PCB 疊層：結構決定 EMC

電磁相容性（EMC）是一項重要措施。它表明電子設備在電磁環境中是否運作良好並且不會對其他設備造成問題。在PCB設計中，如果處理不好EMC問題，可能會造成訊號幹擾、系統故障，或不符合業界標準。

EMC 問題通常來自電流迴路、訊號迴路路徑和電磁場的傳播。在 PCB 設計中，堆疊結構提供支撐並有助於控制電磁幹擾 (EMI)。良好的堆疊可以降低輻射，阻止串擾並保持訊號強度。本文介紹如何透過選擇層、對層進行排序以及從堆疊視圖設計平面來提高 EMC 效能。

1. 選擇電源層和接地層的數量

對於只有一個電源的PCB，一個電源層就夠了。對於許多不重疊的電源，可以使用單獨的電源層，以便附近層上的重要訊號走線不會穿過分割區域。但如果電源重疊，請使用兩個或更多電源層。你必須做這些事：

1. 每個電源層有一個或多個不重疊的電源。

2. 相鄰層上的重要訊號走線不要跨越分割區域。

此外，選擇接地平面時，必須考慮：

1. 元件層下面的層應該具有完整的接地平面。如果多層 HDI 板無法做到這一點，則允許使用小型局部接地平面。

2. 高頻、射頻、高速和時脈訊號需要旁邊有接地層。

3. 每個電源層都應有一個相鄰的接地層（例如，電源層旁邊的兩層都應是接地層）。

接地層越多通常意味著 EMC 屏蔽效果越好，但層數越多成本就越高。對EMC來說，4層板是基本的選擇，其中一個是電源層，另一個是接地層。 6 層或更高層的電路板適用於需要更好屏蔽和參考平面的高速和高密度設計。 2層PCB價格便宜，但EMC性能較差，且依賴較大的接地面積。

對於對成本敏感的消費性電子產品而言，使用更少的層可以降低成本。例如，當產品成熟時，為了降低成本，可能會減少層數，例如把10層板改成8層板。在這些情況下，應該刪除哪一層：接地層還是電源層？通常，PCB 製造商會將接地平面保持在比電源平面更好的水平。這就是為什麼智慧型手機 PCB 沒有單獨電源層的原因。他們將電源層用於其他訊號，因此形成了混合。

2. 選擇訊號層的數量

當您將網路表匯入 PCB 設計軟體時，它會顯示元件、焊盤、訊號線的數量和佈線密度。這有助於猜測需要多少個訊號層。熟練的 PCB 設計師會透過查看電路板的工作頻率、具有特殊佈線需求的重要訊號數量以及成本與性能來調整這種猜測。

訊號層是根據訊號重要性和方向給出的。如果您不確定是否有足夠的層，您可以在每一層上預先佈線重要訊號，以查看各層是否交叉以及接地屏蔽是否有效。

對於移動設備，請考慮以下訊號層：

1. 時脈（CLK）線跡兩側需要接地（GND）屏蔽。

2. RF（射頻）走線應位於外層。如果它們進入室內，則需要旁邊有接地平面。 4G設計通常使用一個內層用於RF。 5G和6G可能需要3到4層。

3. IQ、USB、MIPI、HDMI 和 LVDS 等高速訊號需要屏蔽和隔離。它們應該有自己的層。如果它們跨層，則旁邊的接地平面必須屏蔽它們。

訊號層的數量主要根據電路板的功能來設定。對於 EMC，在重要的訊號網路（輻射網路和對雜訊敏感的網路）上使用屏蔽或隔離。

3. 接地層和電源層的佈局

電源線是造成 EMC 問題的主要原因。如果他們在地面上，他們就會受到更多來自外界的干擾。這可能會損害電路穩定性。對於高效能和關鍵產品，使用內部電源層來提高效能並降低幹擾。

電源層的阻抗比接地層的阻抗高。為了降低阻抗，請將主電源層放置在接地層旁。這使得電容耦合更加明顯。電源層和接地層以及 PCB 去耦電容一起構成寬範圍的電源-接地網路。這可能會引起共振問題。

