浅谈PCB的层叠结构设计

当把网表导入到layout软件后，需要做的事，就是叠层的设计。

以前画数字硬件板的时候，刚开始选的8层板，后来走线发现线实在走不开，最后又换成10层板。

据说有经验的layout工程师，在网表导入后，就可以估算出用几层板。

无奈，我属于没经验的兼职layout工程师，还没练成这个本事，所以只能中途返工。

除了层数的选择外，叠层结构也有讲究。

单板上的东东，笼统的讲，分为三种，即电源，地以及信号。

所以，叠层也就分为电源层，地层以及信号层。

当然还有，放置器件的层，这个一般在TOP面或者Bottom面。

而叠层的设计，就是电源层，地层以及信号层三者之间的位置关系以及距离关系。

通俗的讲，就是谁在上，谁在下，谁谁离的近一点，谁谁离的远一点。

那怎么确定三者之间的位置和距离关系呢？

先记住以下几点：

(1) 电源层和地层不得已不要分开，相邻放置，且越近越好。因为这两层之间形成的平面电容，距离越近，电容越大，对电源的滤波有好处。

(2) 电源和地平面均能作为信号的参考平面，但是呢，优先选择地平面。

(3) 元件面下面最好是地平面，为器件提供屏蔽层，为顶层布线提供参考面。

(4) 所有信号层尽可能与地平面相邻，保证信号的电流回路不会乱。

(5) 避免两信号层直接相邻，若实在没办法，走线尽量保持垂直。

(6) 还有考虑层压结构对称，要不板子容易弯曲。

4层板的叠层结构可以有下面三种方案。

这三种方案中，优先选择方案1。

关键信号优先选TOP层，因为在TOP层下面是GND层。

射频和高速信号，走线需要为50ohm，所以叠层厚度需要考虑阻抗控制。

GND和PWR层，一般是使用芯板，使其薄点，保证平面电容的去耦效果。

方案2的目的，是想屏蔽得好一点，所以把GND层和PWR层在最外层。

但是理想丰满，现实骨感。想要在这个叠层条件下，获得好的屏蔽效果，对使用其的设计有苛刻的要求。

像我们常规的，具有很多器件的设计，就不适合使用方案2. 

GND和PWR面会由于元件焊盘的影响，变得极不完整，这就导致S1和S2上的信号的回流乱乱的。同时，GND和PWR离的太远，去耦效果也大幅度下降。

方案3，和方案1类似。适用于主要器件在BOTTOM布局的情况，关键信号在BOTTOM层布线。

6层板的结构有下面4种方案。

六层板时，优先考虑方案3.

布线层选择依次为S2,BOTTOM,TOP。

主电源在第四层和第五层。

层厚设置上，增大S2和PWR之间的间距(减小电源对S2的影响)，缩小PWR和GND2之间的间距(提升板间电容的去耦效果)，缩小GND1和S2之间的间距(减小电源对S2的影响).

方案1，优选布线层TOP和S2，其次是S3和BOTTOM。不过，有时候像射频布板，没有专门的电源平面，这时候，布线层就优选TOP和BOTTOM层。

方案2，保证了电源和地平面相邻，保证了板间电容的去耦效果，但TOP,BOTTOM,S2,S3都在外面，只有S2有较好的参考平面。

方案4，适合对于少量信号有高要求的场合，因为S2上下都是GND，EMC性能最好。

八层板的结构有下面5种方案。

优选方案2和方案3。

方案2中所有的布线层都与地平面相邻，与方案1相比，减少了相邻布线层。

方案3与方案2比，将第七层由GND更改为PWR层，所以需要减少S4上的关键布线。

方案4，无相邻布线层，层压结构对称，但是PWR离GND层远，电源平面阻抗较高。需要适当加大S2和PW1、PWR2和S3之间的距离，缩小GND1和S2、GND3和S3之间的距离。也就是说，让中间层的布线离电源层远点，离GND层近点。

方案5，电源和地平面相邻，有相邻布线层(s2,s3), S4的参考面是PWR层。如果底层关键布线少，且能控制S2和S3的线间串扰，可以考虑该方法。

十层板的方案有如下4种。

优选方案2和方案3.

方案3, 扩大电源层与布线层的间距(S2和PWR1，PWR2和S4)，缩小布线层和GND层的间距(S3和GND2，S4和GND3)。

主电源为PWR2层，其对应地为GND2层。

布线层优先选择S2,S3,S4,其次是S1和S5。

方案4：与方案3相比，少了一层布线层，但是EMC性能好。如果不考虑成本的话，优先选择这个。

参考文献：

PCB的EMC设计指南

编辑：黄飞