PCB(Printed Circuit Board)，即印刷電路板，其按照導體層數分類，可以分為只有一面覆銅的單面板，兩面都有覆銅的雙面板，以及具有多個銅層的多層板。

多層PCB通常由多個雙面覆有銅箔的覆銅芯板（Core）與半固化片（prepreg，簡稱PP）一起按需組合疊層，然后在最外層加上銅箔并加熱加壓進行壓合形成具有多個銅層的多層板，多層板按導電層數分又可以進一步細為4層板、6層板、8層板…以此按偶數層類推。

您會發現一個規律，貌似多層板都是具有偶數層的，這是因為PCB的疊層需要保持對稱性，以避免PCB在加工過程中因應力不平衡而發生嚴重的曲翹變形，造成PCB的報廢。

PCB最初是作為容納電子元件的載體來使用的，并通過蝕刻PCB上的銅箔形成元器件間的互聯電路來替代人工焊線的互聯方式，從而提升電子產品的生產效率以及可靠性。

在1971 年 英特爾（Intel）公司研制出第一個微處理器 4004之后，集成電路（Integrated Circuit，IC）便朝著大規模集成電路（Large Scale Integration LSI）及超大規模集成電路(Very Large Scale Integration VLSI)的方向發展，隨著處理的數據量不斷增大，電子元器件間互聯信號的傳輸速率也必須相應提高，同時，IC的封裝也需要符合高密度的發展趨勢，1970年代，球柵陣列封裝(BGA)開始出現。

隨著高密度IC封裝的發展，以及電子元器件間信號傳輸速率的提升，都使得PCB不再是簡單地充當電子元器件的載體而已，PCB已經演化為具有多個線路層的“多層系統”。

老wu這里指的“多層系統”，它與多層板有什么區別嗎，這里強調的這個“多層系統”它當然是多層板，但又不僅僅是比單面板或者雙面的多了幾個布線層而已，增加布線層以實現把互連線走通是需要考慮的一個方面，但為了滿足具有特性阻抗要求的傳輸線結構，還要仔細考慮不同的疊層設計，為了滿足電源目標阻抗的要求，需要利用電源/地平面組成的平板電容，為了抑制EMI，需要考慮把高速信號線在PCB內層布線，這需要多層板的設計來實現。

隨著信號速率的進一步提升，關于PCB的這個“多層系統”需要考慮的因素就更多了，比如趨膚效應造成的損耗，要考慮銅箔粗糙度的問題，板材極化造成的損耗，要考慮采用低DK的板材等等，這就需要仔細設計疊層結構以及選用性能合適的板材以滿足要求。

1.多層板的常用疊構介紹

剛性PCB通常由三種基本材料組成，分別是編織玻璃布、樹脂和銅箔。

編織玻璃布的編織方式很像用于制作衣服的布。

它們有各種各樣的樣式，從薄到厚有不同的規格，如：

樹脂的種類繁多，從簡單的環氧樹脂到非常復雜的有機化合物，如聚苯醚樹酯。這些樹脂用于浸透玻璃布，形成結構穩定的芯板，也可以形成半固化狀態的粘結片(又稱半固化片，Prepreg,PP)，PP在多層板中的作用類似于膠水，在多層板的壓合過程中，在高溫條件下，半固化片的樹脂將重新呈現可流動狀態并繼續發生聚合反應，實現多個芯板或者芯板與外層銅箔之間的粘結。

多層印刷電路板中的各層具有多種功能。其中一些是包含傳輸線的信號層，另一些層是用于電源/地平面層。電源/地平面的另一個作用是創建一個具有非常低寄生電感的平板電容器，以支持邏輯IC非常快的開關瞬變，同時，在滿足所有這些機械和電氣性能要求之后，疊層還必須滿足板廠的可制造性要求。

所以，以PCB板廠常用的疊層模板為基礎進行設計，是個很好的開始。

以嘉立創的疊層模板為例，嘉立創4-20層板共支持283種阻抗結構，非常豐富，后續還會不斷增加。這些結構都是經過大量生產驗證過的，非常成熟可靠，為了產品穩定性及易于生產，可直接采用嘉立創現有的層壓結構進行設計。

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當然，如果沒有想要的層壓結構，也可以選擇自定義，由嘉立創人工核算。

2.選擇板材時需要考慮的問題

在進行PCB的疊層設計時，必須考慮層壓材料的許多特性。

半固化片PP的厚度可以有多薄？

以嘉立創的層壓結構圖為例

L1與L2、L3與L4之間的半固化片PP有不同的規格，厚度也不盡相同。

對于高層數的PCB或者高速傳輸線的PCB，我們總是希望用薄一些的PP，特別是高層數的PCB，有多個PP層，PP層越薄，在PCB總厚度一定的情況下，就可以組合更多的覆銅芯板，實現更多的銅層。

