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    多層電路板的設計步驟
    - 2019-07-10 -

    在設計多層PCB電路板之前,設計者需要首先根據電路的規模、電路板的尺寸和電磁兼容(EMC)的要求來確定所采用的電路板結構,也就是決定采用4層,6層,還是更多層數的電路板。確定層數之后,再確定內電層的放置位置以及如何在這些層上分布不同的信號。這就是多層PCB層疊結構的選擇問題。層疊結構是影響PCB板EMC性能的一個重要因素,也是抑制電磁干擾的一個重要手段。

    層數的選擇和疊加原則         

    確定多層PCB板的層疊結構需要考慮較多的因素。從布線方面來說,層數越多越利于布線,但是制板成本和難度也會隨之增加。對于生產廠家來說,層疊結構對稱與否是PCB板制造時需要關注的焦點,所以層數的選擇需要考慮各方面的需求,以達到zui佳的平衡。          

    對于有經驗的設計人員來說,在完成元器件的預布局后,會對PCB的布線瓶頸處進行重點分析。結合其他EDA工具分析電路板的布線密度;再綜合有特殊布線要求的信號線如差分線、敏感信號線等的數量和種類來確定信號層的層數;然后根據電源的種類、隔離和抗干擾的要求來確定內電層的數目。這樣,整個電路板的板層數目就基本確定了。          

    確定了電路板的層數后,接下來的工作便是合理地排列各層電路的放置順序。在這一步驟中,需要考慮的因素主要有以下兩點。          

    (1)特殊信號層的分布。          

    (2)電源層和地層的分布。          

    如果電路板的層數越多,特殊信號層、地層和電源層的排列組合的種類也就越多,如何來確定哪種組合方式zui優也越困難,但總的原則有以下幾條。          

    (1)信號層應該與一個內電層相鄰(內部電源/地層),利用內電層的大銅膜來為信號層提供屏蔽。          

    (2)內部電源層和地層之間應該緊密耦合,也就是說,內部電源層和地層之間的介質厚度應該取較小的值,以提高電源層和地層之間的電容,增大諧振頻率。內部電源層和地層之間的介質厚度可以在Protel的Layer Stack Manager(層堆棧管理器)中進行設置。選擇【Design】/【Layer Stack Manager…】命令,系統彈出層堆棧管理器對話框,用鼠標雙擊Prepreg文本,彈出對話框,可在該對話框的Thickness選項中改變絕緣層的厚度。         

    如果電源和地線之間的電位差不大的話,可以采用較小的絕緣層厚度,例如5mil(0.127mm)。          

    (3)電路中的高速信號傳輸層應該是信號中間層,并且夾在兩個內電層之間。這樣兩個內電層的銅膜可以為高速信號傳輸提供電磁屏蔽,同時也能有效地將高速信號的輻射限制在兩個內電層之間,不對外造成干擾。          

    (4)避免兩個信號層直接相鄰。相鄰的信號層之間容易引入串擾,從而導致電路功能失效。在兩信號層之間加入地平面可以有效地避免串擾。          

    (5)多個接地的內電層可以有效地降低接地阻抗。例如,A信號層和B信號層采用各自單獨的地平面,可以有效地降低共模干擾。          

    (6)兼顧層結構的對稱性。

    常用的層疊結構         

    下面通過4層板的例子來說明如何優選各種層疊結構的排列組合方式。          

    對于常用的4層板來說,有以下幾種層疊方式(從頂層到底層)。          

    (1)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),POWER(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。          

    (2)Siganl_1(Top),POWER(Inner_1),GND(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。          

    (3)POWER(Top),Siganl_1(Inner_1),GND(Inner_2),Siganl_2(Bottom)。          

    顯然,方案3電源層和地層缺乏有效的耦合,不應該被采用。          

    那么方案1和方案2應該如何進行選擇呢?一般情況下,設計人員都會選擇方案1作為4層板的結構。選擇的原因并非方案2不可被采用,而是一般的PCB板都只在頂層放置元器件,所以采用方案1較為妥當。但是當在頂層和底層都需要放置元器件,而且內部電源層和地層之間的介質厚度較大,耦合不佳時,就需要考慮哪一層布置的信號線較少。對于方案1而言,底層的信號線較少,可以采用大面積的銅膜來與POWER層耦合;反之,如果元器件主要布置在底層,則應該選用方案2來制板。          

    如果采用層疊結構,那么電源層和地線層本身就已經耦合,考慮對稱性的要求,一般采用方案1。          

    在完成4層板的層疊結構分析后,下面通過一個6層板組合方式的例子來說明6層板層疊結構的排列組合方式和優選方法。       

    (1)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),Siganl_3(Inner_3),POWER(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。

