原创多层PCB电路板设计方法第二部分

 2014-8-28 16:32  1030 20 21 分类: PCB 文集: 多层PCB电路板设计方法

11.3.1 中间层的创建

Protel系统中提供了专门的层设置和管理工具—Layer Stack Manager（层堆栈管理器）。这个工具可以帮助设计者添加、修改和删除工作层，并对层的属性进行定义和修改。选择【Design】/【Layer Stack Manager…】命令，弹出如图11-2所示的层堆栈管理器属性设置对话框。

上图所示的是一个4层PCB板的层堆栈管理器界面。除了顶层（TopLayer）和底层（BottomLayer）外，还有两个内部电源层（Power）和接地层（GND），这些层的位置在图中都有清晰的显示。双击层的名称或者单击Properties按钮可以弹出层属性设置对话框，如图11-3所示。

在该对话框中有3个选项可以设置。

（1）Name：用于指定该层的名称。
（2）Copper thickness：指定该层的铜膜厚度，默认值为1.4mil。铜膜越厚则相同宽度的导线所能承受的载流量越大。
（3）Net name：在下拉列表中指定该层所连接的网络。本选项只能用于设置内电层，信号层没有该选项。如果该内电层只有一个网络例如“+5V”，那么可以在此处指定网络名称；但是如果内电层需要被分割为几个不同的区域，那么就不要在此处指定网络名称。

在层间还有绝缘材质作为电路板的载体或者用于电气隔离。其中Core和Prepreg都是绝缘材料，但是Core是板材的双面都有铜膜和连线存在，而Prepreg只是用于层间隔离的绝缘物质。两者的属性设置对话框相同，双击Core或Prepreg，或者选择绝缘材料后单击Properties按钮可以弹出绝缘层属性设置对话框。如图11-4所示。

绝缘层的厚度和层间耐压、信号耦合等因素有关，在前面的层数选择和叠加原则中已经介绍过。如果没有特殊的要求，一般选择默认值。

除了“Core”和“Prepreg”两种绝缘层外，在电路板的顶层和底层通常也会有绝缘层。点击图11-2左上角的Top Dielectric（顶层绝缘层）或Bottom Dielectric（底层绝缘层）前的选择框选择是否显示绝缘层，单击旁边的按钮可以设置绝缘层的属性。

在顶层和底层绝缘层设置的选项下面有一个层叠模式选择下拉列表，可以选择不同的层叠模式：LayerPairs（层成对）、Internal Layer Pairs（内电层成对）和Build-up（叠压）。在前面讲过，多层板实际上是由多个双层板或单层板压制而成的，选择不同的模式，则表示在实际制作中采用不同压制方法，所以如图11-5所示的“Core”和“Prepreg”的位置也不同。例如，层成对模式就是两个双层板夹一个绝缘层（Prepreg），内电层成对模式就是两个单层板夹一个双层板。通常采用默认的Layer Pairs（层成对）模式。

在图11-2所示的层堆栈管理器属性设置对话框右侧有一列层操作按钮，各个按钮的功能如下。

（1）Add Layer：添加中间信号层。例如，需要在GND和Power之间添加一个高速信号层，则应该首先选择GND层，如图11-6所示。单击Add Layer按钮，则会在GND层下添加一个信号层，如图11-7所示，其默认名称为MidLayer1，MidLayer2，?，依此类推。双击层的名称或者点击Properties按钮可以设置该层属性。

（2）Add Plane：添加内电层。添加方法与添加中间信号层相同。先选择需要添加的内电层的位置，然后单击该按钮，则在指定层的下方添加内电层，其默认名称为Internal Plane1，InternalPlane2，?，依此类推。双击层的名称或者点击Properties按钮可以设置该层属性。

（3）Delete：删除某个层。除了顶层和底层不能被删除，其他信号层和内电层均能够被删除，但是已经布线的中间信号层和已经被分割的内电层不能被删除。选择需要删除的层，单击该按钮，弹出如图11-8所示的对话框，单击Yes按钮则该层就被删除。

（4）Move Up：上移一个层。选择需要上移的层（可以是信号层，也可以是内电层），单击该按钮，则该层会上移一层，但不会超过顶层。

（5）Move Down：下移一个层。与Move Up按钮相似，单击该按钮，则该层会下移一层，但不会超过底层。

（6）Properties：属性按钮。单击该按钮，弹出类似图11-3所示的层属性设置对话框。

11.3.2 中间层的设置

完成层堆栈管理器的相关设置后，单击OK按钮，退出层堆栈管理器，就可以在PCB编辑界面中进行相关的操作。在对中间层进行操作时，需要首先设置中间层在PCB编辑界面中是否显示。选择【Design】/【Options…】命令，弹出如图11-9所示的选项设置对话框，在Internal planes下方的内电层选项上打勾，显示内电层。

在完成设置后，就可以在PCB编辑环境的下方看到显示的层了，如图11-10所示。用鼠标单击电路板板层标签即可切换不同的层以进行操作。如果不习惯系统默认的颜色，可以选择【Tools】/【Preferences…】命令下的Colors选项自定义各层的颜色，相关内容在第8章已有介绍，供读者参考。

