一、层叠的定义及添加
对于高速多层板来说,默认的2层设计无法满足布线信号质量与走线密度的要求,这个时候就需要对PCB层叠进行添加。
二、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,如下图所示:
(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,如下图所示:
(负片层)
三、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则直接用“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,如下图所示:
(双击给予网络)
其实,正、负片都可以用于内电层。其中,正片通过走线和铺铜也可以实现;而负片的好处则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,从而可以省去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十分明显了。
四、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,设计者需要先根据电路的规模、电路板的尺寸、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。其实,这就是设计多层板的一个简单概念。
当确定层数之后,再确定内电层的放置位置,以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。
然而,板的层数并不是越多越好,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,但制板成本和难度也会随之增加。对于生产厂家来说,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。
对于有经验的设计人员来说,在完成元件的预布局之后,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,然后再根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的层数。这样一来,整个电路板的层数就基本确定了。
五、常见的PCB层叠
当确定了电路板的层数之后,接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。下面两张图分别列出了常见的4层板和6层板的层叠结构:
(常见的4层板的层叠结构)
(常见的6层板的层叠结构)
六、层叠分析
那么,该怎么层叠?哪样层叠更好?
一般来说,可以遵循以下几点基本原则:
◆ 元件面、焊接面为完整的地平面(屏蔽);
◆ 尽可能无相邻平行布线层;
◆ 所有信号层尽可能与地平面相邻;
◆ 关键信号与地层相邻,不跨分割区。
根据上述原则,通过对常见的4层板和6层板的层叠方案进行分析,可以得到如下结论:
一是,3种常见的4层板的层叠方案优缺点对比:
二是,4种常见的6层板的层叠方案优缺点对比:
通过方案1到方案4的对比可以发现,在优先考虑信号的情况下,选择方案3和方案4会明显优于前两种方案。但在实际设计中,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。
三是,常见的8层板的层叠推荐方案如下图所示:
(常见的8层板的层叠推荐方案)
通过对比可以发现,优选方案1和方案2,可用方案3。
七、层的添加及编辑
当确认层叠方案之后,如何在Altium Designer中进行层的添加操作呢?接下来,将简单举例说明。
首先,执行菜单命令“设计-层叠管理器”或者按快捷键“DK”,进入层叠管理器,然后进行相关参数设置,如下图所示:
(层叠管理器)
第二,单击鼠标右键,执行“Insert layer above”或者“Insert layer below”命令,可以进行添加层操作,可以添加正片或者负片。
执行“Move layer up”或者“Move layer down”命令,可以对添加的层顺序进行调整。
第三,双击相应的名称,可以更改名称,一般改为TOP、GND02、SIN03、SIN04、PWR05、BOTTOM等,即采用“字母+层序号(Altium Designer 19自带这个功能)”,以方便读取识别。
第四,根据层叠结构设置板层厚度。
第五,为满足设计的20H,可以设置负片层的内缩量。
第六,单击“OK”按钮,完成层叠设置,一个4层板的层叠效果如下图所示:
(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,这样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。
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4层板 一直用的负片