    方案1采用了4層信號層和2層內部電源/接地層,具有較多的信號層,有利于元器件之間的布線工作,但是該方案的缺陷也較為明顯,表現為以下兩方面。

    ① 電源層和地線層分隔較遠,沒有充分耦合。

    ② 信號層Siganl_2(Inner_2)和Siganl_3(Inner_3)直接相鄰,信號隔離性不好,容易發生串擾。          

    (2)Siganl_1(Top),Siganl_2(Inner_1),POWER(Inner_2),GND(Inner_3),Siganl_3(Inner_4),Siganl_4(Bottom)。

    方案2相對于方案1,電源層和地線層有了充分的耦合,比方案1有一定的優勢,但是Siganl_1(Top)和Siganl_2(Inner_1)以及Siganl_3(Inner_4)和Siganl_4(Bottom)信號層直接相鄰,信號隔離不好,容易發生串擾的問題并沒有得到解決。          

    (3)Siganl_1(Top),GND(Inner_1),Siganl_2(Inner_2),POWER(Inner_3),GND(Inner_4),Siganl_3(Bottom)。          

    相對于方案1和方案2,方案3減少了一個信號層,多了一個內電層,雖然可供布線的層面減少了,但是該方案解決了方案1和方案2共有的缺陷。          

    ① 電源層和地線層緊密耦合。

    ② 每個信號層都與內電層直接相鄰,與其他信號層均有有效的隔離,不易發生串擾。

    ③ Siganl_2(Inner_2)和兩個內電層GND(Inner_1)和POWER(Inner_3)相鄰,可以用來傳輸高速信號。兩個內電層可以有效地屏蔽外界對Siganl_2(Inner_2)層的干擾和Siganl_2(Inner_2)對外界的干擾。          

    綜合各個方面,方案3顯然是zui優化的一種,同時,方案3也是6層板常用的層疊結構。          

    通過對以上兩個例子的分析,相信讀者已經對層疊結構有了一定的認識,但是在有些時候,某一個方案并不能滿足所有的要求,這就需要考慮各項設計原則的優先級問題。遺憾的是由于          

    電路板的板層設計和實際電路的特點密切相關,不同電路的抗干擾性能和設計側重點各有所不同,所以事實上這些原則并沒有確定的優先級可供參考。但可以確定的是,設計原則2(內部電源層和地層之間應該緊密耦合)在設計時需要首先得到滿足,另外如果電路中需要傳輸高速信號,那么設計原則3(電路中的高速信號傳輸層應該是信號中間層,并且夾在兩個內電層之間)就必須得到滿足。         

    元器件布局的一般原則

    設計人員在電路板布局過程中需要遵循的一般原則如下。          

    (1)元器件zui好單面放置。如果需要雙面放置元器件,在底層(Bottom Layer)放置插針式元器件,就有可能造成電路板不易安放,也不利于焊接,所以在底層(Bottom Layer)zui好只放置貼片元器件,類似常見的計算機顯卡PCB板上的元器件布置方法。單面放置時只需在電路板的一個面上做絲印層,便于降低成本。          

    (2)合理安排接口元器件的位置和方向。一般來說,作為電路板和外界(電源、信號線)連接的連接器元器件,通常布置在電路板的邊緣,如串口和并口。如果放置在電路板的中央,顯然不利于接線,也有可能因為其他元器件的阻礙而無法連接。另外在放置接口時要注意接口的方向,使得連接線可以順利地引出,遠離電路板。接口放置完畢后,應當利用接口元器件的String(字符串)清晰地標明接口的種類;對于電源類接口,應當標明電壓等級,防止因接線錯誤導致電路板燒毀。          

    (3)高壓元器件和低壓元器件之間zui好要有較寬的電氣隔離帶。也就是說不要將電壓等級相差很大的元器件擺放在一起,這樣既有利于電氣絕緣,對信號的隔離和抗干擾也有很大好處。

    (4)電氣連接關系密切的元器件zui好放置在一起。這就是模塊化的布局思想。          

    (5)對于易產生噪聲的元器件,例如時鐘發生器和晶振等高頻器件,在放置的時候應當盡量把它們放置在靠近CPU的時鐘輸入端。大電流電路和開關電路也容易產生噪聲,在布局的時候這些元器件或模塊也應該遠離邏輯控制電路和存儲電路等高速信號電路,如果可能的話,盡量采用控制板結合功率板的方式,利用接口來連接,以提高電路板整體的抗干擾能力和工作可靠性。       

    (6)在電源和芯片周圍盡量放置去耦電容和濾波電容。去耦電容和濾波電容的布置是改善電路板電源質量,提高抗干擾能力的一項重要措施。在實際應用中,印制電路板的走線、引腳連線和接線都有可能帶來較大的寄生電感,導致電源波形和信號波形中出現高頻紋波和毛刺,而在電源和地之間放置一個0.1?F的去耦電容可以有效地濾除這些高頻紋波和毛刺。如果電路板上使用的是貼片電容,應該將貼片電容緊靠元器件的電源引腳。對于電源轉換芯片,或者電源輸入端,zui好是布置一個10?F或者更大的電容,以進一步改善電源質量。

