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嘉峪檢測網 2024-12-23 09:06
什么是PCB疊層？
一般情況下，當設計普通單、雙面板時，無需考慮PCB的疊層問題，通常直接選擇銅厚和板厚符合設計要求的覆銅板直接加工。但設計4層以上的PCB時，疊層設計直接影響PCB的性能和價格。
16層板的疊層設計
多層PCB由覆銅芯板（Core）、半固化片（prepreg，簡稱PP）與銅箔，一起按照疊層設計組合，經過壓合制成。
PP半固化片（Prepreg），也叫預浸料，是一種在電子工業尤其是印制電路板（PCB）制造領域起著關鍵作用的材料，以下是關于它的詳細介紹：
基本構成與特性
- 成分組成：
它主要由增強材料（常用的如玻璃纖維布等）浸漬環氧樹脂等熱固性樹脂體系組成。玻璃纖維布提供了良好的機械強度支撐，而樹脂體系則在后續加工過程中起到粘結、絕緣以及固化成型等重要作用。
- 狀態特點：
處于半固化狀態，有一定的黏性和柔韌性。在常溫下能夠保持穩定的形態，方便進行裁剪、疊層等操作，并且可以在層與層之間起到很好的粘結作用，使得多層材料能夠貼合在一起。
在PCB制造中的作用
- 層間粘結與絕緣：
在多層PCB的生產中，需要將不同的導電層（比如內層的銅箔線路層等）按照設計要求分隔開并牢固地粘結在一起，PP半固化片就夾在這些導電層之間，通過加熱、加壓等工藝固化后，能將各層緊密粘結，同時保證各層之間良好的絕緣性能，避免出現短路等電氣故障。
- 控制板厚與介電常數：
不同規格（比如不同厚度、樹脂含量等）的PP半固化片疊層使用，可以精確控制PCB最終的整體厚度，滿足不同電子產品對PCB尺寸規格的嚴格要求。而且其樹脂體系的介電常數等電學性能穩定，有助于保障PCB在高頻信號傳輸等應用場景下的電氣性能，減少信號傳輸損耗和干擾。
加工工藝相關情況
- 加工過程：
在PCB制造流程中，先是根據設計的層數和各層布局，將裁剪好合適尺寸的PP半固化片與內層線路板、外層銅箔等按順序疊放好，然后放置到熱壓機等專用設備中，經過一定溫度（通常為150℃-200℃左右）、壓力（根據板材尺寸等因素有所不同）以及時間（一般數小時）的工藝條件，使PP半固化片充分固化，最終形成一體化的多層PCB結構。
- 質量影響因素：
PP半固化片自身的樹脂含量均勻性、玻纖布的質量以及儲存條件等都會影響其加工后的性能和最終PCB的品質。例如，如果樹脂含量不均勻，可能導致固化后PCB不同區域的厚度、電氣性能出現差異；儲存時若環境溫濕度不合適或者超出保質期，其黏性、固化特性等也會改變，進而影響使用效果。
PP半固化片是PCB制造不可或缺的重要基礎材料，對保障PCB的機械性能、電氣性能以及整體結構穩定性等方面都有著至關重要的作用。
在PCB開始設計之前，Layout工程師會根據電路板的尺寸、電路的規模和電磁兼容（EMC）的要求確定PCB的層數，然后確定元器件的布局，最后確認信號層、電源層和地層的劃分。
Core（覆銅芯板）
- 結構分層：
覆銅芯板主要由三部分構成，分別是絕緣基材層、金屬銅箔層以及兩者之間起到粘結作用的粘結劑層（在部分制作工藝中粘結功能由絕緣基材本身含有的樹脂成分實現）。絕緣基材常見的有環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂等制成的板材，像玻璃纖維布增強環氧樹脂基材應用就極為廣泛；銅箔層一般是通過電解等工藝制備的薄銅片，有不同的厚度規格可供選擇，比如常見的18μm、35μm、70μm等，以滿足不同線路載流等要求。
- 主要成分作用：
絕緣基材提供了電氣絕緣性能以及一定的機械支撐強度，確保各線路之間不會出現短路等問題，同時能讓PCB板在使用、安裝等過程中維持穩定結構。銅箔層則是用來通過蝕刻等后續加工工藝形成所需要的導電線路圖案，承載和傳導電子信號以及電流，實現電路的連接功能，粘結劑保證銅箔能牢固地附著在絕緣基材上，使得整個結構成為一體。
分類方式及常見類型
