依舊自我介紹，張工，NPI 工程師，如果還不知道我具體是幹什麼的，歡迎看我的第一篇文章（主頁點進去即可）。
萬變不離其宗，作為 NPI 工程師，DFM 可製造性分析涉及的範圍非常廣，今天是關於：PCB疊層、PCB疊層方法、PCB疊層設計步驟。
一、什麼是 PCB 疊層？
PCB 疊層是指在電路板布局設計之前組成 PCB 的銅層和絕緣層的排列。PCB 疊層可以幫助你最大限度地減少電路對外部噪聲的脆弱性，以及最大限度地減少幅度並減少高速PCB布局中的阻抗和串擾問題。
對於設計比較緊湊的電子產品，一般工程師都會建議放置包含多層和三維外觀設計的PCB。下圖為一個8 層 PCB疊層的示例圖：
對於多層 PCB，主要使用三種類型的層，層類型為：為信號層、平面層、混合層。信號層由多種類型的信號組成。這裡分別對3個圖層進行一個簡單的介紹。
1、信號層
下面給出的圖像顯示了一個比較完美的信號層 PCB，它具有多種類型的信號，不依賴於特殊標準。主要是低電壓、低電流信號，主要用於傳輸中高速數據線。
這種類型的層不包 由多邊形澆築製成的接地層或電源層。這是因為在非常高速的信號中，由於雜散電容和雜散電感的累積，具有接地層或電源層會導致阻抗變化。
下圖顯示了一個信號層，其中路由了多個信號以及放置了組件。
2、平面層
平面層不同，不包含除接地層或電源層之外的任何信號。出於多種原因，主要是在整個電路中具有良好的接地和電源路徑。整個電路板上都放置了實心銅，只需切割銅平面，就可以創建單獨的段以提供不同的平面信號。
下面是一個很好的例子，其中顯示了平面層。
3、混合層
下一種層是使用信號和銅填充作為平面的混合層。這是二層和六層板中最常用的層類型，有時它也用於四層板。混合層出現在沒有明顯高速走線的普通 PCB 板上。
下面給出的圖像顯示了混合層類型的示例。
二、為什麼要進行PCB疊層？
1、需求不斷發展
隨著現在的科技越來越發達，電子產品的要求也變得越來越高，希望PCB 又小又輕，同時還希望有更好的功能性和可靠性以及更長的壽命，這就導致了多層PCB。
將兩個或多個單面和/或雙面PCB堆疊在一起，通過它們之間可靠的預定義相互連接生成多層PCB。一個多層PCB中有三層或三層以上的導電層，外面有兩層，絕緣板合成一層。隨著PCB複雜性和密度的增加，當層排列設計效率低下時，可能會出現一些問題，例如噪聲、雜散電容和串擾。
2、PCB疊層是確定 EMC 性能的最重要因素之一
PCB疊層是確定產品電磁兼容性（EMC）性能的最重要因素之一。精心設計的疊層可以最大限度地減少輻射，又可以防止電路受到外部噪聲源的干擾。還可以減少信號串擾和阻抗不匹配等問題。
但是劣質的疊層可能會導致EMI（電磁干擾）輻射上升，因為阻抗不匹配導致系統中的反射和振鈴會明顯降低產品的性能和可靠性。
3、PCB疊層可以保持信號完整性
PCB 疊層可設計為包含有助於保持信號完整性的特徵。配電網絡中的最大電容去耦是通過將電源層與疊層中的接地層直接相鄰放置來實現的。信號層或 PCB 層在 PCB 疊層中應始終有一個相鄰的接地層。在每個信號層旁邊包括一個接地平面可增強磁通量消除並消除噪聲。最小化導電 PCB 層之間的間距會增加通量抵消。
高速走線是最好的帶狀線布線，以最大程度地利用相鄰接地層內層的屏蔽和磁通抵消。通過空氣耦合風險較低的不太敏感的跡線最好在印刷電路板的外層布線。進一步的布線技術將底盤連接的縱橫比與每個之間的接地針腳結合起來。具有大量接地針腳的外層走線之間的接地填充可提供返迴路徑並減輕迴路電流的產生。
4、避免不連續性和環路的PCB層
使用平面布置圖來降低射頻能量，該平面布置圖可避免不必要的阻抗和不必要的材料，例如銅重量過厚。設計 PCB 疊層以消除阻抗累積並將射頻能量分流到機箱。路由信號以確保返迴路徑直接位於信號跡線下方。避免在 PCB 上存在快速開關信號時產生產生阻抗的環路。
