PCB 工程师需要注意层叠设计

caroline11

较多的PCB工程师，他们经常画电脑主板，对Allegro等优秀的工具非常的熟练，但是，非常可惜的是，他们居然很少知道如何进行阻抗控制，如何使用工具进行信号完整性分析。如何使用IBIS模型我觉得真正的PCB高手应该还是信号完整性专家，而不仅仅停留在连连线，过过孔的基础上对布通一块板子容易，布好一块难。
小资料：对于电源、地的层数以及信号层数确定后，它们之间的相对排布位置是每一个PCB工程师都不能回避的话题；
单板层的排布一般原则：
元件面下面(第二层)为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面；
所有信号层尽可能与地平面相邻；
尽量避免两信号层直接相邻；
主电源尽可能与其对应地相邻；
兼顾层压结构对称。

对于母板的层排布，现有母板很难控制平行长距离布线，对于板级工作频率在50MHZ以上的(50MHZ以下的情况可参照，适当放宽)，建议排布原则：元件面、焊接面为完整的地平面(屏蔽)；
无相邻平行布线层；
所有信号层尽可能与地平面相邻；
关键信号与地层相邻，不跨分割区。

注：具体PCB的层的设置时，要对以上原则进行灵活掌握，在领会以上原则的基础上，根据实际单板的需求，如：是否需要一关键布线层、电源、地平面的分割情况等，确定层的排布，切忌生搬硬套，或抠住一点不放。

以下为单板层的排布的具体探讨：*四层板，优选方案1，可用方案3方案电源层数地层数信号层数1 2 3 4 1 1 1 2 S G P S 2 1 2 2 G S S P 3 1 1 2 S P G S方案1此方案四层PCB的主选层设置方案，在元件面下有一地平面，关键信号优选布TOP层；至于层厚设置，有以下建议：满足阻抗控制芯板(GND到POWER)不宜过厚，以降低电源、地平面的分布阻抗；保证电源平面的去藕效果；为了达到一定的屏蔽效果，有人试图把电源、地平面放在TOP、BOTTOM层，即采用方案2：此方案为了达到想要的屏蔽效果，至少存在以下缺陷：电源、地相距过远，电源平面阻抗较大电源、地平面由于元件焊盘等影响，极不完整由于参考面不完整，信号阻抗不连续实际上，由于大量采用表贴器件，对于器件越来越密的情况下，本方案的电源、地几乎无法作为完整的参考平面，预期的屏蔽效果很难实现；方案2使用范围有限。但在个别单板中，方案2不失为最佳层设置方案。

以下为方案2使用案例；案例(特例)：设计过程中，出现了以下情况：
A、整板无电源平面，只有GND、PGND各占一个平面；
B、整板走线简单，但作为接口滤波板，布线的辐射必须关注；
C、该板贴片元件较少，多数为插件。
分析：1、由于该板无电源平面，电源平面阻抗问题也就不存在了；

2、由于贴片元件少(单面布局)，若表层做平面层，内层走线，参考平面的完整性基本得到保证，而且第二层可铺铜保证少量顶层走线的参考平面；

3、作为接口滤波板，PCB布线的辐射必须关注，若内层走线，表层为GND、PGND，走线得到很好的屏蔽，传输线的辐射得到控制；鉴于以上原因，在本板的层的排布时，决定采用方案2，即：GND、S1、S2、PGND，由于表层仍有少量短走线，而底层则为完整的地平面，我们在S1布线层铺铜，保证了表层走线的参考平面；五块接口滤波板中，出于以上同样的分析，设计人员决定采用方案2，同样不失为层的设置经典。

