多層PCB設計經驗

一．概述
    印製板（PCB－Printed Circuit Board）也叫印製電路板、印刷電路板。多層印製板，就是指兩層以上的印製板，它是由幾層絕緣基板上的連接導線和裝配焊接電子元件用的焊盤組成，既具有導通各層線路，又具有相互間絕緣的作用。隨著SMT（表面安裝技術）的不斷發展，以及新一代SMD（表面安裝器件）的不斷推出，如QFP、QFN、CSP、BGA（特別是MBGA），使電子產品更加智能化、小型化，因而推動了PCB工業技術的重大改革和進步。自1991年IBM公司首先成功開發出高密度多層板（SLC）以來，各國各大集團也相繼開發出各種各樣的高密度互連（HDI）微孔板。這些加工技術的迅猛發展，促使了PCB的設計已逐漸向多層、高密度布線的方向發展。多層印製板以其設計靈活、穩定可靠的電氣性能和優越的經濟性能，現已廣泛應用於電子產品的生產製造中。
    下面，作者以多年設計印製板的經驗，著重印製板的電氣性能，結合工藝要求，從印製板穩定性、可靠性方面，來談談多層制板設計的基本要領。

二．印製板設計前的必要工作

1.  認真校核原理圖：任何一塊印製板的設計，都離不開原理圖。原理圖的準確性，是印製板正確與否的前提依據。所以，在印製板設計之前，必須對原理圖的信號完整性進行認真、反覆的校核，保證器件相互間的正確連接。
2.  器件選型：元器件的選型，對印製板的設計來說，是一個十分重要的環節。同等功能、參數的器件，封裝方式可能有不同。封裝不一樣，印製板上器件的焊孔（盤）就不一樣。所以，在著手印製板設計之前，一定要確定各個元器件的封裝形式。

    多層板在器件選型方面，必須定位在表面安裝元器件（SMD）的選擇上，SMD以其小型化、高度集成化、高可靠性、安裝自動化的優點而廣泛應用於各類電子產品上。同時，在器件選用上，不僅要注意器件的特性參數應符合電路的需求，也要注意器件的供應，避免器件停產問題；同時應意識到：目前很多國產器件，如片狀電阻、電容、連接器、電位器等的質量已逐漸達到進口器件的水平，且有貨源充足、交貨期短、價格便宜等優勢。所以，在電路許可的條件下，應盡量考慮採用國產器件。

三．多層印製板設計的基本要求
1．板外形、尺寸、層數的確定    
    任何一塊印製板，都存在著與其他結構件配合裝配的問題，所以，印製板的外形與尺寸，必須以產品整機結構為依據。但從生產工藝角度考慮，應盡量簡單，一般為長寬比不太懸殊的長方形，以利於裝配，提高生產效率，降低勞動成本。
    層數方面，必須根據電路性能的要求、板尺寸及線路的密集程度而定。對多層印製板來說，以四層板、六層板的應用最為廣泛，以四層板為例，就是兩個導線層（元件面和焊接面）、一個電源層和一個地層，如下圖。
 
    多層板的各層應保持對稱，而且最好是偶數銅層，即四、六、八層等。因為不對稱的層壓，板面容易產生翹曲，特別是對錶面貼裝的多層板，更應該引起注意。

2．元器件的位置及擺放方向 
    元器件的位置、擺放方向，首先應從電路原理方面考慮，迎合電路的走向。擺放的合理與否，將直接影響了該印製板的性能，特別是高頻模擬電路，對器件的位置及擺放要求，顯得更加嚴格。合理的放置元器件，在某種意義上，已經預示了該印製板設計的成功。所以，在著手編排印製板的版面、決定整體布局的時候，應該對電路原理進行詳細的分析，先確定特殊元器件（如大規模IC、大功率管、信號源等）的位置，然後再安排其他元器件，盡量避免可能產生干擾的因素。 
    另一方面，應從印製板的整體結構來考慮，避免元器件的排列疏密不均，雜亂無章。這不僅影響了印製板的美觀，同時也會給裝配和維修工作帶來很多不便。

