多层PCB电路板设计方法

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1、1多层 PCB 电路板设计方法 2009-08-30 22:57 在设计多层 PCB 电路板之前，设计者需要首先根据电路的规模、电路板的尺寸和电磁 兼容（EMC）的要 求来确定所采用的电路板结构，也就是决定采用 4 层，6 层，还是更多层数的电路板。 确定层数之后，再 确定内电层的放置位置以及如何在这些层上分布不同的信号。这就是多层 PCB 层叠结 构的选择问题。层 叠结构是影响 PCB 板 EMC 性能的一个重要因素，也是抑制电磁干扰的一个重要手段。 本节将介绍多 层 PCB 板层叠结构的相关内容。 11.1.1 层数的选择和叠加原则 确定多层 PCB 板的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线

2、方面来说，层数越多越利于 布线，但是制板成 本和难度也会随之增加。对于生产厂家来说，层叠结构对称与否是 PCB 板制造时需要 关注的焦点，所以 层数的选择需要考虑各方面的需求，以达到最佳的平衡。 对于有经验的设计人员来说，在完成元器件的预布局后，会对 PCB 的布线瓶颈处进行 重点分析。结合其 他 EDA 工具分析电路板的布线密度；再综合有特殊布线要求的信号线如差分线、敏感 信号线等的数量和 种类来确定信号层的层数；然后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层 的数目。这样，整 个电路板的板层数目就基本确定了。 确定了电路板的层数后，接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。在这一

3、步骤中，需要考虑 的因素主要有以下两点。 （1）特殊信号层的分布。 （2）电源层和地层的分布。 如果电路板的层数越多，特殊信号层、地层和电源层的排列组合的种类也就越多，如 何来确定哪种组合 方式最优也越困难，但总的原则有以下几条。 （1）信号层应该与一个内电层相邻（内部电源/地层），利用内电层的大铜膜来为信 号层提供屏蔽。 （2）内部电源层和地层之间应该紧密耦合，也就是说，内部电源层和地层之间的介 质厚度应该取较小 的值，以提高电源层和地层之间的电容，增大谐振频率。内部电源层和地层之间的介 质厚度可以 在 Protel 的 Layer Stack Manager（层堆栈管理器）中进行设置。选择

4、【Design】 /【Layer Stack Manager】命令，系统弹出层堆栈管理器对话框，用鼠标双击 Prepreg 文本，弹出 如图 11-1 所示对话框，可在该对话框的 Thickness 选项中改变绝缘层的厚度。2如果电源和地线之间的电位差不大的话，可以采用较小的绝缘层厚度，例如 5mil（0.127mm）。 （3）电路中的高速信号传输层应该是信号中间层，并且夹在两个内电层之间。这样 两个内电层的铜膜可以为高速信号传输提供电磁屏蔽，同时也能有效地将高速信号的 辐射限制在两个内电层之间，不对外造成干扰。 （4）避免两个信号层直接相邻。相邻的信号层之间容易引入串扰，从而导致电路功 能失

5、效。在两信号层之间加入地平面可以有效地避免串扰。 （5）多个接地的内电层可以有效地降低接地阻抗。例如，A 信号层和 B 信号层采用 各自单独的地平面，可以有效地降低共模干扰。 （6）兼顾层结构的对称性。 11.1.2 常用的层叠结构 下面通过 4 层板的例子来说明如何优选各种层叠结构的排列组合方式。 对于常用的 4 层板来说，有以下几种层叠方式（从顶层到底层）。 （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（B

6、ottom）。（3）POWER（Top），Siganl_1（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（Bottom）。显然，方案 3 电源层和地层缺乏有效的耦合，不应该被采用。 那么方案 1 和方案 2 应该如何进行选择呢？一般情况下，设计人员都会选择方案 1 作3为 4 层板的结构。原因并非方案 2 不可被采用，而是一般的 PCB 板都只在顶层放置元 器件，所以采用方案 1 较为妥当。但是当在顶层和底层都需要放置元器件，而且内部 电源层和地层之间的介质厚度较大，耦合不佳时，就需要考虑哪一层布置的信号线较 少。对于方案 1 而言，底层的信号线较少，可以采用大面积的铜膜来 与

