【PCB设计91】PCB叠层设计

百科 2024-12-22 22:55 浙江

什么是PCB叠层？

一般情况下，当设计普通单、双面板时，无需考虑PCB的叠层问题，通常直接选择铜厚和板厚符合设计要求的覆铜板直接加工。但设计4层以上的PCB时，叠层设计直接影响PCB的性能和价格。

16层板的叠层设计

多层PCB由覆铜芯板（Core）、半固化片（prepreg，简称PP）与铜箔，一起按照叠层设计组合，经过压合制成。

PP半固化片（Prepreg），也叫预浸料，是一种在电子工业尤其是印制电路板（PCB）制造领域起着关键作用的材料，以下是关于它的详细介绍：

基本构成与特性

- 成分组成：

它主要由增强材料（常用的如玻璃纤维布等）浸渍环氧树脂等热固性树脂体系组成。玻璃纤维布提供了良好的机械强度支撑，而树脂体系则在后续加工过程中起到粘结、绝缘以及固化成型等重要作用。

- 状态特点：

处于半固化状态，有一定的黏性和柔韧性。在常温下能够保持稳定的形态，方便进行裁剪、叠层等操作，并且可以在层与层之间起到很好的粘结作用，使得多层材料能够贴合在一起。

在PCB制造中的作用

- 层间粘结与绝缘：

在多层PCB的生产中，需要将不同的导电层（比如内层的铜箔线路层等）按照设计要求分隔开并牢固地粘结在一起，PP半固化片就夹在这些导电层之间，通过加热、加压等工艺固化后，能将各层紧密粘结，同时保证各层之间良好的绝缘性能，避免出现短路等电气故障。

- 控制板厚与介电常数：

不同规格（比如不同厚度、树脂含量等）的PP半固化片叠层使用，可以精确控制PCB最终的整体厚度，满足不同电子产品对PCB尺寸规格的严格要求。而且其树脂体系的介电常数等电学性能稳定，有助于保障PCB在高频信号传输等应用场景下的电气性能，减少信号传输损耗和干扰。

加工工艺相关情况

- 加工过程：

在PCB制造流程中，先是根据设计的层数和各层布局，将裁剪好合适尺寸的PP半固化片与内层线路板、外层铜箔等按顺序叠放好，然后放置到热压机等专用设备中，经过一定温度（通常为150℃-200℃左右）、压力（根据板材尺寸等因素有所不同）以及时间（一般数小时）的工艺条件，使PP半固化片充分固化，最终形成一体化的多层PCB结构。

- 质量影响因素：

PP半固化片自身的树脂含量均匀性、玻纤布的质量以及储存条件等都会影响其加工后的性能和最终PCB的品质。例如，如果树脂含量不均匀，可能导致固化后PCB不同区域的厚度、电气性能出现差异；储存时若环境温湿度不合适或者超出保质期，其黏性、固化特性等也会改变，进而影响使用效果。

PP半固化片是PCB制造不可或缺的重要基础材料，对保障PCB的机械性能、电气性能以及整体结构稳定性等方面都有着至关重要的作用。

在PCB开始设计之前，Layout工程师会根据电路板的尺寸、电路的规模和电磁兼容（EMC）的要求确定PCB的层数，然后确定元器件的布局，最后确认信号层、电源层和地层的划分。

Core（覆铜芯板）

- 结构分层：

覆铜芯板主要由三部分构成，分别是绝缘基材层、金属铜箔层以及两者之间起到粘结作用的粘结剂层（在部分制作工艺中粘结功能由绝缘基材本身含有的树脂成分实现）。绝缘基材常见的有环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等制成的板材，像玻璃纤维布增强环氧树脂基材应用就极为广泛；铜箔层一般是通过电解等工艺制备的薄铜片，有不同的厚度规格可供选择，比如常见的18μm、35μm、70μm等，以满足不同线路载流等要求。

