详解PCB叠层设计

PCB叠层设计，其实和做汉堡有类似的工艺。汉堡店会精心准备每一层汉堡，就像PCB厂家的PCB板层叠在一起一样。汉堡会有不同的大小和形状，有各种各样的配料，秘密酱汁覆盖着我们自己的烤面包。就像我们在PCB上使用不同类型的金属芯一样，我们也会提供各种各样的馅饼。

现在你可能想知道我们是如何制造世界上最好的电路板的。让我来告诉你我们的秘密，这都是关于PCB堆栈的。堆垛是PCB设计和制造过程中的重要组成部分。良好的堆叠设计是减少电子线路电磁辐射的关键。从而提高了电路板的整体信号完整性。另一方面，一个糟糕的堆叠设计可能导致更高的电磁发射和信号损失。每个PCB设计者的工作必须包括减少由差模噪声和共模发射引起的PCB回路的电磁发射。

现代电子学围绕着电子组件的小型化。在电子制造商中，有一种广泛流行的趋势，就是把更多的处理能力封装到一个小的封装中。严格地说，从电子学的角度来说，外形尺寸越小越好。业内专家预测，我们不久将达到晶体管级电子元件的物理极限。尽管如此，我们相信一个PCB设计师可以在设计层面创造奇迹，在我们这样的专家制造商的帮助下，使PCB更小、更致密。

通常被忽略的是，理解HDI叠层和标准叠层之间的差异非常重要. 主要原因是与HDI堆叠技术相关的一长串优势，包括每平方英寸的组件密度更高、纵横比更低以及与标准堆叠相比更少的层数。

标准叠层设计取决于信号层的数量。对于标准PCB叠层，关键参数包括层数、接地和电源平面数、电路频率、层顺序和发射要求。一些附加参数包括层与屏蔽或非屏蔽外壳之间的间距。

标准叠层的关键设计规则包括保持信号层之间的空间和使用大的核心来避免EMC问题。值得一提的是，标准叠层的主要优点是外层的平面对内层进行屏蔽。然而，主要的缺点包括由于存在元件安装焊盘，特别是在高密度PCB上，接地层的减少。

HDI叠层技术是一种前沿技术，正在革新多层PCB的设计和制造。HDI为叠层提供了一个顺序构建，因此允许有更多的设计选择。HDI简化了复杂电路板的设计架构。此外，HDI叠层使用盲孔和埋孔，以及叠层和交错过孔。与标准叠层相比，HDI叠层架构遵循一种稍微不同的方法。球的层数由球的层数决定。影响叠加的其他因素包括信号层的数量、电源层和地面层的数量。

此外，建议HDI叠层的平面和信号层的数量应为奇数或偶数(两者均为偶数对于平衡结构来说是最好的)。这些层应该对称放置。微孔结构对制造过程有很大的影响，因为它们直接影响层压循环的次数，而与标准叠层不同。当然，HDI不需要复杂的体系结构。设计人员最常犯的错误之一就是创建不必要的复杂架构。

目前市面上有一些HDI叠层规划工具。叠层规划工具将确保HDI印刷电路板设计将在第一时间制造出来。工具创建了技术级别类别，让您更好地了解不同轨迹和不同通孔尺寸所需的技术复杂程度。因为高密度集成电路板值得额外的成本，可以试试免费的工具：HDI Stackup Planner!

HDI叠层架构根据板层的数量和HDI板的顺序层压而分为叠层类。这些等级由公式X-N-X确定，其中X是电路板两侧所需的层压数量，N是信号层的数量。必须指出的是，随着对顺序层压要求的增加，板的价格将上涨。

因此，利用激光钻头制造的单层层压将更为有利可图。在以最便宜的方式利用微气孔方面，这个堆栈类是一个无需考虑的问题。使用激光钻将允许设计者实现更小的焊盘和通孔尺寸。这有助于减轻一些设计限制并减少设计时间。

