3.1　PCB叠层设计的一般原则

在设计PCB（印制电路板）时，需要考虑的一个最基本的问题就是实现电路要求的功能需要多少个布线层、接地平面和电源平面。PCB的布线层、接地平面和电源平面的层数的确定与电路功能、信号完整性、EMI、EMC、制造成本等要求有关。对于大多数的设计，PCB的性能要求、目标成本、制造技术和系统的复杂程度等因素存在许多相互冲突的要求，PCB的叠层设计通常是在考虑各方面的因素后折中决定的。高速数字电路和射频电路通常采用多层板设计。

1 .分层

在多层PCB中，通常包含信号层（S）、电源层（P，也称电源平面）和接地层（GND，也称接地平面）。电源层和接地层通常是没有分割的实体平面，它们将为相邻信号走线的电流提供一个好的低阻抗的电流返回路径。信号层大部分位于这些电源或地参考平面层之间，构成对称带状线或非对称带状线。多层PCB的顶层和底层通常用于放置元器件和少量走线，这些信号走线要求不能太长，以减少走线产生的直接辐射。

2 .确定单电源参考平面（电源层）

使用去耦电容是解决电源完整性的一个重要措施。去耦电容只能放置在PCB的顶层和底层。去耦电容的走线、焊盘，以及过孔将严重影响去耦电容的效果，这就要求设计时必须考虑连接去耦电容的走线尽量短而宽，连接到过孔的导线也应尽量短。

例如，在一个高速数字电路中，可以将去耦电容放置在PCB的顶层，将第2层分配给高速数字电路（如处理器）作为电源层，将第3层作为信号层，将第4层设置成高速数字电路地。

此外，要尽量保证由同一个高速数字器件所驱动的信号走线以同样的电源层作为参考平面，而且此电源层为高速数字器件的供电电源层。

3 .确定多电源参考平面

多电源参考平面将被分割成几个电压不同的实体区域。如果紧靠多电源层的是信号层，那么其附近的信号层上的信号电流将会遭遇不理想的返回路径，使返回路径上出现缝隙。对于高速数字信号，这种不合理的返回路径设计可能会带来严重的问题，因此要求高速数字信号布线应该远离多电源参考平面。

4 .确定多个接地参考平面（接地层）

多个接地参考平面（接地层）可以提供一个好的低阻抗的电流返回路径，可以减小共模EMI。接地层和电源层应该紧密耦合，信号层也应该和邻近的参考平面紧密耦合。减少层与层之间的介质厚度可以达到这个目的。

5 .合理设计布线组合

一个信号路径所跨越的两个层称为一个“布线组合”。最好的布线组合设计是避免返回电流从一个参考平面流到另一个参考平面，而是从一个参考平面的一个点（面）流到另一个点（面）。而为了完成复杂的布线，走线的层间转换是不可避免的。在信号层间转换时，要保证返回电流可以顺利地从一个参考平面流到另一个参考平面。

在一个设计中，把邻近层作为一个布线组合是合理的。如果一个信号路径需要跨越多个层，将其作为一个布线组合通常不是合理的设计，因为一个经过多层的路径对于返回电流而言是不通畅的。虽然可以通过在过孔附近放置去耦电容或减小参考平面间的介质厚度等来减小地弹，但也非一个好的设计。

6 .设定布线方向

在同一个信号层上，应保证大多数布线的方向是一致的，同时应与相邻信号层的布线方向正交。例如，可以将一个信号层的布线方向设为“ Y 轴”走向，而将另一个相邻的信号层布线方向设为“ X 轴”走向。

7 .采用偶数层结构

从所设计的PCB叠层可以发现，经典的叠层设计几乎全部是偶数层的，而不是奇数层的，这种现象是由多种因素造成的。

① 从PCB的制造工艺可以了解到，PCB中的所有导电层敷在芯层上，芯层的材料一般是双层覆铜板，当全面利用芯层时，PCB的导电层数就为偶数。

② 偶数层PCB具有成本优势。由于少一层介质和覆铜，故奇数层PCB原材料的成本略低于偶数层的PCB的成本；但因为奇数层PCB需要在芯层结构工艺的基础上增加非标准的层叠芯层黏合工艺，故造成奇数层PCB的加工成本明显高于偶数层PCB。与普通芯层结构相比，在芯层结构外添加覆铜将会导致生产效率下降，生产周期延长。在层压黏合以前，外面的芯层还需要附加的工艺处理，这增加了外层被划伤和错误刻蚀的风险。增加的外层处理将会大幅度提高制造成本。

③ 在多层电路黏合工艺后，当PCB的内层和外层冷却时，不同的层压张力会使PCB上产生不同程度上的弯曲。而且随着PCB厚度的增大，具有两个不同结构的复合PCB弯曲的风险就越大。奇数层PCB容易弯曲，偶数层PCB可以避免PCB产生弯曲。

