PCB 設計的物理本質：疊構 (Stackup)、場管理與能量傳輸

在 EMC 顧問的生涯中，我審閱過無數失敗的設計。最令人痛心的情況，往往不是因為選錯了濾波器或屏蔽罩，而是因為 PCB 本身的「基因缺陷」。當一塊電路板的層疊結構 (Stackup) 或佈局 (Layout) 從物理上就註定了高阻抗迴路和場的洩漏，再昂貴的濾波元件也只是杯水車薪。

許多工程師將 PCB 視為連接元件的「導線載體」。這是一個危險的錯誤。在高速、高頻的 EMC 視角下，PCB 本身就是一個巨大的元件。它是由無數個傳輸線、電容和電感組成的複合體。

本文將揭示 PCB 設計的物理真相：我們設計的不是電流的流動，而是「電磁場」在介電質中的傳播。掌握了這一點，您就能在原理圖完成之前，預測並解決大部分的 EMC 問題。

核心觀念重塑：能量在介電質中傳播

首先，我們必須打破一個根深蒂固的直覺：訊號並不在銅線中傳輸。

銅線只是導軌，介電質才是公路

根據坡印廷向量 (Poynting Vector) 的物理原理，電磁能量是存在於訊號路徑與回流路徑之間的「空間」裡，也就是 PCB 的介電質 (FR4) 中。銅線和地平面只是限制場域分佈的「導軌 (Waveguides)」。

• EMC 的目標： 將這個能量場緊緊地「束縛」在我們設計的介電質空間內，不讓它洩漏到外部空間（輻射發射），也不讓外部能量侵入（輻射抗干擾）。

• 關鍵手段： 最小化訊號層與參考平面層之間的距離（介電質厚度）。

當訊號線緊貼著參考平面時，電場線和磁力線會被緊密地壓縮在兩者之間。這不僅降低了向外的輻射，更極大化了互感，降低了迴路電感。因此，PCB 疊構設計的第一原則，就是確保所有高速訊號都有一個「緊鄰」的、完整的參考平面。

回流路徑 (Return Path)：高頻電流的本能

「電流必須回到源頭」，這是電路學第一課。但在 PCB 設計中，電流「如何」回去，決定了 EMC 的成敗。

最低電阻 vs. 最低電感

• DC/低頻電流： 選擇「最低電阻」的路徑。它會抄近路，走直線回到源頭。

• 高頻電流 (EMC 關注點)： 選擇「最低電感」的路徑。

什麼路徑電感最低？答案是：緊貼著訊號路徑正下方的那個平面位置。

這是因為當回流電流緊貼著訊號電流流動時（方向相反），兩者產生的磁場會最大限度地相互抵銷 (Flux Cancellation)。磁場抵銷得越乾淨，儲存的磁能就越少，迴路電感就越低。

因此，在高頻下，回流電流會像「鏡像」一樣，自動地、緊緊地跟隨在訊號走線的正下方流動。這就是「鏡像平面 (Image Plane)」的概念。任何迫使回流電流偏離這個鏡像路徑的設計（例如切斷地平面），都會破壞磁場抵銷，導致電感爆增和輻射劇增。

疊構設計 (Stackup)：四層板 vs. 兩層板的物理差異

為何四層板的 EMC 表現通常遠優於兩層板？這不僅僅是因為多了兩層銅。

兩層板的先天缺陷

在標準的 1.6mm 厚雙層板中，訊號層與底層的地之間距離也是 1.6mm。這是一個巨大的距離。

1. 弱耦合： 訊號與回流路徑之間的磁場耦合極弱，導致迴路電感很大。

2. 場的擴散： 電磁場沒有被緊密束縛，而是向周圍空間發散（邊緣場效應強），極易產生串擾 (Crosstalk) 和輻射。

四層板的優勢：緊密耦合

在一個設計良好的四層板中（例如：訊號-地-電源-訊號），訊號層與其參考的地平面之間的介電質厚度可能只有 0.1mm (4-5 mil)。

1. 強耦合： 相比於雙層板，距離縮小了十幾倍。這意味著迴路電感大幅降低，輻射源頭被物理性地壓制。

2. 平面電容： 電源平面與地平面之間形成了一個高品質的平板電容。這個寄生電容為高頻雜訊提供了一個極佳的低阻抗濾波路徑，這是分立元件電容難以比擬的。

設計警示： 千萬不要為了節省成本，在四層板中拉大訊號與參考層的距離（例如使用厚芯板 Core，薄半固化片 Prepreg 的錯誤組合）。確保高速訊號層始終緊鄰一個實體平面，是不可妥協的底線。