- 按基材材質分類：
- 紙基覆銅板：以浸漬纖維紙作為絕緣基材，成本相對較低，主要應用于一些對性能要求不那么高的民用電子產品中，比如普通的收音機、玩具電路板等，不過其耐熱性、機械強度等性能指標相對有限。
- 玻璃纖維布基覆銅板：采用玻璃纖維布浸漬樹脂形成的基材，綜合性能優良，具有較高的機械強度、較好的耐熱性以及尺寸穩定性，是目前在電腦主板、手機主板等絕大多數中高端電子產品PCB制造中廣泛應用的類型。
- 復合基覆銅板：結合了紙基和玻璃纖維布基的特點，兼顧了一定成本優勢和較好的性能，適用于一些對性能有一定要求但又需考慮成本控制的電子產品領域。
- 按阻燃性能分類：
- 阻燃型覆銅板：在樹脂體系中添加了阻燃劑成分，在遇到明火等情況時，能夠延緩燃燒甚至阻止燃燒蔓延，大大提高了使用的安全性，在各類對防火安全有要求的電子設備、電器中被優先選用。
- 非阻燃型覆銅板：沒有添加特殊阻燃成分，相對來說成本可能稍低一點，但使用場合受到更多限制，主要用于一些基本不存在燃燒風險的特定封閉環境等的電子產品中。
性能參數與影響
- 介電常數：
反映了材料在電場作用下儲存電能的能力，覆銅芯板的介電常數會影響信號傳輸速度和信號完整性。較低介電常數的覆銅板有利于高頻高速信號的快速傳輸，減少信號延遲和失真，所以在5G通信、高速計算機等對高頻信號處理要求高的領域，需要選用介電常數適配的低介電覆銅板產品。
- 熱膨脹系數：
它關系到覆銅板在溫度變化環境下的尺寸穩定性。如果熱膨脹系數過大，在經歷溫度波動時，比如電子產品工作過程中發熱、冷卻的循環，PCB板可能出現翹曲變形等問題，進而影響焊接點可靠性、線路連接等，因此像航空航天等對溫度適應性要求嚴苛的應用場景，對覆銅板的熱膨脹系數控制要求很高。
- 銅箔剝離強度：
體現銅箔與絕緣基材之間粘結的牢固程度，足夠高的剝離強度才能保證在PCB加工、使用過程中銅箔不會輕易從基材上剝落，保障線路的長期穩定性，像在有頻繁振動、沖擊等惡劣使用條件的工業控制電路板等應用場景下，對這一指標要求較為突出。
PCB疊層設計原則
PCB疊層需要從層數、信號類型、板厚、材料選擇、銅厚、阻抗控制、EMI/EMC屏蔽、熱管理、成本和可測試性等多方面考慮。
滿足高速信號布線的信號完整性要求
對于關鍵信號線，需要構建GND/Signal/GND的疊層組合，相鄰信號層的帶狀線，交叉垂直布線，以最小化串擾耦合。從信號完整性的角度來講，關鍵高速信號使用帶狀線（Stripline）布線，非關鍵高速信號可以選擇使用微帶線（Microstrip）布線。
如非必要，不建議使用寬邊耦合帶狀線（Broadside-Coupled Stripline ），PCB加工過程中的曝光和蝕刻的偏移都會造成重疊錯位，加工過程困難而且難以保證阻抗的一致性。
微帶線和帶狀線布線的類型
PCB板材、PP和銅箔的選型
FR-4能夠滿足大多數PCB的需求，價格便宜而且電氣性能良好，高速PCB會選用高速板材，比如松下的Megtron4/6等，射頻PCB會選用 碳氫、Teflon或者陶瓷基板。如汽車燈板等對散熱要求高的設計場景，會選用鋁基或者銅基板材，在Mini LED等顯示場景會使用玻璃基板材。
板材的關鍵性能指標如下：
高速PCB板材選型
高速PCB需要選擇具有最低損耗角正切和較小介電常數的介電材料，高速PCB的設計需要特別注意材料明細，包括玻璃纖維(Fiberglass)，電介質矩陣(Dielectric Matrix)和銅(Copper)。在較高數據速率下的信號具有較高的頻率單元，波長更短，阻抗不連續會產生更多反射。需要考慮玻纖效應和銅箔表面粗糙度的影響。
不同型號板材對信號的衰減
在上圖中，Typical FR4在28Gbps時每英寸有近2dB平均損耗(Nyquist為14GHz)，Megtron6在相同頻率只有0.85dB。
玻纖布帶來的玻纖效應
不同的玻纖對應的編織粗細不一樣，開窗和交織的厚度也不一樣，如果信號分別布在開窗上和玻纖上所表現的特性(阻抗、時延、損耗)也不一樣（開窗和玻纖Dk/Df特性不一樣導致的），這就是玻纖效應。
