PCB设计难?搞定叠层,你的也可以很高级

1、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。


2、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

3、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。

4、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。

5、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


6、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


7、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。