PCB設(shè)計(jì)流程與經(jīng)驗(yàn)分析

林秀鳳

摘 要：印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)流程比較復(fù)雜，主要包括前期準(zhǔn)備、PCB設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)置、PCB元器件位置規(guī)劃、PCB布線、PCB線路優(yōu)化、PCB審核和PCB制板。因此，本文分析了PCB設(shè)計(jì)流程與經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：前期準(zhǔn)備;設(shè)置;規(guī)劃;布線;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM303.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0059-03

Abstract： The printed circuit board （PCB） design process is more complicated， mainly including preliminary preparation， PCB design environment setting， PCB component location planning， PCB wiring， PCB circuit optimization， PCB review， and PCB manufacturing. Therefore， this paper analyzed the PCB design process and experience.

Keywords： preparatory;set up;planning;wiring;optimizes

在日常生活中，印制電路板（PCB）隨處可見，它廣泛分布在家用電器、計(jì)算機(jī)和其他電子產(chǎn)品里，只要是電子產(chǎn)品，幾乎都會(huì)用到PCB。PCB是電子產(chǎn)品中電路元器件的支撐件，它為電路元件與器件之間的電氣提供連接。所以，本文分析了PCB設(shè)計(jì)流程與經(jīng)驗(yàn)。

1 前期準(zhǔn)備

根據(jù)硬件工程師制作的原理圖，人們要導(dǎo)出ASC文檔，即網(wǎng)絡(luò)表，將其導(dǎo)入PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)。如果用到PCB元件封裝庫(kù)里沒有的新封裝，PCB LAYOUT工程師需要根據(jù)所選元件的規(guī)格，給出封裝PCB的建議尺寸。一般來(lái)說(shuō)，為了保證元器件貼片時(shí)互不影響擺放，人們會(huì)按照元器件的尺寸，適當(dāng)加寬加長(zhǎng)，制作新封裝（一般會(huì)將制作的新元件封裝備份一份，存放在個(gè)人制作的元件封裝庫(kù)里）。PCB元件封裝制作的要求較高，它直接影響PCB的元件貼片成功與否[1]。

2 PCB設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)置

打開PCB設(shè)計(jì)工具軟件后，人們要設(shè)置好PCB設(shè)計(jì)環(huán)境，如元件、走線和VIA等移動(dòng)?xùn)鸥竦拇笮?，布線參數(shù)以及板層參數(shù)。布線參數(shù)包括最小線寬、常規(guī)線寬、最大線寬、線與線的間距、線與元件焊盤的間距、線與VIA的間距、線與銅箔的間距、線與板框的間距、元件焊盤與板框的間距等。板層參數(shù)包括層面走線的顏色、VIA的顏色、銅箔的顏色、DRC的顏色、2D線顏色、字符文本顏色和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)名的顯示顏色等。

大多數(shù)參數(shù)都可以用系統(tǒng)給出的默認(rèn)值，這些參數(shù)經(jīng)過設(shè)置后符合布板常規(guī)要求和個(gè)人習(xí)慣，以后可以不用再設(shè)置。

3 PCB元器件位置規(guī)劃

元器件擺放是PCB設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，PCB功能越多，元器件位置規(guī)劃的好壞越影響PCB布通的難易度[2]。

按照結(jié)構(gòu)工程師給出的電路板面積大小與裝配定位孔等組裝要求，在PCB已設(shè)置好工作環(huán)境的條件下，先畫出PCB板框，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)需求，擺放接口器件、按鍵/開關(guān)、定位孔和螺絲孔等結(jié)構(gòu)件。其間遵照“先主后次，先中間后兩邊”的擺放規(guī)律，即主要電路、主要芯片應(yīng)當(dāng)先行擺放，按照原理圖設(shè)計(jì)的頁(yè)面和模塊，合理布局PCB。如果PCB沒有結(jié)構(gòu)要求，就要先考慮PCB的尺寸大小。PCB面積較大時(shí)，走線就比較長(zhǎng)，走線的阻抗值增加，抗噪功能就會(huì)下降，費(fèi)用就會(huì)上升;若PCB面積太小，PCB的散熱性能就不佳，而相鄰走線間距比較小，容易互相干擾。明確PCB面積后，要確認(rèn)異常元器件的結(jié)構(gòu)擺位，然后按照電流通路，逐步擺放原理圖上的器件。

若線路具有相同功能，相關(guān)元件最好就近擺放，并調(diào)整各元器件方向，使布局便于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的流通，并讓網(wǎng)絡(luò)連接盡量維持相同的方向，使其連線路徑最短。同時(shí)，可以調(diào)節(jié)不同模塊之間的擺放方位，使之連線路徑最短。另外，輸入與輸出的功能塊最好間隔一定的距離擺放。

