六层PCB板是怎么拼出来的？

Posted 2021-11-09 大话硬件

本篇文章主要分享六层PCB板是怎么拼出来的，目录和结构如下：

1. PCB基础框架
2. PCB材料组成
3. PCB叠层设计
4. PCB阻抗计算
5. 总结
   整篇文章阅读预计10分钟。

1. PCB基础框架

基于目前对高速PCB设计的认知，硬件如果和PCB分开设计，对于硬件来说，至少需要把必备基础和熟悉掌握两部分的内容搞清楚，如下所示。作为硬件开发人员，能把下面的内容都掌握，差不多就具备了PCB设计的80%能力，剩下20%更多的是和其他像DFX和EMC资源组交互的知识点。而本篇文章主要针对基础必备方面的三个内容进行分享。

实际上完成一个PCB还需要掌握EMC，可制造性，射频等方面的内容。这些属于比较专业的，可以单独作为某个系列来学习，因此这里未做呈现。

2. PCB材料组成

下面是一块PCB的实物，从PCB外观来看，它具有以下几个特点：
（1）具有一定的厚度和刚性
（2）表面呈现绿色
（3）器件旁边有白色丝印

针对特性1来说，PCB具有厚度和刚性的属性其实来自于PCB的两个重要组成部分，Core芯板和PP半固态片。

Core芯板是制作PCB的基础材料，具有一定的硬度及厚度，并且两个表层都有铜箔。半固态片（Prepreg）主要起到填充的作用，是多层印制板的内层导电图形的粘合材料及绝缘材料。

在Prepreg被层压后，半固化的环氧树脂被挤压开来，开始流动并凝固，将多层电路板粘合在一起，并形成一层可靠的绝缘体。

从上面这个4层板可以看出，POWER和GND之间填充的PP，两面带有铜箔的是Core芯板。所以，多层板其实就是Core与Prepreg压合而成的。

我们常说的FR-4，是属于一种耐燃材料等级的代号，表征的是树脂材料经过燃烧状态后必须能够自行熄灭的材料规格。它不是一种材料名称，也不是某种板材，是耐燃材料的等级。上面提到的PP片和CORE芯板都是FR-4等级的材料。为了方便，在工程中大家默认称PCB的板材是FR4材质，不会去说具体是环氧树脂板还是玻璃纤维板。

对于特性2和特性3相对于来说比较好理解，特性2中的看到PCB呈现绿色其实是在PCB表面覆盖了一层绿油——PCB油墨的一种，一般是指绿色的阻焊油墨，因阻焊油墨多用绿色的，因此成为绿油。特性3就是所谓的丝印，白色的油漆。

覆盖绿油的核心作用的作为阻焊层，在焊接时将PCB的焊接部分和非焊接部分分开，同时，这些绿油覆盖在焊盘上面，可以防止焊盘氧化。需要注意的是，如果使用的是黑色油墨，由于黑色油墨比绿色腐蚀性更强，使用同样的线宽进行设计，覆盖黑色油墨后得到的走线会更窄。

3. PCB叠层设计

在PCB设计之前，硬件工程师在对单板规模，信号层数，电源种类以及EMC方面考虑后，会提出PCB设计需要使用几层板。**理论上PCB层数越多，布线越方便，EMC的性能也越好。**但是结合单板的总厚度，刚性要求以及成本，总层数不可能无限的加大，这个权衡的过程硬件需要掌握。

一种四层板叠层如下：

一种六层板叠层如下：

针对六层板的设计，有下面四种叠层方案。

方案一：电源层数1，地层数1，信号层数4

这种叠层，电源和地相隔较远，耦合比较差，电源和地之间无法形成寄生电容，为了保证电源到地的低阻抗，只能依靠外部的去耦电容来降低。

方案二：电源层数1，地层数1，信号层数4

这种叠层设计，电源和地的耦合效果好，阻抗低，电源平面受到的干扰可以很快的泄放到地平面上。但是S2，S1以及S3，S4相邻，信号完整性容易受到对方层的干扰。

方案三：电源层数1，地层数2，信号层数3

这种叠成相比方案1和方案2，牺牲了信号层的数量，换来了更好的布局效果。其中S2作为优先布局的重要信号，其次是S3，再是S1。在电源层和地层之间增加去耦电容，减小电源的阻抗。

方案四：电源层数1，地层数2，信号层数3

方案四的电源阻抗没有方案三好，但是S2信号层的屏蔽效果是最好的。

在选定了PCB的叠层设计之后，就要使用PP片和CORE芯板来组成需要设计的PCB。工程上常见的PCB板材的厚度规格有0.5mm，0.7mm，0.8mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，1.6mm，2.0mm，2.4mm，3.2mm，6.4mm。

CORE芯板的厚度主要有0.1mm，0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，0.6mm，0.8mm，1.0mm，1.2mm这几种。根据前面的介绍，CORE的表面有铜箔，但是当CORE芯板的厚度为0.1mm或者0.2mm时，可以选择含铜的也可以选择不含铜的芯板，含铜的芯板两边的铜厚都是0.0175mm。

半固化片在不同的厂家常用的板材不一样，以下面这张图是生益和超声厂家常用PP片的型号为例。

**其中的含胶量 RC%（Resin content)：指胶片中除了玻璃布以外，树脂成分所占的重量百分比。**RC%的多少直接影响到树脂填充导线间空缺的能力，同时决定压板后的介电层厚度。106的含胶量相比7628的含胶量就要高。（因为要在缺口的位置填充更多的树脂）

而嘉立创选用的PP半固化片的型号如下图所示。

从上面就能看出，生益和嘉立创所使用的PP片介电常数就不一样。生益2116的介电常数4.4，嘉立创的4.25。为了方便计算，在工程上一般都是说FR4板材的介电系数是4。

根据以上内容，如果PCB要设计1.6mm板后的单板，叠层选择方案2，那么可以使用嘉立创的PP和CORE的组合叠层设计如下：

可以计算出PCB板的厚度为:

0.0352+0.12+0.127+0.6*2=1.597mm

再考虑到表面的绿油和残铜，板厚是1.6mm。

4. PCB的阻抗计算

**PCB的叠层方式、选择的PP片和CORE芯板的材质与PCB阻抗之间存在相互影响的关系。**在常规的PCB设计中，主要有4种类型的阻抗需要计算：

• 单端阻抗，控50Ω
• 差分阻抗，控100Ω，90Ω
• 共面+隔层阻抗，控50Ω

在计算PCB阻抗时，需要借助SI9000的计算工具。以上面6层板的表层走线控50Ω为例，计算线宽方法如下：选择微带线的模型，设定阻抗为50Ω，填写相关的参数，计算出走线的宽度为6mil。

如果在第三层走差分线，且要求阻抗控制在100Ω。使用软件计算的出走线的宽度为4mil。如果在计算过程中发现所走的线宽太小，就可能要采取调整差分对之间的距离甚至是重新选择叠层方式以及挖空参考层的铜箔等方式来权衡。

5.总结

以上主要是从硬件的角度来理解PCB的设计，包含了PCB的组成材料，叠层的原理以及阻抗的计算。毕竟不是专业画PCB的，因此在总结和梳理过程中，只把阻碍硬件人员审核PCB方面的部分内容进行了整理。

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