設(shè)計多層 PCB 電路板之前，設(shè)計者需要首先根據(jù)電路的規(guī)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(jié)構(gòu)，也就是決定采用 4 層，6 層，還是更多層數(shù)的電路板。確定層數(shù)之后，再確定內(nèi)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(jié)構(gòu)的選擇問題。層疊結(jié)構(gòu)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。本節(jié)將介紹多層 PCB 板層疊結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容。

11.1.1 層數(shù)的選擇和疊加原則

確定多層 PCB 板的層疊結(jié)構(gòu)需要考慮較多的因素。從布線方面來說，層數(shù)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(chǎn)廠家來說，層疊結(jié)構(gòu)對稱與否是 PCB 板制造時需要關(guān)注的焦點，所以層數(shù)的選擇需要考慮各方面的需求，以達到最佳的平衡。

對于有經(jīng)驗的設(shè)計人員來說，在完成元器件的預(yù)布局后，會對 PCB 的布線瓶頸處進行重點分析。結(jié)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(shù)量和種類來確定信號層的層數(shù)；然后根據(jù)電源的種類、隔離和抗干擾的要求來確定內(nèi)電層的數(shù)目。這樣，整個電路板的板層數(shù)目就基本確定了。

確定了電路板的層數(shù)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(shù)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最優(yōu)也越困難，但總的原則有以下幾條。

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

（2）內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合，也就是說，內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度應(yīng)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(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)厚度可以在 Protel 的 Layer Stack Manager（層堆棧管理器）中進行設(shè)置。選擇【Design】/【Layer Stack Manager…】命令，系統(tǒng)彈出層堆棧管理器對話框，用鼠標(biāo)雙擊 Prepreg 文本，彈出如圖 11-1 所示對話框，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(yīng)該是信號中間層，并且夾在兩個內(nèi)電層之間。這樣兩個內(nèi)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(nèi)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?dāng)_，從而導(dǎo)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?dāng)_。

（5）多個接地的內(nèi)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(jié)構(gòu)的對稱性。

11.1.2 常用的層疊結(jié)構(gòu)

下面通過 4 層板的例子來說明如何優(yōu)選各種層疊結(jié)構(gòu)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(yīng)該被采用。

那么方案 1 和方案 2 應(yīng)該如何進行選擇呢？一般情況下，設(shè)計人員都會選擇方案 1 作為 4 層板的結(jié)構(gòu)。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(dāng)。但是當(dāng)在頂層和底層都需要放置元器件，而且內(nèi)部電源層和地層之間的介質(zhì)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(yīng)該選用方案 2 來制板。

如果采用如圖 11-1 所示的層疊結(jié)構(gòu)，那么電源層和地線層本身就已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的排列組合方式和優(yōu)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(nèi)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(xiàn)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(fā)生串?dāng)_。

（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(yōu)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(fā)生串?dāng)_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(nèi)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(nèi)電層直接相鄰，與其他信號層均有有效的隔離，不易發(fā)生串?dāng)_。
③ Siganl_2（Inner_2）和兩個內(nèi)電層 GND（Inner_1）和 POWER（Inner_3）相鄰，可以用來傳輸高速信號。兩個內(nèi)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 顯然是最優(yōu)化的一種，同時，方案 3 也是 6 層板常用的層疊結(jié)構(gòu)。
通過對以上兩個例子的分析，相信讀者已經(jīng)對層疊結(jié)構(gòu)有了一定的認(rèn)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(shè)計原則的優(yōu)先級問題。遺憾的是由于

電路板的板層設(shè)計和實際電路的特點密切相關(guān)，不同電路的抗干擾性能和設(shè)計側(cè)重點各有所不同，所以事實上這些原則并沒有確定的優(yōu)先級可供參考。但可以確定的是，設(shè)計原則 2（內(nèi)部電源層和地層之間應(yīng)該緊密耦合）在設(shè)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(shè)計原則 3（電路中的高速信號傳輸層應(yīng)該是信號中間層，并且夾在兩個內(nèi)電層之間）就必須得到滿足。表 11-1 給出了多層板層疊結(jié)構(gòu)的參考方案，供讀者參考。

