PCB 打样的关键：层叠结构设计详解

在高速电路设计领域，PCB（印刷电路板）的层叠结构设计犹如大厦的基石，是至关重要的一环。合理精妙的层叠结构设计，不仅能够确保信号的完整性，犹如为信号搭建一条畅通无阻的高速公路，还能显著提高电路板的整体性能和可靠性，为电路的稳定运行保驾护航。本文将详细地探讨 PCB 多层板打样中的层叠结构设计。

一、层叠结构的基本组成

PCB 层叠结构主要由 Core 和 Prepreg（半固态片，简称 PP）构成。Core 如同一个三明治，具有两个表层铜箔，表层之间填充的是固态材料，为信号传输和电源分配提供稳定的物理基础；而 PP 则起到填充的关键作用，其材质为半固态树脂。不同的 Core 和 PP 厚度选择，就像搭积木一样，可以构成多样化的层叠结构，以精准适应不同的设计需求。例如，在一些对空间要求较高的小型化设备中，可能会选择更薄的 Core 和 PP 来减小电路板的厚度。

二、层叠结构设计的先决条件

在进行层叠结构设计之前，需要明确以下几个关键的先决条件。

●单板总层数：要根据单板尺寸、信号数目、电源种类以及 EMC（电磁兼容性）要求，进行全面细致的考量，从而确定信号层、电源层、地层的数目，最终得到单板的总层数。例如，在一个复杂的通信设备中，由于信号数目众多，可能需要更多的信号层来满足信号传输的需求。

●单板厚度：通常情况下，14 层以内的单板厚度可选为 1.6mm，而 16 层以上的单板厚度则需达到 2mm 以上。这是因为随着层数的增加，电路板需要更多的空间来容纳各层之间的材料和线路。

●目标阻抗：从信号完整性角度深入考虑，单端信号对地阻抗一般取 50Ω，差分对信号间阻抗取 100Ω。合适的阻抗匹配能够减少信号反射和损耗，确保信号的准确传输。

●PCB 材质：主要关注介电常数（Er）和材质正切值（tanδ）。Er 影响高频信号的导通能力，就像道路的通畅程度影响车辆的行驶速度一样；而 tanδ 则决定信号的损耗。在高速电路设计中，应尽量选择 Er 和 tanδ 较小的材质，但这也相应地增加了 PCB 的成本。例如，一些高性能的高频电路可能会选用特殊的低损耗材质。

三、层叠结构的设计流程

层叠结构设计的目标是确定信号层、电源层、地层的排列顺序，以及各层的厚度和信号线上的参数。具体流程如下：

1.评估信号层数目：根据布局设计和关键器件间的信号线密度，进行精确评估所需信号层的数目。例如，在一个高密度集成电路中，关键器件之间的信号线非常密集，可能需要更多的信号层来避免信号干扰。

2.评估电源层和地层数目：根据电源种类和信号层隔离要求，确定所需电源层和地层的数目。不同的电源种类可能需要独立的电源层来保证电源的稳定性，而地层则可以提供良好的电磁屏蔽。

3.选择材质：根据目标阻抗和信号完整性要求，精心选择合适的 PCB 材质。选择合适的材质是确保信号质量的关键因素之一。

4.设计层叠结构：结合先决条件，巧妙设计信号层、电源层、地层的排列顺序和各层厚度。合理的排列顺序可以减少信号干扰和电磁辐射。

5.计算线宽和层厚：利用阻抗计算工具，根据目标阻抗和层叠结构参数，精确计算信号线的线宽和层厚。信号的阻抗可利用 Polar Instruments 公司开发的 Polar SI6000 或者嘉立创的阻抗计算神器等工具计算。准确的线宽和层厚计算能够保证信号的阻抗匹配。

四、层叠结构设计的案例分析

以一个 16 层 PCB 为例，该板包含 10 层信号层、3 层电源层和 3 层地层。在设计过程中，需要注意以下几点：

●电源平面与地平面的紧密耦合：这有助于降低阻抗，提高信号完整性。紧密耦合可以减少电源噪声和电磁干扰，就像给电路加上了一层保护罩。

●关键信号线的走线层选择：高速关键信号应走在信号完整性最好的层上，如以完整地层为参考的信号层。这样可以避免信号受到其他线路的干扰，确保信号的高速稳定传输。

●线宽与层厚的匹配：为获得特定的目标阻抗，信号线宽需与信号所在层距离其相邻参考层的间距相匹配。不匹配的线宽和层厚可能会导致信号反射和损耗增加。

●表层的使用：表层主要用作 BGA 器件或贴片器件的信号线扇出，不用于长距离走线。因为表层容易受到外界干扰，长距离走线会增加信号的衰减和干扰。

五、高速电路中的特殊考虑

在高速电路设计中，还需特别关注以下几点：

●阻抗控制：确保信号层与其参考层之间尽量以固态材料填充，以获得更好的阻抗控制效果。固态材料可以提供更稳定的电介质特性，有助于实现精确的阻抗控制。

●正交走线：相邻平面在走线时，应采用正交走线方式，以减少信号干扰。正交走线可以避免信号之间的相互耦合，就像两条垂直的道路不会相互干扰一样。

●电源层和地层的分割：分割的电源层与地层需保持良好的耦合，以减少电磁干扰。良好的耦合可以降低电源噪声和电磁辐射，提高电路的电磁兼容性。

六、结论

PCB 多层板的层叠结构设计是高速电路设计中的重要环节。通过合理的层叠结构设计，可以确保信号的完整性，提高电路板的整体性能和可靠性。在实际设计中，需要综合考虑单板总层数、单板厚度、目标阻抗和 PCB 材质等因素，并结合具体案例进行分析和优化。同时，还需特别关注高速电路中的特殊考虑，如阻抗控制、正交走线和电源层 / 地层的分割等。通过科学的层叠结构设计，可以为高速电路的稳定运行提供有力保障。