7、 POWER 层耦合；反之，如果元器件主要布置在底层，则应该选用方案 2 来制板。 如果采用如图 11-1 所示的层叠结构，那么电源层和地线层本身就已经耦合，考虑对 称性的要求，一般采用方案 1。 在完成 4 层板的层叠结构分析后，下面通过一个 6 层板组合方式的例子来说明 6 层板 层叠结构的排列组合 方式和优选方法。 （1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2）， Siganl_3（Inner_3），POWER（Inner4）Siganl_2（Bottom） 方案 1 采用了 4 层信号层和 2 层内部电源/接地层，具有较多的信号层，有利于

8、元器 件之间的布线工作，但是该方案的缺陷也较为明显，表现为以下两方面。 电源层和地线层分隔较远，没有充分耦合。 信号层 Siganl_2（Inner_2）和 Siganl_3（Inner_3）直接相邻，信号隔离性不好， 容易发生串扰。 （2）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），POWER（Inner_2）， GND（Inner_3），Siganl_3（Inner4）Siganl_4（Bottom） 方案 2 相对于方案 1，电源层和地线层有了充分的耦合，比方案 1 有一定的优势，但 是 Siganl_1（Top）和 Siganl_2（Inner_1）以及 Sigan

9、l_3（Inner_4）和 Siganl_4（Bottom）信号层直接相邻，信号隔离不好，容易发生串扰的问题并没有得 到解决。 （3）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2）， POWER（Inner_3），GND（Inner_4）Siganl_3（Bottom） 相对于方案 1 和方案 2，方案 3 减少了一个信号层，多了一个内电层，虽然可供布线 的层面减少了，但是 该方案解决了方案 1 和方案 2 共有的缺陷。 电源层和地线层紧密耦合。 每个信号层都与内电层直接相邻，与其他信号层均有有效的隔离，不易发生串扰。 Siganl_2（Inner_2

10、）和两个内电层 GND（Inner_1）和 POWER（Inner_3）相邻， 可以用来传输高速 信号。两个内电层可以有效地屏蔽外界对 Siganl_2（Inner_2）层的干扰和 Siganl_2（Inner_2）对外界 的干扰。 综合各个方面，方案 3 显然是最优化的一种，同时，方案 3 也是 6 层板常用的层叠结 构。 通过对以上两个例子的分析，相信读者已经对层叠结构有了一定的认识，但是在有些 时候，某一个方案并不能满足所有的要求，这就需要考虑各项设计原则的优先级问题。 遗憾的是由于电路板的板层设计和实际电路的特点密切相关，不同电路的抗干扰性能 和设计侧重点各有所不同，所以事实上这些原则

11、并没有确定的优先级可供参考。但可 以确定的是，设计原则 2（内部电源层和地层之间 应该紧密耦合）在设计时需要首先得到满足，另外如果电路中需要传输高速信号，那4么设计原则 3（电 路中的高速信号传输层应该是信号中间层，并且夹在两个内电层之间）就必须得到满 足。表 11-1 给出了 多层板层叠结构的参考方案，供读者参考。11.2.1 元器件布局的一般原则 设计人员在电路板布局过程中需要遵循的一般原则如下。 （1）元器件最好单面放置。如果需要双面放置元器件，在底层（Bottom Layer）放 置插针式元器件，就有可能造成电路板不易安放，也不利于焊接，所以在底层 （Bottom Layer）最好只放

12、置贴片元器件，类似常见的计算机显卡 PCB 板上的元器件 布置方法。单面放置时只需在电路板的一个面上做丝印层，便于降低成本。 （2）合理安排接口元器件的位置和方向。一般来说，作为电路板和外界（电源、信 号线）连接的连接器元器件，通常布置在电路板的边缘，如串口和并口。如果放置在 电路板的中央，显然不利于接线，也有可能因为其他元器件的阻碍而无法连接。另外 在放置接口时要注意接口的方向，使得连接线可以顺利地引出，远离电路板。接口放 置完毕后，应当利用接口元器件的 String（字符串）清晰地标明接口的种类；对于 电源类接口，应当标明电压等级，防止因接线错误导致电路板烧毁。 （3）高压元器件和低压元器