在放置埋孔時評估 PCB 層，以確保不存在不連續性。不連續性會在層平面中產生縫隙，並可能迫使返迴路徑進入發出噪聲的環路。在每個組件的電源軌上放置去耦電容，以將開關信號分流到地，在進入和離開設計的連接器處的開關信號上放置旁路電容。
5、 PCB 疊層進行電容去耦和磁通消除
將電源層和接地層彼此相鄰布置，以便在整個 PCB 層中進行清潔的電源分配。當電源層和接地層在堆棧中彼此相鄰時，低阻抗電容去耦會產生清潔的電源分配。通過在連接到 PCB 層的每個組件電源引線處添加去耦電容器，繼續為整個層的配電網絡設計完整性。
圍繞每個組件電源引線的去耦電容進行設計將為同時切換的大型數字網絡提供能量。通過在時鐘期間經歷轉換的信號引腳處添加去耦電容，確保整個層的配電完整性。去耦和旁路電容提供足夠的能量來在操作期間保持預期信號，防止地反彈和射頻能量意外注入 PCB 層。
6、PCB疊層 避免不需要的阻抗和環路
將信號層與接地層相鄰分層，以防止產生射頻能量的環路。當返回平面直接位於信號平面旁邊時，不會形成環路。過孔放置對於避免層堆棧中的插槽至關重要，其中信號可能需要在插槽周圍傳播，從而產生環路。此外，高速信號會在信號網絡和返回網絡中產生通量。
該通量相等且相反，信號和返回。當高速信號和返回直接相鄰放置時，會發生最大抵消。必須消除高速信號產生的磁通量以保持電磁兼容性 (EMC)。設計PCB疊層以確保返回層與每個信號層相鄰，從而實現電磁兼容性 (EMC)。EMC 表明層堆疊的設計是為了適當地減少磁通量的產生。
三、標準疊層與 HDI 疊層的區別
標準疊層和 HDI 疊層之間存在根本區別。對於標準疊層，需要注意的因素包括：層數、層數、電路頻率和發射要求。與標準疊層相關的其他參數包括：層與屏蔽或非屏蔽區域之間的空間。
對標準疊層很重要的設計規則。規則包括：保持信號層之間的空間以及使用大內核來規避 EMC 問題。另一件值得注意的事情是標準疊層的好處，即使用外層上的平面保護內層。缺點是由於存在元件安裝焊盤，特別是在高密度的 PCB上，接地平面會變小。
HDI 疊層技術正在改變多層 PCB 的製造和設計。與標準疊層不同，HDI 疊層提供了更多設計選擇。此外，如果您想為複雜電路板簡化設計，HDI 疊層是正確的選擇。決定疊層的因素包括：信號層的數量以及接地層和電源層的數量。需要注意的重要一點是，這些層應該具有對稱排列。HDI 不需要複雜的架構這一事實對設計師來說是一大優勢。
四、PCB 疊層方法
電路板的每一層只能包含有限數量的布線，因此設計中的網絡越多，布線所需的層數就越多。但是，在開始為設計添加圖層之前，重要的是要退後一步，看看更大的圖景。你應該考慮的第一個細節是電路板本身的製造。電路板的層數受（或將影響）其材料、可製造性和建造成本等的影響。。
1、材料
使用 FR-4 製造的標準數字/模擬電路板的數量是已知的，但如果你的電路板使用更奇特的高速材料，那麼改變層數就會沒有那麼容易了。
雖然說這些材料在受控阻抗、信號性能、尺寸穩定性、熱管理等方面更好，但它們可能難以使用，並且構建電路板的成本更高。在添加額外的層對之前。
2、可製造性
電路板中的層數越高，製造過程就越複雜。這不僅會影響製造原始電路板所需的時間和金錢，而且可能會改變製造商承諾的產量。
3、成本
添加到電路板上的每一層都會增加其成本。一般來說，從兩層到四層，或從四層到六層，製造費用最多可以增加 40%。之後，它會稍微降低到 35% 或 30%，但還是會影響你的預算底線。雖然在原型階段看起來，好像並沒有多少錢，但是不要忘記，這個價格會在後面打樣生產階段都會存在。
