高速PCB设计指南4——叠层设计与PCB技术

上一期我们介绍高速PCB中的传输线和受控阻抗，这一期我们介绍PCB叠层设计和PCB技术

1. PCB叠层设计

高速设计需要关键信号完整性要求，而打造具有正确叠层的 PCB 成为总体信号完整性的一部分。需要考虑根据阻抗、耗散和其他信号特性选择 PCB 材料，以及材料的正确顺序和层数。

叠层，也称为堆叠，是按顺序构建多层 PCB。几乎 99%的时间，叠层将是对称的。叠层由芯、预浸料和铜箔组成。大多数产品的电路板厚度低于 62mil（1.6mm）

1.1 叠层的构造

PCB的叠层构造（Layer Stackup）是指印刷电路板（PCB）中各层材料的排列和层次结构。PCB的叠层设计对电路的性能、可靠性和制造复杂度有重要影响。下面是常见的几种叠层构造：

1. 单面板（Single-Sided PCB）

单面板是最简单的一种PCB类型，所有电路和元件都布置在同一面，另一面则是非导电层。

2. 双面板（Double-Sided PCB）

双面板在上下两面都设有导电层，电路可以在两面上布置。这使得电路设计更加灵活，通过钻孔和镀铜可以实现两面之间的电连接。

3. 多层板（Multi-Layer PCB）

多层板包括多个导电层（通常是4层、6层、8层等），这些层通过绝缘材料隔开。多层板能够提供更高的电路密度、更复杂的信号布线和更好的性能，适用于高要求的电子产品。

4. 柔性PCB（Flexible PCB）

柔性PCB使用柔性基材（如聚酰亚胺），使其可以弯曲、折叠。柔性电路板通常用于需要弯曲、折叠或压缩的设备中，具有良好的适应性和空间利用率。

5. 刚性-柔性复合PCB（Rigid-Flex PCB）

刚性-柔性复合PCB是刚性PCB和柔性PCB的结合体，通常在电路板的某些部分采用柔性基材，而其他部分则使用刚性基材。它结合了刚性和柔性的优点，能够提供更高的设计自由度和可靠性。

6. HDI PCB（High-Density Interconnect PCB）

HDI PCB是一种高密度互连电路板，使用微型孔和精细的电路布局来实现更高的电路密度。它常用于高性能和高密度设计，具有更高的设计复杂度和更精细的制造工艺。

7. 金属基板PCB（Metal Core PCB，MCPCB）

金属基板PCB采用金属材料（通常是铝或铜）作为基材，用于散热需求较高的应用。金属基板PCB通常用于功率较大的设备，以便更好地传导热量，防止过热。

不同类型的叠层是：

• 标准：常见的材料，适用于大多数的应用场景
• 混合 ：使用两种不同的电介质材料来满足特殊的需求
• HDI：高密度互连，适用于需要高集成度的设计

由上图可以知道，一个PCB的堆叠由多个层次组成，主要包括：

• 芯板（Core）：薄的电介质片，两面都有铜层
• 预浸料（Prepreg）：电介质材料的薄片，放置与芯板的上面或下面
• 箔（Foil）：铜箔，放在预浸料的顶部

1.2 叠层设计

PCB 结构取决于设计中使用的元件封装、所需的信号走线密度和阻抗匹配要求。对于高速PCB，必须使用具有埋地和电源平面的多层 PCB。稳定铜平面允许设计人员保持器件接地和电源连接较短。此外，接地层为高速信号提供低电感返回路径。

在某些情况下，设计师花费了数百小时的劳动时间来设计 PCB，这些 PCB 最终不得不被丢弃。因为设计师未能理解这些复杂设计的可制造性。为了避免这种情况发生，请查看下面提到的提示。最佳设计的提示：

