logo
在设计多层电路板之前，PCB设计者首先需要基于电路的规模、电路基板的尺寸以及电磁兼容性EMC的要求来决定所采用的电路基板结构。即，需要决定是否采用4层、6层或更多层的电路基板。在决定层数后，决定内电层的配置位置和在这些层上如何分布不同的信号。这是多层PCB层叠结构的选择问题。层叠结构是PCB板EMC影响性能的重要要素，也是抑制电磁干扰的重要手段。在本节中，多层PCB板对层叠结构进行说明。在确定电源、地面层数和信号层数之后，它们之间的相对放置位置分别是PCB工程师不能避免的话题。
一、电路板层配置的一般原则：
为了决定多层PCB板的层叠结构，需要考虑很多因素。从布线方面来说，层数越多对布线越有利，制板成本和难度也增加。对于制造商来说，层叠结构是否对称是PCB板制造时应关注的焦点，因此层数的选择需要考虑各方面的需求来达到最佳平衡。对于有经验的设计者来说，在元设备的事前布局完成后，重点分析PCB的配线瓶颈。与其他EDA工具组合分析电路基板的配线密度。此外，将差分线、敏感信号线等具有特殊布线请求的信号线的数量和种类综合起来决定信号层的层数。接着，根据电源的种类、分离以及防止干扰的要求，决定内电层的数量。由此，大体决定电路基板整体的板层数。
2、元件面的下面（第2层）是地板面，提供元件屏蔽层，向最上层布线提供参考平面。感测信号层应该与一个内电层（内部电源/地层）邻接，利用内电层的大的铜膜向信号层提供屏蔽。电路内的高速信号传输层是信号中间层，应该夹在两个内电层之间。这样的两个内电层的铜膜为高速信号传输提供电磁屏蔽，并且有效地限制两个内电层之间的高速信号的辐射，并且不干扰外部。
3、所有信号层尽可能地与地面相邻。
4、尽量避免两个信号层直接相邻。在相邻的信号层之间容易导入交叉讲话，电路功能失效。通过在两个信号层之间施加接地面，可以有效地避免串扰。
5、主电源尽量与之对应并邻接。
6、兼具层叠结构的对称性。
7、关于母板的层排列，在以往的母板中难以控制平行长距离配线，对于板级动作频率在50MHZ以上的情况（在50MHZ以下的情况下参照，适当缓和），提出排列原则。
元件面、焊接面是完全的地面（屏蔽）。
没有相邻的平行布线层；
所有的信号层尽可能地与地面相邻。
键控信号与地层相邻，不跨分割区域。
注：在具体PCB层设置时，应灵活把握以上原则，在理解以上原则的基础上，根据实际单板的需求，确定层的配置，例如：重要的布线层、电源、地面的分割状况是否必要等，避免生搬硬套或一点也不放置。
8、多个接地内电层可有效降低接地阻抗。例如，A信号层和B信号层可以采用各自的接地面，有效地降低共模干扰。
二、PCB设计中常用的层叠结构：
4层板
以下，根据4层板的例子，说明各种层叠结构的排列组合如何优选。
一般使用的4层板有以下层叠方式（最上层到最下层）。
（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），pOWER（Inner_2），Siganl_2（bottom）。
（2）Siganl_1（Top），pOWER（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（bottom）。
（3）pOWER（Top），Siganl_1（Inner_1），GND（Inner_2），Siganl_2（bottom）。
显然，方案3的电源层和地层缺乏有效结合，不应采用。
那么，剧本1和剧本2怎么选择才好呢。一般来说，设计者会选择方案1作为4层板的结构。选择的理由不是方案2不能采用，而是一般的PCB板只将元设备配置在最前面，所以采用方案1是适当的。但是，必须在最上层和最下层配置元装置，在内部电源层和地层之间的介质厚度大、连接不好的情况下，需要考虑配置在哪个层的信号线少。在方案1中，下层信号线较少，并且可以使用大面积的铜膜来耦合到pOWER层。相反，如果元设备主要位于下层，则应该选择方案2制板。
6层板
在4层板的层叠结构分析完成后，利用6层板的组合方式的一个例子来说明6层板的层叠结构的排列组合方式和优选方法。（1）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），Siganl_3（Inner_3），pOWER（Inner_4），Siganl_4（bottom）。方案1采用4层信号层和2层内部电源/接地层，信号层多，有利于元装置之间的布线工作，但该方案的缺陷也明显，并且示出了以下两个方面：。
