1、PCB的叠层结构

    PCB的叠层都是偶数，并且各层的厚度都是上下镜像对称的

    一个最简单的4层PCB结构为例，它使用一个芯板(CORE)，两个半固化片(Prepreg)压合在一起组成。

芯板：

    芯板(CORE)是一个基本单元，两个表面都铺有铜箔，用作导电层，两个表层之间填充以固态材料，其由增强材料玻璃纤维浸以固态树脂组成。可以把它理解为上下表面都附铜的PP。

   PP:

   Prepreg中文名字是半固化片,是一种导电物质，用于在铜和PCB Core之间提供适当的绝缘。它是一种介电材料，夹在两个Core之间或Core与铜箔之间。它通常被称为粘合材料，因为它可以粘合两个Core或一个Core和一个铜箔。

    PP的表面没有铜箔，其由半固态树脂和玻璃纤维组成，构成所谓的浸润层，在PCB中主要起填充作用，用以粘合芯板Core。不同厚度的CORE之间通过PP层压合在一起，形成了copper-pp-core-pp-copper的镜像对称结构

铜箔：

    铜箔(copper)用来形成PCB线路。电路板常用的铜箔材料主要分为压延铜箔和电解铜箔，压延铜箔分子严密，表面更平滑（有利于高速信号的传播），耐折性和柔性较好，不易断1.0OZ的铜，增大铜皮的通流能力。

    铜箔的1oz表示将1oz质量（28.35g）的铜箔均匀地铺在1平方英尺面积上，其厚度是1.37mil，约为1.4mil=35um。

    信号层一般需要用0.5OZ的铜，信号速率高的时候，由于趋附效应的存在，信号电流会集中在铜很薄的一层表面流过。

板材：

    常用的板材如下，最熟悉的的就是FR-4，其以玻璃纤维布作为增强材料，以环氧树脂作为粘合剂。它也分low/middle/high Tg的，就是能够承受的最大玻璃化温度。就是板材的最大额定工作温度。一般都选择High-Tg多一点（170°左右）

基材常见的性能指标

（1）DK：材料的介电常数，只有降低DK才能获得高的信号传播速度。

（2）Df：材料的介质损耗角，越低信号传播损失越少。

注意，DK主要与信号网络的阻抗有关，还与平板间电容有关，Df主要与信号网络的损耗有关。

计算公式为：DK=6.01-3.34R

影响DK的因素有：

树脂（环氧树脂的DK在3～4之间）；

玻璃纤维布（DK在6～7之间）；

树脂含量（RC值）。

（3）Tg：class transition temperature，也就是玻璃态转化温度（对过孔的影响最大），玻璃态转化温度是聚合物的特性，是指树脂从硬（玻璃态）到软（橡胶态）的形态变化的温度。

目前FR-4板的Tg值一般为130～140，而在印制板制成中，有几个工序的问题会超过此范围，对制品的加工效果及最终状态会产生一定的影响。因此，提高Tg是提升FR-4耐热性的一个主要方法。Tg分类如下。

普通Tg板材：130～140℃。

中Tg板材：140～150℃。

高Tg板材：大于170℃（8层以上的PCB板必须用高Tg板材）

    8层以上PCB线路板所应用的领域普遍位于中高端科技行业，这一特殊性直接要求其板料具有高稳定性、高抗化性，能扛得住高温、高湿等，因此该种PCB线路板制作至少采用TG170以上板材，以此来保障线路板在应用的过程中减少受外界因素影响，延长产品使用寿命)。
 

我们常用的FR-4的材料损耗排名最大，不过FR-4是统称，比如TU662、IT158。

板材主要是按照Dk/Df来进行分类的，Dk是相对介电常数，Df是损耗因子。

相对介电常数越大，信号在介质中的传播速度越慢。

因此在高速信号PCB设计中，会尽量选择介电常数和材质损耗因子小的材质，相应地，成本也会变高。

layout工程师先评估好PCB需要的层数，确定好叠层设计及线宽线距，线宽线距就是为了控制信号线的特性阻抗

PCB板厚也不是随意定义的。常见的比如1mm，1.6mm，2mm，2.4mm

由于PP，CORE厚度也不是可以无限大或者无限小，都是有一定厚度范围的。

所以对于一定板厚的PCB，比如1.6mm，最多叠层的层数也就有上限限制。

一般1.6mm的板厚，PCB最多叠14层左右。

绘制各层名称及含义

1、顶层 top layer

    正反面放置元件的部分，在顶层绘制的图形对应顶层的铜皮

2、机械层 mechanical layer

    机械层上进行一些物理机械性质的设计，比如边框、开槽、开孔等等。一般可以有多个机械层，可以自定义该层的作用，也可以进行尺寸标注等等。这个软件之间会有差异，比如图片中的PCB使用的是Allegro，没有多个机械层（Altium Designer有多个机械层）。板子的外框和挖空都使用Outline来完成。定义板型时会用到，用于定义一些形状等。

