PCB布线叠层与阻抗设计笔记

- 前言
- 一、布线设计概述
- 二、多层电路板叠层工艺解析
- - [2.1 基础材料](#2.1 基础材料)
  - [2.2 PP + CORE + PP 叠层结构](#2.2 PP + CORE + PP 叠层结构)
- 三、叠层设计与阻抗计算
- - [3.1 打开Cross-section工具](#3.1 打开Cross-section工具)
  - [3.2 设置层数](#3.2 设置层数)
  - [3.3 设置层属性](#3.3 设置层属性)
  - [3.4 设置层厚度和铜厚](#3.4 设置层厚度和铜厚)
  - [3.5 表面处理工艺](#3.5 表面处理工艺)
  - [3.6 材料选择](#3.6 材料选择)
  - [3.7 总厚度计算](#3.7 总厚度计算)
- 四、阻抗计算
- - [4.1 单端信号阻抗计算](#4.1 单端信号阻抗计算)
  - [4.2 差分信号阻抗计算](#4.2 差分信号阻抗计算)
  - [4.3 阻抗调整原则](#4.3 阻抗调整原则)
- 五、布线规则配置
- - [5.1 走线规则](#5.1 走线规则)
  - [5.2 间距规则](#5.2 间距规则)
  - [5.3 Class设定](#5.3 Class设定)
- 六、布线命令与操作
- - [6.1 走线命令](#6.1 走线命令)
  - [6.2 修线命令](#6.2 修线命令)
  - [6.3 复制命令](#6.3 复制命令)
  - [6.4 等长命令](#6.4 等长命令)
- 七、检查与标注
- 八、常见问题

前言

在PCB设计中，叠层设计与阻抗控制是保证信号完整性的关键环节。尤其是高速数字电路和射频电路中，线宽、线距、过孔以及叠层结构的合理设计直接影响信号质量。本文将从叠层工艺基础出发，系统讲解Allegro中叠层设置、阻抗计算、差分信号设计以及布线规则配置等核心内容。

一、布线设计概述

在进行PCB布线之前，必须明确布线包含两个部分：有阻抗设计 和无阻抗设计。

无阻抗设计：线路宽度一般，不特别控制阻抗，适用于速率或频率非常低的电路。此时无需担心阻抗问题，可采用较大的工艺尺寸（通常6~8mil），间距增大可降低生产难度，手工焊接也更容易。
有阻抗设计：需要严格控制线宽和间距以满足目标阻抗值，适用于高速信号、差分对等场景。

此外，布线设计还包括以下关键环节：

过孔设计：包括过孔位置和添加方法
规则添加：走线规则（如电源线粗细）、间距规则（走线之间、走线到焊盘的间距）
Class设定：设定规则类别
布线命令：走线命令、修线命令、复制命令、等长命令
检查与标注：DRC检查、软件标注

二、多层电路板叠层工艺解析

2.1 基础材料

PCB的基础材料是双面覆铜板（Copper Clad Laminate），它是一种硬质的、具有特定厚度的双面覆铜板。线路通过蚀刻工艺得到，构成硬质板的基础。

2.2 PP + CORE + PP 叠层结构

多层板的形成采用 PP + CORE + PP 的叠层方式：

CORE（芯板）：硬质的、有特定厚度的、两面包铜的板材，是构成印制板的基础材料。多层板由芯板和半固化片互相层叠压合而成。
PP（Prepreg，半固化片）：用树脂浸渍并固化到中间程度（B阶）的薄片材料。用作多层印制板的内层导电图形的黏结材料和层间绝缘。在层压时，半固化片的环氧树脂融化、流动、凝固，将各层电路黏合在一起，并形成可靠的绝缘层。

在层压过程中，半固化片构成浸润层，起到粘合芯板的作用。虽然半固化片有一定的初始厚度，但在压制过程中其厚度会发生变化。

这是一张 PCB 半固化片（PP 片）参数表，包含两种材料类别的厚度和介电常数数据。我已将数据整理如下：

类别	参数	106	1080	3313	2116	7628
Tg≤170	理论实际厚度(mm)	0.0513	0.0773	0.1034	0.1185	0.1951
	介电常数(Dk)	3.6	3.65	3.85	3.95	4.2
IT180A	理论实际厚度(mm)	0.0511	0.07727	0.0987	0.1174	0.1933
	介电常数(Dk)	3.9	3.95	4.15	4.25	4.5

这是 PCB 芯板（Core）参数表，与上一张半固化片（PP）表配套。整理如下：

芯板厚度(mm)	0.051	0.075	0.102	0.11	0.13	0.15	0.18	0.21	0.25	0.36	0.51	0.71	≥0.8
对应 mil	2	3	4	4.33	5.1	5.9	7	8.27	10	14.5	20	28	≥31.5
Tg≤170 Dk	3.6	3.65	3.95	3.95	3.95	3.65	4.2	3.95	3.95	4.2	4.1	4.2	4.2
IT180A Dk	3.9	3.95	4.25	4	4.25	3.95	4.5	4.25	4.25	4.5	4.4	4.5	4.5

三、叠层设计与阻抗计算

3.1 打开Cross-section工具

在Allegro中，叠层设计通过 Setup → Cross-section 工具完成。

图3：Setup → Cross-section 叠层工具入口

3.2 设置层数

默认情况下，软件设定为两层板。以四层板为例，需要在第二层介质之间，通过在下方点右键，选择 Add Layer Below，继续向下添加两层。

图4：在Cross-section中添加层（Add Layer Below）

3.3 设置层属性

在选择层属性时，需要注意：

Conductor（导体）：表示能够电气导电的层，如信号层和电源层
Dielectric（介质）：表示不导电的材料，即绝缘层
Plane（平面）：第二层通常选择平面材料，用于电源或地平面

