硬件基础知识——PCB叠层设计

PCB（Printed Circuit Board），即印刷电路板，是一种由绝缘材料和导体铜箔叠在一起压合制成的类似“三明治结构”的板，而“三明治”的组成结构设计就是叠层设计。以下是对PCB叠层设计的详细介绍：

一、PCB叠层的基本组成

PCB叠层主要由以下三部分叠在一起压合制成：

1. Core（芯板）：Core是一个基本单元，其两面都铺有铜箔，可作为信号层、电源层、地层等导电层。Core的上、下表层之间填充的是固态材料。
2. Prepreg（半固态片，简称PP）：PP是一种介电材料，其表面不铺铜箔，在PCB中起到填充作用，夹在两个Core之间或Core与铜箔之间，通常被称为粘合材料，可以粘合两个Core板或一个Core板和铜箔。PP的材质是半固态的树脂材料和玻璃纤维组成，因此比固态的Core略软一些。
3. 铜箔（Copper）：是PCB叠层里的唯一导电材料，用来形成PCB的线路。设计好的电路PCB图纸，要把每一个布线层的走线图纸通过显影技术将图案印在一张完整平面的铜箔上，然后再通过刻蚀技术，把不需要的铜箔腐蚀掉，留下真正需要的走线。

二、PCB叠层设计的关键点

1. 单板总层数：层数只能是偶数层，如2层、4层等，复杂的单板层数会达到20层、22层甚至更多。这些多层单板是呈现对称结构的，即叠层以CORE板为对称轴上下对称，包括铜箔类型、厚度，PP类型、厚度，都要对称一致。总层数越高，布线越方便，EMC（电磁兼容性）性能越好，但成本也会相应增加。
2. 信号层、电源层、地层的层数分配：在PCB设计初期，需要根据单板尺寸、单板规模（如信号数目、电源种类等）以及EMC的要求粗略估计单板的信号层、电源层、地层的数目。在确定信号层的数目后，根据电源的种类、信号层隔离的要求等，可以评估所需电源层、地层的数目。
3. 单板厚度：单板厚度取决于总层数、导轨宽度等因素。例如，14层以内的单板厚度可以选择为1.6mm，而16层以上的单板厚度需要在2mm以上。在一些特殊设计中，如果受限于轨道宽度，而单板总层数又无法减少，导致板子厚度不能减少，可以采用削边的方式，但需注意削边的区域不得有信号线。
4. 单端信号和差分信号的目标阻抗：从信号完整性考虑，要求在信号传输路径上实现阻抗的匹配。阻抗匹配一般分为单端信号和差分信号的匹配。常规的单端信号对地阻抗为50Ω，差分信号间阻抗为100Ω。设计PCB叠层时，工程师要根据目标阻抗的设计要求，设计线宽、线距（差分线），然后把这个目标阻抗以及设计线宽、线距的数据发给PCB板厂，板厂根据数据以及实际板材的性能参数，对线宽、线距进行微调，从而制作出符合设计要求的PCB。
5. PCB材质选择：主要考虑介电常数和材质正切值两个数值。介电常数是表征电磁场在特定材质中导通能力的参数，介电常数越大，则电磁场在该材质中导通的能力越强。材质正切值tanδ也称为材质损耗正切值，与介电常数相同，它也是一个与信号完整性相关的参数。tanδ越大，则信号的损耗越大。在高速电路设计中，应尽量选择介电常数和tanδ值小的材质。

三、PCB叠层设计的步骤

1. 确定层叠的总厚度：即板厚。
2. 确定PCB层数：并分配信号层、地平面层和电源层。
3. 确定内层和外层的铜厚。
4. 确定阻抗线的分布。
5. 确定过孔结构。
6. 确定每层的残铜率：最好要对称。
7. 选择满足设计要求的板材、PP和铜箔材料。

四、PCB叠层设计的注意事项

1. 信号完整性：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。一般表层信号层不走长距离的线，仅走短线，需要长距离走线则可通过芯片管脚在表层扇出到合适的位置，打孔将信号线走到信号完整性较好的内层。
2. EMC设计：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。
3. 热管理：在叠层设计阶段，可以针对性做散热设计，如优先选择导热系数高的板材、按需选择金属基板、大功率器件下方设计散热焊盘、使用散热孔、埋铜块、嵌铜柱等。

综上所述，PCB叠层设计是一个复杂而关键的过程，涉及多个方面的考虑和权衡。一个好的PCB叠层设计关系着单板质量，是硬件产品成功的关键因素之一。