硬件基礎知識——PCB疊層設計

PCB（Printed Circuit Board），即印刷電路板，是一種由絕緣材料和導體銅箔疊在一起壓合制成的類似“三明治結構”的板，而“三明治”的組成結構設計就是疊層設計。以下是對PCB疊層設計的詳細介紹：

一、PCB疊層的基本組成

PCB疊層主要由以下三部分疊在一起壓合制成：

1. Core（芯板）：Core是一個基本單元，其兩面都鋪有銅箔，可作為信號層、電源層、地層等導電層。Core的上、下表層之間填充的是固態材料。
2. Prepreg（半固態片，簡稱PP）：PP是一種介電材料，其表面不鋪銅箔，在PCB中起到填充作用，夾在兩個Core之間或Core與銅箔之間，通常被稱為粘合材料，可以粘合兩個Core板或一個Core板和銅箔。PP的材質是半固態的樹脂材料和玻璃纖維組成，因此比固態的Core略軟一些。
3. 銅箔（Copper）：是PCB疊層里的唯一導電材料，用來形成PCB的線路。設計好的電路PCB圖紙，要把每一個布線層的走線圖紙通過顯影技術將圖案印在一張完整平面的銅箔上，然后再通過刻蝕技術，把不需要的銅箔腐蝕掉，留下真正需要的走線。

二、PCB疊層設計的關鍵點

1. 單板總層數：層數只能是偶數層，如2層、4層等，復雜的單板層數會達到20層、22層甚至更多。這些多層單板是呈現對稱結構的，即疊層以CORE板為對稱軸上下對稱，包括銅箔類型、厚度，PP類型、厚度，都要對稱一致?？倢訑翟礁?，布線越方便，EMC（電磁兼容性）性能越好，但成本也會相應增加。
2. 信號層、電源層、地層的層數分配：在PCB設計初期，需要根據單板尺寸、單板規模（如信號數目、電源種類等）以及EMC的要求粗略估計單板的信號層、電源層、地層的數目。在確定信號層的數目后，根據電源的種類、信號層隔離的要求等，可以評估所需電源層、地層的數目。
3. 單板厚度：單板厚度取決于總層數、導軌寬度等因素。例如，14層以內的單板厚度可以選擇為1.6mm，而16層以上的單板厚度需要在2mm以上。在一些特殊設計中，如果受限于軌道寬度，而單板總層數又無法減少，導致板子厚度不能減少，可以采用削邊的方式，但需注意削邊的區域不得有信號線。
4. 單端信號和差分信號的目標阻抗：從信號完整性考慮，要求在信號傳輸路徑上實現阻抗的匹配。阻抗匹配一般分為單端信號和差分信號的匹配。常規的單端信號對地阻抗為50Ω，差分信號間阻抗為100Ω。設計PCB疊層時，工程師要根據目標阻抗的設計要求，設計線寬、線距（差分線），然后把這個目標阻抗以及設計線寬、線距的數據發給PCB板廠，板廠根據數據以及實際板材的性能參數，對線寬、線距進行微調，從而制作出符合設計要求的PCB。
5. PCB材質選擇：主要考慮介電常數和材質正切值兩個數值。介電常數是表征電磁場在特定材質中導通能力的參數，介電常數越大，則電磁場在該材質中導通的能力越強。材質正切值tanδ也稱為材質損耗正切值，與介電常數相同，它也是一個與信號完整性相關的參數。tanδ越大，則信號的損耗越大。在高速電路設計中，應盡量選擇介電常數和tanδ值小的材質。

三、PCB疊層設計的步驟

1. 確定層疊的總厚度：即板厚。
2. 確定PCB層數：并分配信號層、地平面層和電源層。
3. 確定內層和外層的銅厚。
4. 確定阻抗線的分布。
5. 確定過孔結構。
6. 確定每層的殘銅率：最好要對稱。
7. 選擇滿足設計要求的板材、PP和銅箔材料。

四、PCB疊層設計的注意事項

1. 信號完整性：關鍵高速信號使用帶狀線（Stripline）布線，非關鍵高速信號可以選擇使用微帶線（Microstrip）布線。一般表層信號層不走長距離的線，僅走短線，需要長距離走線則可通過芯片管腳在表層扇出到合適的位置，打孔將信號線走到信號完整性較好的內層。
2. EMC設計：板內電源平面和地平面盡量相互鄰近，一般地平面在電源平面之上，這樣的設計可以有效利用層間電容作為電源的平滑電容，同時接地平面對電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。
3. 熱管理：在疊層設計階段，可以針對性做散熱設計，如優先選擇導熱系數高的板材、按需選擇金屬基板、大功率器件下方設計散熱焊盤、使用散熱孔、埋銅塊、嵌銅柱等。

綜上所述，PCB疊層設計是一個復雜而關鍵的過程，涉及多個方面的考慮和權衡。一個好的PCB疊層設計關系著單板質量，是硬件產品成功的關鍵因素之一。