在現(xiàn)代電子設(shè)備中，PCB(印刷電路板)是承載和連接電子元器件的核心載體，而多層PCB憑借其高密度布線、良好的信號完整性、強(qiáng)大的電磁兼容性等優(yōu)勢，成為高性能電子設(shè)備的首選。但多層PCB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及層疊設(shè)計(jì)、介質(zhì)材料、銅箔工藝、過孔技術(shù)等多個(gè)方面，很多PCB設(shè)計(jì)師對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解僅停留在表面。本文將從層疊結(jié)構(gòu)、內(nèi)部組成、關(guān)鍵設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、性能優(yōu)化四個(gè)維度，深入解析多層PCB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助PCB設(shè)計(jì)師建立對多層PCB的深刻理解，設(shè)計(jì)出高性能的PCB產(chǎn)品。

一、多層PCB的基礎(chǔ)：從"單面板"到"多層板"的演進(jìn)

PCB的發(fā)展歷程

PCB的發(fā)展經(jīng)歷了單面板、雙面板、多層板三個(gè)階段：

單面板：僅在電路板的一側(cè)布線，另一側(cè)放置元器件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但布線密度低，僅適用于簡單的電子設(shè)備;

雙面板：在電路板的兩側(cè)布線，通過過孔連接兩側(cè)的線路，布線密度較高，適用于中等復(fù)雜度的電子設(shè)備;

多層板：在雙面板的基礎(chǔ)上增加了內(nèi)部電源層、地層和信號層，通過過孔連接各層的線路，布線密度極高，信號完整性好，適用于高復(fù)雜度、高性能的電子設(shè)備。

多層PCB的定義與優(yōu)勢

多層PCB是指由三層及以上的導(dǎo)電層和絕緣介質(zhì)層交替堆疊而成的PCB，各導(dǎo)電層之間通過過孔實(shí)現(xiàn)電氣連接。多層PCB具有以下優(yōu)勢：

高密度布線：通過增加內(nèi)部信號層，實(shí)現(xiàn)高密度布線，滿足高性能電子設(shè)備對布線空間的需求;

良好的信號完整性：通過單獨(dú)設(shè)置電源層和地層，為信號提供良好的參考平面，減少信號干擾和反射，提高信號完整性;

強(qiáng)大的電磁兼容性：通過合理的層疊設(shè)計(jì)和屏蔽措施，有效抑制電磁干擾(EMI)，提高電磁兼容性;

良好的散熱性能：通過大面積的銅箔地層和電源層，實(shí)現(xiàn)高效的散熱，降低電子元器件的工作溫度;

高可靠性：減少了外接元器件的使用，提高了電路板的可靠性和穩(wěn)定性。

二、多層PCB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：從"層疊設(shè)計(jì)"到"核心組成"的全面解析

多層PCB的層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

層疊設(shè)計(jì)是多層PCB設(shè)計(jì)的核心，合理的層疊設(shè)計(jì)可以提高信號完整性、電磁兼容性和散熱性能。常見的多層PCB層疊結(jié)構(gòu)包括4層板、6層板、8層板、10層板等，其中4層板是最常用的多層PCB結(jié)構(gòu)。

典型4層PCB層疊結(jié)構(gòu)

從上到下依次為：

頂層(Top Layer)：信號層，放置元器件和布線;

地層(Ground Layer)：參考平面層，作為信號的回流路徑，抑制電磁干擾;

電源層(Power Layer)：電源分配層，為電子元器件提供穩(wěn)定的電源;

底層(Bottom Layer)：信號層，放置元器件和布線。

典型6層PCB層疊結(jié)構(gòu)

從上到下依次為：

頂層(Top Layer)：信號層，放置元器件和布線;

地層(Ground Layer)：參考平面層，作為信號的回流路徑，抑制電磁干擾;

信號層1(Signal Layer 1)：內(nèi)部信號層，布線;

信號層2(Signal Layer 2)：內(nèi)部信號層，布線;

電源層(Power Layer)：電源分配層，為電子元器件提供穩(wěn)定的電源;

