هنگام طراحی PCB، یکی از اساسی‌ترین سؤالاتی که باید در نظر گرفت، پیاده‌سازی الزامات توابع مدار به میزان نیاز یک لایه سیم‌کشی، صفحه زمین و صفحه قدرت، و لایه سیم‌کشی برد مدار چاپی، صفحه زمین و توان است. تعیین سطح تعداد لایه ها و عملکرد مدار، یکپارچگی سیگنال، EMI، EMC، هزینه های ساخت و سایر الزامات.

برای اکثر طرح ها، الزامات متناقض زیادی در مورد الزامات عملکرد PCB، هزینه هدف، فناوری ساخت و پیچیدگی سیستم وجود دارد. طراحی چند لایه PCB معمولاً پس از در نظر گرفتن عوامل مختلف یک تصمیم سازشی است. مدارهای دیجیتال پرسرعت و مدارهای ویسکر معمولاً با بردهای چند لایه طراحی می شوند.

در اینجا هشت اصل برای طراحی آبشاری آورده شده است:

1. Dلایه برداری

در PCB چند لایه، معمولاً لایه سیگنال (S)، صفحه منبع تغذیه (P) و صفحه زمین (GND) وجود دارد. صفحه قدرت و صفحه GROUND معمولاً صفحات جامد بدون قطعه هستند که مسیر برگشت جریان کم امپدانس خوبی را برای جریان خطوط سیگنال مجاور فراهم می کنند.

بیشتر لایه‌های سیگنال بین این منابع انرژی یا لایه‌های صفحه مرجع زمین قرار دارند و خطوط نواری متقارن یا نامتقارن را تشکیل می‌دهند. لایه های بالایی و پایینی PCB چند لایه معمولاً برای قرار دادن قطعات و مقدار کمی سیم کشی استفاده می شود. سیم کشی این سیگنال ها نباید خیلی طولانی باشد تا تابش مستقیم ناشی از سیم کشی را کاهش دهد.

2. صفحه مرجع تک توان را تعیین کنید

استفاده از خازن های جداکننده یک اقدام مهم برای حل یکپارچگی منبع تغذیه است. خازن های جداکننده را فقط می توان در بالا و پایین PCB قرار داد. مسیریابی خازن جداکننده، پد لحیم کاری و پاس سوراخ به طور جدی بر اثر خازن جداسازی تأثیر می گذارد، که در طراحی باید در نظر گرفته شود که مسیر خازن جداکننده باید تا حد امکان کوتاه و عریض باشد و سیم متصل به سوراخ باید در نظر گرفته شود. همچنین تا حد امکان کوتاه باشد. به عنوان مثال، در یک مدار دیجیتال پرسرعت، می توان خازن جداکننده را روی لایه بالایی PCB قرار داد، لایه 2 را به مدار دیجیتال پرسرعت (مانند پردازنده) به عنوان لایه قدرت، لایه 3 اختصاص داد. به عنوان لایه سیگنال و لایه 4 به عنوان زمین مدار دیجیتال پرسرعت.

علاوه بر این، لازم است اطمینان حاصل شود که مسیریابی سیگنال که توسط همان دستگاه دیجیتال پرسرعت هدایت می شود، همان لایه قدرت را با صفحه مرجع دریافت می کند، و این لایه قدرت، لایه منبع تغذیه دستگاه دیجیتال پرسرعت است.

3. صفحه مرجع چند توان را تعیین کنید

صفحه مرجع چند توان به چندین ناحیه جامد با ولتاژهای مختلف تقسیم می شود. اگر لایه سیگنال مجاور لایه چند توان باشد، جریان سیگنال در لایه سیگنال مجاور با یک مسیر بازگشت رضایت بخش مواجه می شود که منجر به ایجاد شکاف در مسیر برگشت می شود.

برای سیگنال‌های دیجیتال پرسرعت، این طراحی مسیر برگشت غیرمنطقی می‌تواند مشکلات جدی ایجاد کند، بنابراین لازم است که سیم‌کشی سیگنال دیجیتال با سرعت بالا باید از صفحه مرجع چند توان دور باشد.

4.چندین صفحه مرجع زمینی را تعیین کنید

 صفحات مرجع زمینی متعدد (صفحه های زمینی) می توانند مسیر بازگشت جریان کم امپدانس خوبی را فراهم کنند که می تواند EMl حالت مشترک را کاهش دهد. صفحه زمین و صفحه قدرت باید محکم جفت شوند و لایه سیگنال باید محکم به صفحه مرجع مجاور کوپل شود. این را می توان با کاهش ضخامت محیط بین لایه ها به دست آورد.

5. ترکیب سیم کشی را به طور معقول طراحی کنید

دو لایه ای که توسط یک مسیر سیگنال پوشیده شده اند "ترکیب سیم کشی" نامیده می شوند. بهترین ترکیب سیم‌کشی برای جلوگیری از جریان برگشتی از یک صفحه مرجع به صفحه مرجع دیگر طراحی شده است، اما در عوض از یک نقطه (وجه) یک صفحه مرجع به دیگری جریان می‌یابد. به منظور تکمیل سیم کشی پیچیده، تبدیل بین لایه ای سیم کشی اجتناب ناپذیر است. هنگامی که سیگنال بین لایه‌ها تبدیل می‌شود، جریان برگشتی باید به‌آرامی از یک صفحه مرجع به صفحه دیگر جریان یابد. در یک طرح منطقی است که لایه های مجاور را به عنوان ترکیب سیم کشی در نظر بگیریم.