3、禁止布线层 keepout layer

    Keep-Out层包括顶层、中间层、底层和所有层，存在此层的位置不能布线。Keep-Out层主要用来进行约束。比如有些地方不让铺铜或者不能有走线和过孔等等，可以在Keep-Out层上标示该区域。外面的框是RouteKeepIn，圆圈是RouteKeepOut。

4、丝印层 overlay layer

    丝印层分为丝印顶层（top overlay）和丝印底层（bottom overlay）。一般PCB上的白色（如果板子阻焊层用白色，则丝印为黑色）字符和线框就是丝印层，用于标注位号，元件框以及一些备注信息。

5、助焊层 paste mask layer

    助焊层分为助焊顶层（top paste ）和助焊底层（ bottom paste），也称为贴片层或者钢网层。白一般PCB板焊盘上的一层锡或者镀金就是助焊层，该层是起到辅助焊接的，让焊接比较容易。在设计中，该层是正片，即画图的地方有助焊，没有画图的地方就没有助焊

6、阻焊层  solder mask layer

    阻焊层分为顶层阻焊（top solder）和底层阻焊（ bottom solder ），表面的绿油（有红绿蓝白黑，但统称绿油），起绝缘作用。在此层布线会裸露出铜层。注意该层是负片，也就是说有画图的地方是没有绿油的，没有画的地方都有绿油。

    “开窗”就是在阻焊层布线，使部分铜层裸露出来，大电流的线路，在其裸露的铜线上镀锡可增加载流能力

7、电气层 Electrical Layers

    电气层包括顶层、中间层（多层板）和底层，是有电气连接属性的，设计大部分工作就是设计该层。在电气层上进行合理走线，将元件封装的引脚进行合理的连接。铺铜也在电气层上完成。对于4层板，内层会使用负片的形式设置为地层和电源层。

8、钻孔层Drill Layer

    钻孔层包含过孔、通孔焊盘等钻孔数据。

        疑问：“solder层相对应的铜皮层有铜才会镀锡或镀金”这句话是否正确？

    这句话是一个工作在生产PCB厂的人说的，他的意思就是说：要想使画在solder层的部分制作出来的效果是镀锡，那么对应的solder层部分要有铜皮（即：与solder层对应的区域要有toplayer或bottomlayer层的部分）！现在得出一个结论：：“solder层相对应的铜皮层有铜才会镀锡或镀金”这句话是正确的！solder层表示的是不覆盖绿油的区域！

阻焊层和助焊层的区分

阻焊层：solder mask，是指板子上要上绿油的部分；因为它是负片输出，所以实际上有solder mask的部分实际效果并不上绿油，而是镀锡，呈银白色！

助焊层：paste mask，是机器贴片时要用的，是对应所有贴片元件的焊盘的，大小与toplayer/bottomlayer层一样，是用来开钢网漏锡用的。

    要点：两个层都是上锡焊接用的，并不是指一个上锡，一个上绿油；那么有没有一个层是指上绿油的层，只要某个区域上有该层，就表示这区域是上绝缘绿油的呢？暂时我还没遇见有这样一个层！     

    我们画的PCB板，上面的焊盘默认情况下都有solder层，所以制作成的PCB板上焊盘部分是上了银白色的焊锡的，没有上绿油这不奇怪；但是我们画的PCB板上走线部分，仅仅只有toplayer或者bottomlayer层，并没有solder层，但制成的PCB板上走线部分都上了一层绿油。

那可以这样理解：

1、阻焊层的意思是在整片阻焊的绿油上开窗，目的是允许焊接！

2、默认情况下，没有阻焊层的区域都要上绿油！

3、助焊层用于贴片封装！SMT封装用到了：top layer层，top solder层，top paste层，且top layer和top paste一样大小，topsolder比它们大一圈。

2、PCB内部结构

    PCB技术在过去几十年中没有发生显著变化。两面镀铜的绝缘体基材（通常是FR4，环氧树脂/玻璃复合材料）的一部分铜被腐蚀掉，形成导电路径。电镀和蚀刻基板的层与蚀刻基板之间的额外绝缘体基板粘合在一起。在层叠上钻孔，将导电镀层应用于这些过孔，在不同层的蚀刻铜之间选择性拓扑成导电连接。

