PCB四层板的结构

四层板是印刷电路板（PCB）中常见的一种多层结构，广泛应用于需要较高信号完整性、电源完整性和电磁兼容性（EMI/EMC）的设计中。其结构通常由四层导电层（铜层）和绝缘介质层交替堆叠组成。以下是四层板的典型结构和设计要点：

1. 四层板的典型层叠结构

四层板的核心设计目标是为高速信号、电源和地提供低阻抗路径，同时减少电磁干扰。常见层叠结构有两种：

结构1：对称叠层（推荐）

• Layer 1（顶层）：信号层（高速信号、关键信号）

• Layer 2（内层1）：完整的地平面（GND Plane）

• Layer 3（内层2）：电源平面（Power Plane）

• Layer 4（底层）：信号层（低速信号、普通信号）

特点：

• 地平面和电源平面相邻，形成电容效应，可抑制电源噪声。

• 顶层和底层信号层均参考相邻的完整平面，降低信号回路阻抗，减少 EMI。

• 对称结构（如 FR4 材料的厚度对称）可减少板子翘曲风险。

结构2：非对称叠层（特殊需求）

• Layer 1（顶层）：信号层

• Layer 2（内层1）：信号层

• Layer 3（内层2）：地平面（GND Plane）

• Layer 4（底层）：电源平面（Power Plane）

特点：

• 适用于需要更多信号走线但电源需求简单的场景。

• 信号层之间需通过过孔连接到电源/地平面，可能增加 EMI 风险。

• 不推荐用于高速设计，因信号回路路径可能不完整。

2. 材料与厚度选择

四层板的性能与材料（介质层）的介电常数（Dk）、损耗因子（Df）和厚度密切相关。常用材料为 FR4 环氧树脂玻璃纤维，高频场景可选用 Rogers 材料。
典型厚度配置（总板厚约 1.6mm）：

• 顶层铜厚：1 oz (35 μm)

• 介质层1（L1-L2）：0.2 mm（如 PP 1080）

• 内层铜厚：1 oz

• 介质层2（L2-L3）：0.4 mm（如 Core 2116）

• 介质层3（L3-L4）：0.2 mm（对称设计）

• 底层铜厚：1 oz

3. 四层板的核心优势

1. 信号完整性：

   • 高速信号（如 DDR、USB、HDMI）可通过参考完整地平面减少串扰和反射。

   • 通过控制阻抗（如 50Ω 单端、100Ω 差分）匹配信号传输要求。

2. 电源完整性：

   • 电源平面提供低阻抗电源分配，减少电压跌落（IR Drop）。

   • 地平面与电源平面相邻，形成去耦电容，抑制高频噪声。

3. EMI/EMC 控制：

   • 完整平面屏蔽信号层，减少辐射。

   • 缩短信号回路路径，降低环路面积。

4. 设计注意事项

1. 层间对称性：

   • 对称层叠（如顶层/底层厚度相同）可减少热应力导致的翘曲。

2. 过孔设计：

   • 避免在电源/地平面上过度钻孔，防止平面割裂。

   • 使用盲埋孔（需成本权衡）优化高速信号路径。

3. 信号参考平面：

   • 关键信号（如时钟、差分对）必须始终参考完整地平面。

   • 避免跨分割（跨电源/地平面分界），否则会引起阻抗突变。

4. 电源分割：

   • 若电源平面需分割（多电压），需预留足够间距（20-50 mil）避免短路。

   • 敏感电源（如模拟电源）可单独分割并添加磁珠/电容滤波。

5. 应用场景

• 高速数字电路：如 FPGA、处理器、DDR 内存接口。

• 射频/微波电路：需阻抗控制和 EMI 屏蔽的场景。

• 工业控制设备：复杂电源分配和抗干扰需求。

• 消费电子：手机、路由器等紧凑型设备。

6. 与双层板的对比

总结

四层板通过合理的层叠设计（如信号-地-电源-信号）实现了信号完整性、电源完整性和 EMI 性能的平衡。设计时需重点关注参考平面连续性、阻抗控制和对称性，同时根据具体需求选择材料和厚度。对于高速、高密度电路，四层板是性价比最优的选择之一。