PCB設計 (PCB design)
PCB設計 圖
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PCB設計是以電路原理圖為根據，實現電路設計者所需要的功能。PCB設計主要指版圖設計，需要考慮外部連接的布局，內部電子元件的優化布局，金屬連線和通孔的優化布局，電磁保護，熱耗散等各種因素。優秀的版圖設計可以節約生產成本，達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現，復雜的版圖設計需要借助計算機輔助設計(CAD)實現。
目錄
1 PCB設計簡介
在PCB設計中，元器件布局和電路連接的布線是關鍵的兩個環節。
布局，是把電路器件放在印制電路板布線區內。布局是否合理不僅影響后面的布線工作，而且對整個電路板的性能也有重要影響。在保證電路功能和性能指標后，要滿足工藝性、檢測和維修方面的要求，元件應均勻、整齊、緊湊布放在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，以得到均勻的組裝密度。
按電路流程安排各個功能電路單元的位置，輸入和輸出信號、高電平和低電平部分盡可能不交叉，信號傳輸路線最短。
元器件的位置應按電源電壓、數字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進行分組，以免相互干擾。
電路板上同時安裝數字電路和模擬電路時，兩種電路的地線和供電系統完全分開，有條件時將數字電路和模擬電路安排在不同層內。電路板上需要布置快速、中速和低速邏輯電路時，應安放在緊靠連接器范圍內；而低速邏輯和存儲器，應安放在遠離連接器范圍內。這樣，有利于減小共阻抗耦合、輻射和交擾的減小。時鐘電路和高頻電路是主要的騷擾輻射源，一定要單獨安排，遠離敏感電路。
熱磁兼顧：發熱元件與熱敏元件盡可能遠離，要考慮電磁兼容的影響。
2 PCB設計步驟
電路原理圖的設計是整個電路設計的基礎，它的設計的好壞直接決定后面PCB設計的效果。一般來說，電路原理圖的設計如下：
第一步，啟動ProtelDXP原理圖編輯器
第二步，設置電路原理圖的大小與版面
第三步，從元件庫取出所需元件放置在工作平面
第四步，根據設計需要連接元器件
第五步，對布線后的元器件進行調整
第六步，保存已繪好的原理圖文檔
第七步，打印輸出圖紙
3 PCB設計布局檢查
1、電路板尺寸和圖紙要求加工尺寸是否相符合。
2、元器件的布局是否均衡、排列整齊、是否已經全部布完。
3、各個層面有無沖突。如元器件、外框、需要私印的層面是否合理。
4、常用到的元器件是否方便使用。如開關、插件板插入設備、須經常更換的元器件等。
5、熱敏元器件與發熱元器件距離是否合理。
6、散熱性是否良好。
7、線路的干擾問題是否需要考慮。
4 PCB設計主要順序
系統規格：首先要先規劃出該電子設備的各項系統規格。包含了系統功能，成本限制，大小，運作情形等等。
功能區塊：接下來必須要制作出系統的功能方塊圖。方塊間的關系也必須要標示出來。將系統分割幾個PCB 將系統分割數個PCB的話，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓系統具有升級與交換零件的能力。系統功能方塊圖就提供了我們分割的依據。像是計算機就可以分成主機板、顯示卡、聲卡、軟盤驅動器和電源等等。
決定使用封裝方法，和各PCB的大小 當各PCB使用的技術和電路數量都決定好了，接下來就是決定板子的大小了。如果PCB設計的過大，那么封裝技術就要改變，或是重新作分割的動作。在選擇技術時，也要將線路圖的品質與速度都考量進去。
5 PCB設計的一般原則
PCB設計特殊元器件布局
首先，要考慮PCB尺寸的大小：PCB尺寸過大時，印刷線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元器件的位置。最后，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。
在確定特殊元器件的位置時要遵守以下原則：
① 盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。
② 某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。
③ 重量超過15 g的元器件，應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在印刷板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題。熱敏元件應遠離發熱元件。
④ 對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局，應考慮整機的結構要求。若是機內調節，應放在印刷板上方便調節的地方;若是機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。
⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。
PCB設計一般元器件布局
根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：
① 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。
② 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。
③ 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平行排列，這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產。