PCB构成

    通过PCB技术形成的结构被抽象为一组物理/电气结构：走线、平面（或电源层）、通孔和焊盘。

2.1 走线

    走线是一种物理金属条（通常是铜），在PCB的X-Y坐标上的两个或多个点之间进行电气连接。走线承载了两点之间信号的传输。

2.2 平面

    平面（Planes）是覆盖整个PCB层的不间断金属区域。小平面，一个平面的变体，是一个不间断的金属区域，只覆盖PCB层的一部分。通常，一个PCB层中存在多个小平面。平面和小平面将能量分配给PCB上的许多点。它们在走线传输信号时非常重要，因为它们是信号回流传输介质。图1显示了完整平面（GND）和小平面（局部铺铜）。

Planes举例

2.3 过孔

    过孔（Via）也称金属化孔，是 PCB 设计的重要组成元素之一。在双面板和多层板中，为连通各层之间的印制导线，在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔，即过孔。

过孔的分类

 盲孔 blind via：

     盲孔是将PCB内层走线与PCB表层走线相连的过孔类型，此孔不穿透板子。位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。

   常见的盲孔大小(mil)：4/10

埋孔 buried via：

     埋孔是连接内层走线的过孔类型，所以在PCB的表层看不出来。是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。

 常见的埋孔尺寸与通孔尺寸类似。

通孔 through via：

      过孔从第一层打到最后一层。用钻头把电路板钻穿，然后在孔里镀铜，形成通路。 这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以绝大部分印刷电路板均使用它，而不用另外两种过孔。一般所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。

    通孔可用于从组件通过其连接的内部平面层向外传导热。通常，热通孔需要密集的盲孔或通孔，其中这些通孔必须位于这些器件的焊盘中。

    注意：通孔内径通常有0.2mm、0.25mm、0.3mm。通孔内径越小价格越贵。常见的通孔大小(mil)：8/16、10/20、12/24

微通孔 uVia：

    微通孔是非常小的过孔，用于空间有限的高密度 PCB。用于连接PCB的内层，一般来讲最大直径为0.15毫米，最大纵横比为1:1，最大深度为0.25毫米。微孔非常适合高速信号，通常用于手机和其他紧凑型电子产品。

 普通微孔和堆叠孔的 3D 前视图

缝合孔 Stitching Via ：

    缝合过孔是一种用于将不同层上较大的铜区域连接在一起的技术，实际上可以通过电路板结构创建牢固的垂直连接，有助于保持低阻抗和短返回环路。缝合通孔也可用于将可能与其网络隔离的铜区域连接到该网络。缝合孔作用是增加电流容量,提高热传递,提高信号完整性,改善EMI/EMC。

屏蔽孔 Shielding Via ：

    出于 EMI 相关原因，在高频射频或混合信号电路上进行过孔屏蔽，主要是在 WiFi、蓝牙和其他可能因 EMI 干扰而受到影响的宽带高频元件中，帮助减少带射频信号的线路中的串扰和电磁干扰。通常，它是使用单排或多排通孔创建的，这些通孔缝合在距离高频轨道附近的大铜平面的周边。一个通道屏蔽，也被称为通过栅栏或纠察栅栏。

 过孔的选择

    从生产方面看，过孔越大越好（钻孔难度考虑）；从设计方面看，需考虑设计空间、寄生电容及寄生电感。

过孔处理工艺

    为了提高PCB组装良率或者热性能，通常会对过孔进行额外的处理。包括：填充、堵塞、覆盖、封盖等。

    这些额外的工艺可以消除一些组装问题，比如元件焊盘和通孔焊盘之间的短路或者焊料芯吸穿过通孔，适当的处理可以降低故障排除和返工的次数。

1、帐篷式过孔

    帐篷式过孔我的理解就是就是像帐篷一样，中间是空的，上面给封住了。非导电阻焊层覆盖孔末端的两个焊盘，有效密封开口。

    当制造商使用干膜阻焊层时，帐篷是一种流行的工艺。干膜厚度为 4 密耳，可以有效覆盖大孔，并且不会破裂太多。

2、堵塞过孔

用不导电的环氧树脂膏堵塞一端或两端的过孔，可防止焊接过程中焊料流过或芯吸。为了让环氧树脂有效地堵塞孔，通常过孔的直径限制为最大 20 密耳。制造商经常用阻焊层覆盖堵塞的通孔。

3、填充过孔

制造商通常使用非导电环氧树脂浆料填充常规或侵入的过孔。这些填充过孔的阻焊层距离焊盘仅几密耳。对于中密度 PCB 来说，这是一个很好的折衷方案，因为阻焊层的存在降低了通孔和相邻焊盘之间焊料桥接的可能性。