電源層和地層通常會形成「接地-電源-接地」夾層。為了獲得良好的 EMC 屏蔽，應使電源平面比接地平面稍小。這就像用手蓋住一個雞蛋：你的手必須比雞蛋大才能完全蓋住它。

如果電源層和接地層之間的距離 h研究顯示：

• 當電源平面 20小時 小於接地平面，70％的電場停留在接地平面。

• 當電源平面 100小時 較小，則 98% 會保留。

通常，PCB 設計遵循 20小時規則.

在混合訊號 PCB 中，當類比和數位接地平面在組件下方連接時，請在它們之間使用隔離槽（防蝕刻）。在設定點處將類比地和數位地與鐵氧體磁珠連接起來。

4. 接地層和訊號層的佈局

當您確定電源層、地層和訊號層的數量時，它們的順序對 PCB 設計人員來說非常重要。

為了提高 EMC 性能：

• 將敏感的類比訊號（如感測器輸入）放在兩個接地平面（“GND-訊號-GND”）之間以建立屏蔽。

• 在內層上佈線高速差分對（如 USB、PCIe、MIPI、HDMI、LVDS）。它們旁邊應該有接地平面，用於隔離噪音。

以下是有關圖層順序的一些指導原則：

1. 元件層之下的第二層應為接地層。這為頂層提供了屏蔽和參考。 （在 HDI 設計中，第二層可能有佈線。）

2. 所有訊號層應盡可能靠近接地層。

3. 請勿將兩個訊號層彼此相鄰放置。

4. 大電源平面應位於其接地平面的旁邊。

更多的訊號層有助於佈線並使 PCB 佈局更容易。但層數越多並不代表設計技巧越好。當一些PCB工程師看到公司生產30層以上的電路板時，他們感到擔憂。但優秀的工程師可以只用 10 層來設計 8 層電路板，並保持良好的效能。這顯示出強大的設計技巧。

5. 選擇 GND 或電源供應器作為參考平面

電源平面和接地平面均可作為參考平面。它們都提供了一定的保護。但電源層的阻抗更高，電壓差也更大。這使得它們的屏蔽性能較差。接地平面具有恆定電壓，是更好的選擇。

不過，有時實際項目會使用電源層作為參考層。例如，在一個 ADAS項目，PDN 模擬一直失敗。然後他們將部分錶面GND改為電源層。然後，第 3 層的高速訊號使用電源平面作為參考。然後PDN模擬就通過了。雖然這種方法沒有遵循標準規則，但它在現實生活中發揮了作用，並引發了工程師的爭論。

6. PCB 層堆疊結構

每個電源、訊號和接地層均由 FR4 介電層覆蓋。層間電介質的厚度很重要。 PCB板有兩種材質：Core（芯板）和PP（聚丙烯）。

核心： 又稱板芯，是多層PCB的基本材質。它是一種硬板，兩面都有銅箔。它可以用作訊號層、電源層或接地層。鐵芯堅固，具有良好的強度和電氣性能。

PP（預浸料）： 這是「預浸料」的縮寫，也稱為半固化片。它是一種主要由玻璃纖維和環氧樹脂製成的部分固體樹脂。它可以填補縫隙，並在 PCB 製作中起到膠水的作用。在製作電路板時，PP 熔化、流動、硬化，將各層黏合在一起並形成絕緣體。 PP表面沒有銅箔，比較柔軟。在多層 PCB 中，PP 填滿了核心層之間的間隙。通常PP的一面都有一層銅箔，所以又被稱為「半固化片」。

基本上，PP 就像是帶有一層銅的 FR4，而 Core 則是兩面都有銅的 FR4。這就是為什麼 PCB 通常具有偶數層的原因。芯線通常比 PP 厚。例如，在4層1步HDI板中，Core比PP厚得多。這使得接地平面靠近訊號層，透過提供更好的訊號屏蔽來改善 EMC。