1. 保持最小纵横比：

• 1：10 用于通孔：指的是通孔横截面上的直径与长度最好保持在1：10
• 1：0.75 用于微孔：指的是微孔横截面上的直径与长度最好保持在1：0.75

2. 实施微孔以降低电路板厚度

3. 在顺序层压中，层压循环不要超过 3 次。超过 5 或 6 个层压可能会产生问题

4. 当通过盲孔进行大量连接时，请始终采用背钻孔选项，以最大限度地减少层压、钻孔和填充周期

5. 当线宽为 3 mil 时，起始铜应为 9 微米

这里介绍一些通孔、盲孔、埋孔和微孔：

• 这里的微孔与盲孔、埋孔的性质很类似，不过微孔主要的特征在其横截面上表现为倒梯形，而埋孔、盲孔则是长方形。

1.3 为高速信号做叠层的最佳方法

电路板上的复杂元件（如 BGA）决定了 PCB 的叠层。BGA 的复杂度和 BGA 的间距（0.8、0.5或 0.4）将决定叠层设计。对于 0.5mm 及更小的细间距 BGA，建议至少堆叠 10 层，并带有埋入式过孔和焊盘中的过孔。例如，如果使用 9 X 9 或 10 X 10BGA，那么设计人员需要以正确的方式扇出网络。同样，如果集成了 0.5mmBGA，那么如果它不是太密集，则可以使用通孔将其扇出。但是，如果考虑 0.4mm BGA，那么用盲孔和埋空实现布线目的。因此，会在叠层中增加更多层。

**PCB 设计人员应计算出扇出 BGA 所需的层数。因此，设计人员可以确定关键信号在哪些层上布线，以及所需的电源层和接地层的数量。**所有这些参数都将决定叠层中的层数。

初步叠层是这样的：

PCB 中的多个金属层有助于高连接密度、最小串扰和良好的电磁兼容（EMC）。这些因素有助于实现良好的信号完整性。理想情况下，所有信号层都应通过接地或连续电源层彼此隔开。这减少了串扰，并提供了具有精确控制特性阻抗的均匀传输线。当使用在整个电路板面积上连续的专用接地层和电源层时，可以实现高效的性能。当无法在信号层之间实现接地层或电源层时，必须注意确保信号线耦合最小化。

1.4 层压选择

这里主要介绍两种叠片的介电材料：

1. FR4 层压板

• 广泛应用于电子行业
• 性价比高
• 非常适合保持在 2.5GHz 至 3GHz 范围以下的频率
• 数字信号可能会受到材料物理性质的影响

2. Rogers（陶瓷）

• 专用高速层压板（Rogers RO4350）
• 用于射频应用

1.5 叠层设计材料参数注意事项

信号在印刷电路板中传播的速度取决于该电路板的介电常数。例如，当信号频率超过 5GHz时，FR4 的典型介电常数（比如 4.7 左右）下降到接近 4。而罗杰斯（Rogers：陶瓷）的相对介电常数保持不变– 3.5 从 0 到 15GHz。

如果 PCB 的介电常数随频率变化，则信号的不同频率分量将具有不同的速度。这意味着这些元件将在不同的时间达到负载。这会导致数字信号失真。与此同时，信号损耗随着频率的增加而增加。这又会增加数字信号的失真。

1.6 传播速度

介质中的电信号传播速度比真空中的光速慢。速度与介质的平方根相对介电常数（Er）成正比。

1.7 规划高速PCB叠层

精确堆叠的 PCB 基板将有效减少电磁辐射、串扰，并提高产品的信号完整性。布局不当的叠层可能会增加 EMI 辐射、串扰，并且设备更容易受到外部噪声的影响。这些问题可能会因时序毛刺和干扰而导致错误操作，从而大大降低产品的性能。

通过正确的堆叠，设计人员可以从源头上抑制噪声，而不是在产品构建后纠正问题。涉及多个平面的 PCB 使信号能够在微带线或带状线控制的阻抗传输线配置中传送。信号与接地层或电源层紧密耦合，并通过减少串扰来提高信号完整性。

在高速 PCB 中，接地层和电源层执行三个重要功能：

1. 控制信号之间的串扰
2. 为交换数字信号提供稳定的参考电压
3. 为所有逻辑器件分配电源

在选择多层叠层时，设计人员应考虑以下几点：

1. 信号层应始终放置在平面的正旁边。
2. 信号层应与其相邻平面紧密耦合（<10 MIL）。
3. 可以为信号的返回路径合并电源层或接地层。
4. 确定信号的返回路径。高频信号采用电感最小的路径。

2. 选择高速材料

最常见的 PCB 材料是 FR4。这种材料用于大多数电子应用。然而，当涉及到高频信号时，尤其是在微波领域，FR4 并不适用。

在设计微波频率的 PCB 电路时，定义微波/射频印刷电路板电路层压板性能的关键特性包括：

• 介电常数（Dk）
• 耗散因数（Df）
• 热膨胀系数（CTE）
• 介电常数的热系数（TCDk）
• 导热

PCB 层压板用户最熟悉的高频材料可能是聚四氟乙烯（PTFE），这是一种合成热塑性含氟聚合物，在微波频率下具有优异的介电性能。罗杰斯材料也很常用。

2.1 PCB材料类别

在选择高速 PCB 层压板时，在可制造性和成本方面必须解决的主要问题是什么？让我们看一下这张图表。为方便起见，我们根据材料在不同频率范围内的信号损失特性将重要材料分类到表中。