اگر یک مسیر سیگنال به چندین لایه نیاز داشته باشد، معمولاً استفاده از آن به عنوان ترکیب سیم‌کشی طرح معقولی نیست، زیرا مسیری که از چندین لایه می‌گذرد برای جریان‌های برگشتی تکه‌ای نیست. اگرچه فنر را می توان با قرار دادن یک خازن جداکننده در نزدیکی سوراخ عبوری یا کاهش ضخامت محیط بین صفحات مرجع کاهش داد، اما طراحی خوبی نیست.

6.تنظیم جهت سیم کشی

وقتی جهت سیم‌کشی روی همان لایه سیگنال تنظیم می‌شود، باید اطمینان حاصل شود که بیشتر جهت‌های سیم‌کشی سازگار هستند و باید متعامد با جهت سیم‌کشی لایه‌های سیگنال مجاور باشد. برای مثال، جهت سیم‌کشی یک لایه سیگنال را می‌توان در جهت «محور Y» و جهت سیم‌کشی لایه سیگنال مجاور دیگر را در جهت «محور X» تنظیم کرد.

7. الفساختار لایه زوج را تلفیق کرد 

از لمینت PCB طراحی شده می توان دریافت که طرح لمینیت کلاسیک تقریباً همه لایه های زوج است نه لایه های فرد، این پدیده توسط عوامل مختلفی ایجاد می شود.

از فرآیند تولید برد مدار چاپی، می توان فهمید که تمام لایه رسانا در برد مدار روی لایه هسته ذخیره می شود، مواد لایه هسته به طور کلی تخته روکش دو طرفه است، زمانی که استفاده کامل از لایه هسته ، لایه رسانای برد مدار چاپی یکنواخت است

حتی بردهای مدار چاپی لایه ای دارای مزایای هزینه هستند. به دلیل عدم وجود لایه ای از روکش فلزی و مسی، هزینه لایه های فرد از مواد اولیه PCB کمی کمتر از هزینه لایه های زوج PCB است. با این حال، هزینه پردازش PCB لایه ODd بدیهی است که بالاتر از PCB لایه زوج است زیرا PCB لایه ODd باید بر اساس فرآیند ساختار لایه هسته، فرآیند اتصال لایه هسته چند لایه غیر استاندارد را اضافه کند. در مقایسه با ساختار لایه هسته رایج، افزودن روکش مسی خارج از ساختار لایه هسته منجر به راندمان تولید کمتر و چرخه تولید طولانی‌تر می‌شود. قبل از لمینیت، لایه هسته بیرونی نیاز به پردازش بیشتری دارد که خطر خراشیدگی و خراشیدگی لایه بیرونی را افزایش می دهد. افزایش حمل و نقل بیرونی به طور قابل توجهی هزینه های تولید را افزایش می دهد.

هنگامی که لایه‌های داخلی و خارجی برد مدار چاپی پس از فرآیند اتصال مدار چند لایه خنک می‌شوند، کشش لمینیت متفاوت درجات مختلف خمش را روی برد مدار چاپی ایجاد می‌کند. و با افزایش ضخامت برد، خطر خم شدن یک برد مدار چاپی کامپوزیت با دو ساختار متفاوت افزایش می یابد. برد مدارهای لایه فرد به راحتی خم می شوند، در حالی که برد مدارهای چاپی لایه زوج می توانند از خم شدن جلوگیری کنند.

اگر برد مدار چاپی با تعداد فرد لایه های قدرت و تعداد زوج لایه سیگنال طراحی شده باشد، می توان از روش افزودن لایه های قدرت استفاده کرد. روش ساده دیگر اضافه کردن یک لایه زمین در وسط پشته بدون تغییر تنظیمات دیگر است. یعنی PCB در تعداد فرد لایه سیم کشی می شود و سپس یک لایه زمین در وسط کپی می شود.

8.  در نظر گرفتن هزینه

از نظر هزینه ساخت، بردهای مدار چندلایه قطعا گرانتر از برد مدارهای تک لایه و دولایه با مساحت PCB یکسان هستند و هر چه تعداد لایه ها بیشتر باشد، هزینه بیشتری نیز خواهد داشت. با این حال، هنگام در نظر گرفتن تحقق عملکردهای مدار و کوچک سازی برد مدار، برای اطمینان از یکپارچگی سیگنال، EMl، EMC و سایر شاخص های عملکرد، باید تا آنجا که ممکن است از تخته های مدار چند لایه استفاده شود. به طور کلی، تفاوت هزینه بین بردهای مدار چند لایه و مدارهای تک لایه و دو لایه خیلی بیشتر از حد انتظار نیست.