對(duì)于體積大或者比較重的元器件，應(yīng)該研究其裝配方位及其裝配難易程度;溫度容易上升的元器件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離對(duì)熱能比較敏感的元器件，還要考慮散熱問題;I/O驅(qū)動(dòng)元器件盡量靠近PCB板邊放置，好就近引出接插件;晶體諧振器應(yīng)盡可能擺放在IC的PIN腳附件上，使之走線最短[1]。

PCB質(zhì)量必須符合產(chǎn)品電氣性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)要求，PCB器件擺放整體力求平均分布，井井有條，不要虎頭蛇尾，不能偏重一邊[2]。擺放元器件時(shí)，必須留意元器件的實(shí)物尺寸（特別是高度，要注意結(jié)構(gòu)要求的限高區(qū)），還要考慮元器件相對(duì)的擺放間距。在確保PCB電氣性能及生產(chǎn)裝配切實(shí)可行的前提下，適當(dāng)調(diào)整元器件的擺放位置，盡量對(duì)齊擺放，橫平豎直，使之更加整齊美觀，焊接也更容易，這樣易于批量生產(chǎn)[2]。

一般來(lái)說(shuō)，擺放于PCB邊緣的元器件要求距離板邊不小于2 mm。在沒有結(jié)構(gòu)要求的情況下，PCB的最佳形狀為矩形。最佳的長(zhǎng)寬比為3∶2或者4∶3。當(dāng)PCB的尺寸大于200 mm×150 mm時(shí)，應(yīng)考慮PCB所承受的機(jī)械強(qiáng)度[3]。

PCB布局與PCB整板的外形美觀度和走線布通的難易度相關(guān)，所以要多花點(diǎn)心思，磨刀不誤砍柴工。布局時(shí)，疑惑之處可以先試著布線，看看走線是否通順，然后進(jìn)行調(diào)整布局。

4 PCB布線

PCB的走線布通是PCB設(shè)計(jì)中工作量最大、費(fèi)時(shí)最多的環(huán)節(jié)，與PCB的電氣性能優(yōu)劣有關(guān)。在PCB布線工程中，布通是最基本的條件。PCB走線布通后，要調(diào)整布線，讓PCB實(shí)現(xiàn)最好的電氣功能（電氣性能是否滿足是權(quán)衡PCB是否合格的準(zhǔn)則）。最后，盡量?jī)?yōu)化布線，使之整齊劃一，方便測(cè)試、維修以及后續(xù)改版。

通常，人們會(huì)先走電源線及GND走線，或者預(yù)留足夠的空間，確保PCB的電氣功能。在空間允許的情況下，盡量加寬電源和地線的寬度，還要打上足夠多的VIA孔，保證連通與散熱。核心的IC顆粒先引線，走線用45°折線，盡量避免走90°，更不要用銳角走線，高頻信號(hào)線還要求采用圓弧走線，如WIFI等。CLK、DDR、EMMC、HDMI、MIPI、LVDS和USB等是主要信號(hào)，相鄰層走線要避免平行和交叉，最好是垂直走線，同組信號(hào)盡量同層走線，差分對(duì)一起平行走線，同層走線，對(duì)內(nèi)誤差要盡量小，整組要求做到等長(zhǎng)。

在PCB層面有限而信號(hào)層走線不通的情況下，為了節(jié)約成本，只能在電源層或者地層走線，最初在電源層走線，然后分布到地層，最好保持地層的完整性[1]。

5 PCB線路優(yōu)化

PCB設(shè)計(jì)沒有最好，只有更好。不管前期花多少心思去設(shè)計(jì)，后期檢查時(shí)再審視設(shè)計(jì)的PCB，人們還是覺得有很多地方可以優(yōu)化。有時(shí)候，優(yōu)化時(shí)間比前期花的時(shí)間還要多。PCB布線優(yōu)化完成后，要進(jìn)行后處理，比如，做好PCB板面的絲印標(biāo)識(shí)，讓使用PCB板的人更易識(shí)別，一目了然。

在線路走通的情況下，要結(jié)合元器件的優(yōu)化線路，使之更合理。比如，直插的元器件，走線盡量走元器件擺放的背面層;貼片的元器件，放置在正面就盡量走正面，放置在背面就盡量走背面層，盡可能減少過孔數(shù)，同時(shí)方便調(diào)試與檢查。同時(shí)，人們要做好關(guān)鍵信號(hào)的優(yōu)化處理。關(guān)鍵信號(hào)（如時(shí)鐘信號(hào)）走線直，長(zhǎng)度最短，應(yīng)進(jìn)行完整包地處理，避免產(chǎn)生干擾。