• 正常速度和损耗：正常速度材料是最常见的 PCB 材料—FR-4 系列。它们的介电常数（Dk）与频率响应不是很平坦，并且具有更高的介电损耗。因此，它们的适用性仅限于少数 GHz 数字/模拟应用。这种材料的一个例子是 Isola 370HR。

• 中速、中等损耗： 中速材料具有更平坦的 Dk 与频率响应曲线，并且其介电损耗约为正常速度材料的一半。这些适用于高达~10GHz 的频段。这种材料的一个例子是 Nelco N7000-2 HT。

• 高速、低损耗： 这些材料还具有更平坦的 Dk 与频率响应曲线和低介电损耗。与其他材料相比，它们产生的不需要的电噪声更少。这种材料的一个例子是 Isola I-Speed。

• 极高速、极低损耗 （RF/微波）：用于 RF/微波应用的材料具有最平坦的 Dk 与频率响应和最小的介电损耗。它们适用于高达~20GHz 的应用。这种材料的一个例子是 Isola Tachyon 100G。

当然除了这些之外，还有其他的一些材料,可以用来查表：

2.2 信号丢失和工作频率

哪些 PCB 材料属性导致了 PCB 电气性能的差异，这些差异如何影响 PCB 材料成本？事实证明，在高速 PCB 设计的材料性能方面，有三个主要因素需要评估。工作频率下的信号损失是多少？您是否应该担心编织效果，以及在建筑中制造叠层的材料有多容易？

下图介绍了一些PCB材料在不同信号频率下的信号损失：

从图中可以看出，信号损失和频率之间存在直接关联。同时，我们还可以看到某些材料的损耗比其他材料小。该图显示了哪些材料在更高的速度下可能具有更好的电气性能。

接着是各类PCB材料的成本（仅供参考）：

从图表中可以看出，损耗较小的材料成本更高。您必须决定哪些材质最适合您的特定项目。如您所见，Rogers 4350B 材料高于Megtron 6 或 Itera，尽管电气性能相似。在微波类别中，Taconic RF-35 的性能与该类别中的其他材料相同，价格便宜约 30%。

2.3 非PTFE材料

在上述的2.1和2.2中，我们花大量的内容介绍了非PTFE材料，但是有同学可能会发现，经过有些材料的性能相差十分接近，但是成本上却相差很大，下面我们将深入探讨非PTFE材料的这个特点：

首先，我们必须了解材料结构，还必须了解玻璃对特性阻抗的影响。实现这一目标的一种方法是了解编织效果和不同类型的玻璃布。

1. 不同的编织效果

可以看到：不同的玻璃结构会影响 DK （介电常数）分布。具有松散编织的电路板将具有更大的板厚变化和 DK 分布的较大变化。然而，紧密编织将具有更一致的板厚和更均匀的 DK 分布。材料的有效 DK 与信号穿过电介质时保持不变。

从制造的角度来看，真正需要注意的是，编织更紧密的电路板更容易制造。当玻璃编织更加一致时，机械激光钻孔也会变得更加一致。

2. 不同的编织布

除了玻璃编织外，还有另外两种类型的玻璃可供选择，硅玻璃或 E 玻璃。无碱玻璃是主要的玻璃类型。无碱玻璃是一种低碱玻璃，典型的标称成分为 SiO2 54wt%、Al2O3 14wt%、CaO+MgO 22wt%、B2O3 10wt%和 Na2O+K2O 小于 2wt%。其他一些材料也可能存在于杂质水平。它的厚度在 1.3 mil 到 6.8 mils 之间变化。

查看图表，您可以看到 5 GHz 的 E-glass 的 Dk 为 6.5，而 Df 为.006。现在，硅玻璃比无碱玻璃纯度高得多，因此，硅玻璃的 5 GHz 的 Dk 为4.5，Df 为.004。与无碱玻璃相比，层压板的成本高出约 15%。