①电源层与接地层分开，未充分结合。
②信号层Siganl_2（Inner_2）以及Siganl3（Inner3）直接相邻，信号分离性差，容易发生串扰。（2）Siganl_1（Top），Siganl_2（Inner_1），pOWER（Inner_2），GND（Inner_3），Siganl_3（Inner_4），Siganl_4（bottom）。
方案2对于方案1，电源层和接地层充分结合，有比剧本1一定的优点Siganl1（Top）和Siganl2Inner1）及Siganl3（（Inner4）以及Siganl4bottom信号层直接邻接，信号分离不好，容易产生串扰的问题未被解决。
（3）Siganl_1（Top），GND（Inner_1），Siganl_2（Inner_2），pOWER（Inner_3），GND（Inner_4），Siganl_3（bottom）。
对于方案1和方案2，方案3减少了一个信号层，增加了一个内电层，减少了可布线级别，但解决了方案1和方案2的共同缺陷。
1电源层和接地层紧密结合。
②各信号层与内电层直接相邻，与其他信号层有效隔离，难以产生串扰。
③Siganl_2（Inner_2）和2个内部电层GNDInner1）和pOWER（（Inner3）相邻，能够用于传输高速信号。两个内电层能够有效地遮挡外部对Siganl2（Inner2）层的干涉和Siganl2（Inner2）对外部的干涉。
综合各方面，方案3明显是优化的一种，同时，方案3也是经常用于六层板的层叠结构。
通过以上两个例子的分析，读者相信已经对层叠结构有了一定的认识，但某些方案可能不能满足所有要求，这需要考虑各设计原则的优先度问题。遗憾的是，电路板的板层设计与实际电路的特征密切相关，不同电路的干扰防止性能和设计侧的重点各不相同，所以实际上这些原则决定的优先度是不可参考的。但是，设计原则2（内部电源层和地层之间应紧密结合）在设计时首先需要满足，并且在电路中需要传输高速信号的情况下设计原则3（电路中的高速信号传输层是信号中间层，应该夹在两个内电层之间）必须满足。
10叠层
PCB典型的10层板设计
一般通用的布线顺序是TOp-GND-信号层-电源层-GND-信号层-电源层-信号层-GND--bottom
该布线顺序本身并不一定固定，但如top层或bottom的邻接层用GND那样，有确保单板的EMC特性的标准和原则。适合于各信号层使用GND层做参考平面。整个单板使用的电源优先铺铜皮。容易受到干扰、高速、沿着跳跃的优选内侧层等。
三、PCB设计的层叠结构改善示例
问题点
产品有8组网络端口和光端口，测试时发现第8组光端口和芯片之间的信号调试不通，导致光端口8调试不通，不能工作，其他7组光端口通信正常。
1、确认问题点
基于从客户提供的信息，确认L6层的光端口8和芯片8之间的两条差分阻抗线的调试是不通的。
2、客户提供叠构和设计要求
改善措施
影响阻抗信号的元件分析：
线路图分析：客户L56层的阻抗设计比较特殊，L6层的阻抗基准L5/L7层、L5层的阻抗基准L4/L6层，其中L5/L6层是相互基准层，中间没有地层屏蔽，光口8和芯片8之间的线路较长L6层和L5层之间存在长的平行信号线（约30%的长度），相互容易干扰，影响阻抗的精度，阻抗线的设计屏蔽层不完整。阻抗的不连续性也发生，其他7组部分也存在同样的问题，但是相对轻微。
L56层有特殊的设计（都是信号层，差分阻抗平行设计、相邻阻抗层之间的参照地层未设计），由于客户机没有充分考虑相邻层的走线中存在的干扰，所以存在调试不通的问题。
与客户沟通优化层叠，调整L45、L56、L67层的结构，将介质层的厚度分别调整为20.87 mil、6mil、13mil5.12mil、22.44 mil、5.12mil，使L4、L7之间的参照地层间的距离接近，L56层相互参照，远离遮挡不足的线路层的距离，减少了干扰。
优化的层叠结构：
优化阻抗匹配：
改善效果
通过调整层叠结构，增加L56层的相邻信号层之间的距离，解决了串扰引起的系统故障问题。