    (7)元器件的編號應該緊靠元器件的邊框布置,大小統一,方向整齊,不與元器件、過孔和焊盤重疊。元器件或接插件的第1引腳表示方向;正負極的標志應該在PCB上明顯標出,不允許被覆蓋;電源變換元器件(如DC/DC變換器,線性變換電源和開關電源)旁應該有足夠的散熱空間和安裝空間,外圍留有足夠的焊接空間等。

    元器件布線的一般原則

    設計人員在電路板布線過程中需要遵循的一般原則如下。

    (1)元器件印制走線的間距的設置原則。不同網絡之間的間距約束是由電氣絕緣、制作工藝和元件大小等因素決定的。例如一個芯片元件的引腳間距是8mil,則該芯片的【Clearance Constraint】就不能設置為10mil,設計人員需要給該芯片單獨設置一個6mil的設計規則。同時,間距的設置還要考慮到生產廠家的生產能力。

    另外,影響元器件的一個重要因素是電氣絕緣,如果兩個元器件或網絡的電位差較大,就需要考慮電氣絕緣問題。一般環境中的間隙安全電壓為200V/mm,也就是5.08V/mil。所以當同一塊電路板上既有高壓電路又有低壓電路時,就需要特別注意足夠的安全間距。

    (2)線路拐角走線形式的選擇。為了讓電路板便于制造和美觀,在設計時需要設置線路的拐角模式,可以選擇45°、90°和圓弧。一般不采用尖銳的拐角,zui好采用圓弧過渡或45°過渡,避免采用90°或者更加尖銳的拐角過渡。          

    導線和焊盤之間的連接處也要盡量圓滑,避免出現小的尖腳,可以采用補淚滴的方法來解決。當焊盤之間的中心距離小于一個焊盤的外徑D時,導線的寬度可以和焊盤的直徑相同;如果焊盤之間的中心距大于D,則導線的寬度就不宜大于焊盤的直徑。

    導線通過兩個焊盤之間而不與其連通的時候,應該與它們保持zui大且相等的間距,同樣導線和導線之間的間距也應該均勻相等并保持zui大。

    (3)印制走線寬度的確定方法。走線寬度是由導線流過的電流等級和抗干擾等因素決定的,流過電流越大,則走線應該越寬。一般電源線就應該比信號線寬。為了保證地電位的穩定(受地電流大小變化影響?。?,地線也應該較寬。實驗證明:當印制導線的銅膜厚度為0.05mm時,印制導線的載流量可以按照20A/mm2進行計算,即0.05mm厚,1mm寬的導線可以流過1A的電流。所以對于一般的信號線來說10~30mil的寬度就可以滿足要求了;高電壓,大電流的信號線線寬大于等于40mil,線間間距大于30mil。為了保證導線的抗剝離強度和工作可靠性,在板面積和密度允許的范圍內,應該采用盡可能寬的導線來降低線路阻抗,提高抗干擾性能。

    對于電源線和地線的寬度,為了保證波形的穩定,在電路板布線空間允許的情況下,盡量加粗,一般情況下至少需要50mil。     

    (4)印制導線的抗干擾和電磁屏蔽。導線上的干擾主要有導線之間引入的干擾、電源線引入的干擾和信號線之間的串擾等,合理安排和布置走線及接地方式可以有效減少干擾源,使設計出的電路板具備更好的電磁兼容性能。

    對于高頻或者其他一些重要的信號線,例如時鐘信號線,一方面其走線要盡量寬,另一方面可以采取包地的形式使其與周圍的信號線隔離起來(就是用一條封閉的地線將信號線“包裹”起來,相當于加一層接地屏蔽層)。

    對于模擬地和數字地要分開布線,不能混用。如果需要zui后將模擬地和數字地統一為一個電位,則通常應該采用一點接地的方式,也就是只選取一點將模擬地和數字地連接起來,防止構成地線環路,造成地電位偏移。

    完成布線后,應在頂層和底層沒有鋪設導線的地方敷以大面積的接地銅膜,也稱為敷銅,用以有效減小地線阻抗,從而削弱地線中的高頻信號,同時大面積的接地可以對電磁干擾起抑制作用。

    電路板中的一個過孔會帶來大約10pF的寄生電容,對于高速電路來說尤其有害;同時,過多的過孔也會降低電路板的機械強度。所以在布線時,應盡可能減少過孔的數量。另外,在使用穿透式的過孔(通孔)時,通常使用焊盤來代替。這是因為在電路板制作時,有可能因為加工的原因導致某些穿透式的過孔(通孔)沒有被打穿,而焊盤在加工時肯定能夠被打穿,這也相當于給制作帶來了方便。

