PCB叠层结构与阻抗计算笔记分享
1. pcb叠层结构与阻抗计算
1.1. core 和 pp
pcb由core和prepreg(半固化片)组成。
core是覆铜板（通常是fr4—玻璃纤维&环氧基树脂），core的上下表面之间填充的是固态材料；
常见半固化片类型：106,1080,2313,3313,2116,7628
pp原始厚度：7628（0.185mm/7.4mil），2116（0.105mm/4.2mil），1080（0.075mm/3mil）， 3313（0.095mm/4mil ）
实际压制完成后厚度：通常会比原始值小10-15um左右
常用铜厚:1/3oz、1/2oz、1oz、2oz
1.2. pcb的叠层机构和阻抗设计
1.2.1. 层叠结构设计的先决条件
1.2.2. 层叠结构与阻抗设计的流程
（1）信号层、地层、电源层的排列顺序（2种层叠对比）
a. 对结构1的分析
电源层与地层相邻，且距离较近，可以很好地实现电源与地之间的耦合。
信号层3与地层相邻，以完整的地层作为参考平面，因此信号完整性最好。
信号层2与电源层相邻，若电源层是完整的平面，则同样也能获得较好的信号完整性，但若电源种类不止一种，则电源层需分块，不完整的参考平面会导致信号回流路径不通畅，对信号完整性存在一定影响。
信号层1,4与信号层2,3相邻，很容易受到相邻信号层的影响，因此完整性最差。
b. 对结构2的分析
电源层与地层不相邻，耦合较差，无法形成有效的寄生小电容。
信号层1,2,3,4相邻层都能找到地层或电源层作为参考平面，信号质量相对结构1更好一些，其中，信号层1和4位于表层，而表层的阻抗控制比内层更难。因此，从信号完整性而言，信号层2和3要好于1和4。
（2）线宽与层厚
a. 改变参考层厚度0.1mm为0.2mm，阻抗从47ω增加到67ω
b. 改变线宽0.2mm为0.3mm，阻抗从67ω增加到53ω
（3）叠层结构与阻抗设计的示例(16层板、信号最高频率400mhz)
a. 先决参数确定
单板层数：信号层8个，3个电源层，3个地层，2个表层（器件+信号）
单板厚度：2mm
目标阻抗：单端信号55±15ω，差分信号100±15ω
材质选择：fr4，er=4.2，tanδ=0.002
b. 层叠结构与阻抗设计
层叠特征：pcb层叠结构在材质、厚度上完全对称
确定每层厚度，正确选取core ,pp，cu：
5*core1 : 0.69+0.69+3.94 mil=5.32 mil
2*core2 : 0.69+0.69+5.9 mil=7.28 mil
6*pp1: 3.94 mil
2*pp2: 5.9 mil
cu : 0.69 mil
总厚度：5*core1+2*core2+6*pp1+2*pp2+2*cu=77.98 mil = 1.98 mm
确定每层厚度后，计算各层信号走线宽度：
表层单端信号
内层单端信号
内层差分信号（si9000计算）
c. 电源层、地层的确定
层叠已经确定了电源层或地层的位置，这一步确定第二、五、八、九、十二、十五层对应电源层还是地层。
第八，九层位于pcb的中央，紧密相邻，一层作为电源层，另一层作为地层，能起到很好的耦合效果。考虑到需分割的电源层（由四种电源共用）的电源平面较零碎，更需要与完整的地平面的耦合，因此，可确定第八层为地层，第九层为分割的电源层；
第二，十五层直接与表层相邻，从emc的角度考虑，应选择为地层；
第五，十二层用作为2.5v和3.3v的电源平面。
在确定好电源层和地层后，还需相应地为信号层制定如下规则：
第十层的主要参考平面是第九层，而第九层是分割的电源层，对信号回流的影响较大，因此不建议在第十层走高速信号，对于一些非重要的信号，如控制信号，jtag信号等，由于它们的阻抗控制要求较弱，可走在第十层。
第七层的主要参考平面是第八层，第八层是完整的地平面，可为第七层提供很好的回流路径，但这两层之间填充的材质是pp，pcb制成后，在阻抗控制上可能存在一定偏差。因此，第七层可走高速信号，但对一些非常关键的高速信号，如单板上速率达到400mhz的差分对总线spi4.2，不建议走在第七层。
第三层的主要参考平面是第二层，而第二层是完整的地平面，且两层之间采用固态材质填充，阻抗控制较好，适于走高速关键信号，同理，第十四层也适于走高速关键信号。
第四层的主要参考平面是第五层，第五层是完整的2.5v电源平面，两层之间用固态材质填充，可将高速关键信号走在第四层。在本设计中，有大量的ddr sdram接口信号线，其中，ddr sdram的地址，控制信号等都以2.5v为参考，建议将这些信号也走在第四层。
第十三层的主要参考平面是第十二层，第十二层是完整的3.3v电源平面，两层之间用固态材质填充，高速关键信号可走在第十三层，同时，建议将由3.3v供电的许多单端信号，如时钟信号等，走在第十三层。
第六，十一层的主要参考平面分别是第五，十二层，与参考平面之间用pp填充，阻抗控制可能存在偏差，因此，在这两层上可走高速信号，但不建议走非常关键的高速信号。