4、导电填充过孔

很多制造商都会用导电膏填充微过孔，以增强其导电性。这种填充可以是带有铜的环氧树脂，尽管有时也使用纯铜进行填充。

导电填充可以将电信号从电路板的一侧有效传输到另一侧，同时还增强其热传递性能。事实上，导电填充也适用于所有其他类型的通孔。

什么要将PCB线路板的过孔堵上？

    随着电子产品向“轻、薄、短、小”方向发展，PCB也向高密度、高难度发展，因此出现大量SMT、BGA的PCB，而客户在贴装元器件时要求塞孔，主要有五个作用：

（一）防止PCB过波峰焊时锡从导通孔贯穿元件面造成短路；特别是我们把过孔放在BGA焊盘上时，就必须先做塞孔，再镀金处理，便于BGA的焊接。

（二）避免助焊剂残留在导通孔内；

（三）电子厂表面贴装以及元件装配完成后PCB在测试机上要吸真空形成负压才完成：

（四）防止表面锡膏流入孔内造成虚焊，影响贴装；

（五）防止过波峰焊时锡珠弹出，造成短路。

为了提高PCB组装良率或者热性能，通常会对过孔进行额外的处理。包括：填充、堵塞、覆盖、封盖等。

    这些额外的工艺可以消除一些组装问题，比如元件焊盘和通孔焊盘之间的短路或者焊料芯吸穿过通孔，适当的处理可以降低故障排除和返工的次数。

2.4 桩线

    传输线的分支，如果这个分支很短，我们就称之为桩线（stub）。

    在PCB设计中有如下几种桩线。

    图1：A 和 B 之间为传输线，A 和 B 之间的传输线多了 一个分支，这个分支相对比较短，并且没连接到相应的连接器 或芯片等器件，我们称之为桩线。

    图2：A 和 B 之间为传输线，在 b 端（或 a 端）多出一段 走线，这个分支相对比较短，并且没连接到相应的连接器或芯 片等器件，我们称之为桩线。

    图3：A 和 B 之间为传输线，包括 A 到过孔传输线，过 孔中的走线，过孔到B 端传输线，图中灰色部分为设计的传输 线未使用的通孔部分，我们也称之为桩线。

    图4：与情况 3 类似。背板的连接器通过压接的方式， 装配到背板上。连接器压接针一般采用鱼眼结构设计，且长度一般情况下要短于背板上的通孔。通孔多出的部分，我们也称之为桩线。 

   在低速信号情况下，桩 线的影响可以忽略。但是随着信号速率的不断提升，桩线的影响越来越严重，尤其是对高速信号的完整性影响。

  2.5 背钻

     Backdrill，背钻技术就是利用控深钻孔方法，采用二次钻孔方式钻掉连接器过孔或者信号过孔的多余（Stub）孔壁。这个多余桩线影响信号的通路，在通讯信号会引起信号完整性问题。背钻技术可以去掉孔壁stub带来的寄生电容效应，保证信道链路中过孔处的阻抗与走线具有一致性，减少信号反射，从而改善信号质量。背钻是目前性价比最高的、提高信道传输性能最有效的一种技术。当然，使用背钻技术，会对PCB制成成本会有一定的增加。

   通孔成型后，通过从“背面”的二次钻孔，去除PCB通孔的多余Stub，当然背钻钻头的直径要大于通孔的孔直径，而且要根据加工钻孔的深度工艺公差水平，在“不能破坏PCB孔与走线连接”的基础上保证“多余Stub长度尽可能小”，即所谓的“控深钻孔”。

   但是一般也不会钻那么干净，因为后续工序会电解掉一点铜，且钻尖本身也是尖的。所以PCB厂家会留下一小点，这个留下的STUB的长度叫B值，一般在50-150UM范围为好，残留的STUB也叫残桩。

    如上图所示，左边为正常的信号通孔，右边为背钻后的通孔，表示从Bottom层一直钻到走线Trace所在的信号层。

    背钻的作用是钻掉没有起到任何连接或者传输作用的通孔段，避免造成高速信号传输的反射、散射、延迟等，给信号带来“失真”研究表明：影响信号系统信号完整性的主要因素除设计、板材料、传输线、连接器、芯片封装等因素外，导通孔对信号完整性有较大影响。

2.6 焊盘

    焊盘是规定形状的小面积铜。焊盘既可与通孔一起使用，也可用作安装表面贴装元件的裸露外层铜。反焊盘主要与过孔一起使用。

焊盘结构

     对于走线，焊盘用于在通孔和给定层上的走线或平面形状之间进行电气连接。要使通孔与PCB层上的走线形成牢固连接，必须有一个焊盘以保证机械稳定性。焊盘的尺寸必须符合钻孔公差/定位限制。