芯板（Core）的制造過程
玻纖布的類型
緩解玻纖效應的方法：
擇最小化樹脂窗口的玻纖類型材料；
使用Zig-Zag等10°走線方法；
在制板的時候讓板廠旋轉一定的角度；
使用扁平開纖玻布或者平織布。
銅箔粗糙度
銅箔粗糙度(銅牙)使線路的寬度、線間距不均勻，從而導致阻抗不可控，同時由于趨膚效應，電流集中在導體的表層，銅箔的表面粗糙度影響信號傳輸的長度。
不同等級銅箔的表面粗糙度
如下圖所示，在5GHz以下銅箔粗糙度的影響不是太明顯，大于5GHz銅箔粗糙度的影響開始越來越大，在大于10Ghz的高速信號的設計時尤其需要重視。
銅箔粗糙度對高速信號的衰減
PCB每層的銅厚
PCB銅箔的厚度以盎司（oz）為單位。常見的銅厚有三個尺寸，0.5oz（內層）、1oz（表層）和2oz，主要用在消費和通訊類產品上。3oz以上屬于厚銅，常用于高壓、大電流的電力電子產品。
疊層設計時必須平衡銅箔的厚度，使電源/地平面層銅的厚度滿足載流要求。對于信號層銅的厚度來講，線寬/線距較小，需要銅盡可能薄才能滿足精確的蝕刻的要求。高速信號線由于趨膚效應的影響，電流只在銅箔表面附近流動，更厚的銅箔并不會帶來更好的性能。所以內層信號層的銅厚通常為Hoz，即0.5盎司。
疊層的阻抗控制
PCB上很多接口信號線都有阻抗要求，常見的單端50Ω、差分100Ω等。阻抗控制，需要有參考平面，一般需要四層以上。
阻抗不匹配會導致信號失真、反射和輻射等信號完整性問題，影響PCB的性能。走線的銅厚、介電常數、線寬、線距都會影響阻抗。我們可以根據各種EDA工具去計算阻抗，然后按照設計的疊層結構，去調整走線的參數。目前常規的板廠都可以把阻抗控制在10%。
使用Polar來計算疊層阻抗
疊層的孔結構
PCB中孔的類型
通孔（PTH）貫穿整個PCB可以連接所有層。盲孔（Blind Via）可以將外層連接至一個或多個內層，但不穿過PCB。埋孔（Buried Via）只連接PCB的內層。
高密度（HDI）PCB經常會使用盲孔和埋孔來優化布線空間，盲孔和埋孔也造成了PCB需要多次壓合增加了工序，PCB的制造難度上升，因此也更加昂貴。
在疊層設計時，需要根據設計需要來設計整板的孔結構，在滿足設計的前提下，盡量簡化孔的結構。
PCB疊層的EMC設計
PCB疊層EMC設計時遵循以下原則：
板內電源平面和地平面盡量相互鄰近，一般地平面在電源平面之上，這樣的設計可以有效利用層間電容作為電源的平滑電容，同時接地平面對電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。
電源和地層分配在內層，地平面可視為屏蔽層，可以很好地抑制電路板上固有的共模RF干擾，減小高頻電源的分布阻抗。
布線層應盡量安排與電源或地平面相鄰以產生通量對消作用。
PCB疊層的熱設計
PCB疊層設計需要考慮熱管理，保證元器件散發的熱量有效傳導出去，防止熱損壞提高電路可靠性。在設計流程中，我們會先根據元器件功耗進行熱仿真，根據仿真結果優化元器件布局和設計相應的散熱方案。
在疊層設計階段，也可以針對性做散熱設計：
優先選擇導熱系數高的板材，按需選擇金屬基板；
大功率器件下方設計散熱焊盤，使用散熱孔；
埋銅塊，嵌銅柱，提高熱傳導效率；
增加地平面，空白區域鋪地，增大散熱面積。
板厚控制
常規的PCB成品厚度為0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、3.2mm、6.4mm等等。一般面積小的板厚相對較薄，經常插拔、安裝應力較大、面積大的板子，從結構可靠性角度需要做厚一些。
PCB疊層設計一般遵循以下步驟：
1.確定層疊的總厚度，即板厚；
2.確定PCB層數，并分配信號層、地平面層和電源層；
3.確定內層和外層的銅厚；
4.確定阻抗線的分布；
5.確定過孔結構；
6.確定每層的殘銅率，最好要對稱；
7.選擇滿足設計要求的板材、PP和銅箔材料。
來源：硬十
