4层PCB简介-设计指南

4 层 PCB（印刷电路板）是一种常用的多层电路板，具有四个导电铜层，由绝缘介电层隔开。它在电气性能、成本和设计灵活性之间实现了很好的平衡，使其成为需要中高复杂性和信号完整性的应用的理想选择。

什么是 4 层 PCB？

4 层 PCB（印刷电路板）是一种电路板，由四层导电材料组成，由绝缘层隔开。这四个层通常包括 2 个内层和 2 个外层。内层通常用于配电和接地层，而外层主要用于元件的放置和连接。

4 层 PCB 的优势

• 减少电磁干扰 （EMI）：电源层和接地层充当屏蔽层，减少辐射噪声。

• 更好的信号完整性：连续参考平面减少了阻抗不连续性。

• 紧凑的设计：支持高密度布线，非常适合空间受限的应用。

• 改进的配电：专用平面为电力输送提供较低电阻的路径。

• 复杂电路的经济高效：比 6 层 + 板更实惠，但功能强大，足以支持许多高级应用。

4 层 PCB 的应用

• 工业控制系统

• IoT 设备和传感器

• 汽车 ECU 和信息娱乐系统

• 消费电子产品

• 通讯设备

4 层 PCB 设计

为什么电源层和接地层通常是内层，而走线在外层？

稳定的电源和接地层有利于降低 EMI 辐射，并且可以提高走线上的信号质量。此外，将组件连接到平面比使用走线对电源和接地树进行布线要简单得多。从 EMC 的角度来看，外层带有接地的叠层是最好的。组件之间的连接往往在本地集群，而这些本地连接将有相当大的机会仅在一层上路由。如果你把所有的 traces 都放在 内层 上，你将需要一个 via 来让所有信号从 component 到 signal layers。 例如，当使用 SMD 元件时，连接与元件位于同一层，因此不需要通孔或通孔焊盘。在空间受限的设计中，您可以在电路板的另一侧放置更多电路。 SMT 电路总是在表面上，如果您的电源和 GND 在外面，您必须不断地将其分解以放置零件。此外，如果将电源和 GND 平面放在电路板的外部，则很难调试。对于 RF 布局，电路板外层和电路板内层的走线的规则不同。如果您正在进行 microstrip 布线，则可以使用更少的层。

2 种 4 层 PCB 叠层

标准的 4 层 PCB 叠层如下，GND 和 VCC 可以根据信号较多的层进行切换。

 [信号-接地-VCC-信号]

如果您不想通过过孔连接所有接地引脚，则有不同的堆栈，并且电源在信号平面上通过宽走线进行布线。

[接地-信号-信号-接地]

这可能是与 4 层 PCB 更好的堆叠，原因如下：

1. 信号层与接地层相邻。在参考平面上运行的信号，其电压恰好为 VCC，仍将通过该参考平面返回。

2. 信号层与其相邻平面紧密耦合。

3. 接地层可以充当内部信号层的屏蔽层。将跟踪到平面的高度保持在尽可能低的位置，将获得更好的结果。

4. 多个接地层降低了电路板的接地（参考平面）阻抗，并降低了共模辐射。 当高速信号改变参考平面时，附近应该有一条路径，使其返回电流在两个参考平面之间移动。使用两个接地层，您可以通过直接连接两个平面的单个过孔来实现。对于接地层和电源层，连接必须通过一个电容器，这通常需要两个过孔和一个电容器。这意味着信号完整性更差，占用的电路板面积更多。另一方面，拥有电源层可以减少电源轨上的电压降并释放信号层上的空间。

四层板设计的布线原则

1. 优先路由

- 优先考虑关键信号，例如时钟信号、高速信号等。这些信号对布线要求很高，它们的布线应该是短的、直的和阻抗匹配的。

- 优先考虑电源和接地网络的布线，为后续信号布线提供稳定的参考平面。

2. 信号分层

- 高速信号和敏感信号应尽可能靠近参考平面（电源层或接地层），以减少环路电感并确保信号完整性。

• 不同速率和灵敏度的信号应分层以避免相互干扰。

3. 避免越过分叉

- 信号走线应尽量避免穿越电源或接地层的分割区域，否则会导致返回路径不连续，增加信号反射和辐射。

4. 减少循环面积

- 布线应尽量减少信号环路的面积，以减少电磁辐射和易受外部干扰的可能性。

5. 布线长度控制

- 对于高速信号，应严格控制布线长度，使其尽可能相等，以减少信号延迟和相位差。

- clock lines 等 key signals 的 routing length 应满足 timing 要求。

6. 间距控制

- 不同信号之间应保持足够的间距，以防止串扰。特别是在高速信号和低速信号之间，敏感信号和噪声信号之间。

7. 阻抗匹配

- 根据信号的传输速率和特性阻抗要求，合理设计布线的宽度、间距和堆叠结构，保证阻抗匹配，减少信号反射。

8. 电源和接地布线

- 电源布线应具有足够的宽度来承载电流并避免过大的电压降。

- 接地层应保持完整，尽量减少划分和断点，以提供良好的接地回路。

9. 通孔的使用

- 控制过孔的数量和大小，以最大限度地减少过孔引起的寄生电容和电感。

- 高速信号的通孔应背钻，以减少残桩的影响。

10. 遵循制造过程

- 布线应符合 PCB 制造商的工艺能力和设计规则，以确保可制造性。

高密度 4 层 PCB 的高级布线

当使用密集的布局时，尤其是那些涉及高速信号或紧凑元件放置的布局时，高级布线策略至关重要。这些技术包括长度调整、差分对布线和最小化短截线等技术。了解返回路径和串扰缓解是可靠设计的关键。

在 4 层板中放置过孔的最佳实践

在 4 层 PCB 中放置通孔直接影响性能和可制造性。错位的过孔会增加寄生电感和电容，从而降低高速信号质量。设计人员应避免对敏感信号使用不必要的过孔过渡，并在适用时使用焊盘内过孔或背钻。适当的过孔拼接还可以确保信号在层之间转换时稳定的参考连续性，尤其是在电源/接地分离附近。

完整概述：4 层 PCB 基础知识和常见问题解答

多层 PCB 新手？本基础指南深入探讨了 4 层板的结构、它们相对于 2 层选项有哪些优势，以及设计选择如何影响性能、成本和原型设计时间。它涵盖了标准术语、常用材料，以及有关叠层、布局工具和铜重量选择的常见问题的解答。

4 层 PCB 的制造工艺

我们提供高质量的多层 PCB 制造服务，并提供可定制的堆叠选项。

我们的标准 4 层叠层包括：

• 可根据电路板厚度（例如 1.6 毫米、2.0 毫米）进行定制

• 外铜：1 盎司或 2 盎司

• 内铜：0.5 盎司或 1 盎司

• 提供 FR4 或高 Tg 衬底

我们提供设计建议，以满足您的应用的信号速度、电流处理和阻抗要求。