13、件之间最好要有较宽的电气隔离带。也就是说不要将电 压等级相差很大的元器件摆放在一起，这样既有利于电气绝缘，对信号的隔离和抗干 扰也有很大好处。 （4）电气连接关系密切的元器件最好放置在一起。这就是模块化的布局思想。 （5）对于易产生噪声的元器件，例如时钟发生器和晶振等高频器件，在放置的时候 应当尽量把它们放置在靠近 CPU 的时钟输入端。大电流电路和开关电路也容易产生噪 声，在布局的时候这些元器件或模块也应该远离逻辑控制电路和存储电路等高速信号 电路，如果可能的话，尽量采用控制板结合功率板的方式，利用接口来连接，以提高 电路板整体的抗干扰能力和工作可靠性。 （6）在电源和芯片周围尽量放置去耦电

14、容和滤波电容。去耦电容和滤波电容的布置 是改善电路板电源质量，提高抗干扰能力的一项重要措施。在实际应用中，印制电路 板的走线、引脚连线和接线都有可能带来较大的寄生电感，导致电源波形和信号波形 中出现高频纹波和毛刺，而在电源和地之间放置一个 0.1 F 的去耦电容可以有效地滤 除这些高频纹波和毛刺。如果电路板上使用的是贴片电容，应该将贴片电容紧靠元器5件的电源引脚。对于电源转换芯片，或者电源输入端，最好是布置一个 10 F 或者更 大的电容，以进一步改善电源质量。 （7）元器件的编号应该紧靠元器件的边框布置，大小统一，方向整齐，不与元器件、 过孔和焊盘重叠。元器件或接插件的第 1 引脚表示方向；

15、正负极的标志应该在 PCB 上 明显标出，不允许被覆盖；电源变换元器件（如 DC/DC 变换器，线性变换电源和开关 电源）旁应该有足够的散热空间和安装空间，外围留 有足够的焊接空间等。11.2.2 元器件布线的一般原则 设计人员在电路板布线过程中需要遵循的一般原则如下。 （1）元器件印制走线的间距的设置原则。不同网络之间的间距约束是由电气绝缘、 制作工艺和元件大小等因素决定的。例如一个芯片元件的引脚间距是 8mil，则该芯 片的【Clearance Constraint】就不能设 置为 10mil，设计人员需要给该芯片单独设置一个 6mil 的设计规则。同时，间距的 设置还要考虑到生产厂家的生

16、产能力。 另外，影响元器件的一个重要因素是电气绝缘，如果两个元器件或网络的电位差较大， 就需要考虑电气绝缘问题。一般环境中的间隙安全电压为 200V/mm，也就是 5.08V/mil。所以当同一块电路板上既有高压电路又有低压电路时，就需要特别注意 足够的安全间距。 （2）线路拐角走线形式的选择。为了让电路板便于制造和美观，在设计时需要设置 线路的拐角模式，可以选择 45、90和圆弧。一般不采用尖锐的拐角，最好采用 圆弧过渡或 45过渡，避免采用 90或者更加尖锐的拐角过渡导线和焊盘之间的连 接处也要尽量圆滑，避免出现小的尖脚，可以采用补泪滴的方法来解决。当焊盘之间 的中心距离小于一个焊盘的外径 D 时，导线的宽度可以和焊盘的直径相同；如果焊盘 之间的中心距大于 D，则导线的宽度就不宜大于焊盘的直径。导线通过两个焊盘之间 而不与其连通的时候，应该与它们保持最大且相等的间距，同样导线和导线之间的间 距也应该均匀相等并保持最大。 （3）印制走线宽度的确定方法。走线宽度是由导线流过的电流等级和抗干扰等因素 决定的，流过电流 越大，则走线应该越宽。一般电源线就应该比信