    以上就是PCB板布局和布線的一般原則,但在實際操作中,元器件的布局和布線仍然是一項很靈活的工作,元器件的布局方式和連線方式并不唯1,布局布線的結果很大程度上還是取決于設計人員的經驗和思路??梢哉f,沒有一個標準可以評判布局和布線方案的對與錯,只能比較相對的優和劣。所以以上布局和布線原則僅作為設計參考,實踐才是評判優劣的唯1標準。          

    多層PCB板布局和布線的特殊要求

    相對于簡單的單層板和雙層板,多層PCB板的布局和布線有其獨特的要求。          

    對于多層PCB板的布局,歸納起來就是要合理安排使用不同電源和地類型元器件的布局。其目的一是為了給后面的內電層的分割帶來便利,同時也可以有效地提高元器件之間的抗干擾能力。          

    所謂合理安排使用不同電源和地類型元器件的布局,就是將使用相同電源等級和相同類型地的元器件盡量放在一起。例如當電路原理圖上有+3.3V、+5V、?5V、+15V、?15V等多個電壓等級時,設計人員應該將使用同一電壓等級的元器件集中放置在電路板的某一個區域。當然這個布局原則并不是布局的唯1標準,同時還需要兼顧其他的布局原則(雙層板布局的一般原則),這就需要設計人員根據實際需求來綜合考慮各種因素,在滿足其他布局原則的基礎上,盡量將使用相同電源等級和相同類型地的元器件放在一起。對于多層PCB板的布線,歸納起來就是一點:先走信號線,后走電源線。這是因為多層板的電源和地通常都通過連接內電層來實現。這樣做的好處是可以簡化信號層的走線,并且通過內電層這種大面積銅膜連接的方式來有效降低接地阻抗和電源等效內阻,提高電路的抗干擾能力;同時,大面積銅膜所允許通過的zui大電流也加大了。          

    一般情況下,設計人員需要首先合理安排使用不同電源和地類型元器件的布局,同時兼顧其他布局原則,然后按照前面章節所介紹的方法對元器件進行布線(只布信號線),完成后分割內電層,確定內電層各部分的網絡標號,zui后通過內電層和信號層上的過孔和焊盤來進行連接。焊盤和過孔在通過內電層時,與其具有相同網絡標號的焊盤或過孔會通過一些未被腐蝕的銅膜連接到內電層,而不屬于該網絡的焊盤周圍的銅膜會被完全腐蝕掉,也就是說不會與該內電層導通。          

    中間層創建與設置

    中間層,就是在PCB板頂層和底層之間的層。那中間層在制作過程中是如何實現的呢?簡單地說多層板就是將多個單層板和雙層板壓制而成,中間層就是原先單層板和雙層板的頂層或底層。在PCB板的制作過程中,首先需要在一塊基底材料(一般采用合成樹脂材料)的兩面敷上銅膜,然后通過光繪等工藝將導線連接關系轉換到印制板的板材上(對印制導線、焊盤和過孔覆膜加以保護,防止這些部分的銅膜在接下來的腐蝕工藝中被腐蝕),再通過化學腐蝕的方式(以FeCl3或H2O2為主要成分的腐蝕液)將沒有覆膜保護部分的銅膜腐蝕掉,zui后完成鉆孔,印制絲印層等后期處理工作,這樣一塊PCB板就基本制作完成了。同理,多層PCB板就是在多個板層完成后再采取壓制工藝將其壓制成一塊電路板,而且為了減少成本和過孔干擾,多層PCB板往往并不比雙層板和單層板厚多少,這就使得組成多層PCB板的板層相對于普通的雙層板和單層板往往厚度更小,機械強度更低,導致對加工的要求更高。所以多層PCB板的制作費用相對于普通的雙層板和單層板就要昂貴許多。          

    但由于中間層的存在,多層板的布線變得更加容易,這也是選用多層板的主要目的。然而在實際應用中,多層PCB板對手工布線提出了更高的要求,使得設計人員需要更多地得到EDA軟件的幫助;同時中間層的存在使得電源和信號可以在不同的板層中傳輸,信號的隔離和抗干擾性能會更好,而且大面積的敷銅連接電源和地網絡可以有效地降低線路阻抗,減小因為共同接地造成的地電位偏移。因此,采用多層板結構的PCB板通常比普通的雙層板和單層板有更好的抗干擾性能。          

    中間層的創建

    Protel系統中提供了專門的層設置和管理工具—Layer Stack Manager(層堆棧管理器)。這個工具可以幫助設計者添加、修改和刪除工作層,并對層的屬性進行定義和修改。選擇【Design】/【Layer Stack Manager…】命令,彈出層堆棧管理器屬性設置對話框。