另一方面，在某些情況下，添加圖層可以為你省錢。根據設計中布線的複雜性，最終可能會為你節省資金來添加額外的層並節省你的開發預算時間。額外的層還可以讓你更改孔的數量和尺寸、走線寬度和間距以及電路板尺寸和厚度——所有這些都可能節省製造時間和費用。
使用額外的層也可能最終成為在設計中添加更多組件的唯一方法。
4、信號路由
對於具有大量網絡的設計，多層電路板通常是完成走線布線的唯一選擇。此外，額外的層將有助於以下方面：
- 串擾：當所有走線都擠在一層上時，這些走線可能會相互耦合併產生噪聲。向板上添加層可以使這些敏感網絡分散開來，並在相鄰層上垂直布線。
- EMI：附加層允許設計人員將布線層與接地層分開，以降低 EMI 敏感性和輻射。
- 高速：傳輸線路由也可以利用額外的層，如果它們用作參考平面，以確保乾淨的信號返迴路徑。
5、電源層和接地層
電路板上的許多組件需要多個電壓電平才能滿足其功率要求。試圖在兩層電路板上保持良好的電源完整性，所有這些電源都必須通過單獨的走線運行，可能具有挑戰性。將電路板中的額外層用於額外的電源層有助於解決這個問題。即使板上有多個電壓電平，也可以拆分電源層以管理組件的不同電源要求。
電路板中附加層的主要好處之一是能夠配置多個接地層。除了幫助改善電路板的供電網絡外，接地層還用作信號返迴路徑的參考層。對於兩層設計，這些返迴路徑通常僅限於接地走線，可能會導致電路板出現許多信號完整性問題。然而，使用多層板中的專用參考平面，高速布線可以在與其參考平面直接相鄰的層上，以獲得乾淨的信號返回。
6、信號完整性
高速設計通常需要微帶或帶狀線層配置來路由敏感傳輸線。雖然微帶線配置在外部層上布線，但帶狀線配置需要內部布線層和接地層，這只能通過多層設計實現。你可以在下圖中看到這些 PCB 層配置的一些示例。
曾幾何時，增加多層電路板的層數只是為了在電路板上為額外的網絡布線創造空間。然而，現在必須設計一個良好的多層堆疊配置，以保護電路板免受外部噪聲源的影響，並防止電路板傳播它們。接下來，我們將了解一些可用於多層設計的 PCB 堆疊技術。
案例：PCB疊層（4層）
對於 4 層板，基本上有兩種方法可以創建疊層。
1、可以使用兩個芯，單獨鑽孔和電鍍並與預浸料粘合在一起，然後進行最終鑽孔/板通。
大多數 PCB 設計軟體，包括 Proteus 設計套件，都將這種類型的疊層稱為外部層對，因為內核是從外向內構建的。
2、可以使用一個鑽孔和電鍍的芯。然後在電路板的任一側放置一層預浸料/箔，固化、蝕刻、鑽孔、電鍍。
不出所料，這通常被稱為內部層對，因為核心是從內向外構建的。
當構建多層 PCB 時，每個鑽孔跨度都需要單獨的 CNC 鑽孔機通過。這意味著，在設置了層堆棧後，就有一組已知的合法的鑽孔跨度是可能的。例如，在前面討論的 4 層板中，如果你使用兩個芯（外層對），你可能有三個鑽孔跨度，或者在你使用一個芯（內層對）的情況下，你可能有兩個鑽孔跨度。
五、PCB疊層設計步驟
1、需要多少層？
在決定層堆疊之前，第一個問題是設計需要多少層。一個標準的經驗法則是使用印刷板上每單位面積的引腳數。
你需要考慮以下幾點：
- 電源（用於大功率板或當您的電路具有電源時）
- 接地平面/層
- 信號（低速或高速）
理想情況下，最佳設計不應混合核心層中的信號類型。要獲得準確的層數，你可以首先使用以下公式計算引腳密度：
引腳密度=板面積/（引腳總數/14）
獲得引腳密度後，使用此查找表查找信號層數。
PCB 密度取決於元件的固定位置、信號完整性等。現在，在確定應該有多少層之後，是時候選擇要在哪些層上路由什麼類型的信號的層了。在做出一些決定之前，很少有事情需要評估。
在頂層和底層布線高電流層很重要，因為內層不通過空氣散熱。因此，如果內層用於大電流操作，則會導致 PCB 溫度升高。