列举以上特例，就是要告诉大家，要领会层的排布原则，而非机械照搬。


方案3：此方案同方案1类似，适用于主要器件在BOTTOM布局或关键信号底层布线的情况；一般情况下，限制使用此方案；*六层板：优选方案3，可用方案1，备用方案2、4对于六层板，优先考虑方案3，优选布线层S2，其次S3、S1.主电源及其对应的地布在4、5层，层厚设置时，增大S2-P之间的间距，缩小P-G2之间的间距(相应缩小G1-S2层之间的间距)，以减小电源平面的阻抗，减少电源对S2的影响；在成本要求较高的时候，可采用方案1，优选布线层S1、S2，其次S3、S4，与方案1相比，方案2保证了电源、地平面相邻，减少电源阻抗，但S1、S2、S3、S4全部裸露在外，只有S2才有较好的参考平面；

对于局部、少量信号要求较高的场合，方案4比方案3更适合，它能提供极佳的布线层S2. *八层板：优选方案2、3、可用方案1对于单电源的情况下，方案2比方案1减少了相邻布线层，增加了主电源与对应地相邻，保证了所有信号层与地平面相邻，代价是：牺牲一布线层；对于双电源的情况，推荐采用方案3，方案3兼顾了无相邻布线层、层压结构对称、主电源与地相邻等优点，但S4应减少关键布线；方案4：无相邻布线层、层压结构对称，但电源平面阻抗较高；应适当加大3-4、5-6，缩小2-3、6-7之间层间距；方案5：与方案4相比，保证了电源、地平面相邻；但S2、S3相邻，S4以P2作参考平面；对于底层关键布线较少以及S2、S3之间的线间窜扰能控制的情况下此方案可以考虑；*十层板：推荐方案2、3、可用方案1、4方案3：扩大3-4与7-8各自间距，缩小5-6间距，主电源及其对应地应置于6、7层；优选布线层S2、S3、S4，其次S1、S5；本方案适合信号布线要求相差不大的场合，兼顾了性能、成本；推荐大家使用；但需注意避免S2、S3之间平行、长距离布线；

方案4：EMC效果极佳，但与方案3比，牺牲一布线层；在成本要求不高、EMC指标要求较高、且必须双电源层的关键单板，建议采用此种方案；优选布线层S2、S3，对于单电源层的情况，首先考虑方案2，其次考虑方案1.方案1具有明显的成本优势，但相邻布线过多，平行长线难以控制；*十二层板：推荐方案2、3，可用方案1、4、备用方案5

以上方案中，方案2、4具有极好的EMC性能，方案1、3具有较佳的性价比；

对于14层及以上层数的单板，由于其组合情况的多样性，这里不再一一列举。大家可按照以上排布原则，根据实际情况具体分析。

以上层排布作为一般原则，仅供参考，具体设计过程中大家可根据需要的电源层数、布线层数、特殊布线要求信号的数量、比例以及电源、地的分割情况，结合以上排布原则灵活掌握
6层板以后的各个方案在哪？
6层和8层来了*六层板，优选方案3，可用方案1，备用方案2、4方案电源地信号1 2 3 4 5 6 1 1 1 4 S1 G S2 S3 P S4 2 1 1 4 S1 S2 G P S3 S4 3 1 2 3S1 G1 S2 G2 P S3 4 1 2 3 S1 G1 S2 G2 P S3 *八层板：优选方案2、3、可用方案1方案电源地信号1 2 34 5 6 7 8 1 1 2 5 S1 G1 S2 S3 P S4 G2 S5 2 1 3 4 S1 G1 S2 G2 P S3 G3 S4 3 2 2 4S1 G1 S2 P1 G2 S3 P2 S4 4 2 2 4 S1 G1 S2 P1 P2 S3 G3 S4 5 2 2 4 S1 G1 P1 S2 S3G2 P2 S4 EMC问题在布板的时候还应该注意EMC的抑制哦!!这很不好把握，分布电容随时存在!!

如何接地!
PCB设计原本就要考虑很多的因素，不同的环境需要考虑不同的因素。另外，我不是PCB工程师，经验并不丰富：)))

地的分割与汇接
接地是抑制电磁干扰、提高电子设备EMC性能的重要手段之一。正确的接地既能提高产品抑制电磁干扰的能力，又能减少产品对外的EMI发射。