    在該對話框中有3個選項可以設置。        

    (1)Name:用于指定該層的名稱。          

    (2)Copper thickness:指定該層的銅膜厚度,默認值為1.4mil。銅膜越厚則相同寬度的導線所能承受的載流量越大。          

    (3)Net name:在下拉列表中指定該層所連接的網絡。本選項只能用于設置內電層,信號層沒有該選項。如果該內電層只有一個網絡例如“+5V”,那么可以在此處指定網絡名稱;但是如果內電層需要被分割為幾個不同的區域,那么就不要在此處指定網絡名稱。          

    在層間還有絕緣材質作為電路板的載體或者用于電氣隔離。其中Core和Prepreg都是絕緣材料,但是Core是板材的雙面都有銅膜和連線存在,而Prepreg只是用于層間隔離的絕緣物質。兩者的屬性設置對話框相同,雙擊Core或Prepreg,或者選擇絕緣材料后單擊Properties按鈕可以彈出絕緣層屬性設置對話框。

    絕緣層的厚度和層間耐壓、信號耦合等因素有關,在前面的層數選擇和疊加原則中已經介紹過。如果沒有特殊的要求,一般選擇默認值。          

    除了“Core”和“Prepreg”兩種絕緣層外,在電路板的頂層和底層通常也會有絕緣層。

    在頂層和底層絕緣層設置的選項下面有一個層疊模式選擇下拉列表,可以選擇不同的層疊模式:Layer Pairs(層成對)、Internal Layer Pairs(內電層成對)和Build-up(疊壓)。在前面講過,多層板實際上是由多個雙層板或單層板壓制而成的,選擇不同的模式,則表示在實際制作中采用不同壓制方法,所以“Core”和“Prepreg”的位置也不同。例如,層成對模式就是兩個雙層板夾一個絕緣層(Prepreg),內電層成對模式就是兩個單層板夾一個雙層板。通常采用默認的Layer Pairs(層成對)模式。

    在層堆棧管理器屬性設置對話框右側有一列層操作按鈕,各個按鈕的功能如下。          

    (1)Add Layer:添加中間信號層。例如,需要在GND和Power之間添加一個高速信號層,則應該首先選擇GND層。單擊Add Layer按鈕,則會在GND層下添加一個信號層,其默認名稱為MidLayer1,MidLayer2,?,依此類推。雙擊層的名稱或者點擊Properties按鈕可以設置該層屬性。

    (2)Add Plane:添加內電層。添加方法與添加中間信號層相同。先選擇需要添加的內電層的位置,然后單擊該按鈕,則在指定層的下方添加內電層,其默認名稱為Internal Plane1,InternalPlane2,?,依此類推。雙擊層的名稱或者點擊Properties按鈕可以設置該層屬性。

    (3)Delete:刪除某個層。除了頂層和底層不能被刪除,其他信號層和內電層均能夠被刪除,但是已經布線的中間信號層和已經被分割的內電層不能被刪除。選擇需要刪除的層,單擊該按鈕,彈出對話框,單擊Yes按鈕則該層就被刪除。          

    (4)Move Up:上移一個層。選擇需要上移的層(可以是信號層,也可以是內電層),單擊該按鈕,則該層會上移一層,但不會超過頂層。

    (5)Move Down:下移一個層。與Move Up按鈕相似,單擊該按鈕,則該層會下移一層,但不會超過底層。          

    (6)Properties:屬性按鈕。單擊該按鈕,彈出類似層屬性設置對話框。          

    中間層的設置         

    完成層堆棧管理器的相關設置后,單擊OK按鈕,退出層堆棧管理器,就可以在PCB編輯界面中進行相關的操作。在對中間層進行操作時,需要首先設置中間層在PCB編輯界面中是否顯示。選擇【Design】/【Options…】命令,彈出選項設置對話框,在Internal planes下方的內電層選項上打勾,顯示內電層。         

    在完成設置后,就可以在PCB編輯環境的下方看到顯示的層了。用鼠標單擊電路板板層標簽即可切換不同的層以進行操作。如果不習慣系統默認的顏色,可以選擇【Tools】/【Preferences…】命令下的Colors選項自定義各層的顏色,相關內容在第8章已有介紹,供讀者參考。        

    內電層設計        

    多層板相對于普通雙層板和單層板的一個非常重要的優勢就是信號線和電源可以分布在不同的板層上,提高信號的隔離程度和抗干擾性能。內電層為一銅膜層,該銅膜被分割為幾個相互隔離的區域,每個區域的銅膜通過過孔與特定的電源或地線相連,從而簡化電源和地網絡的走線,同時可以有效減小電源內阻。          

