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什么是PCB疊層？

 

一般情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)普通單、雙面板時(shí)，無需考慮PCB的疊層問題，通常直接選擇銅厚和板厚符合設(shè)計(jì)要求的覆銅板直接加工。但設(shè)計(jì)4層以上的PCB時(shí)，疊層設(shè)計(jì)直接影響PCB的性能和價(jià)格。

 

16層板的疊層設(shè)計(jì)

 

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(shè)計(jì)組合，經(jīng)過壓合制成。

PP半固化片（Prepreg），也叫預(yù)浸料，是一種在電子工業(yè)尤其是印制電路板（PCB）制造領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用的材料，以下是關(guān)于它的詳細(xì)介紹：

 

基本構(gòu)成與特性

 

- 成分組成：

 

它主要由增強(qiáng)材料（常用的如玻璃纖維布等）浸漬環(huán)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(jī)械強(qiáng)度支撐，而樹脂體系則在后續(xù)加工過程中起到粘結(jié)、絕緣以及固化成型等重要作用。

 

- 狀態(tài)特點(diǎn)：

 

處于半固化狀態(tài)，有一定的黏性和柔韌性。在常溫下能夠保持穩(wěn)定的形態(tài)，方便進(jìn)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(jié)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(jié)與絕緣：

 

在多層PCB的生產(chǎn)中，需要將不同的導(dǎo)電層（比如內(nèi)層的銅箔線路層等）按照設(shè)計(jì)要求分隔開并牢固地粘結(jié)在一起，PP半固化片就夾在這些導(dǎo)電層之間，通過加熱、加壓等工藝固化后，能將各層緊密粘結(jié)，同時(shí)保證各層之間良好的絕緣性能，避免出現(xiàn)短路等電氣故障。

 

- 控制板厚與介電常數(shù)：

 

不同規(guī)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(chǎn)品對(duì)PCB尺寸規(guī)格的嚴(yán)格要求。而且其樹脂體系的介電常數(shù)等電學(xué)性能穩(wěn)定，有助于保障PCB在高頻信號(hào)傳輸?shù)葢?yīng)用場(chǎng)景下的電氣性能，減少信號(hào)傳輸損耗和干擾。

 

加工工藝相關(guān)情況

 

- 加工過程：

 

在PCB制造流程中，先是根據(jù)設(shè)計(jì)的層數(shù)和各層布局，將裁剪好合適尺寸的PP半固化片與內(nèi)層線路板、外層銅箔等按順序疊放好，然后放置到熱壓機(jī)等專用設(shè)備中，經(jīng)過一定溫度（通常為150℃-200℃左右）、壓力（根據(jù)板材尺寸等因素有所不同）以及時(shí)間（一般數(shù)小時(shí)）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(jié)構(gòu)。

 

- 質(zhì)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(zhì)量以及儲(chǔ)存條件等都會(huì)影響其加工后的性能和最終PCB的品質(zhì)。例如，如果樹脂含量不均勻，可能導(dǎo)致固化后PCB不同區(qū)域的厚度、電氣性能出現(xiàn)差異；儲(chǔ)存時(shí)若環(huán)境溫濕度不合適或者超出保質(zhì)期，其黏性、固化特性等也會(huì)改變，進(jìn)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(chǔ)材料，對(duì)保障PCB的機(jī)械性能、電氣性能以及整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面都有著至關(guān)重要的作用。

 

在PCB開始設(shè)計(jì)之前，Layout工程師會(huì)根據(jù)電路板的尺寸、電路的規(guī)模和電磁兼容（EMC）的要求確定PCB的層數(shù)，然后確定元器件的布局，最后確認(rèn)信號(hào)層、電源層和地層的劃分。

 

Core（覆銅芯板）

 

- 結(jié)構(gòu)分層：

 

覆銅芯板主要由三部分構(gòu)成，分別是絕緣基材層、金屬銅箔層以及兩者之間起到粘結(jié)作用的粘結(jié)劑層（在部分制作工藝中粘結(jié)功能由絕緣基材本身含有的樹脂成分實(shí)現(xiàn)）。絕緣基材常見的有環(huán)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(qiáng)環(huán)氧樹脂基材應(yīng)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(guī)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(jī)械支撐強(qiáng)度，確保各線路之間不會(huì)出現(xiàn)短路等問題，同時(shí)能讓PCB板在使用、安裝等過程中維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。銅箔層則是用來通過蝕刻等后續(xù)加工工藝形成所需要的導(dǎo)電線路圖案，承載和傳導(dǎo)電子信號(hào)以及電流，實(shí)現(xiàn)電路的連接功能，粘結(jié)劑保證銅箔能牢固地附著在絕緣基材上，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)成為一體。