底層(Bottom Layer)：信號層，放置元器件和布線。

層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

相鄰層參考平面原則：信號層應(yīng)與地層或電源層相鄰，為信號提供良好的參考平面，減少信號反射和干擾;

電源層與地層相鄰原則：電源層與地層相鄰，形成電容耦合，減少電源噪聲，提高電源穩(wěn)定性;

高速信號層單獨(dú)設(shè)置原則：高速信號層應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，避免與其他信號層重疊，減少信號串?dāng)_;

對稱層疊原則：多層PCB的層疊結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能對稱，以防止電路板彎曲變形。

多層PCB的內(nèi)部核心組成

多層PCB的內(nèi)部核心組成包括導(dǎo)電層、絕緣介質(zhì)層、過孔、阻焊層、絲印層等。

導(dǎo)電層

導(dǎo)電層由銅箔制成，是PCB中實(shí)現(xiàn)電氣連接的核心部分，主要包括信號層、電源層和地層。

銅箔厚度：常見的銅箔厚度為1盎司(35μm)、2盎司(70μm)、4盎司(140μm)等，厚度越大，載流能力和散熱性能越強(qiáng)，但成本越高;

銅箔類型：包括電解銅箔和壓延銅箔，電解銅箔導(dǎo)電性好，成本低，適用于大多數(shù)應(yīng)用;壓延銅箔韌性好，適用于需要彎曲的PCB;

銅箔工藝：包括全板鍍銅、圖形電鍍、化學(xué)沉銅等，圖形電鍍是最常用的工藝，通過掩模實(shí)現(xiàn)選擇性鍍銅，形成線路。

絕緣介質(zhì)層

絕緣介質(zhì)層是分隔各導(dǎo)電層的絕緣材料，主要作用是提供電氣絕緣、支撐導(dǎo)電層、控制線路阻抗等。

介質(zhì)材料：常見的介質(zhì)材料包括FR-4(玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂)、Rogers高頻材料、聚四氟乙烯(PTFE)等，F(xiàn)R-4是最常用的介質(zhì)材料，具有良好的絕緣性能、機(jī)械性能和熱性能;

介質(zhì)厚度：常見的介質(zhì)厚度為0.2mm、0.3mm、0.5mm等，厚度越大，絕緣性能越好，但線路阻抗越高;

介電常數(shù)：介質(zhì)材料的介電常數(shù)影響線路阻抗，介電常數(shù)越小，線路阻抗越高，信號傳輸速度越快，F(xiàn)R-4的介電常數(shù)約為4.3。

過孔

過孔是連接多層PCB各導(dǎo)電層的金屬化孔，主要作用是實(shí)現(xiàn)各層線路的電氣連接。

過孔類型：包括通孔(Through Hole)、盲孔(Blind Hole)、埋孔(Buried Hole)，通孔貫穿整個(gè)PCB，制作簡單，成本低;盲孔從表層連接到內(nèi)部層，埋孔位于內(nèi)部層之間，兩者都能提高布線密度，但制作復(fù)雜，成本高;

過孔結(jié)構(gòu)：由孔壁金屬層和焊盤組成，孔壁金屬層通過化學(xué)沉銅和電鍍工藝實(shí)現(xiàn)，焊盤用于連接線路;

過孔參數(shù)：包括孔徑、焊盤直徑、孔壁厚度等，孔徑越小，布線密度越高，但制作難度越大，常見的孔徑為0.2mm~0.8mm。

阻焊層

阻焊層是覆蓋在導(dǎo)電層表面的絕緣涂層，主要作用是保護(hù)線路免受氧化、劃傷和短路，提高PCB的可靠性。

阻焊層材料：通常采用環(huán)氧樹脂油墨，具有良好的絕緣性能和耐候性能;

阻焊層顏色：常見的顏色為綠色、紅色、藍(lán)色、黑色等，綠色是最常用的顏色，成本低，視覺效果好;

阻焊層工藝：包括絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷，絲網(wǎng)印刷是最常用的工藝，通過掩模實(shí)現(xiàn)選擇性覆蓋。