- 主要成分作用：

绝缘基材提供了电气绝缘性能以及一定的机械支撑强度，确保各线路之间不会出现短路等问题，同时能让PCB板在使用、安装等过程中维持稳定结构。铜箔层则是用来通过蚀刻等后续加工工艺形成所需要的导电线路图案，承载和传导电子信号以及电流，实现电路的连接功能，粘结剂保证铜箔能牢固地附着在绝缘基材上，使得整个结构成为一体。

分类方式及常见类型

- 按基材材质分类：

- 纸基覆铜板：以浸渍纤维纸作为绝缘基材，成本相对较低，主要应用于一些对性能要求不那么高的民用电子产品中，比如普通的收音机、玩具电路板等，不过其耐热性、机械强度等性能指标相对有限。

- 玻璃纤维布基覆铜板：采用玻璃纤维布浸渍树脂形成的基材，综合性能优良，具有较高的机械强度、较好的耐热性以及尺寸稳定性，是目前在电脑主板、手机主板等绝大多数中高端电子产品PCB制造中广泛应用的类型。

- 复合基覆铜板：结合了纸基和玻璃纤维布基的特点，兼顾了一定成本优势和较好的性能，适用于一些对性能有一定要求但又需考虑成本控制的电子产品领域。

- 按阻燃性能分类：

- 阻燃型覆铜板：在树脂体系中添加了阻燃剂成分，在遇到明火等情况时，能够延缓燃烧甚至阻止燃烧蔓延，大大提高了使用的安全性，在各类对防火安全有要求的电子设备、电器中被优先选用。

- 非阻燃型覆铜板：没有添加特殊阻燃成分，相对来说成本可能稍低一点，但使用场合受到更多限制，主要用于一些基本不存在燃烧风险的特定封闭环境等的电子产品中。

性能参数与影响

- 介电常数：

反映了材料在电场作用下储存电能的能力，覆铜芯板的介电常数会影响信号传输速度和信号完整性。较低介电常数的覆铜板有利于高频高速信号的快速传输，减少信号延迟和失真，所以在5G通信、高速计算机等对高频信号处理要求高的领域，需要选用介电常数适配的低介电覆铜板产品。

- 热膨胀系数：

它关系到覆铜板在温度变化环境下的尺寸稳定性。如果热膨胀系数过大，在经历温度波动时，比如电子产品工作过程中发热、冷却的循环，PCB板可能出现翘曲变形等问题，进而影响焊接点可靠性、线路连接等，因此像航空航天等对温度适应性要求严苛的应用场景，对覆铜板的热膨胀系数控制要求很高。

- 铜箔剥离强度：

体现铜箔与绝缘基材之间粘结的牢固程度，足够高的剥离强度才能保证在PCB加工、使用过程中铜箔不会轻易从基材上剥落，保障线路的长期稳定性，像在有频繁振动、冲击等恶劣使用条件的工业控制电路板等应用场景下，对这一指标要求较为突出。

PCB叠层设计原则

PCB叠层需要从层数、信号类型、板厚、材料选择、铜厚、阻抗控制、EMI/EMC屏蔽、热管理、成本和可测试性等多方面考虑。

满足高速信号布线的信号完整性要求

对于关键信号线，需要构建GND/Signal/GND的叠层组合，相邻信号层的带状线，交叉垂直布线，以最小化串扰耦合。从信号完整性的角度来讲，关键高速信号使用带状线（Stripline）布线，非关键高速信号可以选择使用微带线（Microstrip）布线。

如非必要，不建议使用宽边耦合带状线（Broadside-Coupled Stripline ），PCB加工过程中的曝光和蚀刻的偏移都会造成重叠错位，加工过程困难而且难以保证阻抗的一致性。

微带线和带状线布线的类型

PCB板材、PP和铜箔的选型

FR-4能够满足大多数PCB的需求，价格便宜而且电气性能良好，高速PCB会选用高速板材，比如松下的Megtron4/6等，射频PCB会选用碳氢、Teflon或者陶瓷基板。如汽车灯板等对散热要求高的设计场景，会选用铝基或者铜基板材，在Mini LED等显示场景会使用玻璃基板材。

