G-008 PCB层叠结构与阻抗计算

叠结构与阻抗计算

PCB两个重要组成部分：Core 和 Prepreg(半固态片，简称PP)]。
如下图所示，
Core 的两个表面都铺有铜箔，可作为信号层、电源层、地层等导电层，Core的上下表面之间填充的是固态材料；
PP的表面不铺铜，在PCB中起填充作用，其材质是半固体的树脂材料，因此比Core略软一些。

（1）结构1 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。
  电路设计中，常常在器件的电源引脚和地引脚之间并联许多电容，其目的之一就是为了减小电源平面与地平面之间的阻抗，以便使电源平面所受到的干扰更容易地泄放到相对稳定的地平面上。
  而层叠结构设计中，电源平面与地平面之间的紧密耦合，可理解为在两者之间寄生了大量的小电容，因此对降低电源平面与地平面之间的阻抗有极好的作用。
• 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。

（2）结构2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相邻都能找到地层或者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.

在电路设计中，即存在高速的关键信号线，又存在相对低速的非关键信号线，前者应走线在完整性最好的层，而后者的走线应选择在不同与前者的层上，对阻抗控制要求不严的信号线，可选择在表层走线。

2.2.2 线宽与层厚

线宽与层厚是决定信号阻抗的两个关键因素。
信号的阻抗可利用 Polar SI9000等工具计算。
为了获得某一特定的目标阻抗，信号线宽与信号所在层距离其相邻参考层的间距成正比，因此单板厚度对线宽和层厚存在约束关系。信号线越宽，信号层与参考层之间的距离越大（即层的厚度越大），则总厚度可能超过预先决定的单板厚度，反之亦然。在某些情况下，信号线宽和信号层与参考层之间的距离无法改变，此时，为保证单板的总厚度，可调整电源层与地层之间的间距，电源层与地层之间的距离不影响各信号层的阻抗，为满足线宽、信号层与参考层之间的距离、以及单板总厚度这三项要求，可略微调节电源层与地层之间距离。

3.一到八层电路板的叠层设计方式

3.1 单面板和双面板的叠层

对于两层板来说，由于板层数量少，已经不存在叠层的问题。控制EMI辐射主要从布线和布局来考虑；
单层板和双层板的电磁兼容问题越来越突出。造成这种现象的主要原因就是因是信号回路面积过大，不仅产生了较强的电磁辐射，而且使电路对外界干扰敏感。要改善线路的电磁兼容性，最简单的方法是减小关键信号的回路面积。
　　
关键信号：
从电磁兼容的角度考虑，关键信号主要指产生较强辐射的信号和对外界敏感的信号。能够产生较强辐射的信号一般是周期性信号，如时钟或地址的低位信号。对干扰敏感的信号是指那些电平较低的模拟信号。
　　
单、双层板通常使用在低于10KHz的低频模拟设计中:

1. 在同一层的电源走线以辐射状走线，并最小化线的长度总和；
2. 走电源、地线时，相互靠近；在关键信号线边上布一条地线，这条地线应尽量靠近信号线。这样就形成了较小的回路面积，减小差模辐射对外界干扰的敏感度。当信号线的旁边加一条地线后，就形成了一个面积最小的回路，信号电流肯定会取道这个回路，而不是其它地线路径。
3. 如果是双层线路板，可以在线路板的另一面，紧靠近信号线的下面，沿着信号线布一条地线，一线尽量宽些。这样形成的回路面积等于pcb线路板的厚度乘以信号线的长度。

3.2 四层板的叠层

推荐叠层方式：

1. SIG－GND(PWR)－PWR (GND)－SIG；
2. GND－SIG(PWR)－SIG(PWR)－GND；

对于以上两种叠层设计，潜在的问题是对于传统的1.6mm（62mil）板厚。层间距将会变得很大，不仅不利于控制阻抗，层间耦合及屏蔽；特别是电源地层之间间距很大，降低了板电容，不利于滤除噪声。
对于第一种方案，通常应用于板上芯片较多的情况。这种方案可得到较好的SI性能，对于EMI性能来说并不是很好，主要要通过走线及其他细节来控制。主要注意：地层放在信号最密集的信号层的相连层，有利于吸收和抑制辐射；增大板面积，体现20H规则。

3.3 六层板的叠层

对于芯片密度较大、时钟频率较高的设计应考虑6层板的设计
推荐叠层方式：

1. SIG－GND－SIG－PWR－GND－SIG；
   对于这种方案，这种叠层方案可得到较好的信号完整性，信号层与接地层相邻，电源层和接地层配对，每个走线层的阻抗都可较好控制，且两个地层都是能良好的吸收磁力线。并且在电源、地层完整的情况下能为每个信号层都提供较好的回流路径。

2. GND－SIG－GND－PWR－SIG －GND；
   对于这种方案，该种方案只适用于器件密度不是很高的情况，这种叠层具有上面叠层的所有优点，并且这样顶层和底层的地平面比较完整，能作为一个较好的屏蔽层来使用。需要注意的是电源层要靠近非主元件面的那一层，因为底层的平面会更完整。因此，EMI性能要比第一种方案好。

