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多层 PCB 线路板的层叠设计方案需要综合考虑多种
2017-10-15
多层 PCB 线路板的层叠设计方案需要综合考虑多种因素,以下是一些常见的设计要点和方案示例:


 
1. 基本原则2:
1. 参考层相邻:每个信号走线层都应有一个邻近的参考层(电源或地层),这样可以为信号提供稳定的回流路径,减少信号反射、串扰等问题。
2. 耦合与屏蔽:电源层和地层应紧密耦合,相邻的信号层之间最好有地平面进行隔离,以增强电磁屏蔽效果,降低电磁干扰。
3. 对称设计:层压结构尽量保持对称,可避免电路板在生产和使用过程中因应力不均而产生弯曲、变形等问题。
2. 不同层数的常见方案
1. 四层板2:
1. 方案一:Top、GND、PWR、Bottom:这是业界比较主流的 4 层选用方案。主器件面(Top)下有一个完善的地平面,为最优布线层,方便顶层器件的接地和信号回流。地平面层和电源平面层之间的芯板厚度不宜过厚,以降低电源、地平面的分布阻抗,保证平面电容滤波效果。适用于一般的电子设备,对信号完整性要求不是特别高的场合。
2. 方案二:Top、PWR、GND、Bottom:如果主元件面设计在 Bottom 层或关键信号线在 Bottom 层的话,可以采用此方案,此时第三层需为完整地平面,以保证信号的参考平面完整。这种方案在一些底层器件较多或者底层信号较为关键的电路板中会使用到。
2. 六层板
1. 方案一:Top、GND、S3、PWR、GND、Bottom:这是业界主流的 6 层选用方案,有 3 个布线层和 3 个参考平面。第 4 层和第 5 层之间的芯板厚度不宜过厚,以便获得较低的传输线阻抗,改善电源的退耦效果。第 3 层是最优的布线层,时钟线等高风险线建议布在这一层,可以保证信号完整性和对 EMI 能量进行抵制。底层是次好的布线层,顶层也可用于布线,但通常布线密度相对较低。
2. 方案二:Top、GND、S3、S4、PWR、Bottom:当电路板上的走线过多,3 个布线层安排不下时,可以采用这种叠层方案。该方案有 4 个布线层和两个参考平面,但电源平面和地平面之间夹有两个信号层,电源平面与接地层之间不存在任何电源退耦作用。
3. 方案三:Top、S2、GND、PWR、S5、Bottom:此方案也有 4 个布线层和两个参考平面。电源平面 / 地平面采用小间距的结构,可以提供较低的电源阻抗和较好的电源退耦作用。顶层和底层是较差的布线层,靠近接地平面的第 2 层是较好的布线层,可用来布时钟等高风险的信号线。
3. 八层板
1. 方案一:Top、GND、S3、GND、PWR、S6、GND、Bottom:该方案为业界现行八层 PCB 的主选层设置方案,有 4 个布线层和 4 个参考平面。这种层叠结构的信号完整性和 EMC 特性都是最好的,可以获得最佳的电源退耦效果。顶层和底层是 EMI 可布线层,第 3 层和第 6 层相邻层都是参考平面,是较好的布线层。
2. 方案二:Top、GND、S3、PWR、GND、S6、PWR、Bottom:适用于电源种类较多,一个电源平面处理不了的情况。第 3 层为最优布线层,主电源应安排在第 4 层,可以与主地相邻。底层应采用铺地铜的方式来改善电源的退耦效果,顶层也需要铺地铜以保证 PCB 的平衡和减小翘曲度。
3. 方案三:Top、S2、GND、S4、S5、PWR、S7、Bottom:此方案有 6 个布线层和两个参考平面。其电源退耦特性和 EMI 的抑制效果较差,通常用于贴片器件较少的 8 层背板设计,由于表层只有插座,因此表层可以大面积铺地铜。
3. 特殊信号的布线层安排
1. 高速信号:高速信号传输层应夹在两个内电层之间,利用内电层的铜膜为其提供电磁屏蔽,防止高速信号对外产生干扰,同时也避免外界信号对高速信号的影响2。
2. 敏感信号:敏感信号层应尽量与一个内电层相邻,利用内电层的大铜膜来为其提供屏蔽,降低外界对敏感信号的干扰2。
4. 电源和地的分布
1. 电源层分割:如果电路板上有多种不同电压的电源,需要对电源层进行分割,将不同电压的电源区域分开,避免不同电压的电源之间相互干扰。同时,要注意电源层分割区域的布线,避免信号线跨越电源分割区域,以免引起信号完整性问题。
2. 地层连接:多个接地的内电层可以有效地降低接地阻抗,提高电路的抗干扰能力。在设计时,要确保地层之间的连接良好,避免出现接地不连续的情况2。
5. 层间介质选择
1. 介质厚度:层间介质的厚度会影响信号的传输特性和层间耦合效果。一般来说,介质厚度越薄,信号的传输延迟越小,层间耦合效果越好,但介质的耐压性能可能会降低。因此,需要根据电路的工作频率、信号传输速度等因素来选择合适的介质厚度。
2. 介质材料:不同的介质材料具有不同的介电常数和损耗因子,会对信号的传输产生影响。在高频电路中,应选择介电常数较低、损耗因子较小的介质材料,以减少信号的衰减和失真。
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