板材的关键性能指标如下：

高速PCB板材选型

高速PCB需要选择具有最低损耗角正切和较小介电常数的介电材料，高速PCB的设计需要特别注意材料明细，包括玻璃纤维(Fiberglass)，电介质矩阵(Dielectric Matrix)和铜(Copper)。在较高数据速率下的信号具有较高的频率单元，波长更短，阻抗不连续会产生更多反射。需要考虑玻纤效应和铜箔表面粗糙度的影响。

不同型号板材对信号的衰减

在上图中，Typical FR4在28Gbps时每英寸有近2dB平均损耗(Nyquist为14GHz)，Megtron6在相同频率只有0.85dB。

玻纤布带来的玻纤效应

不同的玻纤对应的编织粗细不一样，开窗和交织的厚度也不一样，如果信号分别布在开窗上和玻纤上所表现的特性(阻抗、时延、损耗)也不一样（开窗和玻纤Dk/Df特性不一样导致的），这就是玻纤效应。

芯板（Core）的制造过程

玻纤布的类型

缓解玻纤效应的方法：

择最小化树脂窗口的玻纤类型材料；
使用Zig-Zag等10°走线方法；
在制板的时候让板厂旋转一定的角度；
使用扁平开纤玻布或者平织布。

铜箔粗糙度

铜箔粗糙度(铜牙)使线路的宽度、线间距不均匀，从而导致阻抗不可控，同时由于趋肤效应，电流集中在导体的表层，铜箔的表面粗糙度影响信号传输的长度。

不同等级铜箔的表面粗糙度

如下图所示，在5GHz以下铜箔粗糙度的影响不是太明显，大于5GHz铜箔粗糙度的影响开始越来越大，在大于10Ghz的高速信号的设计时尤其需要重视。

铜箔粗糙度对高速信号的衰减

PCB每层的铜厚

PCB铜箔的厚度以盎司（oz）为单位。常见的铜厚有三个尺寸，0.5oz（内层）、1oz（表层）和2oz，主要用在消费和通讯类产品上。3oz以上属于厚铜，常用于高压、大电流的电力电子产品。

叠层设计时必须平衡铜箔的厚度，使电源/地平面层铜的厚度满足载流要求。对于信号层铜的厚度来讲，线宽/线距较小，需要铜尽可能薄才能满足精确的蚀刻的要求。高速信号线由于趋肤效应的影响，电流只在铜箔表面附近流动，更厚的铜箔并不会带来更好的性能。所以内层信号层的铜厚通常为Hoz，即0.5盎司。

叠层的阻抗控制

PCB上很多接口信号线都有阻抗要求，常见的单端50Ω、差分100Ω等。阻抗控制，需要有参考平面，一般需要四层以上。

阻抗不匹配会导致信号失真、反射和辐射等信号完整性问题，影响PCB的性能。走线的铜厚、介电常数、线宽、线距都会影响阻抗。我们可以根据各种EDA工具去计算阻抗，然后按照设计的叠层结构，去调整走线的参数。目前常规的板厂都可以把阻抗控制在10%。

使用Polar来计算叠层阻抗

叠层的孔结构

PCB中孔的类型

通孔（PTH）贯穿整个PCB可以连接所有层。盲孔（Blind Via）可以将外层连接至一个或多个内层，但不穿过PCB。埋孔（Buried Via）只连接PCB的内层。

高密度（HDI）PCB经常会使用盲孔和埋孔来优化布线空间，盲孔和埋孔也造成了PCB需要多次压合增加了工序，PCB的制造难度上升，因此也更加昂贵。

在叠层设计时，需要根据设计需要来设计整板的孔结构，在满足设计的前提下，尽量简化孔的结构。

PCB叠层的EMC设计

PCB叠层EMC设计时遵循以下原则：

板内电源平面和地平面尽量相互邻近，一般地平面在电源平面之上，这样的设计可以有效利用层间电容作为电源的平滑电容，同时接地平面对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。
电源和地层分配在内层，地平面可视为屏蔽层，可以很好地抑制电路板上固有的共模RF干扰，减小高频电源的分布阻抗。
布线层应尽量安排与电源或地平面相邻以产生通量对消作用。