PCB层叠结构设计

  • PCB层叠结构设计

层叠结构设计不合理完整性相关案例:在构成回流路径时,由于反焊盘的存在,使高速信号回流路径增长,造成信号回流路径阻抗不连续,对信号质量造成影响。

PCB层叠结构实物:由Core 和 Prepreg(半固态片,简称PP)组成。Core的两个表层都铺有铜箔,表层之间填充的是固态材料;PP在PCB中起填充作用,其材质是半固态的树脂材料。层叠结构的不同,Core和PP有多种厚度可供选择。

如何设计层叠结构:

层叠结构的设计的先决条件:单板总层数,包括信号层、电源层、地层的数目;单板厚度;单端信号和差分信号的目标阻抗;PCB的介电常数Er

        1. 单板层数的确定

根据单板尺寸、信号数目、电源种类等,以及EMC的要求估计单板的信号层、电源层、地层的数目,从而获得单板的总层数。实际操作步骤:首先进行布局设计,再根据PCB上关键器件的摆放位置,根据飞线显示,估计这些关键器件之间的信号线密度,对信号层的数目进行评估。在确定信号层的数目之后,根据电源的种类、信号层隔离的要求等,评估所需电源层、地层的数目。

        1. 单板厚度

14层以内的单板厚度可以选择为1.6mm,16层以上的单板厚度需在2mm以上。

        1. 目标阻抗

从信号完整性考虑,要求在信号传输路径上实现阻抗的匹配。从减小传输线损耗的角度考虑,一般取单端信号对地阻抗为50Ω,而差分对信号间阻抗为100Ω。

        1. PCB材质的选择

(1)介电常数。介电常数是表征电磁场在特定材质中导通能力的参数,介电常数越大,则电磁场在该材质中导通的能力越强。应用中,一般采用相对介电常数Er。Er的定义是,材质介电常数与真空介电常数的比值。真空中Er=1,而常用的PCB材质FR4的Er取值一般在3.5~4.5之间,即,电磁场在FR4中的导通能力比真空强,这也是高速电路在工作时,电磁场仍主要集中在PCB内的原因。

在PCB设计中,所选材质Er的值,对信号完整性有很大的影响。Er越高,高频信号越容易通过,即高频的损耗越大。常见的FR4的Er参数取值在4.2~4.3,而在高速板的设计中,为减小高频损耗,往往取FR4的Er值为3.5~3.8。应用中需注意,Er的值随频率有略微的变化。

(2)材质正切值。材质正切值tanδ也称为材质损耗正切值,与Er相同,它也是一个与信号完整性相关的参数。tanδ等于流经材质的损耗能量与流经材质的无损能量的比值,tanδ值越大,则信号的损耗越大。

与Er不同,tanδ的值基本不随频率而变化。

在高速电路设计中,应尽量选择Er和tan&小的材质,当然,Er和tan&越小,PCB的成本也越高。

    • 层叠结构与阻抗设计的流程

获得以上先决参数后,可以开始层叠结构的设计。目标是确定:

  1. 信号层、电源层、地层的排列顺序;
  2. 信号层、电源层、地层、以及填充层的厚度;
  3. 在信号层上,单端信号的线宽,差分对信号的线宽以及对内信号线的间距。

      1. 信号层、电源层、地层的排列案例分析

结构1的分析:

  1. 电源平面与地平面之间的紧密耦合,可理解为在两者之间寄生了大量的小电容,对降低电源平面与地平面之间的阻抗有极好的作用。
  2. 信号层3以完整的地层作为参考平面,因此信号完整性最好。
  3. 信号层2若以完整的电源层平面为参考,也能获得较好的信号完整性,但若电源层分块,不完整的参考平面会导致信号回流路径不通畅,对信号完整性存在一定影响。
  4. 信号层1、4与信号层2、3相邻,很容易受到相邻信号层的影响,因此完整性最差。

