如何優化 HDI PCB 板的層疊結構
1 分鐘
- 1. 什麼是 PCB 疊構？
- 2. 正確 PCB 疊構設計準則：
- 3. 有效訊號走線設計準則：
- 4. 如何選擇層數：
- 5. 層疊構設計：
- 6. 四層 PCB 疊構：
- 7. 六層 PCB 疊構：
- 8. 八層 PCB 疊構：
- 結論：
隨著 HDI 疊構 這項多層 PCB 設計尖端技術的推出，PCB 設計師在未來幾年將能夠打造更複雜、更小巧的電路板。設計 PCB 疊構的第一步，就是精準確立專案需求。首先要決定所需的層數，這取決於電路的複雜度、訊號密度、電源分配需求，以及設計是否包含 RF 或高速訊號。
HDI PCB 製造始於 1980 年代末期。1984 年 PCB 的連續堆疊製程標誌著首批 HDI 生產的開始。此後，製造商與設計師不斷尋求在更小的空間內容納更多元件的方法。HDI 板依據 IPC-2315 與 IPC-2226 標準進行設計與生產。本文將涵蓋：何謂 PCB 疊構、其重要性、如何選擇疊構、常見疊構配置，以及 HDI PCB 的阻抗控制考量。
1. 什麼是 PCB 疊構？
疊構指的是 PCB 上銅層與絕緣層的排列方式，決定了電源層與訊號走線在各層間的分布，直接影響散熱與電氣性能。為達成高互連密度，HDI 設計的疊構常採用多層精確配置。然而，某些問題仍待解答：如何挑選層數？有無公式？該用四層還是六層？讀完本文，這些疑問將迎刃而解。雖無固定公式，但需遵循基本設計原則，否則可能出現：
⦁ 阻抗不匹配
⦁ 熱滯後與 EMI/EMC 問題
2. 正確 PCB 疊構設計準則：
如同任何設計或製造流程，設計師需遵守特定準則，才能產出最高品質的產品。眾所周知，電子產品在正式量產前，須經歷多道涉及不同元件的工序。
⦁ 接地層至關重要，因其能透過降低接地阻抗，實現帶狀線訊號路由並大幅抑制接地雜訊。
⦁ 高速訊號須夾於內層之間，接地層則作為屏蔽以減少輻射。
⦁ 為達最佳效果，訊號層應緊鄰接地層。
⦁ 電源層與電源連接需精心規劃，以確保高效運作。
⦁ PCB 結構須對稱，以保證性能平衡。
⦁ 滿足訊號阻抗要求，才能維持訊號完整性。
⦁ 設計時須考量每層訊號層的厚度。
⦁ 須評估材料的機械、化學、電氣與熱特性，確保符合設計規格。
3. 有效訊號走線設計準則：
隨著元件密度提升，HDI 板走線將日益複雜。為支援高密度走線，HDI PCB 設計 必須將線寬、孔徑與間距縮至最小；所有關鍵訊號元件、去耦電容與 IC 走線完成後，再對其餘元件進行佈線。
為降低高速訊號引起的雜訊與串擾，建議採用多層板，並將接地與電源層置於內層。其排列方式為：接地層緊貼訊號層下方，作為參考層與差分訊號的回流路徑；電源層則位於接地層之後，以降低阻抗。
採用分割平面概念，為每條訊號提供獨立接地銅面，可減少鄰近訊號干擾，提升 HDI PCB 整體性能。以下為最常用的多層 PCB 設計規則。
4. 如何選擇層數：
簡單設計可能只需 2 至 4 層，而採用 FPGA、SoC 或 RF 的複雜板子通常需要 6 至 8 層甚至更多。高速電路 與對 EMI 敏感的設計，通常需要額外的接地層與精心規劃的層配置。
疊構中的每一層都應有明確用途：訊號層用於走線；接地層提供低阻抗回流路徑，對高速訊號的完整性至關重要；密集設計可能需要多個電源層，以將電壓分布至整塊板子。為降低雜訊與電磁干擾，訊號層最好緊鄰接地層；混合訊號架構則須謹慎分離類比與數位區域。
5. 層疊構設計：
依設計需求選擇 層疊構 可將雜訊降至最低。例如，若訊號路徑位於接地層上方，傳播速度會更快；此外，在疊構中加入電源層可減少走線數量，並透過過孔提供 VCC 或 5V。
6. 四層 PCB 疊構：
四層疊構 1（通用標準）：
Layer 1: 訊號（頂層）
Layer 2: 接地（GND）層
Layer 3: 電源（VCC）層
Layer 4: 訊號（底層）
四層疊構 2（訊號完整性導向）：
Layer 1: 訊號
Layer 2: 接地
Layer 3: 接地/電源（必要時分割）
Layer 4: 訊號
7. 六層 PCB 疊構：
六層疊構 1（高速訊號）：
Layer 1: 訊號
Layer 2: 接地
Layer 3: 訊號
Layer 4: 訊號
Layer 5: 電源
Layer 6: 訊號
六層疊構 2（電源完整性導向）：
Layer 1: 訊號
Layer 2: 接地
Layer 3: 電源
Layer 4: 接地
Layer 5: 訊號
Layer 6: 訊號
8. 八層 PCB 疊構：
八層疊構 1（EMI 控制、高速設計）：
Layer 1: 訊號
Layer 2: 接地
Layer 3: 訊號
Layer 4: 電源
Layer 5: 接地
Layer 6: 訊號
Layer 7: 接地
Layer 8: 訊號
八層疊構 2（密集電源分配）：
Layer 1: 訊號
Layer 2: 接地
Layer 3: 訊號
Layer 4: 電源
Layer 5: 電源
Layer 6: 訊號
Layer 7: 接地
Layer 8: 訊號
結論：
從雙層到十層 HDI 板，最佳疊構取決於 PCB 與電路的應用。高速疊構成本較高，因需同時考量 EMI 與訊號完整性。若疊構品質未顧及這些因素，PCB 可能無法勝任高速應用。與值得信賴的製造商如 JLCPCB 合作至關重要。作為領先的 PCB 製造商之一，JLCPCB 擁有最先進的生產線，能可靠且具成本效益地生產最複雜的高速設計，不僅確保生產順利，也讓工程師更快將尖端且精巧的技術推向市場。
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