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多層PCB設計層疊結(jié)構選擇問題解析

發(fā)布時間 :2016-08-30 13:51 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
在設計多層電路板之前,PCB設計者需要首先根據(jù)電路的規(guī)模、電路板的尺寸和電磁兼容(EMC)的要求來確定所采用的電路板結(jié)構,也就是決定采用4層,6層,還是更多層數(shù)的電路板。確定層數(shù)之后,再確定內(nèi)電層的放置位置以及如何在這些層上分布不同的信號。這就是多層PCB層疊結(jié)構的選擇問題。層疊結(jié)構是影響PCB板EMC性能的一個重要因素,也是抑制電磁干擾的一個重要手段。本節(jié)將介紹多層PCB板層疊結(jié)構的相關內(nèi)容。對于電源、地的層數(shù)以及信號層數(shù)確定后,它們之間的相對排布位置是每一個PCB工程師都不能回避的話題。
 
一、電路板層的排布一般原則:
1、確定多層PCB板的層疊結(jié)構需要考慮較多的因素。從布線方面來說,層數(shù)越多越利于布線,但是制板成本和難度也會隨之增加。對于生產(chǎn)廠家來說,層疊結(jié)構對稱與否是PCB板制造時需要關注的焦點,所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求,以達到最佳的平衡。對于有經(jīng)驗的設計人員來說,在完成元器件的預布局后,會對PCB的布線瓶頸處進行重點分析。結(jié)合其他EDA工具分析電路板的布線密度;再綜合有特殊布線要求的信號線如差分線、敏感信號線等的數(shù)量和種類來確定信號層的層數(shù);然后根據(jù)電源的種類、隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目。這樣,整個電路板的板層數(shù)目就基本確定了。
2、元件面下面(第二層)為地平面,提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面;敏感信號層應該與一個內(nèi)電層相鄰(內(nèi)部電源/地層),利用內(nèi)電層的大銅膜來為信號層提供屏蔽。電路中的高速信號傳輸層應該是信號中間層,并且夾在兩個內(nèi)電層之間。這樣兩個內(nèi)電層的銅膜可以為高速信號傳輸提供電磁屏蔽,同時也能有效地將高速信號的輻射限制在兩個內(nèi)電層之間,不對外造成干擾。
3、所有信號層盡可能與地平面相鄰。
4、盡量避免兩信號層直接相鄰;相鄰的信號層之間容易引入串擾,從而導致電路功能失效。在兩信號層之間加入地平面可以有效地避免串擾。
5、主電源盡可能與其對應地相鄰。
6、兼顧層壓結(jié)構對稱。
7、對于母板的層排布,現(xiàn)有母板很難控制平行長距離布線,對于板級工作頻率在50MHZ以上的(50MHZ以下的情況可參照,適當放寬),建議排布原則:
元件面、焊接面為完整的地平面(屏蔽);
無相鄰平行布線層;
所有信號層盡可能與地平面相鄰;
關鍵信號與地層相鄰,不跨分割區(qū)。
注:具體PCB的層的設置時,要對以上原則進行靈活掌握,在領會以上原則的基礎上,根據(jù)實際單板的需求,如:是否需要一關鍵布線層、電源、地平面的分割情況等,確定層的排布,切忌生搬硬套,或摳住一點不放。
8、多個接地的內(nèi)電層可以有效地降低接地阻抗。例如,A信號層和B信號層采用各自單獨的地平面,可以有效地降低共模干擾。
 
二、PCB設計常用的層疊結(jié)構:
4層板
下面通過4層板的例子來說明如何優(yōu)選各種層疊結(jié)構的排列組合方式。
對于常用的4層板來說,有以下幾種層疊方式(從頂層到底層):
(1)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),POWER(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。
(2)Siganl_1(Top),POWER(Inner_1),GND(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。
(3)POWER(Top),Siganl_1(Inner_1),GND(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。
顯然,方案3電源層和地層缺乏有效的耦合,不應該被采用。
那么方案1和方案2應該如何進行選擇呢?一般情況下,設計人員都會選擇方案1作為4層板的結(jié)構。選擇的原因并非方案2不可被采用,而是一般的PCB板都只在頂層放置元器件,所以采用方案1較為妥當。但是當在頂層和底層都需要放置元器件,而且內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度較大,耦合不佳時,就需要考慮哪一層布置的信號線較少。對于方案1而言,底層的信號線較少,可以采用大面積的銅膜來與POWER層耦合;反之,如果元器件主要布置在底層,則應該選用方案2來制板。
 
6層板
在完成4層板的層疊結(jié)構分析后,下面通過一個6層板組合方式的例子來說明6層板層疊結(jié)構的排列組合方式和優(yōu)選方法。(1)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),Siganl_3(Inner_3),POWER(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。方案1采用了4層信號層和2層內(nèi)部電源/接地層,具有較多的信號層,有利于元器件之間的布線工作,但是該方案的缺陷也較為明顯,表現(xiàn)為以下兩方面。
①電源層和地線層分隔較遠,沒有充分耦合。
②信號層Siganl_2(Inner_2)和Siganl_3(Inner_3)直接相鄰,信號隔離性不好,容易發(fā)生串擾。(2)Siganl_1(Top),Siganl_2(Inner_1),POWER(Inner_2),GND(Inner_3),Siganl_3(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。
方案2相對于方案1,電源層和地線層有了充分的耦合,比方案1有一定的優(yōu)勢,但是Siganl_1(Top)和Siganl_2(Inner_1)以及Siganl_3(Inner_4)和Siganl_4(Bottom)信號層直接相鄰,信號隔離不好,容易發(fā)生串擾的問題并沒有得到解決。
 