11.2.1 元器件布局的一般原則

設(shè)計人員在電路板布局過程中需要遵循的一般原則如下。

（1）元器件最好單面放置。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）最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(yīng)當(dāng)利用接口元器件的 String（字符串）清晰地標(biāo)明接口的種類；對于電源類接口，應(yīng)當(dāng)標(biāo)明電壓等級，防止因接線錯誤導(dǎo)致電路板燒毀。

（3）高壓元器件和低壓元器件之間最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(guān)系密切的元器件最好放置在一起。這就是模塊化的布局思想。

（5）對于易產(chǎn)生噪聲的元器件，例如時鐘發(fā)生器和晶振等高頻器件，在放置的時候應(yīng)當(dāng)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(guān)電路也容易產(chǎn)生噪聲，在布局的時候這些元器件或模塊也應(yīng)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(jié)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(zhì)量，提高抗干擾能力的一項重要措施。在實際應(yīng)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(dǎo)致電源波形和信號波形中出現(xiàn)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(yīng)該將貼片電容緊靠元器件的電源引腳。對于電源轉(zhuǎn)換芯片，或者電源輸入端，最好是布置一個 10?F 或者更大的電容，以進一步改善電源質(zhì)量。

（7）元器件的編號應(yīng)該緊靠元器件的邊框布置，大小統(tǒng)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(biāo)志應(yīng)該在 PCB 上明顯標(biāo)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(guān)電源）旁應(yīng)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。

11.2.2 元器件布線的一般原則

設(shè)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(shè)置原則。不同網(wǎng)絡(luò)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(shè)置為 10mil，設(shè)計人員需要給該芯片單獨設(shè)置一個 6mil 的設(shè)計規(guī)則。同時，間距的設(shè)置還要考慮到生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)的電位差較大，就需要考慮電氣絕緣問題。一般環(huán)境中的間隙安全電壓為 200V/mm，也就是 5.08V/mil。所以當(dāng)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(shè)計時需要設(shè)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，最好采用圓弧過渡或 45°過渡，避免采用 90°或者更加尖銳的拐角過渡。

導(dǎo)線和焊盤之間的連接處也要盡量圓滑，避免出現(xiàn)小的尖腳，可以采用補淚滴的方法來解決。當(dāng)焊盤之間的中心距離小于一個焊盤的外徑 D 時，導(dǎo)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(dǎo)線的寬度就不宜大于焊盤的直徑。

導(dǎo)線通過兩個焊盤之間而不與其連通的時候，應(yīng)該與它們保持最大且相等的間距，同樣導(dǎo)線和導(dǎo)線之間的間距也應(yīng)該均勻相等并保持最大。

（3）印制走線寬度的確定方法。走線寬度是由導(dǎo)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(yīng)該越寬。一般電源線就應(yīng)該比信號線寬。為了保證地電位的穩(wěn)定（受地電流大小變化影響?。?，地線也應(yīng)該較寬。實驗證明：當(dāng)印制導(dǎo)線的銅膜厚度為 0.05mm 時，印制導(dǎo)線的載流量可以按照 20A/mm2 進行計算，即 0.05mm 厚，1mm 寬的導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)，應(yīng)該采用盡可能寬的導(dǎo)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(wěn)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(dǎo)線的抗干擾和電磁屏蔽。導(dǎo)線上的干擾主要有導(dǎo)線之間引入的干擾、電源線引入的干擾和信號線之間的串?dāng)_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(shè)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(dāng)于加一層接地屏蔽層）。

對于模擬地和數(shù)字地要分開布線，不能混用。如果需要最后將模擬地和數(shù)字地統(tǒng)一為一個電位，則通常應(yīng)該采用一點接地的方式，也就是只選取一點將模擬地和數(shù)字地連接起來，防止構(gòu)成地線環(huán)路，造成地電位偏移。

