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PCB叠层设计指南 | 从材料选型到叠构设计

2024.01.25

什么是PCB叠层？

一般情况下，当设计普通单、双面板时，无需考虑PCB的叠层问题，通常直接选择铜厚和板厚符合设计要求的覆铜板直接加工。但设计4层以上的PCB时，叠层设计直接影响PCB的性能和价格。

16层板的叠层设计

多层PCB由覆铜芯板（Core）、半固化片（prepreg，简称PP）与铜箔，一起按照叠层设计组合，经过压合制成。

在PCB开始设计之前，Layout工程师会根据必发板的尺寸、必发的规�：偷绱偶嫒荩‥MC）的要求确定PCB的层数，然后确定元器件的布局，最后确认信号层、电源层和地层的划分。

PCB叠层设计原则

PCB叠层需要从层数、信号类型、板厚、材料选择、铜厚、阻抗控制、EMI/EMC屏蔽、热管理、成本和可测试性等多方面考虑。

满足高速信号布线的信号完整性要求

对于关键信号线，需要构建GND/Signal/GND的叠层组合，相邻信号层的带状线，交叉垂直布线，以最小化串扰耦合。从信号完整性的角度来讲，关键高速信号使用带状线（Stripline）布线，非关键高速信号可以选择使用微带线（Microstrip）布线。

如非必要，不建议使用宽边耦合带状线（Broadside-Coupled Stripline ），PCB加工过程中的曝光和蚀刻的偏移都会造成重叠错位，加工过程困难而且难以保证阻抗的一致性。

微带线和带状线布线的类型

PCB板材、PP和铜箔的选型

FR-4能够满足大多数PCB的需求，价格便宜而且电气性能良好，高速PCB会选用高速板材，比如松下的Megtron4/6等，射频PCB会选用碳氢、Teflon或者陶瓷基板。如汽车灯板等对散热要求高的设计场景，会选用铝基或者铜基板材，在Mini LED等显示场景会使用玻璃基板材。

板材的关键性能指标如下：

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高速PCB板材选型

高速PCB需要选择具有最低损耗角正切和较小介电常数的介电材料，高速PCB的设计需要特别注意材料明细，包括玻璃纤维(Fiberglass)，电介质矩阵(Dielectric Matrix)和铜(Copper)。在较高数据速率下的信号具有较高的频率单元，波长更短，阻抗不连续会产生更多反射。需要考虑玻纤效应和铜箔表面粗糙度的影响。

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不同型号板材对信号的衰减

在上图中，Typical FR4在28Gbps时每英寸有近2dB平均损耗(Nyquist为14GHz)，Megtron6在相同频率只有0.85dB。

玻纤布带来的玻纤效应

不同的玻纤对应的编织粗细不一样，开窗和交织的厚度也不一样，如果信号分别布在开窗上和玻纤上所表现的特性(阻抗、时延、损耗)也不一样（开窗和玻纤Dk/Df特性不一样导致的），这就是玻纤效应。

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芯板（Core）的制造过程

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玻纤布的类型

缓解玻纤效应的方法：

择最小化树脂窗口的玻纤类型材料；
使用Zig-Zag等10°走线方法；
在制板的时候让板厂旋转一定的角度；
使用扁平开纤玻布或者平织布。

铜箔粗糙度

铜箔粗糙度(铜牙)使线路的宽度、线间距不均匀，从而导致阻抗不可控，同时由于趋肤效应，电流集中在导体的表层，铜箔的表面粗糙度影响信号传输的长度。

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不同等级铜箔的表面粗糙度

如下图所示，在5GHz以下铜箔粗糙度的影响不是太明显，大于5GHz铜箔粗糙度的影响开始越来越大，在大于10Ghz的高速信号的设计时尤其需要重视。

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铜箔粗糙度对高速信号的衰减

PCB每层的铜厚

PCB铜箔的厚度以盎司（oz）为单位。常见的铜厚有三个尺寸，0.5oz（内层）、1oz（表层）和2oz，主要用在消费和通讯类产品上。3oz以上属于厚铜，常用于高压、大电流的电力电子产品。

电源板的叠层设计

叠层设计时必须平衡铜箔的厚度，使电源/地平面层铜的厚度满足载流要求。对于信号层铜的厚度来讲，线宽/线距较�。枰】赡鼙〔拍苈憔返氖纯痰囊�。高速信号线由于趋肤效应的影响，电流只在铜箔表面附近流动，更厚的铜箔并不会带来更好的性能。所以内层信号层的铜厚通常为Hoz，即0.5盎司。

叠层的阻抗控制

PCB上很多接口信号线都有阻抗要求，常见的单端50Ω、差分100Ω等。阻抗控制，需要有参考平面，一般需要四层以上。

阻抗不匹配会导致信号失真、反射和辐射等信号完整性问题，影响PCB的性能。走线的铜厚、介电常数、线宽、线距都会影响阻抗。我们可以根据各种EDA工具去计算阻抗，然后按照设计的叠层结构，去调整走线的参数。目前常规的板厂都可以把阻抗控制在10%。

使用Polar来计算叠层阻抗

叠层的孔结构

PCB中孔的类型

通孔（PTH）贯穿整个PCB可以连接所有层。盲孔（Blind Via）可以将外层连接至一个或多个内层，但不穿过PCB。埋孔（Buried Via）只连接PCB的内层。

高密度（HDI）PCB经常会使用盲孔和埋孔来优化布线空间，盲孔和埋孔也造成了PCB需要多次压合增加了工序，PCB的制造难度上升，因此也更加昂贵。

在叠层设计时，需要根据设计需要来设计整板的孔结构，在满足设计的前提下，尽量简化孔的结构。

PCB叠层的EMC设计

PCB叠层EMC设计时遵循以下原则：

板内电源平面和地平面尽量相互邻近，一般地平面在电源平面之上，这样的设计可以有效利用层间电容作为电源的平滑电容，同时接地平面对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。
电源和地层分配在内层，地平面可视为屏蔽层，可以很好地抑制必发板上固有的共模RF干扰，减小高频电源的分布阻抗。
布线层应尽量安排与电源或地平面相邻以产生通量对消作用。

PCB板上的辐射

PCB叠层的热设计

PCB叠层设计需要考虑热管理，保证元器件散发的热量有效传导出去，防止热损坏提高必发可靠性。在设计流程中，我们会先根据元器件功耗进行热仿真，根据仿真结果优化元器件布局和设计相应的散热方案。

在叠层设计阶段，也可以针对性做散热设计：

优先选择导热系数高的板材，按需选择金属基板；
大功率器件下方设计散热焊盘，使用散热孔；
埋铜块，嵌铜柱，提高热传导效率；
增加地平面，空白区域铺地，增大散热面积。

板级热仿真

板厚控制

常规的PCB成品厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、3.2mm、6.4mm等等。一般面积小的板厚相对较�。２灏�、安装应力较大、面积大的板子，从结构可靠性角度需要做厚一些。

PCB叠层设计步骤

PCB叠层设计一般遵循以下步骤：

1.确定层叠的总厚度，即板厚；

2.确定PCB层数，并分配信号层、地平面层和电源层；

3.确定内层和外层的铜厚；

4.确定阻抗线的分布；

5.确定过孔结构；

6.确定每层的残铜率，最好要对称；

7.选择满足设计要求的板材、PP和铜箔材料。

以12层板为例，设计好的叠层结构如下：

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