11.4 内电层设计

多层板相对于普通双层板和单层板的一个非常重要的优势就是信号线和电源可以分布在不同的板层上，提高信号的隔离程度和抗干扰性能。内电层为一铜膜层，该铜膜被分割为几个相互隔离的区域，每个区域的铜膜通过过孔与特定的电源或地线相连，从而简化电源和地网络的走线，同时可以有效减小电源内阻。

11.4.1 内电层设计相关设置

内电层通常为整片铜膜，与该铜膜具有相同网络名称的焊盘在通过内电层的时候系统会自动将其与铜膜连接起来。焊盘/过孔与内电层的连接形式以及铜膜和其他不属于该网络的焊盘的安全间距都可以在Power Plane Clearance选项中设置。选择【Design】/【Rules…】命令，单击Manufacturing选项，其中的Power Plane Clearance和Power Plane Connect Style选项与内电层相关，其内容介绍如下。

1．Power Plane Clearance

该规则用于设置内电层安全间距，主要指与该内电层没有网络连接的焊盘和过孔与该内电层的安全间距，如图11-11所示。在制造的时候，与该内电层没有网络连接的焊盘在通过内电层时其周围的铜膜就会被腐蚀掉，腐蚀的圆环的尺寸即为该约束中设置的数值。

2．Power Plane Connect Style

该规则用于设置焊盘与内电层的形式。主要指与该内电层有网络连接的焊盘和过孔与该内电层连接时的形式。如图11-12所示。

单击Properties（属性）按钮，弹出其规则设置对话框，如图11-13所示。对话框左侧为规则的适用范围，在右侧的Rule Attributes下拉列表中可以选择连接方式：Relief Connect、Direct Connect和No connect。Direct Connect即直接连接，焊盘在通过内电层的时候不把周围的铜膜腐蚀掉，焊盘和内电层铜膜直接连接；No connect指没有连接，即与该铜膜网络同名的焊盘不会被连接到内电层；设计人员一般采用系统默认的Relief Connect连接形式，该规则的设置对话框如图11-13所示。

这种焊盘连接形式通过导体扩展和绝缘间隙与内电层保持连接，其中在Conductor Width选项中设置导体出口的宽度；Conductors选项中选择导体出口的数目，可以选择2个或4个；Expansion选项中设置导体扩展部分的宽度；Air-Gap选项中设置绝缘间隙的宽度。

11.4.2 内电层分割方法

在本章的前几节已经介绍了多层板的层叠结构的选择，内电层的建立和相关的设置，在本小节中将主要介绍多层板内电层的分割方法和步骤，供读者参考。

（1）在分割内电层之前，首先需要定义一个内电层，这在前面的章节中已经有了介绍，本处不再赘述。选择【Design】/【Split Planes…】命令，弹出如图11-14所示的内电层分割对话框。该对话框中的Current split planes栏中指内电层已经分割的区域。在本例中，内电层尚未被分割，所以图11-14所示的Current split planes栏为空白。Current split planes栏下的Add、Edit、Delete按钮分别用于添加新的电源区域，编辑选中的网络和删除选中的网络。按钮下方的Show Selected Split Plane View选项用于设置是否显示当前选择的内电层分割区域的示意图。如果选择该选项，则在其下方的框中将显示内电层中该区域所划分网络区域的缩略图，其中与该内电层网络同名的引脚、焊盘或连线将在缩略图中高亮显示，不选择该选项则不会高亮显示。Show Net For选项，选择该选项，如果定义内电层的时候已经给该内电层指定了网络，则在该选项上方的方框中显示与该网络同名的连线和引脚情况。

（2）单击Add按钮，弹出如图11-15所示的内电层分割设置对话框。

在如图11-15所示的对话框中，Track Width用于设置绘制边框时的线宽，同时也是同一内电层上不同网络区域之间的绝缘间距，所以通常将Track Width设置的比较大。建议读者在输入数值时也要输入单位。如果在该处只输入数字，不输入单位，那么系统将默认使用当前PCB编辑器中的单位。

Layer选项用于设置指定分割的内电层，此处可以选择Power和GND内电层。本例中有多种电压等级存在，所以需要分割Power内电层来为元器件提供不同等级的电压。

Connect to Net选项用于指定被划分的区域所连接的网络。通常内电层用于电源和地网络的布置，但是在Connect to Net下拉列表中可以看到，可以将内层的整片网络连接到信号网络，用于信号传输，只是一般设计者不这样处理。信号所要求的信号电压和电流弱，对导线要求小，而电源电流大，需要更小的等效内阻。所以一般信号在信号层走线，内电层专用于电源和地网络连线。

（3）单击图11-15内电层分割设置对话框中的OK按钮，进入网络区域边框绘制状态。在绘制内电层边框时，用户一般将其他层面的信息隐藏起来，只显示当前所编辑的内电层，方便进行边框的绘制。选择【Tools】/【Preferences…】命令，弹出如图11-16所示的对话框。选择Display选项，再选择Single Layer Mode复选框，如图11-16所示。这样，除了当前工作层Power之外，其余层都被隐藏起来了，显示效果如图11-17所示。