7. PCB 設計中的 EMC 考慮事項

在電子設計自動化（EDA）中，為了獲得更好的EMC，請遵循電介質厚度的兩個規則：

• 訊號層與地層之間的空間越薄越好。

• 兩個訊號層之間的空間越厚，它們之間的相互幹擾就越小。

8. 物理對稱性與訊號層對稱性

PCB製作採用層壓技術。這意味著兩側的電介質層和銅層必須相同。例如，在 8 層 2 步板中，相對兩側的銅厚度相同：

• 第1層和第8層：30μm

• 第2層和第7層：20μm

• 第 4 層和第 5 層：厚度相同

PP厚度也是如此。如果在第 1067-1 層和第 2-7 層之間使用 PP8，則在第 2-3 層和第 6-7 層之間也使用它。

在通孔 PCB 中，各層通常是對稱的。例如，在6層通孔PCB中：

• 第 1 層和第 6 層是訊號層。

• 第 2 層及第 5 層為接地層。

• 第 3 層和第 4 層是電源層。

但在HDI板中，要保持訊號層對稱性更加困難。例如，在 6 層、1 步 HDI 板中，從第 1 層到第 4 層的佈線需要通過第 2 層和第 5 層的過孔。這使得很難將第 2 層設為接地層。因此，第 3 層用作 GND。對稱性也需要第 4 層為 GND，這會浪費空間。因此，HDI板中的訊號對稱性很難實現。

面試注意事項：
如果有人要求 6 層 PCB 堆疊，那麼說「S1-S2-G-S3-S4-S5」是錯誤的，因為它不遵循對稱規則。

9 層 PCB 堆疊

2 層 PCB 沒有單獨的電源層和接地層。因此，我們使用 4 層 PCB。常見的堆疊類型有三種。

選項 1（首選）
第 1 層（上）：訊號
第 2 層：接地 (GND)
第三層：權力
第 4 層（下）：訊號

建議：

• 使用第 2 層 (GND) 作為參考，在外層佈設阻抗控制走線。

• 使電源和 GND 之間的空間盡可能小，以降低阻抗並改善去耦。

選項 2（用於屏蔽）

第 1 層：地面
第 2 層：訊號
第三層：權力
第 4 層：地面

問題：

• 電源和接地之間的較大間隙會增加阻抗。

• 元件焊盤可能會破壞接地/電源層。

• 阻抗間隙可能會導致訊號反射。

此選項僅適用於元件較少且屏蔽最為重要的電路板。

選項 3（替代方案）
這與選項 1 類似，但因將組件放置在底部而有所改變。

10 層 PCB 堆疊

6 層 PCB 應該有兩個接地平面。常見的有四種類型。 選項3 是最好的：

第 1 層：訊號
第 2 層：接地 (GND)
第 3 層：訊號
第三層：權力
第 5 層：接地 (GND)
第 6 層：訊號

為什麼選擇選項 3？

• 它使電源和地保持接近較低的阻抗。

• 其具有良好的 EMC 性能。

對於需要省錢的設計，可以採用方案1。

11 層 PCB 堆疊

對於8層PCB，盡量使用三個接地層。有五個選項。對於單電源層，選項 2 優於選項 1。它減少了附近的訊號層並改善了電源地連接。對於兩個電源平面，建議採用選項 3。它給出：

• 沒有相鄰的訊號層，

• 層層對稱，

• 關閉電源和接地。

如果設計需求不同，可以使用其他選項（4 和 5）。

12 層 PCB 堆疊

對於 10 層 PCB，使用四個接地層。常見設定有：

選項 3（最佳選擇）：
它使得第 3-4 層和第 7-8 層之間的距離更遠，而第 5-6 層之間的距離更近。這種設定有利於提高效能並降低成本。

選項4：
提供最佳的 EMC 性能，但丟失一個佈線層。

對於單電源平面，最好選擇選項 2。選項 1 最便宜，但彼此相鄰的訊號層更多。