輸入端和輸出端的LAYOUT盡量防止相鄰走線，避免平行走線，以免產(chǎn)生發(fā)射干擾，最好加GND走線進(jìn)行間隔。

6 PCB審核

電路板審核是電路板外發(fā)制板前的必要步驟，電路板審核主要有：原理圖審核、結(jié)構(gòu)審核、網(wǎng)絡(luò)及元器件的安全間距審核、電源通道與地平面審核等。要先審核原理圖的正確與否，然后確認(rèn)電路板的結(jié)構(gòu)與限高。網(wǎng)絡(luò)及元器件的安全間距可以在繪圖軟件里面設(shè)置好。電源通道的寬度需求看通過的電流大小，一般原理圖里面有說(shuō)明。地平面肯定是越大越完整越好。

PCB LAYOUT布通后，要仔細(xì)審核LAYOUT是不是與設(shè)計(jì)人員設(shè)置的布線規(guī)格相符，確定設(shè)計(jì)規(guī)格是否滿足PCB廠家加工工藝的要求。首先，要確認(rèn)PCB板框尺寸是否符合終端產(chǎn)品的安裝和性能測(cè)試要求。在PCB設(shè)計(jì)中，人們要注意安裝尺寸，特別是一些定位螺絲孔的位置和尺寸。對(duì)于高度比較大的元器件，要確認(rèn)放置在限高區(qū)域內(nèi)的元器件高度是否超出要求。

對(duì)于有極性的元器件（如二極管、三極管和MOS管等），確認(rèn)采購(gòu)的實(shí)物跟PCB元器件封裝是否一致。很多時(shí)候，對(duì)于同一個(gè)元器件，不同生產(chǎn)廠家會(huì)有不同的封裝尺寸，有時(shí)即使是同樣的廠家，生產(chǎn)批次不同，元器件的實(shí)物尺寸跟廠家提供的封裝尺寸也不一致。所以，要考慮元器件的可替代性，預(yù)留出可替換的元器件封裝位置，防止因采購(gòu)不到物料而出現(xiàn)替代情況[1]。

字符層的標(biāo)注與擺放要按照看板人員的習(xí)慣，從上到下，從左到右，整齊擺放。元器件比較密集的區(qū)域可以把字符標(biāo)注引到附件相對(duì)寬裕的地方。

元器件擺放要考慮后期維修拆卸，盡量方便拆裝。要注意大電流路徑是否足夠?qū)挸?，載流能力是否達(dá)到，必要時(shí)要加寬銅箔。對(duì)于有連接器的大電流焊盤，要加強(qiáng)焊盤的走線連接;有插件的元器件焊盤，走線連接也要進(jìn)行加寬處理，防止拆裝時(shí)被牽連，引起連接不良。

7 PCB制板

一般來(lái)說(shuō)，在發(fā)給板廠制作之前，PCB LAYOUT工程師會(huì)重復(fù)審核PCB，直到各方面都確認(rèn)良好。最后，把生產(chǎn)文件和制板說(shuō)明一起打包成郵件發(fā)給制板企業(yè)。正式加工生產(chǎn)前，PCB廠家會(huì)就一些PCB加工問題在郵件上與PCB LAYOUT工程師確認(rèn)。這其中包括但不限于以下內(nèi)容：PCB板材型號(hào)的選擇、線路線寬線距的調(diào)整、阻抗控制的調(diào)整、PCB層疊厚度的調(diào)整、表面處理加工工藝、孔徑公差控制與交付標(biāo)準(zhǔn)等[3]。

8 結(jié)論

本文主要介紹了PCB設(shè)計(jì)流程與經(jīng)驗(yàn)，其從前期準(zhǔn)備開始，然后進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)置、PCB元器件位置規(guī)劃、布線布通、PCB布局和布線優(yōu)化、PCB審核，最后進(jìn)行發(fā)板制作。PCB設(shè)計(jì)是一項(xiàng)考驗(yàn)細(xì)心度和經(jīng)驗(yàn)積累的工作，PCB LAYOUT工程師的心思細(xì)膩，經(jīng)驗(yàn)豐富，設(shè)計(jì)出來(lái)的PCB才會(huì)具有良好質(zhì)量。設(shè)計(jì)過程要充分考慮各個(gè)方面的需要，既要考慮電路板的實(shí)用性，也要考慮電路板的整體美觀性。只有精益求精，才能設(shè)計(jì)出更好的PCB。電子技術(shù)發(fā)展日新月異，電路板的精細(xì)度越來(lái)越高，電子產(chǎn)品的功能越來(lái)越全。人們都希望PCB在有限的空間里實(shí)現(xiàn)更多的功能，同時(shí)還要控制成本，使得PCB布局越來(lái)越密。總之，PCB設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)產(chǎn)品抗干擾能力的影響很大。

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