    內電層設計相關設置         

    內電層通常為整片銅膜,與該銅膜具有相同網絡名稱的焊盤在通過內電層的時候系統會自動將其與銅膜連接起來。焊盤/過孔與內電層的連接形式以及銅膜和其他不屬于該網絡的焊盤的安全間距都可以在Power Plane Clearance選項中設置。選擇【Design】/【Rules…】命令,單擊Manufacturing選項,其中的Power Plane Clearance和Power Plane Connect Style選項與內電層相關,其內容介紹如下。          

    1.Power Plane Clearance          

    該規則用于設置內電層安全間距,主要指與該內電層沒有網絡連接的焊盤和過孔與該內電層的安全間距。在制造的時候,與該內電層沒有網絡連接的焊盤在通過內電層時其周圍的銅膜就會被腐蝕掉,腐蝕的圓環的尺寸即為該約束中設置的數值。         

    2.Power Plane Connect Style          

    該規則用于設置焊盤與內電層的形式。主要指與該內電層有網絡連接的焊盤和過孔與該內電層連接時的形式。         

    單擊Properties(屬性)按鈕,彈出其規則設置對話框。對話框左側為規則的適用范圍,在右側的Rule Attributes下拉列表中可以選擇連接方式:Relief Connect、Direct Connect和No connect。Direct Connect即直接連接,焊盤在通過內電層的時候不把周圍的銅膜腐蝕掉,焊盤和內電層銅膜直接連接;No connect指沒有連接,即與該銅膜網絡同名的焊盤不會被連接到內電層;設計人員一般采用系統默認的Relief Connect連接形式。        

    這種焊盤連接形式通過導體擴展和絕緣間隙與內電層保持連接,其中在Conductor Width選項中設置導體出口的寬度;Conductors選項中選擇導體出口的數目,可以選擇2個或4個;Expansion選項中設置導體擴展部分的寬度;Air-Gap選項中設置絕緣間隙的寬度。

    內電層分割方法         

    在本章的前幾節已經介紹了多層板的層疊結構的選擇,內電層的建立和相關的設置,在本小節中將主要介紹多層板內電層的分割方法和步驟,供讀者參考。          

    (1)在分割內電層之前,首先需要定義一個內電層,這在前面的章節中已經有了介紹,本處不再贅述。選擇【Design】/【Split Planes…】命令,彈出內電層分割對話框。該對話框中的Current split planes欄中指內電層已經分割的區域。在本例中,內電層尚未被分割,所以Current split planes欄為空白。Current split planes欄下的Add、Edit、Delete按鈕分別用于添加新的電源區域,編輯選中的網絡和刪除選中的網絡。按鈕下方的Show Selected Split Plane View選項用于設置是否顯示當前選擇的內電層分割區域的示意圖。如果選擇該選項,則在其下方的框中將顯示內電層中該區域所劃分網絡區域的縮略圖,其中與該內電層網絡同名的引腳、焊盤或連線將在縮略圖中高亮顯示,不選擇該選項則不會高亮顯示。Show Net For選項,選擇該選項,如果定義內電層的時候已經給該內電層指定了網絡,則在該選項上方的方框中顯示與該網絡同名的連線和引腳情況。          

    (2)單擊Add按鈕,彈出內電層分割設置對話框。         

    在對話框中,Track Width用于設置繪制邊框時的線寬,同時也是同一內電層上不同網絡區域之間的絕緣間距,所以通常將Track Width設置的比較大。建議讀者在輸入數值時也要輸入單位。如果在該處只輸入數字,不輸入單位,那么系統將默認使用當前PCB編輯器中的單位。          

    Layer選項用于設置指定分割的內電層,此處可以選擇Power和GND內電層。本例中有多種電壓等級存在,所以需要分割Power內電層來為元器件提供不同等級的電壓。          

    Connect to Net選項用于指定被劃分的區域所連接的網絡。通常內電層用于電源和地網絡的布置,但是在Connect to Net下拉列表中可以看到,可以將內層的整片網絡連接到信號網絡,用于信號傳輸,只是一般設計者不這樣處理。信號所要求的信號電壓和電流弱,對導線要求小,而電源電流大,需要更小的等效內阻。所以一般信號在信號層走線,內電層專用于電源和地網絡連線。          

    (3)單擊電層分割設置對話框中的OK按鈕,進入網絡區域邊框繪制 狀態。          

    在繪制內電層邊框時,用戶一般將其他層面的信息隱藏起來,只顯示當前所編輯的內電層,方便進行邊框的繪制。選擇【Tools】/【Preferences…】命令,彈出對話框。選擇Display選項,再選擇Single Layer Mode復選框。這樣,除了當前工作層Power之外,其余層都被隱藏起來了。        

    在分割內電層時,因為分割的區域將所有該網絡的引腳和焊盤都包含在內,所以用戶通常需要知道與該電源網絡同名的引腳和焊盤的分布情況,以便進行分割。在左側Browse PCB工具中選擇VCC網絡,單擊Select按鈕將該網絡點亮選取。          

