PCB Stack設計規範

前言：

在高速數位電路設計流程中，第一步需要做的就是根據系統的複雜程度，成本因素等相關方面決定印製電路板(PCB)的疊層結構(Stack)，而在PCB stack設計的過程中，特徵阻抗也是一個重點關注的問題。

1、疊層結構的選擇

電路板的疊層結構分為2層，4層，6層，8層，10層等等。目前常用的用於主機板設計的主要有4層與6層，至於8層。而對於更為複雜的系統，像小面積的Add-in  Card，大型通訊裝置中的某一模組，像SDH，Multi-serve Router，這些裝置常用12層甚至是更多層。本文主要的出發點就是以較為簡單的例子，介紹PCB疊層設計中的引數問題。

（1） 4層電路板

對於4層電路板，這是市場上最常用的一種疊層結構，它的結構無外乎下面幾種方案，如圖1，具體取決於哪種方案最好，主要是看佈線層面的選擇，參考平面的選擇以及EMC/EMI的考慮。這裡把signal層放在內層有利於遮蔽輻射，便於EMC的設計，但不利於系統的Debug。常用的方案是04A。

（2）6層電路板

對於6層版，疊層結構的選擇性較多，如下圖：

最常用的疊層結構主要是06A，06G，06K。06A有四層佈線層，便於佈線。06G有兩個GND，這樣的話Top與Bottom層參考平面都是GND，是一種很好的選擇。對於06K，這樣做，主要是3個訊號層佈線有點緊張，讓第四層作為備用的訊號層，最後不用的地方都鋪上銅箔，即確切的說，該種疊層結構的layer4是signal/GND。對於其他的疊層結構，像10層，18層，參考下圖：

2、特徵阻抗的計算

設計完疊層結構，具體的就要設計各個疊層的厚度了，這裡主要的切入點就是特徵阻抗，電源平面和地平面的目標阻抗了。

對特徵阻抗的理解可以類似於軟水管，特徵阻抗類似軟水管對水流的阻力，電流類似於水流，走線與參考平面的距離類似於軟水管與地平面的距離——可想象為體現在壓強方面。

（1）影響特徵阻抗因素

影響特徵阻抗的因素很多，主要體現在下面幾個方面：

1> 介電質常數,與阻抗值成反比 [Er值愈高 , Z0值愈低]

2> 線路層與接地層間介電層厚度,與阻抗值成正比,參考基板及PP之壓合厚度，[介層愈厚 , Z0值愈高]，介電層厚度類比於軟水管離地平面的高度，介電層厚度越大，表示離地平面越高，從而導致水流變緩，好比軟水管對水的阻力變大，從而特徵阻抗變大。

3> 線寬,與阻抗成反比 [線寬愈細 , Z0值愈高]，線寬越細，表示軟水管截面積變小，對水流的阻力變大，從而水利變小，特徵阻抗變大。

4> 銅厚,與阻抗值成反比 [銅愈厚 , Z0值愈低]，銅厚變小，表示軟水管截面積變小，對水流的阻力變大，從而水利變小，特徵阻抗變大。

一般來說，內層為基板銅厚,廠內1OZ=1.2 mil~1.4mil,外層為基板銅箔厚度+鍍銅厚度

5> 差動阻抗相鄰線路與線路之間的間距,與阻抗值成正比 [Spacing愈小 , Z0值愈低]，這個很好理解，間距變小，表示耦合越好，從而軟水管對水流的阻力越小，特徵阻抗變小。

6> 線路層與線路層間介電層厚度,與阻抗值成反比。

7> 防焊漆厚度,與阻抗值成反比[綠漆愈厚 , Z0值愈低]，綠漆可以類比於堤壩對水流的保護作用，綠漆越厚，堤壩越厚，表示對水流的保護作用越好，水流都不會丟失，從而水流越大，對水流的阻礙越小，特徵阻抗越低。

（2）Microstrip單端阻抗模型

下圖是表示微帶線(Microstrip)的單端阻抗計算方法：

1> Surface Microstrip

2> Coated Microstrip

（3）Microstrip差分阻抗模型

下圖表示微帶線的差分阻抗計算方法：

1> Edge-coupled Surface Microstrip

2> Edge-coupled Coated Microstrip

說明：

<1> 關於銅厚T ：內層，1 oz=1.2mil~1.4mil左右，需要向PCB版廠確認，一般取為1.4mil。外層，厚度應該為基銅的厚度+鍍層厚度

<2> 關於線寬：內層0.5oz上幅=下幅–0.5mil , 1oz / 經電鍍上幅=下幅 – 0.8mil。外層，上幅=下幅 *(85-90%)

<3>防焊層厚度：一般最小是0.4mil。單端阻抗：防焊前後約差7 ohms, 標示下限 +4mil 上限 +2mil。對於差動阻抗：防焊前後約差14 ohms, 標示下限 +10mil 上限 +4mil。

3、阻抗計算例項說明

傳輸線阻抗是從電報方程推匯出來(具體可以查詢微波理論)，當電壓電流在傳輸線傳播的時候,如果特性阻抗不一致所求出的電報方程的解不一致,就造成所謂的反射現象等等.在訊號完整性領域裡,比如反射,串擾,電源平面切割等問題都可以歸類為阻抗不連續問題,因此匹配的重要性在此展現出來。

由上圖可知，這是一個8層電路板的疊層結構，這就可以理解了，PP表示Prepreg。PP是種介質材料,由玻璃纖維和環氧樹脂組成,core 其實也是PP型別介質,只不過他兩面都覆有銅箔,而PP則沒有。

那麼每一層的銅箔厚度是怎麼表示的呢？銅箔重量一般以Oz來表示。重量的單位1Oz(盎司)=28.3 g(克)。在疊層裡面是這麼定義的,在一平方英尺的面積上鋪一盎司的銅的厚度為1Oz，它與Mil對應的關係是：

為了更好說明特徵阻抗計算方法，在此假設板厚為1.6mm,也就是64mil 左右, 單端阻抗要求55Ohm,差分阻抗要求100Ohm,我們假設以如下的疊層來走線。

採用Polar Si8000計算Top與Bottom層微帶線的單端阻抗為：

對應的，差分阻抗的計算如下圖：

為了驗證覆綠漆與不覆綠漆的區別，參照下圖與上圖的區別，可以看出，在這裡不覆綠漆時特徵阻抗比覆綠漆時增加了大約3.5Ohm。

這也驗證了綠漆越厚，特徵阻抗越小的說法(不覆蓋可以表示為厚度為0)。

這裡在舉一個6層板的例子，更好的說明帶狀線特徵阻抗計算的方法。在此假設板厚為1.5mm,也就是60mil 左右, 單端阻抗要求55Ohm,差分阻抗要求100Ohm,我們假設以如下的疊層來走線。

單端阻抗的計算如下圖：

對應的差分阻抗如下圖：

這裡Top層與Bottom層的走線都參照這個計算，因為他們是對稱的。

再計算內層的特徵阻抗。

資料來源：一牛網論壇

關鍵字：PCB、PCB設計

參考資料：http://bbs.16rd.com/citiao-jishu-PCB.html