完成布線后，應(yīng)在頂層和底層沒有鋪設(shè)導(dǎo)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(yīng)盡可能減少過孔的數(shù)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?qū)е履承┐┩甘降倪^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(dāng)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一，布局布線的結(jié)果很大程度上還是取決于設(shè)計人員的經(jīng)驗和思路。可以說，沒有一個標(biāo)準(zhǔn)可以評判布局和布線方案的對與錯，只能比較相對的優(yōu)和劣。所以以上布局和布線原則僅作為設(shè)計參考，實踐才是評判優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

11.2.3 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(nèi)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(dāng)電路原理圖上有+3.3V、+5V、?5V、+15V、?15V 等多個電壓等級時，設(shè)計人員應(yīng)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(qū)域。當(dāng)然這個布局原則并不是布局的唯一標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計人員根據(jù)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(chǔ)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(nèi)電層來實現(xiàn)。這樣做的好處是可以簡化信號層的走線，并且通過內(nèi)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(nèi)阻，提高電路的抗干擾能力；同時，大面積銅膜所允許通過的最大電流也加大了。

一般情況下，設(shè)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(jié)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(nèi)電層，確定內(nèi)電層各部分的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，最后通過內(nèi)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(nèi)電層時，與其具有相同網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的焊盤或過孔會通過一些未被腐蝕的銅膜連接到內(nèi)電層，而不屬于該網(wǎng)絡(luò)的焊盤周圍的銅膜會被完全腐蝕掉，也就是說不會與該內(nèi)電層導(dǎo)通。

11.3 中間層創(chuàng)建與設(shè)置

中間層，就是在 PCB 板頂層和底層之間的層，其結(jié)構(gòu)參見圖 11-1，讀者可以參考圖中的標(biāo)注進行理解。那中間層在制作過程中是如何實現(xiàn)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圖紙中的導(dǎo)線連接關(guān)系轉(zhuǎn)換到印制板的板材上（對圖紙中的印制導(dǎo)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(xué)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，最后完成鉆孔，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(dǎo)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(yīng)用中，多層 PCB 板對手工布線提出了更高的要求，使得設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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。

11.3.1 中間層的創(chuàng)建

Protel 系統(tǒng)中提供了專門的層設(shè)置和管理工具—Layer Stack Manager（層堆棧管理器）。這個工具可以幫助設(shè)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，彈出如圖 11-2 所示的層堆棧管理器屬性設(shè)置對話框。

上圖所示的是一個 4 層 PCB 板的層堆棧管理器界面。除了頂層（TopLayer）和底層（BottomLayer）外，還有兩個內(nèi)部電源層（Power）和接地層（GND），這些層的位置在圖中都有清晰的顯示。雙擊層的名稱或者單擊 Properties 按鈕可以彈出層屬性設(shè)置對話框，如圖 11-3 所示。

在該對話框中有 3 個選項可以設(shè)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(rèn)值為 1.4mil。銅膜越厚則相同寬度的導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)。本選項只能用于設(shè)置內(nèi)電層，信號層沒有該選項。如果該內(nèi)電層只有一個網(wǎng)絡(luò)例如“+5V”，那么可以在此處指定網(wǎng)絡(luò)名稱；但是如果內(nèi)電層需要被分割為幾個不同的區(qū)域，那么就不要在此處指定網(wǎng)絡(luò)名稱。

在層間還有絕緣材質(zhì)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(zhì)。兩者的屬性設(shè)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(shè)置對話框。如圖 11-4 所示。

絕緣層的厚度和層間耐壓、信號耦合等因素有關(guān)，在前面的層數(shù)選擇和疊加原則中已經(jīng)介紹過。如果沒有特殊的要求，一般選擇默認(rèn)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。點擊圖 11-2 左上角的 Top Dielectric（頂層絕緣層）或 Bottom Dielectric（底層絕緣層）前的選擇框選擇是否顯示絕緣層，單擊旁邊的按鈕可以設(shè)置絕緣層的屬性。