換層 (Layer Change) 的隱形陷阱：垂直方向的斷路

當我們在 PCB 上打一個過孔 (Via)，讓訊號從頂層穿到底層時，我們往往只考慮了訊號的連通性。但我們忘記了最重要的一點：回流電流也需要換層。

訊號過孔與回流過孔 (Ground Via)

• 情況 A：從 Signal 1 換到 Signal 2，且兩者參考同一個地平面。 回流電流在平面上流動，可以輕鬆地繞過過孔的孔隙，連續性保持得相對較好。

• 情況 B：從 Top 層（參考地平面）換到 Bottom 層（參考電源平面）。 這是最危險的情況。訊號電流順利通過過孔到了底層。但是，回流電流原本在「地平面」上流動，現在必須轉移到「電源平面」上流動。 問題是：地平面和電源平面之間是絕緣的！ 回流電流無法直接跳過去。

這時，回流電流會驚慌失措，四處尋找最近的「通道」——通常是遠處的去耦電容。這導致回流路徑繞了一大圈，形成了一個巨大的環形天線。

解決方案： 每當高速訊號換層（特別是切換參考平面）時，必須在訊號過孔的「緊鄰位置」，打一個連通參考平面的「回流過孔 (Ground Via/Stitching Via)」或放置去耦電容（如果是地轉電源）。這為回流電流提供了一條垂直的「電梯」，使其能緊緊跟隨訊號電流，維持最小的迴路面積。

混合訊號設計：分割 (Splitting) 的現代觀點

類比地 (AGND) 和數位地 (DGND) 到底要不要分開？這是 EMC 領域爭論最久的話題。

傳統觀點：物理分割，單點連接

傳統做法是將地平面在物理上切開，用一條細線或磁珠連接。這在低頻、簡單的音訊電路中是有效的。

現代觀點：統一地平面，分區佈局

在現代高頻、高密度系統中，分割地平面往往弊大於利。

1. 跨分割災難： 一旦你不小心將一條高速走線跨越了這條分割線，回流路徑就被切斷了（參考前文的「共模雜訊」篇），這會立即導致嚴重的輻射。

2. 諧振腔效應： 分割的地平面會形成寄生的偶極子結構，在高頻下可能產生諧振。

權威建議： 保持地平面完整（Unified Ground Plane）。

• 不要物理切割地平面。

• 利用「分區佈局 (Partitioning)」來實現隔離。將類比電路放在板子的一側，數位電路放在另一側。

• 由於高頻電流會自動沿著最小電感路徑（即源頭正下方）流動，數位回流電流「不會」主動流過去干擾類比區域，除非你把它們佈局得太近。

• 物理隔離勝過電氣切割。

邊緣輻射 (Edge Radiation) 與 20H 原則

PCB 的邊緣是電磁場最容易洩漏的地方。電源平面和地平面就像一個平行板電容，但在邊緣處，電場線會向外「凸出」，形成邊緣場 (Fringing Fields)。

如果不加控制，這些邊緣場會耦合到機殼或外部線纜上。

20H 原則的物理意義

這是一個經驗法則：讓電源平面的邊緣比地平面的邊緣內縮「20H」（H 是兩平面層之間的介電質厚度）。 這做的目的是利用地平面作為「屏蔽」。透過內縮電源層，邊緣的電場線不再直接向外輻射，而是被地平面「捕獲」並拉回，從而顯著降低邊緣輻射強度。

更進階的做法是使用「接地過孔防護牆 (Ground Via Fence)」，在板子邊緣打一圈密集的接地過孔，像欄杆一樣物理性地封鎖邊緣場的洩漏。

結論：PCB 是場的容器

總結來說，優秀的 PCB EMC 設計，不是在畫線，而是在構建一個「場的容器」。

• 我們利用疊構來壓縮場的體積。

• 我們利用回流路徑來抵銷場的強度。

• 我們利用回流過孔來維持場的連續性。

• 我們利用分區來防止場的相互干擾。

當您開始用「空間中的場」而非「銅線上的電流」來思考 PCB 設計時，您就跨越了從佈線工程師到 EMC 設計專家的門檻。記住，訊號完整性 (SI) 和電磁相容性 (EMC) 是一體兩面：照顧好了信號的回流路徑，兩者皆得。