热风焊盘（Thermal Relief）：

    又称防散热热风焊盘，如图所示。

  热风焊盘解析示意图

热风焊盘作用： 

• 防止散热。由于电路板上电源和地是由大片的铜箔提供的，所以为了防止因为散热太快而造成虚焊。

    如果对元器件的管脚进行铺铜全覆盖，可能会导致散热过快，从而使得拆焊和返修变得困难。我们知道铜的导热率很高，因此不管是手工焊接还是回流焊，在焊接时铜面都会迅速导热，而致使烙铁等温度流失，对焊接产生影响，因此设计上尽量采用"十字花焊盘"减少热量散发，方便焊接。故电源和接地过孔采用热风焊盘形式。

• 防止大片铜箔由于热胀冷缩作用而造成对过孔及孔壁的挤压，导致孔壁变形。
 

 

2.7 反焊盘

    反焊盘在平面（Planes）层使用。因在为平面和小平面铜是不间断的，所以任何穿过铜的通孔都会与铜形成电气连接。在那里过孔并不是用来与通过的平面或小平面进行电气连接的，反焊盘会去除过孔穿透的层区域中的铜。

     反焊盘（Anti Pad）也叫隔离焊盘，主要作用是用来控制负片工艺中内层的孔与敷铜的间距，防止负片层敷铜与孔短路，负片工艺中有效，如图4-23所示。

 反焊盘解析示意图 

PCB反焊盘示意图一

PCB反焊盘示意图二

   

2.8 Lands

    为了焊接表面贴装元件，外层上的焊盘通常称为焊环（锡膏层）。与这些焊盘进行电气连接通常需要通孔。由于PTH技术的制造限制，很少采用可以在Lands区域内放置通孔。取而代之的是，使用一小段连接到表面焊盘的走线。连接走线的最小长度由PCB制造商的最小尺寸规格确定。微孔技术不受限制，过孔可以直接放置在焊盘。

2.9 尺寸

    定义PCB尺寸的主要因素是PCB制造限制、芯片封装几何形状和系统符合性。其他因素，如面向制造的设计（DFM）和可靠性施加了进一步的限制，但由于这些是特定于应用程序的，因此本用户指南中没有记录这些因素。

    芯片封装的尺寸与PCB制造限制相结合，直接和间接地定义了本节中描述的PCB结构（PCB结构）的大部分几何方面。这大大限制了PCB设计者。封装球间距（FF封装为1.0 mm）定义了焊盘布局。当前PCB技术的最小表面特征尺寸定义了器件下区域的通孔排列。

    最小通孔直径和这些通孔周围的隔离区域由PCB制造商定义，这些直径限制了通孔之间的可用空间量与最大走线宽度。PCB制造限制限制了最小走线宽度和最小间距。

12层PCB层叠设计案例

    容纳FPGA所需的PCB层的总数由信号层的数量和平面层的数量定义。

信号层的数量由进出封装的I/O信号通道的数量定义（通常与封装中的总用户I/O数有关）。

平面层的数量由向芯片供电并为信号层提供参考和隔离所需的电源和地平面层的数量来定义。

    系统总体要求通常定义了电路板的总厚度，因此，随着电路板层数的增加，信号层与平面层（参考层）、以及信号层与信号之间的层间距会变得越来越小，这会引入信号层间的串扰以及影响信号阻抗以及电源系统寄生电感等。

    信号走线到参考平面层的Z方向间距（由电路板总厚度和电路板层数定义）是走线中的一个决定性因素，走线宽度（由FPGA封装球间距和PCB通过制造限制定义）是控制阻抗的另一个因素。设计者通常很少控制FPGA下的过孔阵列区域的走线阻抗。当走线穿出BGA阵列时，其宽度可以改变为目标阻抗的宽度（通常为50Ω单端）。

3、传输线

    信号走线和参考平面的组合形成传输线。PCB系统中的所有I/O信号都通过传输线传输。

    对于单端I/O接口，信号走线和参考平面都是将信号从PCB上的一个位置传输到另一个位置所必需的。对于差分I/O接口，传输线由两根走线和一个参考面组成。虽然在差分信号的情况下，参考面的存在并不是严格必要的，但对于pcb中差分走线的实际实现却是必要的。

    在PCB系统中，良好的信号完整性依赖于具有阻抗受控的传输线。阻抗由走线的几何形状和信号走线周围以及信号走线与参考面之间的填充材料的介电常数决定。