10 层板
由于多层板之间的绝缘隔离层非常薄,所以 10 或 12 层的电路板层与层之间的阻抗非常低,只要分层和堆栈不出问题,完全可望得到优异的信号完整性。要按 62mil 厚度加工制造 12 层板,困难比较多,能够加工 12 层板的制造商也不多。
由于信号层和回路层之间总是隔有绝缘层,在 10 层板设计中分配中间 6 层来走信号线的方案并非最佳。另外,让信号层与回路层相邻很重要,即板布局为信号、地、信号、信号、电源、地、信号、信号、地、信号。
这一设计为信号电流及其回路电流提供了良好的通路。恰当的布线策略是,第 1 层沿 X 方向走线,第 3 层沿 Y 方向走线,第 4 层沿 X 方向走线,以此类推。直观地看走线,第 1 层 1 和第 3 层是一对分层组合,第 4 层和第 7 层是一对分层组合,第 8 层和第 10 层是最后一对分层组合。当需要改变走线方向时,第 1 层上的信号线应藉由“过孔”到第 3 层以后再改变方向。实际上,也许并不总能这样做,但作为设计概念还是要尽量遵守。
同样,当信号的走线方向变化时,应该藉由过孔从第 8 层和第 10 层或从第 4 层到第 7 层。这样布线可确保信号的前向通路和回路之间的耦合最紧。例如,如果信号在第 1 层上走线,回路在第 2 层且只在第 2 层上走线,那么第 1 层上的信号即使是藉由“过孔”转到了第 3 层上,其回路仍在第 2 层,从而保持低电感、大电容的特性以及良好的电磁屏蔽性能。
如果实际走线不是这样,怎么办?比如第 1 层上的信号线经由过孔到第 10 层,这时回路信号只好从第 9 层寻找接地平面,回路电流要找到最近的接地过孔 ( 如电阻或电容等组件的接地引脚 ) 。如果碰巧附近存在这样的过孔,则真的走运。假如没有这样近的过孔可用,电感就会变大,电容要减小, EMI 一定会增加。
当信号线必须经由过孔离开现在的一对布线层到其它布线层时,应就近在过孔旁放置接地过孔,这样可以使回路信号顺利返回恰当的接地层。对于第 4 层和第 7 层分层组合,信号回路将从电源层或接地层 ( 即第 5 层或第 6 层 ) 返回,因为电源层和接地层之间的电容耦合良好,信号容易传输。
多电源层的设计
如果同一电压源的两个电源层需要输出大电流,则电路板应布成两组电源层和接地层。在这种情况下,每对电源层和接地层之间都放置了绝缘层。这样就得到我们期望的等分电流的两对阻抗相等的电源总线。如果电源层的堆栈造成阻抗不相等,则分流就不均匀,瞬态电压将大得多,并且 EMI 会急剧增加。
如果电路板上存在多个数值不同的电源电压,则相应地需要多个电源层,要牢记为不同的电源创建各自配对的电源层和接地层。在上述两种情况下,确定配对电源层和接地层在电路板的位置时,切记制造商对平衡结构的要求。
总结
鉴于大多数工程师设计的电路板是厚度 62mil 、不带盲孔或埋孔的传统印制电路板,本文关于电路板分层和堆栈的讨论都局限于此。厚度差别太大的电路板,本文推荐的分层方案可能不理想。此外,带盲孔或埋孔的电路板的加工制程不同,本文的分层方法也不适用。
电路板设计中厚度、过孔制程和电路板的层数不是解决问题的关键,优良的分层堆栈是保证电源总线的旁路和去耦、使电源层或接地层上的瞬态电压最小并将信号和电源的电磁场屏蔽起来的关键。理想情况下,信号走线层与其回路接地层之间应该有一个绝缘隔离层,配对的层间距 ( 或一对以上 ) 应该越小越好。根据这些基本概念和原则,才能设计出总能达到设计要求的电路板。现在, IC 的上升时间已经很短并将更短,本文讨论的技术对解决 EMI 屏蔽问题是必不可少的。
Rick Hartley 是高速通讯设备制造商 Applied Innovation 公司的高级硬件工程师,他在电子设计领域有 35 年经验,最近 25 年他专注于印刷电路板设计和开发,过去 10 年他领导高速数字和 RF 电路板设计,重点是 EMI 控制。感兴趣的读者可以藉由电子邮件: rickh@aiinet.com 与作者联系。