④ 位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2 mm。電路板的最佳形狀為矩形。長寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200 mm×150 mm時，應考慮電路板所受的機械強度。
PCB設計布線
布線的原則如下：
① 輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發生反饋耦合。
② 印刷板導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。當銅箔厚度為0.5 mm、寬度為1～15 mm時，通過2 A的電流，溫升不會高于3℃。因此，導線寬度為1.5 mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數字電路，通常選0.02～0.3 mm導線寬度。當然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1～0.2 mm。
③ 印刷導線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發生銅箔膨脹和脫落現象。必須用大面積銅箔時，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產生的揮發性氣體。
PCB設計焊盤
焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于（d+1.2） mm，其中d為引線孔徑。對高密度的數字電路，焊盤最小直徑可取（d+1.0） mm。
6 PCB設計相關概念
過孔：
一旦選用了過孔，務必處理好它與周邊各實體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過孔不相連的線與過孔的間隙，如果是自動布線，可在“過孔數量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜單里選擇“on”項來自動解決。需要的載流量越大，所需的過孔尺寸越大，如電源層和地層與其它層聯接所用的過孔就要大一些。
絲印層：
為方便電路的安裝和維修等，在印刷板的上下兩表面印刷上所需要的標志圖案和文字代號等，例如元件標號和標稱值、元件外廓形狀和廠家標志、生產日期等等。不少初學者設計絲印層的有關內容時，只注意文字符號放置得整齊美觀，忽略了實際制出的PCB效果。他們設計的印板上，字符不是被元件擋住就是侵入了助焊區域被抹賒，還有的把元件標號打在相鄰元件上，如此種種的設計都將會給裝配和維修帶來很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：”不出歧義，見縫插針，美觀大方”。
SMD封裝：
Protel封裝庫內有大量SMD封裝，即表面焊裝器件。這類器件除體積小巧之外的最大特點是單面分布元引腳孔。因此，選用這類器件要定義好器件所在面，以免“丟失引腳（Missing Plns）”。另外，這類元件的有關文字標注只能隨元件所在面放置。
填充區：
網格狀填充區（External Plane ）和填充區（Fill)
正如兩者的名字那樣，網絡狀填充區是把大面積的銅箔處理成網狀的，填充區僅是完整保留銅箔。初學者設計過程中在計算機上往往看不到二者的區別，實質上，只要你把圖面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的區別，所以使用時更不注意對二者的區分，要強調的是，前者在電路特性上有較強的抑制高頻干擾的作用，適用于需做大面積填充的地方，特別是把某些區域當做屏蔽區、分割區或大電流的電源線時尤為合適。后者多用于一般的線端部或轉折區等需要小面積填充的地方。
焊盤：
焊盤是PCB設計中最常接觸也是最重要的概念，但初學者卻容易忽視它的選擇和修正，在設計中千篇一律地使用圓形焊盤。選擇元件的焊盤類型要綜合考慮該元件的形狀、大小、布置形式、振動和受熱情況、受力方向等因素。Protel在封裝庫中給出了一系列不同大小和形狀的焊盤，如圓、方、八角、圓方和定位用焊盤等，但有時這還不夠用，需要自己編輯。例如，對發熱且受力較大、電流較大的焊盤，可自行設計成“淚滴狀”，在大家熟悉的彩電PCB的行輸出變壓器引腳焊盤的設計中，不少廠家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤時除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：
（1）形狀上長短不一致時要考慮連線寬度與焊盤特定邊長的大小差異不能過大；
（2）需要在元件引角之間走線時選用長短不對稱的焊盤往往事半功倍；
（3）各元件焊盤孔的大小要按元件引腳粗細分別編輯確定，原則是孔的尺寸比引腳直徑大0．2- 0．4毫米。
各類膜：
這些膜不僅是PB制作工藝過程中必不可少的，而且更是元件焊裝的必要條件。按“膜”所處的位置及其作用，“膜”可分為元件面（或焊接面）助焊膜（TOp or Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOp or BottomPaste Mask）兩類。顧名思義，助焊膜是涂于焊盤上，提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤略大的各淺色圓斑。阻焊膜的情況正好相反，為了使制成的板子適應波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盤處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤以外的各部位都要涂覆一層涂料，用于阻止這些部位上錫。可見，這兩種膜是一種互補關系。由此討論，就不難確定菜單中類似“solder Mask En1argement”等項目的設置了。
