PCB多层板打样中的层叠结构设计

在高速电路设计中，PCB（印刷电路板）的层叠结构设计是至关重要的一环。合理的层叠结构不仅能够保证信号的完整性，还能提高电路板的整体性能和可靠性。本文将详细探讨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）组成。Core具有两个表层铜箔，表层之间填充的是固态材料；而PP则起填充作用，材质为半固态树脂。不同的Core和PP厚度选择可以构成多样化的层叠结构，以适应不同的设计需求。

二、层叠结构设计的先决条件

在进行层叠结构设计之前，需要明确以下几个先决条件：

单板总层数：根据单板尺寸、信号数目、电源种类以及EMC（电磁兼容性）要求，确定信号层、电源层、地层的数目，从而得到单板的总层数。

单板厚度：通常，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。

目标阻抗：从信号完整性角度考虑，单端信号对地阻抗一般取50Ω，差分对信号间阻抗取100Ω。

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，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。

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：

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，评估所需信号层的数目。

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。

选择材质：根据目标阻抗和信号完整性要求，选择合适的PCB材质。

设计层叠结构：结合先决条件，设计信号层、电源层、地层的排列顺序和各层厚度。

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，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。

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。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。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。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。

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。

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。

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。

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。