在頂層和底層絕緣層設(shè)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(nèi)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，所以如圖 11-5 所示的“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(nèi)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(rèn)的 Layer Pairs（層成對）模式。

在圖 11-2 所示的層堆棧管理器屬性設(shè)置對話框右側(cè)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(yīng)該首先選擇 GND 層，如圖 11-6 所示。單擊 Add Layer 按鈕，則會在 GND 層下添加一個信號層，如圖 11-7 所示，其默認(rèn)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(shè)置該層屬性。

（2）Add Plane：添加內(nèi)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(nèi)電層的位置，然后單擊該按鈕，則在指定層的下方添加內(nèi)電層，其默認(rèn)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(shè)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(nèi)電層均能夠被刪除，但是已經(jīng)布線的中間信號層和已經(jīng)被分割的內(nèi)電層不能被刪除。選擇需要刪除的層，單擊該按鈕，彈出如圖 11-8 所示的對話框，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(nèi)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，彈出類似圖 11-3 所示的層屬性設(shè)置對話框。

11.3.2 中間層的設(shè)置

完成層堆棧管理器的相關(guān)設(shè)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(guān)的操作。在對中間層進行操作時，需要首先設(shè)置中間層在 PCB 編輯界面中是否顯示。選擇【Design】/【Options…】命令，彈出如圖 11-9 所示的選項設(shè)置對話框，在 Internal planes 下方的內(nèi)電層選項上打勾，顯示內(nèi)電層。

在完成設(shè)置后，就可以在 PCB 編輯環(huán)境的下方看到顯示的層了，如圖 11-10 所示。用鼠標(biāo)單擊電路板板層標(biāo)簽即可切換不同的層以進行操作。如果不習(xí)慣系統(tǒng)默認(rèn)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(guān)內(nèi)容在第 8 章已有介紹，供讀者參考。

11.4 內(nèi)電層設(shè)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(yōu)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(nèi)電層為一銅膜層，該銅膜被分割為幾個相互隔離的區(qū)域，每個區(qū)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(wǎng)絡(luò)的走線，同時可以有效減小電源內(nèi)阻。

11.4.1 內(nèi)電層設(shè)計相關(guān)設(shè)置

內(nèi)電層通常為整片銅膜，與該銅膜具有相同網(wǎng)絡(luò)名稱的焊盤在通過內(nèi)電層的時候系統(tǒng)會自動將其與銅膜連接起來。焊盤 / 過孔與內(nèi)電層的連接形式以及銅膜和其他不屬于該網(wǎng)絡(luò)的焊盤的安全間距都可以在 Power Plane Clearance 選項中設(shè)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(nèi)電層相關(guān)，其內(nèi)容介紹如下。

1．Power Plane Clearance

該規(guī)則用于設(shè)置內(nèi)電層安全間距，主要指與該內(nèi)電層沒有網(wǎng)絡(luò)連接的焊盤和過孔與該內(nèi)電層的安全間距，如圖 11-11 所示。在制造的時候，與該內(nèi)電層沒有網(wǎng)絡(luò)連接的焊盤在通過內(nèi)電層時其周圍的銅膜就會被腐蝕掉，腐蝕的圓環(huán)的尺寸即為該約束中設(shè)置的數(shù)值。

2．Power Plane Connect Style

該規(guī)則用于設(shè)置焊盤與內(nèi)電層的形式。主要指與該內(nèi)電層有網(wǎng)絡(luò)連接的焊盤和過孔與該內(nèi)電層連接時的形式。如圖 11-12 所示。

單擊 Properties（屬性）按鈕，彈出其規(guī)則設(shè)置對話框，如圖 11-13 所示。對話框左側(cè)為規(guī)則的適用范圍，在右側(cè)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(nèi)電層的時候不把周圍的銅膜腐蝕掉，焊盤和內(nèi)電層銅膜直接連接；No connect 指沒有連接，即與該銅膜網(wǎng)絡(luò)同名的焊盤不會被連接到內(nèi)電層；設(shè)計人員一般采用系統(tǒng)默認(rèn)的 Relief Connect 連接形式，該規(guī)則的設(shè)置對話框如圖 11-13 所示。

