過孔（如電阻或電容等元件的 接地引腳）。如果碰巧附近存在這樣的過孔，則真的走運(yùn)。假如沒有這樣近的過孔 可用，電感就會(huì)變 大，電容要減小，EMI 定會(huì)增加。當(dāng)信號(hào)線必須經(jīng)由過孔離 開現(xiàn)在的一對(duì)布線層到 其他布線層時(shí)，應(yīng)就近在 過孔旁放置接地過孔，這樣可 以使回路信號(hào)順利返回恰當(dāng)?shù)慕拥貙?。?duì)於第4層和第7層分層組合，信號(hào)回路

12、將從電源層或接地層（即第5層或第6層）返回，因?yàn)殡娫磳雍徒拥貙又g的電 容耦合良好，信號(hào)容 易傳輸。多電源層的設(shè)計(jì)如果同一電壓源的兩個(gè)電源層需要輸出 大電流，則電路板應(yīng)布成兩 組電源 層和接地層。在這種情況下，每對(duì)電源層和接地層之間都 放置了絕緣層。這樣就 得到我們期望的等分電流的兩對(duì)阻抗相等的電源匯流排。 如果電源層的堆疊造成 阻抗不相等，則分流就不 均勻，瞬態(tài)電壓將大得多，并且EMI會(huì)急劇增加。如果電路板上存在多個(gè)數(shù)值不同的電源電壓，則相應(yīng)地需要多個(gè)電源層， 要牢記為不同的電源創(chuàng)建各自配對(duì)的電源層和接地層。在上述兩種情況下，確定配對(duì)電源層和接地層在電路板的位置時(shí)，切記制造商對(duì)平衡結(jié)構(gòu)的要求?？偨Y(jié)鑒於大多數(shù)工程師設(shè)計(jì)的電路板是 厚度62mil、不帶盲孔或埋孔的傳統(tǒng)印制 電路板，本文關(guān)於電路板分層和堆疊的討論都 局限於此。厚度差別太大的電路板， 本文推薦的分層方案可能不理想。此外，帶盲孔或埋孔的電路板的加工制程不同, 本文的分層方法也不適用。電路板設(shè)計(jì)中厚度、過孔制程和電路板的層數(shù)不是解