    為將VCC網絡點亮選取后,網絡標號為VCC的焊盤和引腳與其他網絡標號的焊盤和引腳的對比。          

    選擇了這些同名的網絡焊盤后,在繪制邊界的時候就可以將這些         

    焊盤都包含到劃分的區域中去。此時這些電源網絡就可以不通過信號層連線而是直接通過焊盤連接到內電層。          

    (4)繪制內電層分割區域。          

    選擇【Design】/【Split Planes…】命令,彈出內電層分割對話框,單擊Add按鈕,彈出內電層分割設置對話框。首先選擇12V網絡,單擊OK按鈕,光標變為十字狀,此時就可以在內電層開始分割工作了。          

    在繪制邊框邊界線時,可以按“Shift+空格鍵”來改變走線的拐角形狀,也可以按Tab鍵來改變內電層的屬性。在繪制完一個封閉的區域后(起點和終點重合),系統自動彈出內電層分割對話框,在該對話框中可以看到一個已經被分割的區域,在PCB編輯界面中顯示。         

    在添加完內電層后,放大某個12V焊盤,可以看到該焊盤沒有與導線相連接,但是在焊盤上出現了一個“+”字標識,表示該焊盤已經和內電層連接。          

    將當前工作層切換到Power層,可以看到該焊盤在內電層的連接狀態。由于內電層通常是整片銅膜,所以焊盤周圍所示部分將在制作過程中被腐蝕掉,可見GND和該內電層是絕緣的。         

    在內電層添加了12V區域后,還可以根據實際需要添加別的網絡,就是說將整個Power內電層分割為幾個不同的相互隔離的區域,每個區域連接不同的電源網絡。      

    在完成內電層的分割之后,可以在對話框中編輯和刪除已放置的內電層網絡。單擊Edit按鈕可以彈出內電層屬性對話框,在該對話框中可以修改邊界線寬、內電層層面和連接的網絡,但不能修改邊界的形狀。如果對邊界的走向和形狀不滿意,則只能單擊Delete按鈕,重新繪制邊界;或者選擇【Edit】/【Move】/【Split Plane Vertices】命令來修改內電層邊界線,此時可以通過移動邊界上的控點來改變邊界的形狀。完成后在彈出的確認對話框中單擊Yes按鈕即可完成重繪。         

    內電層分割基本原則         

    在完成內電層的分割之后,本節再介紹幾個在內電層分割時需要注意的問題。          

    (1)在同一個內電層中繪制不同的網絡區域邊界時,這些區域的邊界線可以相互重合,這也是通常采用的方法。因為在PCB板的制作過程中,邊界是銅膜需要被腐蝕的部分,也就是說,一條絕緣間隙將不同網絡標號的銅膜給分割開來了。這樣既能充分利用內電層的銅膜區域,也不會造成電氣隔離沖突。         

    (2)在繪制邊界時,盡量不要讓邊界線通過所要連接到的區域的焊盤。由于邊界是在PCB板的制作過程中需要被腐蝕的銅膜部分,有可能出現因為制作工藝的原因導致焊盤與內電層連接出現問題。所以在PCB設計時要盡量保證邊界不通過具有相同網絡名稱的焊盤。         

    (3)在繪制內電層邊界時,如果由于客觀原因無法將同一網絡的所有焊盤都包含在內,那么也可以通過信號層走線的方式將這些焊盤連接起來。但是在多層板的實際應用中,應該盡量避免這種情況的出現。因為如果采用信號層走線的方式將這些焊盤與內電層連接,就相當于將一個較大的電阻(信號層走線電阻)和較小的電阻(內電層銅膜電阻)串聯,而采用多層板的重要優勢就在于通過大面積銅膜連接電源和地的方式來有效減小線路阻抗,減小PCB接地電阻導致的地電位偏移,提高抗干擾性能。所以在實際設計中,應該盡量避免通過導線連接電源網絡。          

    (4)將地網絡和電源網絡分布在不同的內電層層面中,以起到較好的電氣隔離和抗干擾的效果。          

    (5)對于貼片式元器件,可以在引腳處放置焊盤或過孔來連接到內電層,也可以從引腳          

    處引出一段很短的導線(引線應該盡量粗短,以減小線路阻抗),并且在導線的末端放置焊盤和過孔來連接。

    (6)關于去耦電容的放置。前面提到在芯片的附近應該放置0.01μF的去耦電容,對于電源類的芯片,還應該放置10?F或者更大的濾波電容來濾除電路中的高頻干擾和紋波,并用盡可能短的導線連接到芯片的引腳上,再通過焊盤連接到內電層。          