高速的关键信号线应走线在完整性最好的层,相对低速的非关键信号线应选择在不同于前者的层上,对阻抗控制要求不严的信号线,可选择在表层走线。

      1. 线宽与层厚

线宽与层厚是决定信号阻抗的两个关键因素。信号的阻抗可利用Polar Instruments公司开发的Polar SI6000或者嘉立创的阻抗计算神器等工具计算。

为获得特定的目标阻抗,信号线宽与信号所在层距离其相邻参考层的间距成正比,因此单板的厚度对线宽和层厚存在约束关系。

      1. 高速电路叠层设计实战示例
        1. 先决参数值的确定

在设计前,首先需确定四项先决参数。

  1. 单板层数:

根据布局以及关键器件之间的信号线密度确定需要8层信号层确定信号层层数;单板有六种电源,其中3.3V和2.5V分布很广,遍布整板,而其他四种电源只是在局部使用。所以3.3V和2.5V各单独使用一层,其他四种电源共同使用一层电源层;使用3层地层确定电源层和地层

表层只用做BGA器件或贴片器件的信号线扇出,不用于长距离的走线确定表层作用

综合上述,本单板共16层,其中信号层10层(包括两个表层),电源层3层,地层3层。

由16层确定单板厚度为2mm。根据原理图设计得到目标阻抗:单端信号为55土15Ω,差分信号为100±15Ω;PCB材质选择FR4板材,Er=4.2,tanδ=0.002。

        1. 层叠结构和阻抗设计

在多层PCB压制成型的过程中,Core不易被压缩而PP则容易受到压缩而变形,因此相对PP,Core更适于相邻层的阻抗控制。在初步确定各层厚度后,再计算信号层走线的宽度。

(1)表层单端信号:在SI6000软件中选择Surface Micro strip(表面微带线),参见图8.7,输入以下参数(除目标阻抗的单位是Ω外,其他参数的单位都是mil):输入目标阻抗、介电常数、走线厚度、最近参考平面的距离。得到走线线宽。

表层信号处于FR4与空气这两种介质之间,空气的相对介电常数略大于1,而设计中选定的FR4的相对介电常数为4.2,即表层信号所处介质的相对介电常数介于1和4.2之间,表层的阻抗控制效果较差,对表层,只考虑单端信号而不考虑差分信号。

高速电路设计中,表层只用作为信号线从器件引脚的短距离扇出,通过过孔进入阻抗控制相对较好的内层,再继续走线。

(2)内层单端信号:

以信号层第三层为例,第三层附近有两个地层/电源层可供选择为参考层:第二层和第五层。由层叠结构图可知,与第二层相距更近,即第三层的信号将主要选择第二层以构建回流路径。

在计算第三层信号阻抗时,信号层与相邻最近参考层之间的距离,以及两参考层之间的距离是必需的参数。在Si6000软件中选择Offset  Stripline(非对称带状线)。输入目标阻抗、介电常数、走线厚度、参考平台之间的距离,最近参考平面的距离。得到走线线宽。信号层与其主要的参考层最好位于同一个Core的两面,两层之间以固态材质而不是PP材质作为填充物。

(3)内层差分信号:

输入参数得到差分线的线宽线距。

        1. 电源层、地层的确定

由EMC角度考虑,与表层相邻的第二层和第十五层作为地层。

分割的电源层与地层需更好的耦合,所以选取中间两层作为分割的电源层和地层。2.5V和3.3V的电源平面根据设计需求摆放两层。在确定好电源层和地层后,为信号层制定规则:

第十层的主要参考平面是第九层,而第九层是分割的电源层,对信号回流的影响较大,因此不建议在第十层走高速信号,对于一些非重要的信号,如控制信号、JTAG信号等,对于阻抗控制要求较弱,可以走在信号完整性没那么好的层。比如分割电源层附近。

高速关键信号走在阻抗控制比较好的平面,与参考平面之间尽量是固态材料填充。同理,第十四层也适于走高速关键信号。

彼此相邻的平面在走线时,应正交走线,防止信号干扰。

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