(3)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),POWER(Inner_3),GND(Inner_4),Siganl_3(Bottom)。
相對于方案1和方案2,方案3減少了一個信號層,多了一個內(nèi)電層,雖然可供布線的層面減少了,但是該方案解決了方案1和方案2共有的缺陷。
①電源層和地線層緊密耦合。
②每個信號層都與內(nèi)電層直接相鄰,與其他信號層均有有效的隔離,不易發(fā)生串擾。
③Siganl_2(Inner_2)和兩個內(nèi)電層GND(Inner_1)和POWER(Inner_3)相鄰,可以用來傳輸高速信號。兩個內(nèi)電層可以有效地屏蔽外界對Siganl_2(Inner_2)層的干擾和Siganl_2(Inner_2)對外界的干擾。
綜合各個方面,方案3顯然是最優(yōu)化的一種,同時,方案3也是6層板常用的層疊結(jié)構。
 
通過對以上兩個例子的分析,相信讀者已經(jīng)對層疊結(jié)構有了一定的認識,但是在有些時候,某一個方案并不能滿足所有的要求,這就需要考慮各項設計原則的優(yōu)先級問題。遺憾的是由于電路板的板層設計和實際電路的特點密切相關,不同電路的抗干擾性能和設計側(cè)重點各有所不同,所以事實上這些原則并沒有確定的優(yōu)先級可供參考。但可以確定的是,設計原則2(內(nèi)部電源層和地層之間應該緊密耦合)在設計時需要首先得到滿足,另外如果電路中需要傳輸高速信號,那么設計原則3(電路中的高速信號傳輸層應該是信號中間層,并且夾在兩個內(nèi)電層之間)就必須得到滿足。
 
10層板
PCB典型10層板設計
一般通用的布線順序是TOP--GND---信號層---電源層---GND---信號層---電源層---信號層---GND---BOTTOM
本身這個布線順序并不一定是固定的,但是有一些標準和原則來約束:如top層和bottom的相鄰層用GND,確保單板的EMC特性;如每個信號層優(yōu)選使用GND層做參考平面;整個單板都用到的電源優(yōu)先鋪整塊銅皮;易受干擾的、高速的、沿跳變的優(yōu)選走內(nèi)層等等。
 
三、PCB設計之疊層結(jié)構改善案例
問題點
產(chǎn)品有8組網(wǎng)口與光口,測試時發(fā)現(xiàn)第八組光口與芯片間的信號調(diào)試不通,導致光口8調(diào)試不通,無法工作,其他7組光口通信正常。
1、問題點確認
根據(jù)客戶端提供的信息,確認為L6層光口8與芯片8之間的兩條差分阻抗線調(diào)試不通;
根據(jù)客戶端提供的信息,確認為L6層光口8與芯片8之間的兩條差分阻抗線調(diào)試不通-深圳宏力捷
2、客戶提供的疊構與設計要求
客戶提供的疊構與設計要求-深圳宏力捷
 
改善措施
影響阻抗信號因素分析:
線路圖分析:客戶L56層阻抗設計較為特殊,L6層阻抗參考L5/L7層,L5層阻抗參考L4/L6層,其中L5/L6層互為參考層,中間未做地層屏蔽,光口8與芯片8之間線路較長,L6層與L5層間存在較長的平行信號線(約30%長度)容易造成相互干擾,從而影響了阻抗的精準度,阻抗線的設計屏蔽層不完整,也造成阻抗的不連續(xù)性,其他7組部分也有相似問題,但相對較輕微。
L56層存在特殊設計(均為信號層,存在差分阻抗平行設計、相鄰阻抗層間未設計參考地層),客戶端未充分考慮相鄰層走線存在的干擾,導致調(diào)試不通問題。
影響PCB阻抗信號因素分析-深圳宏力捷
與客戶溝通對疊層進行優(yōu)化,將L45、L56、L67層結(jié)構進行了調(diào)整,介質(zhì)層厚度分別由20.87mil、6mil、13mil調(diào)整為5.12mil、22.44mil、5.12mil,將而L4、L7間的參考地層間的距離拉近,L56層互為參考且屏蔽不足的線路層距離拉遠,減少干擾。
 
優(yōu)化后的疊層結(jié)構:
優(yōu)化后的PCB疊層結(jié)構-深圳宏力捷
 
優(yōu)化后的阻抗匹配:
優(yōu)化后的阻抗匹配-深圳宏力捷
 
改善效果
通過調(diào)整疊層結(jié)構,拉大L56層相鄰信號層之間的距離,串擾造成的系統(tǒng)故障問題得到解決。


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