3．導線布層、布線區的要求 
    一般情況下，多層印製板布線是按電路功能進行，在外層布線時，要求在焊接面多布線，元器件面少布線，有利於印製板的維修和排故。細、密導線和易受干擾的信號線，通常是安排在內層。大面積的銅箔應比較均勻分佈在內、外層，這將有助於減少板的翹曲度，也使電鍍時在表面獲得較均勻的鍍層。為防止外形加工傷及印製導線和機械加工時造成層間短路，內外層布線區的導電圖形離板緣的距離應大於50mil，如下圖：
 

4．導線走向及線寬的要求 
    多層板走線要把電源層、地層和信號層分開，減少電源、地、信號之間的干擾。相鄰兩層印製板的線條應盡量相互垂直或走斜線、曲線，不能走平行線，以減少基板的層間耦合和干擾。且導線應盡量走短線，特別是對小信號電路來講，線越短，電阻越小，干擾越小。同一層上的信號線，改變方向時應避免銳角拐彎。導線的寬窄，應根據該電路對電流及阻抗的要求來確定，電源輸入線應大些，信號線可相對小一些。對一般數字板來說，電源輸入線線寬可採用50～80mil，信號線線寬可採用6～10mil。印製板導線與允許通過的電流與電阻的關係如表一：

表一 印製板導線與允許通過的電流和電阻的關係

導線寬度（mm）	0.5	1.0	1.5	2.0
允許電流（A）	0.8	1.0	1.5	1.9
導線電阻（Ω/m）	0.7	0.41	0.31	0.25

布線時還應注意線條的寬度要盡量一致，避免導線突然變粗及突然變細，有利於阻抗的匹配。

5．鑽孔大小與焊盤的要求 
    多層板上的元器件鑽孔大小與所選用的元器件引腳尺寸有關，鑽孔過小，會影響器件的裝插及上錫；鑽孔過大，焊接時焊點不夠飽滿。一般來說，元件孔孔徑及焊盤大小的計算方法為：
    元件孔的孔徑＝元件引腳直徑（或對角線）+（10～30mil）
    元件焊盤直徑≥元件孔直徑＋18mil
    至於過孔孔徑,主要由成品板的厚度決定,對於高密度多層板，一般應控制在板厚∶孔徑≤5∶1的範圍內。過孔焊盤的計算方法為:
    過孔焊盤(VIA  PAD)直徑≥過孔直徑＋12mil。

6．電源層、地層分區及花孔的要求：
    對於多層印製板來說，起碼有一個電源層和一個地層。由於印製板上所有的電壓都接在同一個電源層上，所以必須對電源層進行分區隔離，分區線的大小一般採用20～80mil的線寬為宜，電壓超高，分區線越粗。如下圖：
  
    焊孔與電源層、地層連接處，為增加其可靠性，減少焊接過程中大面積金屬吸熱而產生虛焊，一般連接盤應設計成花孔形狀，如下圖：
 
與電源層、地層非連接功能的隔離盤應設計為如下形狀：
 
隔離焊盤的孔徑≥鑽孔孔徑+20mil

7．安全間距的要求  
    安全間距的設定，應滿足電氣安全的要求。一般來說，外層導線的最小間距不得小於4mil，內層導線的最小間距不得小於4mil。在布線能排得下的情況下，間距應盡量取大值，以提高制板時的成品率及減少成品板故障的隱患。

8．提高整板抗干擾能力的要求
多層印製板的設計，還必須注意整板的抗干擾能力，一般方法有：
a．在各IC的電源、地附近加上濾波電容，容量一般為473或104。
b．對於印製板上的敏感信號，應分別加上伴行屏蔽線，且信號源附近盡量少布線。
c．選擇合理的接地點。

四．多層印製板外協加工要求 
    印製板的加工，一般都是外協加工，所以在外協加工提供圖紙時，一定要準確無誤，盡量說明清楚，應注意諸如材料的選型、壓層的順序、板厚、公差要求、加工工藝等等，都要說明清楚。在PCB導出GERBER時，導出數據建議採用RS274X格式，因為它有如下優點：CAM系統能自動錄入數據，整個過程不須人工參與，可避免許多麻煩，同時能保持很好的一致性，減少出差率。
    總之，多層印製板的設計內容包含很廣，在具體的設計過程中，還應注意其工藝性、可加工性。只有通過不斷的實踐和經驗的積累，才能設計出高品質的產品。