浅谈PCB叠层设计

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。
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；
层的排布一般原则：
1、确定多层PCB板的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说，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。
2、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；敏感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。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。
3、所有信号层尽可能与地平面相邻；
4、尽量避免两信号层直接相邻；相邻的信号层之间容易引入串扰，从而导致电路功能失效。在两信号层之间加入地平面可以有效地避免串扰。
5、主电源尽可能与其对应地相邻；
6、兼顾层压结构对称。
7、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。
8、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。
常用的层叠结构:
4层板
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（Bottom）。
（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 作为 4层板的结构。选择的原因并非方案 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 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。
6层板
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（Inner_4），Siganl_4（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。
① 电源层和地线层分隔较远，没有充分耦合。
② 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（Inner_4），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 Siganl_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。
① 电源层和地线层紧密耦合。
② 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。
③ Siganl_2（Inner_2）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。
10层板
PCB典型10层板设计
一般通用的布线顺序是TOP--GND---信号层---电源层---GND---信号层---电源层---信号层---GND---BOTTOM
本身这个布线顺序并不一定是固定的，但是有一些标准和原则来约束：如top层和bottom的相邻层用GND，确保单板的EMC特性；如每个信号层优选使用GND层做参考平面；整个单板都用到的电源优先铺整块铜皮；易受干扰的、高速的、沿跳变的优选走内层等等。
下表给出了多层板层叠结构的参考方案，供参考。

PCB设计之叠层结构改善案例（From金百泽科技）

问题点
产品有8组网口与光口，测试时发现第八组光口与芯片间的信号调试不通，导致光口8调试不通，无法工作，其他7组光口通信正常。
1、问题点确认
根据客户端提供的信息，确认为L6层光口8与芯片8之间的两条差分阻抗线调试不通；

2、客户提供的叠构与设计要求

改善措施
影响阻抗信号因素分析：
线路图分析：客户L56层阻抗设计较为特殊，L6层阻抗参考L5/L7层，L5层阻抗参考L4/L6层，其中L5/L6层互为参考层，中间未做地层屏蔽，光口8与芯片8之间线路较长，L6层与L5层间存在较长的平行信号线（约30%长度）容易造成相互干扰，从而影响了阻抗的精准度，阻抗线的设计屏蔽层不完整，也造成阻抗的不连续性，其他7组部分也有相似问题，但相对较轻微。
L56层存在特殊设计（均为信号层，存在差分阻抗平行设计、相邻阻抗层间未设计参考地层），客户端未充分考虑相邻层走线存在的干扰，导致调试不通问题。

与客户沟通对叠层进行优化，将L45、L56、L67层结构进行了调整，介质层厚度分别由20.87mil、6mil、13mil 调整为5.12mil、22.44mil、5.12mil，将而L4、L7间的参考地层间的距离拉近，L56层互为参考且屏蔽不足的线路层距离拉远，减少干扰。
优化后的叠层结构：

优化后的阻抗匹配：

改善效果
通过调整叠层结构，拉大L56层相邻信号层之间的距离，串扰造成的系统故障问题得到解决。