设计时需注意，第三，四层，第六，七层，第十，十一层，第十三，十四层，这四对信号层彼此相邻，存在互相干扰的可能，因此在走线时，相邻信号层应正交走线，如第三层走线方向成横向，则第四层走线应成纵向。
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pp原始厚度：7628（0.185mm/7.4mil），2116（0.105mm/4.2mil），1080（0.075mm/3mil）， 3313（0.095mm/4mil ）
实际压制完成后厚度：通常会比原始值小10-15um左右
常用铜厚:1/3oz、1/2oz、1oz、2oz
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a. 对结构1的分析
电源层与地层相邻，且距离较近，可以很好地实现电源与地之间的耦合。
信号层3与地层相邻，以完整的地层作为参考平面，因此信号完整性最好。
信号层2与电源层相邻，若电源层是完整的平面，则同样也能获得较好的信号完整性，但若电源种类不止一种，则电源层需分块，不完整的参考平面会导致信号回流路径不通畅，对信号完整性存在一定影响。
信号层1,4与信号层2,3相邻，很容易受到相邻信号层的影响，因此完整性最差。
b. 对结构2的分析
电源层与地层不相邻，耦合较差，无法形成有效的寄生小电容。
信号层1,2,3,4相邻层都能找到地层或电源层作为参考平面，信号质量相对结构1更好一些，其中，信号层1和4位于表层，而表层的阻抗控制比内层更难。因此，从信号完整性而言，信号层2和3要好于1和4。
（2）线宽与层厚
a. 改变参考层厚度0.1mm为0.2mm，阻抗从47ω增加到67ω
b. 改变线宽0.2mm为0.3mm，阻抗从67ω增加到53ω
（3）叠层结构与阻抗设计的示例(16层板、信号最高频率400mhz)
a. 先决参数确定
单板层数：信号层8个，3个电源层，3个地层，2个表层（器件+信号）
单板厚度：2mm
目标阻抗：单端信号55±15ω，差分信号100±15ω
材质选择：fr4，er=4.2，tanδ=0.002
b. 层叠结构与阻抗设计
层叠特征：pcb层叠结构在材质、厚度上完全对称
确定每层厚度，正确选取core ,pp，cu：
5*core1 : 0.69+0.69+3.94 mil=5.32 mil
2*core2 : 0.69+0.69+5.9 mil=7.28 mil
6*pp1: 3.94 mil
2*pp2: 5.9 mil
cu : 0.69 mil
总厚度：5*core1+2*core2+6*pp1+2*pp2+2*cu=77.98 mil = 1.98 mm
确定每层厚度后，计算各层信号走线宽度：
表层单端信号
内层单端信号
内层差分信号（si9000计算）
c. 电源层、地层的确定
层叠已经确定了电源层或地层的位置，这一步确定第二、五、八、九、十二、十五层对应电源层还是地层。
第八，九层位于pcb的中央，紧密相邻，一层作为电源层，另一层作为地层，能起到很好的耦合效果。考虑到需分割的电源层（由四种电源共用）的电源平面较零碎，更需要与完整的地平面的耦合，因此，可确定第八层为地层，第九层为分割的电源层；
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第七层的主要参考平面是第八层，第八层是完整的地平面，可为第七层提供很好的回流路径，但这两层之间填充的材质是pp，pcb制成后，在阻抗控制上可能存在一定偏差。因此，第七层可走高速信号，但对一些非常关键的高速信号，如单板上速率达到400mhz的差分对总线spi4.2，不建议走在第七层。
第三层的主要参考平面是第二层，而第二层是完整的地平面，且两层之间采用固态材质填充，阻抗控制较好，适于走高速关键信号，同理，第十四层也适于走高速关键信号。
第四层的主要参考平面是第五层，第五层是完整的2.5v电源平面，两层之间用固态材质填充，可将高速关键信号走在第四层。在本设计中，有大量的ddr sdram接口信号线，其中，ddr sdram的地址，控制信号等都以2.5v为参考，建议将这些信号也走在第四层。
第十三层的主要参考平面是第十二层，第十二层是完整的3.3v电源平面，两层之间用固态材质填充，高速关键信号可走在第十三层，同时，建议将由3.3v供电的许多单端信号，如时钟信号等，走在第十三层。
第六，十一层的主要参考平面分别是第五，十二层，与参考平面之间用pp填充，阻抗控制可能存在偏差，因此，在这两层上可走高速信号，但不建议走非常关键的高速信号。
设计时需注意，第三，四层，第六，七层，第十，十一层，第十三，十四层，这四对信号层彼此相邻，存在互相干扰的可能，因此在走线时，相邻信号层应正交走线，如第三层走线方向成横向，则第四层走线应成纵向。
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