2.4 混合材料的叠层准则

接下来，我们将回顾三种叠层，并介绍混合材料的一些基本叠层指南。

1. 使用 Rogers 3000 材料的纯 Rogers 叠层。它是一种多层结构，在较高温度下需要更长的停留时间。这种层压工艺称为熔融粘合。

2. 使用 Rogers 和 Isola 材料的混合叠层。设计人员使用这种方法来节省材料成本并帮助实现多层堆叠的可制造性。罗杰斯不适合顺序层压工艺，还有其他材料供应商，如Taconic 和 Isola，他们生产的性能与罗杰斯相似的材料，并且没有这些限制。过去，很难控制这些 B 级材料的压出厚度。现在，有了更好的设备、更好的过程控制，客户可以期待一致性并获得好处。

3. 仅由 Taconic 材料组成。这些材料虽然基于玻璃布，但具有与 Rogers 材料相似的性能，并且更容易制造。使用玻璃布，材料也变得尺寸稳定。

2.5 混合叠层指南

现在，我们来讨论一些混合叠加指南。我们推荐以下内容 现在，让我们讨论一些混合叠加指南。在处理混合结构时，我们建议采取以下措施。使用高性能材料作为核心。用 FR-4 预浸料层压。平衡 FR-4 部分，不要使用高 Tg 介电介质或具有较小 Tg 材料的粘合膜。

所以，你有它。我们回顾了如何根据性能和成本（包括可制造性）选择高速材料。

PCB 的基板由玻璃纤维材料制成，玻璃纤维材料以织物形式编织并用树脂硬化，以形成 PCB的平坦耐用表面。不同类型的基材具有不同的组织结构，如下所示。更密集、更紧密的组织效果更好，甚至具有介电质量。因此，特性阻抗更均匀。这样可以在高速下获得更好的信号质量。

当一组高速差分信号在 PCB 上时，由上图中的红线和蓝线表示，形成一对差分走线。如果仔细观察，会发现当其中一条轨道在编织空间内时，对应的 Er 值会大于另一条信号线，并且 Er值不同。结果是差分阻抗发生变化。这种由于介电层玻璃编织引起的阻抗变化现象就是纤维编织效应，如果稀疏层的编织密度增加，其影响就更严重了！

总结下来就是：玻纤布的编织方式对PCB的特性阻抗有显著影响。紧密编织的玻纤布可以提供更均匀的介电常数分布，从而有助于实现更均匀的特性阻抗，这对于高速信号传输至关重要。设计PCB时，必须考虑玻纤布的类型和编织方式，以确保信号完整性。

下面是常见的玻璃纤维编织样式：

预浸料：

预浸料（Prepreg） 是一种在生产过程中已将树脂预先浸渍在增强纤维（如玻璃纤维、碳纤维等）上的复合材料。简而言之，预浸料是由纤维基材和树脂组成的半成品复合材料。通常，树脂在浸渍过程中是部分固化的，通常处于B级固化状态，即不完全固化，但已经足够粘附在纤维上，便于后续加工。

通常，建议不要在堆叠中使用超过三种不同类型的预浸料。每个预浸料层的介电厚度应小于10mils，否则会增加最终厚度发生更大变化的机会。应避免使用树脂含量非常低和玻璃含量高的预浸料。树脂含量低可能导致层压过程中树脂不足。例如，7628 和 2116 预浸料具有低树脂和高玻璃含量。

4. 叠层的术语和定义

下面补充一些叠层中的术语：

1. 介电或绝缘材料的介电常数（Dk）

介电或绝缘材料的介电常数（Dk）可以定义为放置在两个金属板之间的绝缘材料中存储的电荷与绝缘材料被真空或空气取代时可以存储的电荷之比。它也被称为介电常数或简称为介电常数。

而且，它有时被称为相对介电常数，因为它是根据自由空间的介电常数（ε0）来测量的。介电常数表征了塑料储存电能的能力。

2. 耗散因数（tan δ）或 Df

耗散因数（tan δ）或 Df 定义为 ESR 和电容电抗的比率。耗散因数是耗散系统中振荡模式（机械、电气或机电）的能量损失率的量度。

3. 热膨胀系数（CTE）

热膨胀系数（CTE）描述了物体的大小如何随温度的变化而变化。具体来说，它测量在恒定压力下温度每变化一度的尺寸分数变化。

电路材料通过许多不同的参数进行评估，包括介电常数（Dk）和耗散因数（Df）。这两个参数还具有基于温度的变体，可以深入了解电路材料随温度变化的预期行为，特别是介电常数的热系数（TCDk）和耗散因数的热系数（TCDf）。这些参数分别详细说明了材料的 Dk 和 Df 随温度的变化量，变化越小表示材料随温度变化越稳定。