絲印層

絲印層是覆蓋在PCB表面的字符和圖案層，主要作用是標(biāo)識元器件、引腳、測試點(diǎn)等，方便PCB的焊接、調(diào)試和維護(hù)。

絲印層材料：通常采用白色或黑色油墨，具有良好的對比度和耐候性能;

絲印層內(nèi)容：包括元器件型號、引腳標(biāo)識、板號、日期碼等;

絲印層工藝：通常采用絲網(wǎng)印刷工藝。

三、多層PCB的關(guān)鍵設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)：從"阻抗控制"到"電磁兼容"的精準(zhǔn)優(yōu)化

阻抗控制設(shè)計(jì)

阻抗控制是多層PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是高速信號PCB，合理的阻抗控制可以保證信號的完整性，減少信號反射和串?dāng)_。

阻抗的定義與類型

阻抗是指信號在傳輸過程中遇到的阻力，包括特性阻抗、差動(dòng)阻抗、共模阻抗等。

特性阻抗：指信號在傳輸線上傳播時(shí)，每單位長度的輸入阻抗，通常要求控制在50Ω或75Ω;

差動(dòng)阻抗：指兩條差動(dòng)信號線之間的阻抗，通常要求控制在100Ω或150Ω;

共模阻抗：指兩條差動(dòng)信號線與地之間的阻抗，通常要求控制在50Ω或75Ω。

阻抗控制方法

阻抗控制主要通過調(diào)整線路寬度、介質(zhì)厚度、介電常數(shù)等參數(shù)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算公式如下：

微帶線阻抗(信號層在表層，參考平面在相鄰層)： Z0 = (87 / √(εr + 1.41)) × ln(5.98h / (0.8w + t))

帶狀線阻抗(信號層在內(nèi)部，上下均為參考平面)： Z0 = (60 / √εr) × ln(4h / (0.67πw + t)) 其中，Z0為特性阻抗，εr為介質(zhì)材料的介電常數(shù)，h為信號層與參考平面之間的介質(zhì)厚度，w為線路寬度，t為銅箔厚度。

阻抗控制注意事項(xiàng)

線路寬度均勻：避免線路寬度突變，否則會(huì)導(dǎo)致阻抗突變，引發(fā)信號反射;

參考平面連續(xù)：信號層的參考平面應(yīng)保持連續(xù)，避免出現(xiàn)缺口，否則會(huì)導(dǎo)致阻抗突變;

過孔阻抗匹配：過孔的阻抗應(yīng)與線路阻抗匹配，避免過孔引發(fā)信號反射。

電磁兼容設(shè)計(jì)

電磁兼容(EMC)是指PCB在電磁環(huán)境中正常工作，同時(shí)不對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾的能力，多層PCB的電磁兼容設(shè)計(jì)主要包括電磁干擾(EMI)抑制和電磁敏感度(EMS)提高兩個(gè)方面。

電磁干擾抑制方法

屏蔽設(shè)計(jì)：通過地層和電源層形成屏蔽腔，隔離敏感信號和干擾源;

濾波設(shè)計(jì)：在電源輸入端添加電容、電感等濾波元件，抑制電源噪聲;

布線優(yōu)化：高速信號應(yīng)走直線，避免拐角，遠(yuǎn)離干擾源，減少信號串?dāng)_;

接地設(shè)計(jì)：采用多點(diǎn)接地或單點(diǎn)接地，減少接地環(huán)路干擾，提高接地可靠性。

電磁敏感度提高方法

信號隔離：對敏感信號采用差分傳輸、光耦隔離等方式，提高信號的抗干擾能力;

電源保護(hù)：在電源輸入端添加過壓保護(hù)、浪涌保護(hù)等元件，提高電源的抗干擾能力;

殼體屏蔽：采用金屬殼體對PCB進(jìn)行屏蔽，提高整體的抗干擾能力。

散熱設(shè)計(jì)

散熱設(shè)計(jì)是多層PCB設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，尤其是功率PCB，合理的散熱設(shè)計(jì)可以降低電子元器件的工作溫度，提高PCB的可靠性和使用壽命。