 

分類方式及常見類型

 

- 按基材材質(zhì)分類：

 

- 紙基覆銅板：以浸漬纖維紙作為絕緣基材，成本相對(duì)較低，主要應(yīng)用于一些對(duì)性能要求不那么高的民用電子產(chǎn)品中，比如普通的收音機(jī)、玩具電路板等，不過其耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度等性能指標(biāo)相對(duì)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(yōu)良，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較好的耐熱性以及尺寸穩(wěn)定性，是目前在電腦主板、手機(jī)主板等絕大多數(shù)中高端電子產(chǎn)品PCB制造中廣泛應(yīng)用的類型。

 

- 復(fù)合基覆銅板：結(jié)合了紙基和玻璃纖維布基的特點(diǎn)，兼顧了一定成本優(yōu)勢(shì)和較好的性能，適用于一些對(duì)性能有一定要求但又需考慮成本控制的電子產(chǎn)品領(lǐng)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(shí)，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(duì)防火安全有要求的電子設(shè)備、電器中被優(yōu)先選用。

 

- 非阻燃型覆銅板：沒有添加特殊阻燃成分，相對(duì)來說成本可能稍低一點(diǎn)，但使用場(chǎng)合受到更多限制，主要用于一些基本不存在燃燒風(fēng)險(xiǎn)的特定封閉環(huán)境等的電子產(chǎn)品中。

 

性能參數(shù)與影響

 

- 介電常數(shù)：

 

反映了材料在電場(chǎng)作用下儲(chǔ)存電能的能力，覆銅芯板的介電常數(shù)會(huì)影響信號(hào)傳輸速度和信號(hào)完整性。較低介電常數(shù)的覆銅板有利于高頻高速信號(hào)的快速傳輸，減少信號(hào)延遲和失真，所以在5G通信、高速計(jì)算機(jī)等對(duì)高頻信號(hào)處理要求高的領(lǐng)域，需要選用介電常數(shù)適配的低介電覆銅板產(chǎn)品。

 

- 熱膨脹系數(shù)：

 

它關(guān)系到覆銅板在溫度變化環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性。如果熱膨脹系數(shù)過大，在經(jīng)歷溫度波動(dòng)時(shí)，比如電子產(chǎn)品工作過程中發(fā)熱、冷卻的循環(huán)，PCB板可能出現(xiàn)翹曲變形等問題，進(jìn)而影響焊接點(diǎn)可靠性、線路連接等，因此像航空航天等對(duì)溫度適應(yīng)性要求嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)覆銅板的熱膨脹系數(shù)控制要求很高。

 

- 銅箔剝離強(qiáng)度：

 

體現(xiàn)銅箔與絕緣基材之間粘結(jié)的牢固程度，足夠高的剝離強(qiáng)度才能保證在PCB加工、使用過程中銅箔不會(huì)輕易從基材上剝落，保障線路的長期穩(wěn)定性，像在有頻繁振動(dòng)、沖擊等惡劣使用條件的工業(yè)控制電路板等應(yīng)用場(chǎng)景下，對(duì)這一指標(biāo)要求較為突出。

 

PCB疊層設(shè)計(jì)原則

 

PCB疊層需要從層數(shù)、信號(hào)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(cè)試性等多方面考慮。

滿足高速信號(hào)布線的信號(hào)完整性要求

 

對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)線，需要構(gòu)建GND/Signal/GND的疊層組合，相鄰信號(hào)層的帶狀線，交叉垂直布線，以最小化串?dāng)_耦合。從信號(hào)完整性的角度來講，關(guān)鍵高速信號(hào)使用帶狀線（Stripline）布線，非關(guān)鍵高速信號(hào)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(huì)造成重疊錯(cuò)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(shù)PCB的需求，價(jià)格便宜而且電氣性能良好，高速PCB會(huì)選用高速板材，比如松下的Megtron4/6等，射頻PCB會(huì)選用 碳?xì)洹eflon或者陶瓷基板。如汽車燈板等對(duì)散熱要求高的設(shè)計(jì)場(chǎng)景，會(huì)選用鋁基或者銅基板材，在Mini LED等顯示場(chǎng)景會(huì)使用玻璃基板材。

 

板材的關(guān)鍵性能指標(biāo)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(shù)的介電材料，高速PCB的設(shè)計(jì)需要特別注意材料明細(xì)，包括玻璃纖維(Fiberglass)，電介質(zhì)矩陣(Dielectric Matrix)和銅(Copper)。在較高數(shù)據(jù)速率下的信號(hào)具有較高的頻率單元，波長更短，阻抗不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生更多反射。需要考慮玻纖效應(yīng)和銅箔表面粗糙度的影響。

