层叠的定义及添加

对高速多层板来说,默认的两层设计无法满足布线信号质量及走线密度要求,这个时候需要对 PCB 层叠进行添加,以满足设计的要求。

 

正片层与负片层

正片层就是平常用于走线的信号层(直观上看到的地方就是铜线),可以用“线”“铜皮”等进行大块铺铜与填充操作,如图 8-32 所示。

 

图 8-32  正片层

 

负片层则正好相反,即默认铺铜,就是生成一个负片层之后整一层就已经被铺铜了,走线的地方是分割线,没有铜存在。要做的事情就是分割铺铜,再设置分割后的铺铜的网络即可,如图 8-33 所示。

 

图 8-33  负片层

 

内电层的分割实现

在 Protel 版本中,内电压是用“分裂”来分割的,而现在用的版本 Altium Designer 19 直接用“线条”、快捷键“PL”来分割。分割线不宜太细,可以选择 15mil 及以上。分割铺铜时,只要用“线条”画一个封闭的多边形框,再双击框内铺铜设置网络即可,如图 8-34 所示。

 

图 8-34  双击给予网络

 

正、负片都可以用于内电层,正片通过走线和铺铜也可以实现。负片的好处在于默认大块铺铜填充,再进行添加过孔、改变铺铜大小等操作都不需要重新铺铜,这样省去了重新铺铜计算的时间。中间层用电源层和 GND 层(也称地层、地线层、接地层)时,层面上大多是大块铺铜,这样用负片的优势就很明显。

 

PCB 层叠的认识

随着高速电路的不断涌现,PCB 的复杂度也越来越高,为了避免电气因素的干扰,信号层和电源层必须分离,所以就牵涉到多层 PCB 的设计。在设计多层 PCB 之前,设计者需要首先根据电路的规模、电路板的尺寸和电磁兼容(EMC)的要求来确定所采用的电路板结构,也就是决定采用 4 层、6 层,还是更多层数的电路板。这就是设计多层板的一个简单概念。

 

确定层数之后,再确定内电层的放置位置及如何在这些层上分布不同的信号。这就是多层 PCB 层叠结构的选择问题。层叠结构是影响 PCB 的 EMC 性能的一个重要因素,一个好的层叠设计方案将会大大减小电磁干扰(EMI)及串扰的影响。

 

板的层数不是越多越好,也不是越少越好,确定多层 PCB 的层叠结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说,层数越多越利于布线,但是制板成本和难度也会随之增加。对生产厂家来说,层叠结构对称与否是 PCB 制造时需要关注的焦点。所以,层数的选择需要考虑各方面的需求,以达到最佳的平衡。

 

对有经验的设计人员来说,在完成元件的预布局后,会对 PCB 的布线瓶颈处进行重点分析,再综合有特殊布线要求的信号线(如差分线、敏感信号线等)的数量和种类来确定信号层的层数,然后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的层数。这样,整个电路板的层数就基本确定了。

 

常见的 PCB 层叠

确定了电路板的层数后,接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。图 8-35 和图 8-36 分别列出了常见的 4 层板和 6 层板的层叠结构。

 

图 8-35  常见的 4 层板的层叠结构

 

图 8-36  常见的 6 层板的层叠结构

 

层叠分析

怎么层叠?哪样层叠更好?一般遵循以下几点基本原则。

 

① 元件面、焊接面为完整的地平面(屏蔽)。


② 尽可能无相邻平行布线层。


③ 所有信号层尽可能与地平面相邻。


④ 关键信号与地层相邻,不跨分割区。


可以根据以上原则,对如图 8-35 和图 8-36 所示的常见的层叠方案进行分析,分析情况如下。

 

(1)3 种常见的 4 层板的层叠方案优缺点对比如表 8-1 所示。

 

 

(2)4 种常见的 6 层板的层叠方案优缺点对比如表 8-2 所示。

 

 

通过方案 1 到方案 4 的对比发现,在优先考虑信号的情况下,选择方案 3 和方案 4 会明显优于前面两种方案。但是在实际设计中,产品都是比较在乎成本的,然后又因为布线密度大,通常会选择方案 1 来做层叠结构,所以在布线的时候一定要注意相邻两个信号层的信号交叉布线,尽量让串扰降到最低。

 

(3)常见的 8 层板的层叠推荐方案如图 8-37 所示,优选方案 1 和方案 2,可用方案 3。

 

图 8-37  常见的 8 层板的层叠推荐方案

 

层的添加及编辑

确认层叠方案之后,如何在 Altium Designer 当中进行层的添加操作呢?下面简单举例说明如下。

 

(1)执行菜单命令“设计 - 层叠管理器”或者按快捷键“DK”,进入如图 8-38 所示的层叠管理器,进行相关参数设置。

 

图 8-38  层叠管理器

 

(2)单击鼠标右键,执行“Insert layer above”或“Insert layer below”命令,可以进行添加层操作,可添加正片或负片;执行“Move layer up”或“Move layer down”命令,可以对添加的层顺序进行调整。

 

(3)双击相应的名称,可以更改名称,,一般可以改为 TOP、GND02、SIN03、SIN04、PWR05、BOTTOM 这样,即采用“字母+层序号(Altium Designer 19 自带这个功能)”,这样方便读取识别。

 

(4)根据层叠结构设置板层厚度。

 

(5)为了满足设计的 20H,可以设置负片层的内缩量。

 

(6)单击“OK”按钮,完成层叠设置。一个 4 层板的层叠效果如图 8-39 所示。

 

图 8-39  4 层板的层叠效果

 

建议信号层采取正片的方式处理,电源层和地线层采取负片的方式处理,可以在很大程度上减小文件数据量的大小和提高设计的速度。