    (7)如果不需要分割內電層,那么在內電層的屬性對話框中直接選擇連接到網絡就可以了,不再需要內電層分割工具。         

    多層板設計原則匯總         

    在本章及前面幾章的介紹中,我們已經強調了一些關于PCB設計所需要遵循的原則,在這里我們將這些原則做一匯總,以供讀者在設計時參考,也可以作為設計完成后檢查時參考的依據。          

    1.PCB元器件庫的要求         

    (1)PCB板上所使用的元器件的封裝必須正確,包括元器件引腳的大小尺寸、引腳的間距、引腳的編號、邊框的大小和方向表示等。          

    (2)極性元器件(電解電容、二極管、三極管等)正負極或引腳編號應該在PCB元器件庫中和PCB板上標出。          

    (3)PCB庫中元器件的引腳編號和原理圖元器件的引腳編號應當一致,例如在前面章節中介紹了二極管PCB庫元器件中的引腳編號和原理圖庫中引腳編號不一致的問題。          

    (4)需要使用散熱片的元器件在繪制元器件封裝時應當將散熱片尺寸考慮在內,可以將元器件和散熱片一并繪制成為整體封裝的形式。

    (5)元器件的引腳和焊盤的內徑要匹配,焊盤的內徑要略大于元器件的引腳尺寸,以便安裝。

    2.PCB元件布局的要求

    (1)元器件布置均勻,同一功能模塊的元器件應該盡量靠近布置。          

    (2)使用同一類型電源和地網絡的元器件盡量布置在一起,有利于通過內電層完成相互之間的電氣連接。          

    (3)接口元器件應該靠邊放置,并用字符串注明接口類型,接線引出的方向通常應該離開電路板。          

    (4)電源變換元器件(如變壓器、DC/DC變換器、三端穩壓管等)應該留有足夠的散熱空間。          

    (5)元器件的引腳或參考點應放置在格點上,有利于布線和美觀。          

    (6)濾波電容可以放置在芯片的背面,靠近芯片的電源和地引腳。          

    (7)元器件的第1引腳或者標識方向的標志應該在PCB上標明,不能被元器件覆蓋。          

    (8)元器件的標號應該緊靠元器件邊框,大小統一,方向整齊,不與焊盤和過孔重疊,不能放置在元器件安裝后被覆蓋的區域。          

    3.PCB布線要求         

    (1)不同電壓等級電源應該隔離,電源走線不應交叉。          

    (2)走線采用45°拐角或圓弧拐角,不允許有尖角形式的拐角。          

    (3)PCB走線直接連接到焊盤的中心,與焊盤連接的導線寬度不允許超過焊盤外徑的大小。          

    (4)高頻信號線的線寬不小于20mil,外部用地線環繞,與其他地線隔離。          

    (5)干擾源(DC/DC變換器、晶振、變壓器等)底部不要布線,以免干擾。          

    (6)盡可能加粗電源線和地線,在空間允許的情況下,電源線的寬度不小于50mil。          

    (7)低電壓、低電流信號線寬9~30mil,空間允許的情況下盡可能加粗。          

    (8)信號線之間的間距應該大于10mil,電源線之間間距應該大于20mil。          

    (9)大電流信號線線寬應該大于40mil,間距應該大于30mil。          

    (10)過孔zui小尺寸優選外徑40mil,內徑28mil。在頂層和底層之間用導線連接時,優選焊盤。          

    (11)不允許在內電層上布置信號線。          

    (12)內電層不同區域之間的間隔寬度不小于40mil。          

    (13)在繪制邊界時,盡量不要讓邊界線通過所要連接到的區域的焊盤。          

    (14)在頂層和底層鋪設敷銅,建議設置線寬值大于網格寬度,完全覆蓋空余空間,且不留有死銅,同時與其他線路保持30mil(0.762mm)以上間距(可以在敷銅前設置安全間距,敷銅完畢后改回原有安全間距值)。          

    (15)在布線完畢后對焊盤作淚滴處理。          

    (16)金屬殼器件和模塊外部接地。          

    (17)放置安裝用和焊接用焊盤。          

    (18)DRC檢查無誤。          

    4.PCB分層的要求         

    (1)電源平面應該靠近地平面,與地平面有緊密耦合,并且安排在地平面之下。          

    (2)信號層應該與內電層相鄰,不應直接與其他信號層相鄰。          

    (3)將數字電路和模擬電路隔離。如果條件允許,將模擬信號線和數字信號線分層布置,并采用屏蔽措施;如果需要在同一信號層布置,則需要采用隔離帶、地線條的方式減小干擾;模擬電路和數字電路的電源和地應該相互隔離,不能混用。          

    (4)高頻電路對外干擾較大,zui好單獨安排,使用上下都有內電層直接相鄰的中間信號層來傳輸,以便利用內電層的銅膜減少對外干擾。

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