在微通孔开始和停止的层上的变化越多，PCB制造所需的顺序层压就越多。任何一个微孔开始或停止的层都需要一个子结构，每个子结构都需要一个额外的层压周期。(层压工艺被定义为在两个相邻的铜层之间通过加热和加压将一组带有未固化电介质的铜层压制成多层PCB层压板)。

0-N-0叠加

电路板的成本和复杂性随着与堆叠相关的工艺步骤的增加而增加。额外的制造过程也意味着更多的产量损失。N表示第一层或基础层压(或芯层叠层)中的层数，0表示没有顺序层压步骤，也没有额外的电介质层和铜层。下面是一个0-N-0叠加的例子。

1-N-1叠加

堆芯1-1上的顺序层压1-1的任意一侧。一个连续层压增加了两个铜层，总共N+2层。这种堆叠设计没有堆叠过孔。有一个额外的层压没有堆叠过孔。埋在地下的通孔是用机械钻的。通孔无需使用导电填料。它将自然填充介电材料。第二层层压增加了顶层和底层。然后，我们用最后一个机械钻完成。以下是1-N-1叠加的步骤，

板芯是层压的。(核心只能是两层，所以没有层压。)

板芯采用机械钻孔。

机械钻是电镀的。

第二层被成像/蚀刻。

顺序层压增加了两个额外的层。(机械钻现在是一个埋孔。)

形成激光钻孔。

形成最终的通孔。

激光钻孔和通孔是电镀的。

PCB制造商计划在第1层和第2层之间添加适量的预浸料，以便树脂流入埋入的通孔中。

无论是HDI还是标准的堆叠板，遵循一定的指导原则，根据应用和它的要求是实现PCB堆叠设计的最佳可能方式。我们列出了一些指导原则，以帮助您实现可能的PCB堆叠设计，

PCB堆叠取决于设计中存在的信号层数量。信号层随PCB的应用而变化。例如，与低速信号电平相比，高速信号或大功率应用可能需要更多的层。

低螺距高引脚数的复杂器件，如bga，通常需要更多的信号层。信号完整性要求(如极低串扰)也可能导致信号层数量增加。

混合信号类型-大量模拟信号和数字信号将需要在这两种类型之间进行分离，并可能增加信号层的数量。

地面和电源平面的使用允许设计者纯粹为信号路由分配信号层;它们还降低了电源和接地轨中的直流电阻，从而确保设备上的直流电压降更小。

接地层是PCB中连接到电源接地连接的铜平面。电源层是连接到电源轨的PCB中的一个铜平面。

这些平面还为时变和高频信号提供信号返回路径，并有助于显著降低噪声和信号串扰，从而提高信号完整性。功率平面还提高了PCB电路的电容去耦能力。飞机还通过减少电磁辐射来提高电磁兼容性能。

也可以阅读我们的文章：PCB电源设计的7个注意事项

受控阻抗是由PCB迹线及其相关参考平面形成的传输线的特征阻抗。当高频信号在PCB传输线上传播时，它是相关的。均匀的控制阻抗对于实现良好的信号完整性非常重要，即信号的传播没有明显的失真。

也可以阅读我们的文章指定控制阻抗要求 .

当基准面不是下一层时，下一层上的另一个铜特征有可能成为基准。

从制造业的角度来看，我们需要保持统一蚀刻横穿直线的长度，既有宽度又有梯形的影响。这就是蚀刻公差和均匀性的原因。

D)顺序层排列

堆栈设计的另一个关键方面是顺序层排列。根据微带线的厚度来安排高速信号层是设计者在布线前必须考虑的关键参数之一。将信号层放置在电源平面下方将允许紧密耦合。

对于精确的层布置，电源和地平面之间保持最小距离。其他关键参数包括避免相邻放置两个信号层，以及建立顶层和底层的对称堆栈。

在顺序层压中，尽量限制层压步骤的数量，因为它变得更加昂贵和耗时。

典型的10层叠层，每个信号层有地面层

另一个10层叠层的例子

一个12层PCB叠层的例子

e-CAD工具的PCB叠层截图