散熱設(shè)計(jì)方法

銅箔散熱：增加電源層和地層的銅箔厚度，采用大面積銅箔覆蓋發(fā)熱元器件，提高散熱性能;

過孔散熱：在發(fā)熱元器件下方布置大量過孔，將熱量傳遞到內(nèi)部地層和電源層，實(shí)現(xiàn)高效散熱;

散熱片設(shè)計(jì)：在發(fā)熱元器件上安裝散熱片，通過空氣對流實(shí)現(xiàn)散熱;

埋入式散熱：將發(fā)熱元器件埋入PCB內(nèi)部，通過內(nèi)部銅箔實(shí)現(xiàn)高效散熱。

四、多層PCB的制造工藝：從"疊層"到"成品"的完整流程

多層PCB的制造工藝復(fù)雜，涉及疊層、鉆孔、金屬化、圖形轉(zhuǎn)移、蝕刻、阻焊、絲印等多個(gè)環(huán)節(jié)，以下是主要的制造流程：

第一步：內(nèi)層制作

裁板：將基板裁剪成合適的尺寸;

磨板：對基板表面進(jìn)行打磨，去除氧化層，提高結(jié)合力;

圖形轉(zhuǎn)移：通過光刻工藝將線路圖案轉(zhuǎn)移到基板表面;

蝕刻：將基板表面未被光刻膠覆蓋的銅箔蝕刻掉，形成線路;

檢測：對制作好的內(nèi)層線路進(jìn)行檢測，確保線路質(zhì)量符合要求。

第二步：疊層壓制

疊層：將制作好的內(nèi)層線路、半固化片(PP)按層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依次疊放;

壓制：在高溫高壓下將疊層好的板材壓合在一起，半固化片受熱融化，形成絕緣介質(zhì)層，將各導(dǎo)電層粘合在一起。

第三步：鉆孔與金屬化

鉆孔：根據(jù)設(shè)計(jì)要求在壓合好的板材上鉆出通孔、盲孔或埋孔;

去鉆污：去除鉆孔過程中產(chǎn)生的鉆污，提高孔壁與金屬層的結(jié)合力;

化學(xué)沉銅：在孔壁上沉積一層薄銅，實(shí)現(xiàn)孔壁的金屬化;

電鍍：在沉銅的基礎(chǔ)上進(jìn)行電鍍，增加孔壁銅層厚度，提高載流能力。

第四步：外層制作

圖形轉(zhuǎn)移：通過光刻工藝將外層線路圖案轉(zhuǎn)移到基板表面;

蝕刻：將基板表面未被光刻膠覆蓋的銅箔蝕刻掉，形成外層線路;

阻焊：在基板表面印刷阻焊層，保護(hù)線路免受氧化和劃傷;

絲印：在基板表面印刷絲印層，標(biāo)識元器件、引腳等信息;

成型：將制作好的PCB裁剪成最終尺寸，去除邊角廢料;

檢測：對成品PCB進(jìn)行電氣檢測、外觀檢測、阻抗檢測等，確保質(zhì)量符合要求。

多層PCB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及層疊設(shè)計(jì)、導(dǎo)電層、絕緣介質(zhì)層、過孔、阻焊層、絲印層等多個(gè)方面，其設(shè)計(jì)和制造工藝也非常復(fù)雜。但多層PCB憑借其高密度布線、良好的信號完整性、強(qiáng)大的電磁兼容性等優(yōu)勢，成為高性能電子設(shè)備的首選。

在多層PCB設(shè)計(jì)過程中，PCB設(shè)計(jì)師應(yīng)該建立對多層PCB內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深刻理解，從阻抗控制、電磁兼容設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等多個(gè)維度進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出高性能的PCB產(chǎn)品。同時(shí)，PCB設(shè)計(jì)師還應(yīng)該了解多層PCB的制造工藝，與制造商密切配合，確保設(shè)計(jì)方案的可制造性。

通過不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，PCB設(shè)計(jì)師可以逐漸掌握多層PCB的設(shè)計(jì)技巧，設(shè)計(jì)出高性能、高可靠性、低成本的PCB產(chǎn)品，滿足不同應(yīng)用場景的需求。