PCB叠层结构与阻抗计算笔记分享

1. PCB叠层结构与阻抗计算

1.1. Core 和 PP

PCB由Core和Prepreg(半固化片)组成。

Core是覆铜板（通常是FR4—玻璃纤维&环氧基树脂），Core的上下表面之间填充的是固态材料；

 

 

 

常见半固化片类型：106,1080,2313,3313,2116,7628

PP原始厚度：7628（0.185mm/7.4mil），2116（0.105mm/4.2mil），1080（0.075mm/3mil）， 3313（0.095mm/4mil ）

实际压制完成后厚度：通常会比原始值小10-15um左右

常用铜厚:1/3oz、1/2oz、1oz、2oz

1.2. PCB的叠层机构和阻抗设计

1.2.1. 层叠结构设计的先决条件

 

 

 

 

1.2.2. 层叠结构与阻抗设计的流程

 

 

 

 

 

 

（1）信号层、地层、电源层的排列顺序（2种层叠对比）

 

 

 

 

 

a. 对结构1的分析

电源层与地层相邻，且距离较近，可以很好地实现电源与地之间的耦合。

信号层3与地层相邻，以完整的地层作为参考平面，因此信号完整性最好。

信号层2与电源层相邻，若电源层是完整的平面，则同样也能获得较好的信号完整性，但若电源种类不止一种，则电源层需分块，不完整的参考平面会导致信号回流路径不通畅，对信号完整性存在一定影响。

信号层1,4与信号层2,3相邻，很容易受到相邻信号层的影响，因此完整性最差。

 

 

 

 

b. 对结构2的分析

电源层与地层不相邻，耦合较差，无法形成有效的寄生小电容。

信号层1,2,3,4相邻层都能找到地层或电源层作为参考平面，信号质量相对结构1更好一些，其中，信号层1和4位于表层，而表层的阻抗控制比内层更难。因此，从信号完整性而言，信号层2和3要好于1和4。

 

（2）线宽与层厚

a. 改变参考层厚度0.1mm为0.2mm，阻抗从47Ω增加到67Ω

 

 

 

 

 

 

 

b. 改变线宽0.2mm为0.3mm，阻抗从67Ω增加到53Ω

 

 

 

 

 

（3）叠层结构与阻抗设计的示例(16层板、信号最高频率400MHz)

a. 先决参数确定

单板层数：信号层8个，3个电源层，3个地层，2个表层（器件+信号）

单板厚度：2mm

目标阻抗：单端信号55±15Ω，差分信号100±15Ω

材质选择：FR4，Er=4.2，tanδ=0.002

b. 层叠结构与阻抗设计

 

 

 

 

层叠特征：PCB层叠结构在材质、厚度上完全对称

确定每层厚度，正确选取Core ,PP，Cu：

5*Core1 : 0.69+0.69+3.94 mil=5.32 mil

2*Core2 : 0.69+0.69+5.9 mil=7.28 mil

6*PP1: 3.94 mil

2*PP2: 5.9 mil

Cu : 0.69 mil

总厚度：5*Core1+2*Core2+6*PP1+2*PP2+2*Cu=77.98 mil = 1.98 mm

确定每层厚度后，计算各层信号走线宽度：

表层单端信号

 

 

 

内层单端信号

 

 

 

内层差分信号（SI9000计算）

 

 

 

 

c. 电源层、地层的确定

层叠已经确定了电源层或地层的位置，这一步确定第二、五、八、九、十二、十五层对应电源层还是地层。

第八，九层位于PCB的中央，紧密相邻，一层作为电源层，另一层作为地层，能起到很好的耦合效果。考虑到需分割的电源层（由四种电源共用）的电源平面较零碎，更需要与完整的地平面的耦合，因此，可确定第八层为地层，第九层为分割的电源层；

第二，十五层直接与表层相邻，从EMC的角度考虑，应选择为地层；

第五，十二层用作为2.5V和3.3V的电源平面。

在确定好电源层和地层后，还需相应地为信号层制定如下规则：

第十层的主要参考平面是第九层，而第九层是分割的电源层，对信号回流的影响较大，因此不建议在第十层走高速信号，对于一些非重要的信号，如控制信号，JTAG信号等，由于它们的阻抗控制要求较弱，可走在第十层。

第七层的主要参考平面是第八层，第八层是完整的地平面，可为第七层提供很好的回流路径，但这两层之间填充的材质是PP，PCB制成后，在阻抗控制上可能存在一定偏差。因此，第七层可走高速信号，但对一些非常关键的高速信号，如单板上速率达到400MHz的差分对总线SPI4.2，不建议走在第七层。

第三层的主要参考平面是第二层，而第二层是完整的地平面，且两层之间采用固态材质填充，阻抗控制较好，适于走高速关键信号，同理，第十四层也适于走高速关键信号。

第四层的主要参考平面是第五层，第五层是完整的2.5V电源平面，两层之间用固态材质填充，可将高速关键信号走在第四层。在本设计中，有大量的DDR SDRAM接口信号线，其中，DDR SDRAM的地址，控制信号等都以2.5V为参考，建议将这些信号也走在第四层。

第十三层的主要参考平面是第十二层，第十二层是完整的3.3V电源平面，两层之间用固态材质填充，高速关键信号可走在第十三层，同时，建议将由3.3V供电的许多单端信号，如时钟信号等，走在第十三层。

第六，十一层的主要参考平面分别是第五，十二层，与参考平面之间用PP填充，阻抗控制可能存在偏差，因此，在这两层上可走高速信号，但不建议走非常关键的高速信号。

设计时需注意，第三，四层，第六，七层，第十，十一层，第十三，十四层，这四对信号层彼此相邻，存在互相干扰的可能，因此在走线时，相邻信号层应正交走线，如第三层走线方向成横向，则第四层走线应成纵向。

 

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