 

 

不同型號(hào)板材對(duì)信號(hào)的衰減

 

在上圖中，Typical FR4在28Gbps時(shí)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(yīng)

 

不同的玻纖對(duì)應(yīng)的編織粗細(xì)不一樣，開窗和交織的厚度也不一樣，如果信號(hào)分別布在開窗上和玻纖上所表現(xiàn)的特性(阻抗、時(shí)延、損耗)也不一樣（開窗和玻纖Dk/Df特性不一樣導(dǎo)致的），這就是玻纖效應(yīng)。

 

芯板（Core）的制造過程

 

玻纖布的類型

 

緩解玻纖效應(yīng)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(shí)候讓板廠旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致阻抗不可控，同時(shí)由于趨膚效應(yīng)，電流集中在導(dǎo)體的表層，銅箔的表面粗糙度影響信號(hào)傳輸?shù)拈L度。

 

不同等級(jí)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(hào)的設(shè)計(jì)時(shí)尤其需要重視。

 

銅箔粗糙度對(duì)高速信號(hào)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(gè)尺寸，0.5oz（內(nèi)層）、1oz（表層）和2oz，主要用在消費(fèi)和通訊類產(chǎn)品上。3oz以上屬于厚銅，常用于高壓、大電流的電力電子產(chǎn)品。

 

疊層設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于信號(hào)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(hào)線由于趨膚效應(yīng)的影響，電流只在銅箔表面附近流動(dòng)，更厚的銅箔并不會(huì)帶來更好的性能。所以內(nèi)層信號(hào)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(hào)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真、反射和輻射等信號(hào)完整性問題，影響PCB的性能。走線的銅厚、介電常數(shù)、線寬、線距都會(huì)影響阻抗。我們可以根據(jù)各種EDA工具去計(jì)算阻抗，然后按照設(shè)計(jì)的疊層結(jié)構(gòu)，去調(diào)整走線的參數(shù)。目前常規(guī)的板廠都可以把阻抗控制在10%。

 

使用Polar來計(jì)算疊層阻抗

 

疊層的孔結(jié)構(gòu)

 

PCB中孔的類型

 

通孔（PTH）貫穿整個(gè)PCB可以連接所有層。盲孔（Blind Via）可以將外層連接至一個(gè)或多個(gè)內(nèi)層，但不穿過PCB。埋孔（Buried Via）只連接PCB的內(nèi)層。

 

高密度（HDI）PCB經(jīng)常會(huì)使用盲孔和埋孔來優(yōu)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(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)需要來設(shè)計(jì)整板的孔結(jié)構(gòu)，在滿足設(shè)計(jì)的前提下，盡量簡化孔的結(jié)構(gòu)。

 

PCB疊層的EMC設(shè)計(jì)

 

PCB疊層EMC設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下原則：

 

板內(nèi)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(shè)計(jì)可以有效利用層間電容作為電源的平滑電容，同時(shí)接地平面對(duì)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(nèi)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(yīng)盡量安排與電源或地平面相鄰以產(chǎn)生通量對(duì)消作用。

 

PCB疊層的熱設(shè)計(jì)

 

PCB疊層設(shè)計(jì)需要考慮熱管理，保證元器件散發(fā)的熱量有效傳導(dǎo)出去，防止熱損壞提高電路可靠性。在設(shè)計(jì)流程中，我們會(huì)先根據(jù)元器件功耗進(jìn)行熱仿真，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化元器件布局和設(shè)計(jì)相應(yīng)的散熱方案。

 

在疊層設(shè)計(jì)階段，也可以針對(duì)性做散熱設(shè)計(jì)：

 

優(yōu)先選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的板材，按需選擇金屬基板；

 

大功率器件下方設(shè)計(jì)散熱焊盤，使用散熱孔；

 

埋銅塊，嵌銅柱，提高熱傳導(dǎo)效率；

 

增加地平面，空白區(qū)域鋪地，增大散熱面積。

 

板厚控制

 

常規(guī)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(duì)較薄，經(jīng)常插拔、安裝應(yīng)力較大、面積大的板子，從結(jié)構(gòu)可靠性角度需要做厚一些。

 

PCB疊層設(shè)計(jì)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(shù)，并分配信號(hào)層、地平面層和電源層；

 

3.確定內(nèi)層和外層的銅厚；

 

4.確定阻抗線的分布；

 

5.確定過孔結(jié)構(gòu)；

 

6.確定每層的殘銅率，最好要對(duì)稱；

 

7.選擇滿足設(shè)計(jì)要求的板材、PP和銅箔材料。