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

11.4.2 內(nèi)電層分割方法

在本章的前幾節(jié)已經(jīng)介紹了多層板的層疊結(jié)構(gòu)的選擇，內(nèi)電層的建立和相關(guān)的設(shè)置，在本小節(jié)中將主要介紹多層板內(nèi)電層的分割方法和步驟，供讀者參考。

（1）在分割內(nèi)電層之前，首先需要定義一個內(nèi)電層，這在前面的章節(jié)中已經(jīng)有了介紹，本處不再贅述。選擇【Design】/【Split Planes…】命令，彈出如圖 11-14 所示的內(nèi)電層分割對話框。該對話框中的 Current split planes 欄中指內(nèi)電層已經(jīng)分割的區(qū)域。在本例中，內(nèi)電層尚未被分割，所以圖 11-14 所示的 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(qū)域，編輯選中的網(wǎng)絡(luò)和刪除選中的網(wǎng)絡(luò)。按鈕下方的 Show Selected Split Plane View 選項用于設(shè)置是否顯示當(dāng)前選擇的內(nèi)電層分割區(qū)域的示意圖。如果選擇該選項，則在其下方的框中將顯示內(nèi)電層中該區(qū)域所劃分網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的縮略圖，其中與該內(nèi)電層網(wǎng)絡(luò)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(nèi)電層的時候已經(jīng)給該內(nèi)電層指定了網(wǎng)絡(luò)，則在該選項上方的方框中顯示與該網(wǎng)絡(luò)同名的連線和引腳情況。

（2）單擊 Add 按鈕，彈出如圖 11-15 所示的內(nèi)電層分割設(shè)置對話框。

在如圖 11-15 所示的對話框中，Track Width 用于設(shè)置繪制邊框時的線寬，同時也是同一內(nèi)電層上不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域之間的絕緣間距，所以通常將 Track Width 設(shè)置的比較大。建議讀者在輸入數(shù)值時也要輸入單位。如果在該處只輸入數(shù)字，不輸入單位，那么系統(tǒng)將默認(rèn)使用當(dāng)前 PCB 編輯器中的單位。

Layer 選項用于設(shè)置指定分割的內(nèi)電層，此處可以選擇 Power 和 GND 內(nèi)電層。本例中有多種電壓等級存在，所以需要分割 Power 內(nèi)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(qū)域所連接的網(wǎng)絡(luò)。通常內(nèi)電層用于電源和地網(wǎng)絡(luò)的布置，但是在 Connect to Net 下拉列表中可以看到，可以將內(nèi)層的整片網(wǎng)絡(luò)連接到信號網(wǎng)絡(luò)，用于信號傳輸，只是一般設(shè)計者不這樣處理。信號所要求的信號電壓和電流弱，對導(dǎo)線要求小，而電源電流大，需要更小的等效內(nèi)阻。所以一般信號在信號層走線，內(nèi)電層專用于電源和地網(wǎng)絡(luò)連線。

（3）單擊圖 11-15 內(nèi)電層分割設(shè)置對話框中的 OK 按鈕，進入網(wǎng)絡(luò)區(qū)域邊框繪制 狀態(tài)。

在繪制內(nèi)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(dāng)前所編輯的內(nèi)電層，方便進行邊框的繪制。選擇【Tools】/【Preferences…】命令，彈出如圖 11-16 所示的對話框。選擇 Display 選項，再選擇 Single Layer Mode 復(fù)選框，如圖 11-16 所示。這樣，除了當(dāng)前工作層 Power 之外，其余層都被隱藏起來了，顯示效果如圖 11-17 所示。