但PP也不能無限制地變薄，IPC-4101規則中，可提供的PP厚度最薄為106編織風格，其樹脂含量為71%~72% ，厚度為2mil。在疊層設計時考慮采用最薄PP厚度時，還需要考慮額外的限制因數，首先要考慮的是不同極性電路層之間的最小擊穿電壓。基于環氧或酚醛樹脂的層壓板的擊穿電壓至少為每密耳厚度1000伏，而PP最小厚度為2 mil，對于包含邏輯電路的常規產品中，擊穿電壓要求為DC 1500伏或更低，所以即使選用的最薄厚度的PP片，也可以滿足電氣強度要求。

另一個需要考慮的是PP樹脂的流動后造成厚度不足，在層壓過程中，PP中重新熔化的樹脂會流動填充到被蝕刻掉的銅箔空隙中，最終壓合后PP的厚度會減小，如果選擇的PP厚度過薄，則可能導致不同銅層間出現短路故障。從經驗上來看，PP的初始厚度必須至少為3 mil，才能避免這種風險，所以疊層的時候，需要避免單張使用106 的PP，以避免流膠之后PP層厚度不足出現短路故障。

PP片玻璃布編織風格的影響

在設計10Gbps 以上速率的高速互聯差分線線時需要注意玻纖效應的影響，上文有提到，剛性PCB的基材通常由樹脂以及編織玻璃布交聯形成穩定的物理結構。

但樹脂的介電常數與玻璃的介電常數不一致，如下圖所示，1080編織風格的PP，玻璃纖維之間的編織會形成一個空窗，在與樹脂交聯的時候，這個空窗區域會被樹脂填充，這就造成了信號傳輸過程中阻抗不一致的情況，會對高數據速率差分信號造成不利影響。

所以，當為10Gbs或更高的數據速率差分線設計疊層時，要避免單獨使用106、1080和7628編織風格的PP，可以考慮混合兩張不同編織風格的PP，或者使用1067和1086這種新的“扁平化“編織風格的PP。

選擇合適的銅箔厚度

銅箔被用作印刷電路板的導電層，剛性PCB中最常使用的銅箔為電解銅箔（ED銅箔），ED銅箔的制造，首先是將銅原料或廢銅線溶解于硫酸溶液中，然后在凈化后的硫酸銅/硫酸溶液中，將銅電鍍到由不銹鋼或鈦制作的圓柱形滾筒上。這種工藝產生的銅箔一面相對平滑、 有光澤，另一面較粗糙、無光澤，如下圖所示：

覆銅板上常見的銅厚為0.5盎司、1盎司和2盎司。1盎司約為0.035mm（1.4 mil），但IPC標準里允許板材廠商的覆銅板的厚度有±10%的公差，居于能省一點銅就多一點利潤的原則?，基本上都是負公差，也就是板廠收到的初始板材的銅箔厚度1盎司是低于0.035mm（1.4 mil）的，而且，覆銅板在PCB板廠的工藝過程中，銅箔的預處理之后，還會再減少了 6 微米（0.236 mil）。

銅箔在PCB中有兩種用途。一是形成電源/地平面層，另一種是形成信號層。疊層設計時必須平衡銅箔的厚度，使銅的厚度一方面足夠厚，以滿足載流要求，另一方面又需要足夠薄，以滿足精確的蝕刻控制，對于信號層的銅厚來說，較小的線寬/線距要求，則需要選擇盡可能薄的銅厚。

對于高速信號傳輸線來說，由于趨膚效應的影響，電流只在銅箔表面附近流動，所以，對于高速信號傳輸線來說，使用更厚的銅箔并不會帶來更好的性能，也就是說，在信號層中使用厚度超過0.5盎司的銅并不能提高信號完整性，反倒是會造成蝕刻的問題。

所以，內層銅厚通常為HOz，也即0.5盎司。

3. 計算阻抗

有幾種方法可以計算PCB中傳輸線的阻抗。其中包括一些在特定條件下適用的計算公式，這些公式允許使用簡單的數學運算，在特定條件下的計算結果可以滿足±10%的阻抗公差要求，另外還可以使用各種商用軟件工具進行計算，這些工具通過求解麥克斯韋方程來精確計算任意形狀的傳輸線阻抗。

基于公式的方法，簡單易上手，而且還是免費的，基于場求解器的商用軟件工具，功能強大，適用范圍廣，但要掌握軟件的使用方法學習成本高，更重要的是，商用軟件的授權費用偏高。

在簡單公式和求解麥克斯韋方程的商用軟件之間，還有一個計算PCB上傳輸線阻抗的方法就是使用嘉立創家免費提供的嘉立創阻抗計算神器。

嘉立創阻抗神器提供了一些常用（或者說是合理）的疊層結構，然后內置了PP的介電常數，阻焊的介電常數，使得計算設計阻抗變得極為簡單。

只需選擇需要的板子層數、板厚、內層銅厚、阻抗層、參考層并輸入阻抗值、線距（差分阻抗）、線到銅的距離（共面阻抗），即可自動計算出線寬及疊構方案。

審核編輯：劉清

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