在设计时，如果出现了奇数层的叠层，可以采用下面的方法来增加层数。

① 如果设计PCB的电源层为偶数而信号层为奇数，则可采用增加信号层的方法。增加的信号层不会导致成本的增加，反而可以缩短加工时间、改善PCB的质量。

② 如果设计PCB的电源层为奇数而信号层为偶数，则可采用增加电源层这种方法。而另一个简单的方法是在不改变其他设置的情况下在叠层中间加一个接地层，即先按奇数层PCB布线，再在中间复制一个接地层。

③ 在微波电路和混合介质（介质有不同介电常数）电路中，可以在接近PCB叠层中央增加一个空白信号层，这样可以最小化叠层的不平衡性。

8 .成本考虑

在制造成本上，在具有相同的PCB面积的情况下，多层电路板的成本肯定比单层和双层电路板高，而且层数越多，成本越高。但在考虑实现电路功能和电路板小型化，保证信号完整性、EMI、EMC等性能指标等因素时，应尽量使用多层电路板。综合评价，多层电路板与单、双层电路板的成本差异并不会比预期的高很多。 fT+K+vDJYD9lTvsim5IsB7NuTvPI4+7XvZUTDEK1nyHVH+FOtj53Vs9Jy3AeygDu

3.2　多层板工艺

3.2.1　层压多层板工艺

层压多层板工艺是目前广泛使用的多层板制造技术，它是用减成法制作电路层，通过层压→机械钻孔→化学沉铜→镀铜等工艺使各层电路实现互连，最后涂敷阻焊剂、喷锡、丝印字符完成多层PCB的制造技术。目前，国内主要厂家的层压多层板的工艺水平如表3-1所示。

3.2.2　HDI印制板工艺

1 . HDI 印制板的结构 ^{[23-24 ]}

HDI（High Density Interconnection，高密度互连）印制板，简称HDI板，也称埋盲孔板，是一种高密度互连多层印制板，每面每平方厘米平均有大于或等于20个电气连接设计的印制板，且设计的最小导体宽度与间距小于或等于0.10mm，（机械或激光）导通孔径小于或等于0.15mm，层间连接有埋孔和/或盲孔。

HDI板按结构分为芯板积层和任意层积层两大类，如图3-1～图3-3所示。图3-1和图3-2是芯板积层HDI板，其命名为 n + C + n （ n 为积层数， C 为芯板层数）。图3-3是8层的任意层积层互连（全积层，Any Layer）HDI板。

在HDI板中，埋孔（Buried Via）是指埋置于印制板内层间，未延伸至表面的导通孔。盲孔（Blind Via）是指仅延伸至印制板一个表面，而未连通另一表面的导通孔。

叠层导通孔（Stacked Via）是指在积层导通孔上再叠加上一个或多个积层导通孔，实现三层或更多层之间电气连接的导通孔，如图3-4所示。

跨层导通孔（Skip Via）是指穿过不需电气连接的积层，实现不相邻层电气连接的导通孔，如图3-5所示。

相比普通刚性板，HDI板对盲埋孔的孔壁铜厚要求是有别于普通导通孔的，通孔、埋孔和盲孔的孔壁最小镀铜厚度应符合相关工艺要求的规定。

盲孔填铜凹陷度（Dimple of Copper Filled Blind Via）指HDI板的微盲孔采用电镀铜方式填孔，其填铜深度相对于盲孔表面形成的下凹深度，如图3-6所示。

树脂或其他非镀铜材料塞孔时，填塞深度应当不小于填充孔深度的60％。当表面无电镀铜覆盖时，填塞凹陷和凸起应当在±0.075mm，或由供需双方商定。当表面需要盖覆电镀铜时，填塞平整度的凹陷应当不大于0.10mm，凸起应当不大于0.05mm，或由供需双方商定。

2 .HDI 印制板的设计要求 ^[25-26]

中国电子电路行业协会（CPCA）组织制定的《高密度互连印制电路板技术规范》标准（CPCA标准T/CPCA 6045—2017）于2017年8月30日正式发布，HDI板的性能和鉴定规范，包括设计要求、品质要求、测试方法、包装和储存等几个方面，适用于积层法和其他工艺制作的HDI板。

HDI板较常规的PCB设计而言，最大的不同就是通过埋孔和盲孔代替部分通孔的互连，同时采用更细的线宽和更小的间距，使PCB的布局和布线空间利用得更加充分。对于初次接触到HDI板的设计人员，为了更加合理地规划元器件空间布局，更加游刃有余地切换盲孔、埋孔、通孔的应用，更加精细地分配信号线的空间分布，必须了解实际生产制造过程中的相关工艺参数。

