摘要：本文探讨了何时使用8层PCB叠层结构、常见的设计难题、两种设计案例以及成本对比。此外，还提及了一些常见问题，例如层数计算指南和PCB厚度等。
鉴于8层PCB叠层结构此前需求量很大，本文将探讨一些棘手的设计问题，并讨论层数计算的相关内容。
2. 何时应该使用 8 层 PCB 叠层结构？
取决于最终产品是什么。
- 高速数字电路：适用于 PCIe Gen4/5、DDR4/DDR5 内存和 SerDes（串行器/解串行器）。
- 高性能计算设备：服务器主板、工作站、AI加速卡。
- 通信基础设施：5G基站、光模块、网络交换机。
- 汽车电子系统：具体而言，包括 ADAS（高级驾驶辅助系统）、车载以太网、雷达。
- 工业自动化和医疗设备：PLC、工业机器人和CT/MRI等成像设备。
3. 8层PCB板堆叠的主要问题是什么？
根据我们的记录，问题可分为以下 6 类。
3.1 制造能力（42.4%）
线宽、线间距、孔径、铜环、HDI、盲埋孔、背钻孔、焊盘内过孔、厚铜。
3.2 信号完整性 (18.2%)
阻抗控制、高速信号、层压结构、EMC、过孔短截线。
3.3 热能与功率 (15.2%)
散热通孔、厚铜、大电流、铜柱、高导热结构。
3.4 材料与可靠性 (12.1%)
高Tg、混合压力、热循环、材料变化。
3.5 组装/SMT（9.1%）
焊桥、BGA、表面处理。
3.6 合规性和质量保证 (6.1%)
IPC 3级，医疗和军事行业，100% AOI/电气测试。
4. 案例 1：我的 8 层 PCB 堆叠设计中的电源分配感觉有点分散。
以上述第 2 类信号完整性为例。
一位客户发来了他的8层PCB设计草图。从叠层结构来看，它非常美观，包括信号层、地线层、信号层、电源层、电源层、信号层、地线层和信号层，共8层。这是一个非常经典的设计，但他觉得电源分配有点分散。此外，回流路径在某些区域过于密集。
有一点非常突出，引起了我们的注意。现在地面层的设计就像这样。
首先要考虑回流电流的连续性。对于高速PCB设计，信号传输实际上依赖于回流电流的连续性，而不是电源层。只有一个GND过孔，它并非理想导体，会产生电感和阻抗。
俗话说，高速信号的回流电流总是倾向于选择阻抗较低的路径。知名PCB工程师建议使用多个GND过孔。这样，并联的过孔可以分担回流电感。
1/L_total = 1/L1 + 1/L2 + ... 这样一来，信号就可以清晰地通过阻抗较低的路径返回。
5. 案例 2：对于我的 8 层 PCB 来说，BGA 周围的布线过于激进。
另一个例子来自第 1 类制造能力和第 2 类信号完整性。
我们收到的一些设计图纸显示，BGA周围的布线过于激进。为什么？他们通常解释说，这是为了在应对一系列挑战后获得更好的扇出效果。
- 电源层完整性降低。采用分体式电源层设计，以提供更多布线空间。
- 由于平面分裂导致回流路径质量不佳。
布线空间和参考平面完整性之间应该保持平衡。
高密度互连（HDI）在一定程度上解决了这些问题。尤其是在智能手机和5G设备中，高密度互连技术发挥着关键作用。以其中一种HDI方案为例。
传统的扇出电路需要从BGA焊盘中心到通孔的短走线，而HDI电路则允许直接连接。这种简化的结构节省了扇出电路的空间，并可用于平面分割。
6. 在 8 层板堆叠设计中，解决此问题的成本是多少？
毫无疑问，通孔是最经济的技术，但它无法节省空间并占用部分平面。正如我之前所介绍的，对于8层堆叠结构，推荐使用5种不同的通孔技术，它们的成本各不相同。
| 通过类型 | 成本乘数 | 有助于平面完整性 | 应用 | 制造工艺复杂性 | 制造挑战 |
|---|---|---|---|---|---|
| 盲孔 | 1.2~1.6倍 | 好 | 中高密度板 | 中等 | 深度控制钻孔 |
| 埋孔 | 1.3~1.8倍 | 好 | 高密度内部互连 | 高 | 多次压合循环 |
| 微孔（激光） | 2~5倍 | 出色 | HDI / 智能手机 / DDR | 非常高 | 激光钻孔 |
| 焊盘内过孔 | 3~8倍 | 出色 | 细间距BGA | 非常高 | 孔洞填充 |
| 任意层HDI | 8~16倍 | 出色 | 手机主板 / 人工智能模块 | 非常高 | 积层 |
如果您不知道如何以合适的成本选择过孔类型，请向 KnownPCB 咨询专业的定制解决方案。
7. 结论
总而言之，8层PCB可应用于众多行业，尤其适用于高速领域。尽管一些难题令人头疼，但终究有相应的解决方案。从设计到制造，成本、布线空间和PCB性能等诸多因素都需要权衡。随着技术的进步，高速产品拥有光明的前景。
常问问题
1. 如何计算我的PCB层叠结构？
如果您想快速了解简要指导，我愿意分享一些基于行业经验的内容。
- 双层PCB主要用于LED、电池、简单的MCU和低速产品。
- 4层PCB适用于以太网和常见的工业控制器。
- 中速产品可与 6 层 PCB 配套使用，例如双倍数据速率 3 同步随机存取存储器。
- 标准 8 层 PCB 叠层可应用于高级驾驶辅助系统、片上系统、静态随机存取存储器。
- 8层以上的PCB可用于CPU、AI模型、GPU。
2. 如何逐步计算PCB叠层结构？
如果您想逐步计算，可以先列出PCB元件的复杂程度，例如BGA间距。然后考虑布线通道是否足够。以0.5mm间距的BGA为例，在这种情况下，2条走线或通道不足以进行扇出布线。因此，下一步是考虑增加层或HDI。此外，每个信号层附近都应该添加参考层。如果您有1.0V电源轨，则必须添加完整的电源层。
现在我们对层计算有了一个大致的概念。需要记住一些常见的堆叠结构以供参考。
最后一步不要忘记检查返回路径和路由拥塞情况。
3. 8层PCB的厚度是多少？
厚度介于 1.0 毫米至 2.0 毫米之间，具体取决于铜箔厚度、绝缘层厚度、钻孔和镀金工艺。如有任何疑问，请随时联系我们。
参考
- 高速数字设计：黑魔法手册
Johnson, H., & Graham, M. (1993). 高速数字设计：黑魔法手册。Prentice Hall。 - IPC
IPC. (2022). IPC-2221B：印刷电路板设计通用标准。IPC协会连接电子工业。 - 印刷电路手册
Coombs, CF, Jr., & Holden, HT (编). (2016). 印刷电路手册（第7版）。麦格劳-希尔教育出版社。