小结：
对于六层板的方案,电源层与地层之间的间距应尽量减小，以获得好的电源、地耦合。但62mil的板厚,层间距虽然得到减小,还是不容易把主电源与地层之间的间距控制得很小。对比第一种方案与第二种方案，第二种方案成本要大大增加。因此，我们叠层时通常选择第一种方案。设计时，遵循20H规则和镜像层规则设计

3.4 八层板的叠层

八层板通常使用下面三种叠层方式

1. 由于差的电磁吸收能力和大的电源阻抗导致这种不是一种好的叠层方式。它的结构如下：
   　　
   　　1 Signal 1 元件面、微带走线层
   　　2 Signal 2 内部微带走线层，较好的走线层（X方向）
   　　3 Ground
   　　4 Signal 3 带状线走线层，较好的走线层（Y方向）
   　　5 Signal 4 带状线走线层
   　　6 Power
   　　7 Signal 5 内部微带走线层
   　　8 Signal 6 微带走线层
2. 是第三种叠层方式的变种，由于增加了参考层，具有较好的EMI性能，各信号层的特性阻抗可以很好的控制
   　　
   　　1 Signal 1 元件面、微带走线层，好的走线层
   　　2 Ground 地层，较好的电磁波吸收能力
   　　3 Signal 2 带状线走线层，好的走线层
   　　4 Power 电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收
   　　5 Ground 地层
   　　6 Signal 3 带状线走线层，好的走线层
   　　7 Power 地层，具有较大的电源阻抗
   　　8 Signal 4 微带走线层，好的走线层
3. 最佳叠层方式，由于多层地参考平面的使用具有非常好的地磁吸收能力。
   　　1 Signal 1 元件面、微带走线层，好的走线层
   　　2 Ground 地层，较好的电磁波吸收能力
   　　3 Signal 2 带状线走线层，好的走线层
   　　4 Power 电源层，与下面的地层构成优秀的电磁吸收
   　　5 Ground 地层
   　　6 Signal 3 带状线走线层，好的走线层
   　　7 Ground 地层，较好的电磁波吸收能力
   　　8 Signal 4 微带走线层，好的走线层

4.嘉立创层叠结构及参数（供参考）

4.1 阻抗设计相关参数

4.2.2成品板厚1.0mm

4.2.3 成品板厚1.6mm

4.3 六层板阻抗压层结构

4.3.1 成品板厚1.2mm

4.3.3 成品板厚2.0mm

模拟计算效果图, 如下图, W1表示我们要设计的阻抗线的走线宽度, 各参数说明:

5.3 案例三：单端信号阻抗设计（带状线）

**设计要求：**嘉立创7628结构, 4层板, 1.6板厚, 内层50ohm的单端阻抗, 线宽该设计多宽/p>

见下图

H1: 芯板的Core厚度
Er1: 芯板的介电常数
H2: 7628PP的厚度, 8.5是指 PP厚度+内层线路铜厚 7.6 + 0.5 = 8.1mil, 为什么铜厚是0.5mil, 是因为取的残铜率后取的平均值, 是个估值, 按我的经验这样计算没毛病.
Er2: PP的介电常数
T1: 内层铜厚

下图的效果表示 9.5mil的线宽设计可达到50ohm的阻抗需求.
结合此模型及上面的参数数据, 此阻抗线设计在内层时, 两面的参考层一个是外层, 一个是相邻的内层.
如果两个参考层都是外层线路（比如相邻的第三层为信号层而不是参考层）, 那么H1就表示的是***第二层线路到第四层线路间的介质厚度总和了***, 不能像下图这样填写.

说这么啰嗦就是想不断的提醒你, 不管用什么模型, 你脑子里面都要有一个空间想像图, 模型同叠层结构做匹配, 参数怎么填写, 是看走线的实际环境和叠层结构的.
内层的差分计算就不再做介绍了, 请大家自已举一反三.

还有一种共面模型是, 走线两边是走线, 如下图
多了一个参数G2, 这表示走线周围是被等距的走线包围的, G2就是包围走线的宽度

5.5 连续的多介质的计算模型介绍

像下图, H2一般是表示紧挨外层的PP厚, H2与H1之间是肯定有一层线路的, 只是阻抗线这里的铺铜避开了, 所以H1是表示这层线路到下一参考层线距间的介质厚度总和, 参考层可以是第三层线路, 也可以是第四层线路等等, 参考层在哪一层是由你来设计的.

5.6 没有阻焊的外层计算模型

见下图的计算模型

外层阻抗有阻焊没阻焊计算的阻抗值是不一样的, 一般是PCB工厂使用的, 刚蚀刻完线路还没有印刷阻焊, 这个时候也可以测试阻抗, 用来监控制造过程.
但是如果你的板子也要求不印阻焊, 那么就得选用这种模型来计算阻抗了.

来源：医疗电子