① 传统的PCB的钻孔由于受到钻刀影响，当钻孔孔径达到0.15mm时，成本已经非常高，且很难再次改进。HDI板采用激光钻孔技术，钻孔孔径一般为3～6mil（0.076～0.152mm），线路宽度一般为3～4mil（0.076～0.10mm），焊盘的尺寸也可以大幅度减小，所以在单位面积内可以实现更多的线路分布，所谓的高密度互连由此而来。

② 在HDI板中，无论是通孔和埋盲孔的设计都必须考虑到孔径比。传统的PCB孔径的加工，一般采用机械钻孔，通孔孔径大于0.15mm，板厚孔径比大于8∶1（特殊情况可以做到12∶1甚至更大，但是为了保证良好的成品率，一般采用8∶1）。而激光钻孔由于受功率与效率的限制，镭射孔的孔径不能太大，孔径一般是3～6mil，推荐使用4mil，电镀填孔的孔深孔径比最大1∶1。

③ 如果优先考虑PCB生产成本，同网络盲孔的扇出要与焊盘间距保证3.5mil以上，极限值是3mil；同网络埋孔与盲孔、盲孔与通孔、埋孔与通孔的间距大于3.5mil以上，极限值是3mil，不同网络的孔和线的间距大于4mil，极限值是3mil，但是孔与孔、孔与盘、孔与线之间不推荐同时采用极限值；埋孔虽然和焊盘没有直接相连，也尽量避免打在焊盘下方，尽量打在空区域；线宽优先选取4mil以上，线到孔、线到盘间距优先选取4mil以上，极限值均可选取3mil，但是不能同时选同为3mil。这里给出的是常规生产推荐的极限值，特殊情况下可以做得更小，但是生产成本会增加很多。

④ 如果优先考虑信号质量，盲孔可直接制作在焊盘上，BGA区域如果担心盲孔制作在焊盘上影响BGA焊接，可考虑盲孔与焊盘相切扇出。

⑤ 由于使用了埋盲孔，阻抗连续性较通孔差，因此对有阻抗要求的信号，尽量减短焊盘与盲孔、盲孔与埋孔之间的引线长度，并保证其信号上下平面尽可能完整，在换层之处适当增加地过孔，对阻抗的连续性是有帮助的，接地孔采用相应的埋盲孔，避免通孔，主要是因为一个通孔会影响所有层的信号返回路径，而埋盲孔的一端是止于一个金属壁，而不是贯穿整个PCB。

⑥ 盲孔的切换层的配线尽可能短，与相邻层信号线不重叠，如果实在避不开，必须选择垂直相交。如果是重要信号线和有阻抗要求的线分配在相邻层且在避不开时，选择分配到其他与盲孔切换层不相邻的层，这里特别要注意是T顶层/底层的重要信号线和有阻抗要求的信号线与盲孔层的避让处理。

⑦ 在保证性能的前提下，能用通孔的地方，建议不要使用埋孔和盲孔。因为在压板时，第2 层到倒数第2 层之间有太多埋孔的话，在压板过程中将会产生一个通道形式，而导致位于上面的介电层厚度小于位于下面的介电层厚度。

⑧ HDI板的元器件布局一般密度较大，所以要注意保证后期的安装性、可焊接性和可维修性。推荐一般SOP类与其他元器件的引脚间距大于40mil，BGA与其他元器件的引脚间距大于80mil，阻容元件引脚间距大于20mil。这只是能够满足常规焊接的极限值，实际设计时还要考虑安装性和可维修性，因此在空间允许的情况下，尽可能拉大元器件间距。

⑨ HDI板布线时必须考虑到生产工艺能够实现的最小线宽、安全间距（包括线与线、线与焊盘、焊盘与焊盘、线与铜面等）及布线的均匀性。因为间距过小，在内层干膜工艺（即将内层线路转移到PCB的过程）时会造成夹膜，而膜无法褪尽，会造成线路短路。线宽太小，膜的附着力不足，会造成线路开路。同一面的线路不均匀，即铜面分布不均匀，会造成不同点树脂流动速度不一致，最终的结果就是铜面少的地方，铜厚度会稍薄一点，铜面多的地方，铜厚度会稍厚一点。

3.2.3　BUM板工艺

BUM板（Build-Up Multilayer PCB，积层法多层板）采用的是传统工艺制造的刚性核心内层，并在一面或双面上再积层以更高密度互连的一层或两层（最多为四层），如图3-7所示。BUM板的最大特点是积层很薄、线宽线间距和导通孔径很小、互连密度很高，因而可用于芯片级高密度封装。

BUM板的设计准则如表3-2所示。