飛線有兩重含義：
自動布線時供觀察用的類似橡皮筋的網絡連線，在通過網絡表調入元件并做了初步布局后，用Show 命令就可以看到該布局下的網絡連線的交叉狀況，不斷調整元件的位置使這種交叉最少，以獲得最大的自動布線的布通率。這一步很重要。另外，自動布線結束，還有哪些網絡尚未布通，也可通過該功能來查找。找出未布通網絡之后，可用手工補償，實在補償不了就要用到“飛線”的第二層含義，就是在將來的印板上用導線連通這些網絡。如果該電路板是大批量自動線生產，可將這種飛線視為0歐阻值、具有統一焊盤間距的電阻元件來進行設計。
7 PCB設計注意事項
（1）避免在PCB邊緣安排重要的信號線，如時鐘和復位信號等。
（2）機殼地線與信號線間隔至少為4毫米；保持機殼地線的長寬比小于5:1以減少電感效應。
（3）已確定位置的器件和線用LOCK功能將其鎖定，使之以后不被誤動。
（4）導線的寬度最小不宜小于0.2mm（8mil），在高密度高精度的印制線路中，導線寬度和間距一般可取12mil。
（5）在DIP封裝的IC腳間走線，可應用10－10與12－12原則，即當兩腳間通過2根線時，焊盤直徑可設為50mil、線寬與線距都為10mil，當兩腳間只通過1根線時，焊盤直徑可設為64mil、線寬與線距都為12mil。
（6）當焊盤直徑為1.5mm時，為了增加焊盤抗剝強度，可采用長不小于1.5mm，寬為1.5mm和長圓形焊盤。
（7）設計遇到焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀，這樣焊盤不容易起皮，走線與焊盤不易斷開。
（8）大面積敷銅設計時敷銅上應有開窗口，加散熱孔，并將開窗口設計成網狀。
（9）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。
8 PCB設計裝配規則
在設計中，從PCB板的裝配角度來看，要考慮以下參數：
（1）孔的直徑要根據最大材料條件( MMC) 和最小材料條件(LMC) 的情況來決定。一個無支撐元器件的孔的直徑應當這樣選取，即從孔的MMC 中減去引腳的MMC ，所得的差值在0.15 -0. 5mm 之間。而且對于帶狀引腳，引腳的標稱對角線和無支撐孔的內徑差將不超過0.5mm ，并且不少于0.15mm。
（2）合理放置較小元器件，以使其不會被較大的元器件遮蓋。
（3）阻焊的厚度應不大于0.05mm。
（4）絲網印制標識不能和任何焊盤相交。
（5）電路板的上半部應該與下半部一樣，以達到結構對稱。因為不對稱的電路板可能會變彎曲。
9 PCB設計相關技巧
PCB設計設置技巧
PCB設計在不同階段需要進行不同的各點設置，在布局階段可以采用大格點進行器件布局；
對于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點精度進行布局，而對于電阻電容和電感等無源小器件，可采用25mil的格點進行布局。大格點的精度有利于器件的對齊和布局的美觀。
PCB布局規則
1、在通常情況下，所有的元件均應布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過密時，才能將一些高度有限并且發熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。
2、在保證電氣性能的前提下，元件應放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊；元件排列要緊湊，元件在整個版面上應分布均勻、疏密一致。
3、電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應在1MM以上。
4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時，應考慮電路板所能承受的機械強度。
PCB設計布局技巧
在PCB的布局設計中要分析電路板的單元，依據起功能進行布局設計，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：
1、按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。
2、以每個功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進行布局。元器件應均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。
3、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝旱容易，易于批量生產。
PCB設計具體布線時應注意以下幾點：
（1）走線長度盡量短，以便使引線電感極小化。在低頻電路中，因為所有電路的地電流流經公共的接地阻抗或接地平面，所以避免采用多點接地。
（2）公共地線應盡量布置在印制電路板邊緣部分。電路板上應盡可能多保留銅箔做地線，可以增強屏蔽能力。
（3）雙層板可以使用地線面，地線面的目的是提供一個低阻抗的地線。
（4）多層印制電路板中，可設置接地層，接地層設計成網狀。地線網格的間距不能太大，因為地線的一個主要作用是提供信號回流路徑，若網格的間距過大，會形成較大的信號環路面積。大環路面積會引起輻射和敏感度問題。另外，信號回流實際走環路面積小的路徑，其他地線并不起作用。
（5）地線面能夠使輻射的環路最小。