高頻信號會發出高 EMI，因此在上下層上堆疊接地層的內部層有助於降低輻射 EMI。
2、確定層排列
其次，確定層數及其排列方式。使用這些規則：
- 避免將兩個信號層並排放置
- 保持堆疊從頂層和底層向內對稱
- 在最小厚度的微帶上布線高速信號
- 保持電源層和接地層之間的最小間距
- 將內部電源層保持在信號層旁邊以實現緊密耦合
3、確定層材料類型
接下來，確定每個信號層加上芯和預浸料的厚度。儘管有標準的 PCB 材料類型厚度，但你應該考慮每種材料的熱、電和機械特性。
4、確定布線和過孔
最後，通過以下決定來確定路由跟蹤：
- 銅砝碼
- 在哪裡放置過孔
- 過孔類型
5、介電和銅密度和層管理
在進行PCB 設計之前，電介質和銅密度是設計決策時應考慮的其他重要標準。這是因為改變銅密度和電介質會改變電路板尺寸，並且可能會改變整個電路板的阻抗參數。銅密度和 PCB 尺寸也取決於電路板的整體成本。增加電路板厚度也可能增加電路板成本。
一般35um和70um的銅厚廣泛用於PCB層堆疊管理。增加銅可能會增加走線的載流能力並減少散熱。一個主要的事情是選擇圖層均勻平衡的圖層順序。以下是從 4 層到 8 層 PCB 板的不同層配置中最常用的層。
4層PCB疊層：
為了獲得最佳性能，層分配需要完全如下所述。頂層和底層可以用作信號層，而內部的兩個層可以用作電源和地，這樣我們就可以調試PCB中的錯誤。
層分配 - 信號（最需要測試的）/GND 平面/不同的電源信號/信號
6層PCB疊層：
對於 6 層 PCB，過程有點複雜，但整體概念保持不變。對於 POC 階段的任何修改，信號平面始終位於頂部。接地層和電源層位於其下方以及混合信號層。電源層和接地層垂直布線，信號層水平布線，我們降低了高速 PCB 設計的 EMI 和噪聲。
在開始設計 PCB 之前，記住製作平面。因此，如果你選擇第二層作為地平面，請始終選擇第 5 層作為地平面。這個非常重要。此外，在 6 層設計中，信號在一層中垂直布線，而在另一層中水平布線。在這種情況下，走線產生的磁場將相互抵消，減少串擾。
層分配 - 信號/實心 GND 平面/高速信號/高速信號/實心 GND 平面/信號
8層PCB疊層
8層PCB的概念也是一樣的，作為8層PCB，它用於非常高速的設計，比如電腦主板、FPGA等，為了隔離EMI和噪聲，我們把地平面放在頂部下方和底部信號平面在其下方，有混合信號平面和其他接地和電源平面。整個結構如下所示。
層分配 - 信號/實心 GND 平面/高速信號/GND 或電源/GND 或電源/高速信號/實心 GND 平面/信號。
六、PCB疊層設計規則
就像任何其他設計或產品製造一樣，設計師應該遵循一些規則才能生產出質量最好的產品。因此，設計人員必須確保他們識別並遵循經過驗證的 PCB 疊層設計最佳實踐。對於 PCB 疊層設計，為了獲得最佳結果，應該考慮一些規則。
- 地平面板的使用，是最好的使用，因為它們能夠允許帶狀線布置中的信號路由。此外，它在降低地面噪聲方面起著至關重要的作用。由於接地阻抗的降低，接地噪聲顯著降低。
- 對於高速信號，它們必須在位於不同層之間的中間層上布線。通過這種方式，地平面起到屏蔽的作用，並以最高速度包含從軌道發出的輻射。
- 即使在相鄰的平面中，確保信號層彼此非常接近，但 2 個信號層不相鄰。
- 信號層必須靠近平面
- 確保疊層是對稱的
- 應該努力提高 EMI 性能並降低噪音
- 必須考慮每個信號層的厚度
- 此外，重要的是要考慮所需材料的特性。請注意此類材料的熱、電和機械性能。
- 考慮在設計堆疊時使用的軟體。
- 為了緊密耦合，將信號層放置在靠近內部電源層的位置
- 電源層和接地層之間應該有最小的空間
以上就是關於 PCB焊接的簡單介紹，希望能夠對大家有用，歡迎大家多多指教。