在分割內(nèi)電層時，因為分割的區(qū)域?qū)⑺性摼W(wǎng)絡(luò)的引腳和焊盤都包含在內(nèi)，所以用戶通常需要知道與該電源網(wǎng)絡(luò)同名的引腳和焊盤的分布情況，以便進行分割。在左側(cè) Browse PCB 工具中選擇 VCC 網(wǎng)絡(luò)（如圖 11-18 所示），單擊 Select 按鈕將該網(wǎng)絡(luò)點亮選取。

圖 11-19 所示為將 VCC 網(wǎng)絡(luò)點亮選取后，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為 VCC 的焊盤和引腳與其他網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的焊盤和引腳的對比。

選擇了這些同名的網(wǎng)絡(luò)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(qū)域中去。此時這些電源網(wǎng)絡(luò)就可以不通過信號層連線而是直接通過焊盤連接到內(nèi)電層。

（4）繪制內(nèi)電層分割區(qū)域。

選擇【Design】/【Split Planes…】命令，彈出如圖 11-14 所示的內(nèi)電層分割對話框，單擊 Add 按鈕，彈出如圖 11-15 所示的內(nèi)電層分割設(shè)置對話框。首先選擇 12V 網(wǎng)絡(luò)，單擊 OK 按鈕，光標(biāo)變?yōu)槭譅?，此時就可以在內(nèi)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(nèi)電層的屬性。在繪制完一個封閉的區(qū)域后（起點和終點重合），系統(tǒng)自動彈出如圖 11-20 所示的內(nèi)電層分割對話框，在該對話框中可以看到一個已經(jīng)被分割的區(qū)域，在 PCB 編輯界面中顯示如圖 11-21 所示。

在添加完內(nèi)電層后，放大某個 12V 焊盤，可以看到該焊盤沒有與導(dǎo)線相連接（如圖 11-22（a）所示），但是在焊盤上出現(xiàn)了一個“+”字標(biāo)識，表示該焊盤已經(jīng)和內(nèi)電層連接。

將當(dāng)前工作層切換到 Power 層，可以看到該焊盤在內(nèi)電層的連接狀態(tài)。由于內(nèi)電層通常是整片銅膜，所以圖 11-22（b）中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(nèi)電層是絕緣的。

在內(nèi)電層添加了 12V 區(qū)域后，還可以根據(jù)實際需要添加別的網(wǎng)絡(luò)，就是說將整個 Power 內(nèi)電層分割為幾個不同的相互隔離的區(qū)域，每個區(qū)域連接不同的電源網(wǎng)絡(luò)。最后完成效果如圖 11-23 所示。

在完成內(nèi)電層的分割之后，可以在如圖 11-20 所示的對話框中編輯和刪除已放置的內(nèi)電層網(wǎng)絡(luò)。單擊 Edit 按鈕可以彈出如圖 11-15 所示的內(nèi)電層屬性對話框，在該對話框中可以修改邊界線寬、內(nèi)電層層面和連接的網(wǎng)絡(luò)，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(nèi)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，如圖 11-24 所示。完成后在彈出的確認(rèn)對話框中單擊 Yes 按鈕即可完成重繪。

11.4.3 內(nèi)電層分割基本原則

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

（1）在同一個內(nèi)電層中繪制不同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域邊界時，這些區(qū)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(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的銅膜給分割開來了，如圖 11-25 所示。這樣既能充分利用內(nèi)電層的銅膜區(qū)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(qū)域的焊盤，如圖 11-26 所示。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(xiàn)因為制作工藝的原因?qū)е潞副P與內(nèi)電層連接出現(xiàn)問題。所以在 PCB 設(shè)計時要盡量保證邊界不通過具有相同網(wǎng)絡(luò)名稱的焊盤。

（3）在繪制內(nèi)電層邊界時，如果由于客觀原因無法將同一網(wǎng)絡(luò)的所有焊盤都包含在內(nèi)，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(yīng)用中，應(yīng)該盡量避免這種情況的出現(xiàn)。因為如果采用信號層走線的方式將這些焊盤與內(nèi)電層連接，就相當(dāng)于將一個較大的電阻（信號層走線電阻）和較小的電阻（內(nèi)電層銅膜電阻）串聯(lián)，而采用多層板的重要優(yōu)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(dǎo)致的地電位偏移，提高抗干擾性能。所以在實際設(shè)計中，應(yīng)該盡量避免通過導(dǎo)線連接電源網(wǎng)絡(luò)。