在层叠设置中，需为每一层指定材料属性。Conductor（导体） 表示导电的走线层，Dielectric（介质） 表示绝缘材料层。外层通常选用介质材料，该属性也可留空。第二层一般选用平面层，以 Plane（平面） 表示。此属性为可选项，不设置时仍可进行计算，但只有正确设置后才能满足设计要求。

3.4 设置层厚度和铜厚

接下来是 Layer Function（层功能） ，用于定义该层的用途，例如走线层（Routing）或平面层（Plane）。其后是厚度设置，包括表层及第二层介质的厚度。中间拓扑结构中对应的厚度参数为铜厚 ------ 即制作每层线路时的铜箔厚度，由于蚀刻工艺的影响，铜厚并非完全均匀。铜层厚度通常为 0.5～20 微米，该数值为包含电镀（Plating）后的总厚度。

3.5 表面处理工艺

在完成电镀和喷涂后，产品类似于常规表层和内层，厚度基本一致。表面处理工艺包括：

阻焊剂（绿油）
喷漆
镀金
镀锡

图6：表面处理工艺选项

关于"plane"的含义是什么？在进行表面处理时，除了这些性能以外，是否还需要添加阻焊剂、过滤油，以及进行诸如喷漆、镀金或镀锡等表面处理工艺。这些被统称为喷涂工艺和表面处理。

3.6 材料选择

这里的 Material 指的是介质材料。在选择厚度时，可以直接选择Core参数，因为经过表面处理后的表层和内层厚度基本一致。

图7：介质材料（Material）设置

3.7 总厚度计算

完成叠层设置后，系统会给出总厚度。例如，61.3mil（约1.55~1.56mm），这是没有涂油的厚度。加上涂油（绿油）的厚度后，最终厚度大约为1.6mm，这是常见的PCB板厚标准。

图8：Cross-section中显示的总厚度

四、阻抗计算

4.1 单端信号阻抗计算

展开 Signal Integrity 选项后，会出现走线线宽和阻抗值的一栏。

阻抗与线宽的关系 ：线宽与阻抗成反比关系------线宽越宽，阻抗越低；线宽越窄，阻抗越高。

计算示例：

目标阻抗：50Ω
线宽设为5.0mil时，阻抗为53.39Ω（偏大）
线宽设为5.5mil时，阻抗为52.899Ω（接近目标值）

绿油对阻抗的影响：

如果未设置预留的Surface（即没有覆盖绿油），阻抗会偏大。经验估算公式：

Z × 0.9 + 3.2 ≈ 实际阻抗值

例如：50.8091 × 0.9 + 3.2 ≈ 50.8091（考虑绿油覆盖后的修正值）

4.2 差分信号阻抗计算

对于差分信号（如USB、HDMI等需要100Ω差分阻抗的信号），需要在diff coupling type中选择 Edge 耦合方式。

图9：差分耦合类型（Diff Coupling Type）选择Edge

差分阻抗设计示例：

选择线宽4.1mil
由于表层和底层结构相同（对称结构），将diff spacing修改为8.5mil
经验公式：112 × 0.95 + 3.2 ≈ 109.6Ω，基本能够管控在100Ω阻抗左右

图10：差分信号线宽和间距设置

4.3 阻抗调整原则

调整方向	操作方法	说明
阻抗增大	增大线宽	线宽越宽，阻抗越低
阻抗降低	减小间距	间距越小，耦合越强，阻抗越低
单端信号	只关注线宽	不存在间距参数
差分信号	同时关注线宽和间距	需要同时满足差分阻抗和共模阻抗

五、布线规则配置

在完成叠层和阻抗设计后，需要配置以下布线规则：

5.1 走线规则

电源线粗细设置
信号线宽度设置
最小线距设置

5.2 间距规则

走线之间的间距
走线到焊盘的间距
过孔到走线的间距

5.3 Class设定

在Allegro中，通过设定Class来组织不同网络的规则，确保不同类型信号（如电源、高速信号、普通信号）获得合适的布线约束。

六、布线命令与操作

6.1 走线命令

执行自动布线或手动布线
设置走线角度（45°/90°）

6.2 修线命令

调整已布走线的路径
优化走线长度和间距

6.3 复制命令

复制相同网络的走线
保持等长约束

6.4 等长命令

设置差分对的等长约束
调整走线长度匹配

七、检查与标注

完成布线后，需要进行以下检查：

DRC检查：运行设计规则检查，确保所有规则满足
软件标注：检查标注是否完整，包括器件编号、阻值等
阻抗验证：确认实际线宽和间距是否满足阻抗要求

八、常见问题

Q1：阻抗计算结果与实际不符怎么办？

A：检查叠层设置中的介质厚度和介电常数（Dk）是否与工厂工艺一致。同时考虑表面处理后绿油对阻抗的影响，使用经验公式进行修正。

Q2：差分阻抗无法达到100Ω怎么办？

A：调整线宽和间距的组合。如果线宽和间距都已调整到极限仍不满足，考虑改变叠层结构（如减小介质厚度）。

Q3：Cross-section中总厚度不符合要求？

A：检查各层厚度设置是否正确，特别是PP（半固化片）在压合后的实际厚度会发生变化。

Q4：为什么无阻抗设计推荐6~8mil工艺？

A：无阻抗设计通常用于低速电路，采用较大工艺尺寸可以降低生产难度，提高焊接良率，同时减少成本。

Q5：绿油对阻抗的影响有多大？

A：覆盖绿油后，由于介电常数的变化，阻抗会略微降低。经验公式为 Z_actual ≈ Z_no_soldermask × 0.9 + 3.2，可根据实际情况进行调整。