启云方EDA-叠层的定义及添加-凡亿课堂

启云方EDA-叠层的定义及添加

针对高速多层 PCB 设计，默认的双层板结构通常难以满足信号质量与布线密度需求，此时需要通过合理增设 PCB 叠层来满足设计要求。

1 正片层与负片层

正片层就是平常用于布线的信号层（直观上看到的地方就是铜线），可以用“线”“铜皮”等进行大块铺铜与填充操作，如图6-1所示。

负片层则正好相反，即默认铺铜，就是生成一个负片层之后整层就被铺铜了，布线的地方是分割线，没有铜。要做的事情就是分割铺铜，再设置分割后铺铜的网络，如图6-2所示。

图6-1 正片层

图6-2 负片层

2 平面层的分割实现

（1）在启云方PCB设计软件中，用线条在Split层分割铜皮。分割线不宜太细，可以选择15mil及以上的线，如图6-3所示。

图6-3 铜皮分割

（2）铜皮分割完成之后，选中铜皮并右击，在弹出的快捷菜单中选择“Assign net”选项进行网络分配，如图6-4所示。

图6-4 网络分配

正、负片都可以用于内电层，负片的好处在于默认大块铺铜填充，再进行添加过孔、改变铺铜大小等操作都不需要重新“Rebuild”，省去了重新铺铜计算的时间。中间层用电源层和GND层（也称地层、地线层、接地层）时，层面上大多是大块铺铜，这样用负片的优势就很明显。

3 PCB叠层

随着高速电路的不断涌现，PCB的复杂度越来越高，为了避免电气因素的干扰，信号层和电源层必须分离，这样就涉及多层PCB的设计。在设计多层PCB之前，设计者首先需要根据电路的规模、PCB的尺寸和电磁兼容（EMC）的要求来确定所采用的PCB结构，也就是决定采用4层、6层，还是更多层数的PCB。这是设计多层PCB的一个简单概念。

确定层数之后，再确定内电层的放置位置，以及如何在这些层上分布不同的信号。这是多层PCB叠层结构的选择问题。叠层结构是影响PCB的EMC性能的一个重要因素，一个好的叠层设计方案会大大减小电磁干扰（EMI）及串扰的影响。

层数不是越多越好，也不是越少越好，确定多层PCB的叠层结构需要考虑较多的因素。从布线方面来说，层数越多越利于布线，但是制板成本和难度也会随之增加。对于生产厂家，叠层结构对称与否是PCB制造时需要关注的焦点。所以，层数的选择需要考虑各方面的需求，以达到最佳的平衡。

对于有经验的设计人员，在完成元件的预布局后，会先对PCB的布线瓶颈进行重点分析，再综合有特殊布线要求的信号线（如差分线、敏感信号线等）的数量和种类来确定信号层的层数，最后根据电源的种类、隔离和抗干扰的要求来确定内电层的层数。这样，整个PCB的层数就基本确定了。

1．常见的PCB叠层

确定了PCB的层数后，接下来的工作便是合理地排列各层电路的放置顺序。图6-5和图6-6分别列出了常见4层板和6层板的叠层结构。

其中4层板首选方案为方案1：信号层-地层-电源层-信号层。优点是L2为完整地平面，为顶层高速信号提供最优参考面。电源层与地层紧密耦合，形成天然去耦电容，适用于绝大多数数字电路、混合信号电路。

方案2：信号层-电源层-地层-信号层，当主要元件和关键信号都在底层时，将地层放在第三层为底层信号提供最优回流路径，适用于主电源种类单一的场景（L2可大面积铺铜）。

方案3：电源层-信号层-信号层-地层，理论上有很好的整体屏蔽效果，可以构成一个屏蔽腔体。在布满元件的常规设计中，地层和电源层会因焊盘、过孔而破碎，导致屏蔽和信号回流路径混乱。去耦效果差，电源层与地层距离太远，无法形成有效耦合。仅适用于元件很少、以插件为主或对屏蔽有特殊要求的接口滤波板、背板。

图6-5 常见4层板的叠层结构

图6-6 常见6层板的叠层结构

2．叠层分析

叠层一般遵循以下几点基本原则。

（1）元件面、焊接面为完整的地层（屏蔽）。

（2）尽可能无相邻平行布线层。

（3）所有信号层应尽可能与地层相邻。

（4）关键信号布在与地层相邻的信号层，不跨分割区。

（5）叠层结构必须对称（防翘曲）。

（6）兼顾制造工艺和成本。

根据以上原则，对常见叠层方案进行分析，分析情况如下。

（1）常见4层板的叠层方案分析如表6-1所示。

表6-1 常见4层板的叠层方案分析

方案	图示	优点	缺点
方案1		为了达到一定的屏蔽效果，把电源、地平面分别放在顶层、底层	（1）电源、地平面相距过远，电源平面阻抗过大；（2）电源、地平面由于元件焊盘等影响，极不完整；（3）参考面不完整，信号阻抗不连续，很难实现预期的屏蔽效果
方案2		在元件面下有一个地平面，适用于主要元件在顶层布局或关键信号在顶层布线的情况	—
方案3		与方案2类似，适用于主要元件在底层布局或关键信号在底层布线的情况	—

通过对方案1～方案3的对比发现，对于4层板的叠层，通常选择方案2或方案3，具体请结合PCB的实际情况和叠层原则来正确选择。

（2）常见6层板的叠层方案分析如表6-2所示。

表6-2 常见6层板的叠层方案分析

方案	图示	优点	缺点
方案1		采用4个信号层和2个内部电源层/地层，具有较多的信号层，有利于元件之间的布线工作	（1）电源层和地层分隔较远，没有充分耦合；（2）信号层SIN03和SIN04直接相邻，信号隔离性不好，容易发生串扰，在布线时需要错开布线
方案2		电源层和地层耦合充分	表层信号层的相邻层也为信号层，信号隔离性不好，容易发生串扰
方案	图示	优点	缺点
方案3		（1）电源层和地层耦合充分；（2）每个信号层都与内电层直接相邻，与其他信号层均有有效的隔离，不易发生串扰；（3）信号层SIN03和两个内电层GND02和GND04相邻，可以用来传输高速信号。两个内电层可以有效地屏蔽外界对SIN03的干扰和SIN03对外界的干扰	—
方案4		（1）电源层和地层耦合充分；（2）每个信号层都与内电层直接相邻，与其他信号层均有有效的隔离，不易发生串扰	—