PCB层叠设计经验总结

1. PCB组成

PCB包含两个重要的组成部分：Core和PP（Prepreg，半固态片）。
Core的两个表面都铺有铜箔，用作导电层，两个表层之间填充以固态材料，其由增强材料玻璃纤维浸以固态树脂组成。
PP的表面没有铜箔，其由半固态树脂和玻璃纤维组成，相比Core要软一些，其构成所谓的浸润层，在PCB中主要起填充作用，用以粘合芯板Core。工厂生产时，浸润层一般无法做到超出3个PP（厚度大概在20mil左右）。正由于PP的半固态特性，制作完成的各PCB中的PP厚度也会有所偏差，因此，阻抗控制的一致性也可能存在偏差。
配合使用Core和PP以实现多层PCB的设计制作。

2. 铜箔

铜箔厚度经常以盎司（oz）为单位进行表示，oz本是质量单位（黄金白银大家都懂得），铜箔的1oz表示将1oz质量（28.35g）的铜箔均匀地铺在1平方英尺面积上，其厚度是1.37mil，约为1.4mil=35um。
电路板常用的铜箔材料主要分为压延铜箔和电解铜箔，压延铜箔分子严密，表面更平滑（有利于高速信号的传播），耐折性和柔性较好，不易断，因此一般应用于有弯折要求的产品上。

3. PCB板材

使用最多的PCB板材是FR4，其以玻璃纤维布作为增强材料，以环氧树脂作为粘合剂。
另一种是家电等行业使用较多的复合基板CEM1，其以木浆纤维纸或棉浆纤维纸作为芯材增强材料，以玻璃纤维布作为表层增强材料，两者都浸以阻燃环氧树脂。该板材主要使用于单面板场合。其机械强度要低于FR4板材，但是价格相对便宜一些，也具有阻燃特性。
PCB材质主要参数是相对介电常数和材质损耗角，两者组合在一起可以表示复介电常数，这在前文《信号完整性SI读书笔记之一》中有所提及，从中可知相对介电常数越大，信号在介质中的传播速度越慢；材质损耗角越大，介质损耗越大。因此在高速信号PCB设计中，会尽量选择介电常数和材质损耗角小的材质，相应地，成本也会变高。

4. PCB层叠结构和阻抗设计

常见的信号阻抗类型有单端50欧，差分100欧，单端射频50欧等等，阻抗参数可以通过软件Si9000进行计算得到，本文不详述，后续单独写一篇常见阻抗计算的文章进行说明。需要特别提及的一点是单端射频线的50欧阻抗控制，射频线一般走在表层，而且为了增强抗扰能力和减小损耗，相比普通信号，射频线需要更粗的线宽，一般至少在15mil。在上篇文章中我们知道，控制特性阻抗不变的情况下，加大线宽的同时必须增加信号线到参考层的距离，所以表层的射频线需要隔层参考第三层，在表层射频走线下方的第二层做挖空处理。
工作中使用较多的PCB层叠是12层、8层和6层，也有遇到过20层以上的。一般情况下，在规模稍大的公司中，PCB Layout和原理图设计是由不同的人完成的，但这不意味着硬件工程师就不需要懂PCB相关的知识了，恰恰相反，很多时候Layout工程师并不清楚板子上哪些信号最重要，哪些次之。因此，硬件工程师最好在原理图上注明信号在Layout时的注意点，并和Layout工程师积极沟通，指出其中的问题点以协助其更改。这就要求硬件工程师也必须更加清楚PCB Layout相关的知识点，才能提出有效的指导意见。
实际工作中，多层板的层数一般都会由Layout工程师确定好，厚度一般都是1.6mm或2mm，没有特殊要求的话，板材也是FR4居多。PCB的层叠设置有一些基本原则，对于提升信号完整性质量来说大有好处，我们可以按照这些原则检查Layout工程师给出的设计是否合理，并提出改进意见。
（1）电源平面与地平面尽可能靠近，最好是相邻，因为两个完整平面可以构成平面大电容，相当于增加了去耦电容，降低了电源对地阻抗，有利于电源完整性PI（PDN）。在实际PCB设计中，很难将所有的电源平面和地平面相邻，但是一般可以在最中心的两个相邻叠层设置为电源平面和地平面，比如8层板的4层和5层，12层板的6层和7层，这两层紧密相邻，具有良好的耦合效果。如果设计中有某个电源层的电源种类较多，电源层会被分割地较为零碎，可将该电源层设置为紧邻地层，以获得相对较好的电容耦合效果，如6层为GND，7层设置为电源种类较多的零碎电源层。8层板和12层板常见比较好的层叠分配结构分别如图1和图2所示（Altium Designer中的层叠管理，使用allegro的话能够根据层叠设置直观地给出阻抗），图中层叠的厚度尚未根据阻抗控制进行优化。

图1 8层板常用层叠分配

图2 12层板常用层叠分配
（2）所有信号层（尤其是关键信号）都尽可能与完整的平面（电源和地平面均可）相邻，以保证完整可靠的回流平面和阻抗连续。高速信号尤其注意避免跨分割的情况。信号回流时会自动选择与驱动路径阻抗最小的路径作为返回路径（形成传输线结构）。
（3）信号换层时，最好不改变参考层；次之是如果参考层改变了，最好不改变参考层的网络属性，而且在信号换层时，在信号过孔附近添加和参考层网络属性相同的过孔，前面MIPI文章中关于PCB过孔曾有提及到；如果信号换层，参考层的网络属性也发生了变化，最好能使两个参考层越近越好。这些措施都是为了保证返回路径的阻抗尽可能保持连续，层间阻抗尽可能低，从而减小信号压降和信号畸变。
（4）尽量避免两个信号层（包括两个电源层）之间相邻，以减小串扰。实在难以避免的情况，相邻信号层则应该正交走线，一层横向走线，一层纵向走线。

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