（4）將地網(wǎng)絡(luò)和電源網(wǎng)絡(luò)分布在不同的內(nèi)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(nèi)電層，也可以從引腳處引出一段很短的導(dǎo)線（引線應(yīng)該盡量粗短，以減小線路阻抗），并且在導(dǎo)線的末端放置焊盤和過孔來連接，如圖 11-27 所示。

（6）關(guān)于去耦電容的放置。前面提到在芯片的附近應(yīng)該放置 0.01μF 的去耦電容，對于電源類的芯片，還應(yīng)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(dǎo)線連接到芯片的引腳上，再通過焊盤連接到內(nèi)電層。

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

11.5 多層板設(shè)計原則匯總

在本章及前面幾章的介紹中，我們已經(jīng)強調(diào)了一些關(guān)于 PCB 設(shè)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(shè)計時參考，也可以作為設(shè)計完成后檢查時參考的依據(jù)。

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(yīng)該在 PCB 元器件庫中和 PCB 板上標(biāo)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(yīng)當(dāng)一致，例如在前面章節(jié)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(yīng)當(dāng)將散熱片尺寸考慮在內(nèi)，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(nèi)徑要匹配，焊盤的內(nèi)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(yīng)該盡量靠近布置。

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

（3）接口元器件應(yīng)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(yīng)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(wěn)壓管等）應(yīng)該留有足夠的散熱空間。

（5）元器件的引腳或參考點應(yīng)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）元器件的第一引腳或者標(biāo)識方向的標(biāo)志應(yīng)該在 PCB 上標(biāo)明，不能被元器件覆蓋。

（8）元器件的標(biāo)號應(yīng)該緊靠元器件邊框，大小統(tǒng)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(qū)域。

3．PCB 布線要求

（1）不同電壓等級電源應(yīng)該隔離，電源走線不應(yīng)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(dǎo)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(huán)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(yīng)該大于 10mil，電源線之間間距應(yīng)該大于 20mil。
（9）大電流信號線線寬應(yīng)該大于 40mil，間距應(yīng)該大于 30mil。
（10）過孔最小尺寸優(yōu)選外徑 40mil，內(nèi)徑 28mil。在頂層和底層之間用導(dǎo)線連接時，優(yōu)選焊盤。
（11）不允許在內(nèi)電層上布置信號線。
（12）內(nèi)電層不同區(qū)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(qū)域的焊盤。
（14）在頂層和底層鋪設(shè)敷銅，建議設(shè)置線寬值大于網(wǎng)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(shè)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(yīng)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(yīng)該與內(nèi)電層相鄰，不應(yīng)直接與其他信號層相鄰。
（3）將數(shù)字電路和模擬電路隔離。如果條件允許，將模擬信號線和數(shù)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(shù)字電路的電源和地應(yīng)該相互隔離，不能混用。
（4）高頻電路對外干擾較大，最好單獨安排，使用上下都有內(nèi)電層直接相鄰的中間信號層來傳輸，以便利用內(nèi)電層的銅膜減少對外干擾。

11.6 本 章 小 結(jié)

本章主要介紹了多層電路板的設(shè)計步驟，包括多層板層數(shù)的選擇、層疊結(jié)構(gòu)的選擇；多層板布局布線與普通雙層板布局布線的相同和不同；多層板特有的中間層的創(chuàng)建和設(shè)置，以及內(nèi)電層設(shè)計。根據(jù)本章所羅列的步驟，讀者已經(jīng)能夠完成多層 PCB 的初步設(shè)計工作。在接下來的章節(jié)中，我們將介紹 PCB 的電磁兼容和信號完整性的相關(guān)內(nèi)容，以便更好地完成 PCB 設(shè)計。
來源；互聯(lián)網(wǎng)