郭澤賢

【摘要】對于電子產品來說，印制線路板設計是從電路原理圖變成一個具體產品必經的一道設計工序，印制線路板設計的合理性與產品成本、產品生產效率及產品電氣性能緊密相關。本文介紹了印制線路板設計的流程及其設計原則，提出了印制線路板設計中需要注意的問題，以及如何選擇印制線路板的板材與板厚。本文對從事電子設計的人員，特別對印制線路板設計人員具有一定的參考作用。

【關鍵詞】原理圖；PCB結構；布局；布線；板料

引言

印制線路板（PCB）是電子產品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接。印制線路板設計是從電路原理圖變成一個具體產品必經的一道設計工序，隨著電子技術的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高，PCB設計的好壞對產品成本、產品生產效率及產品電氣性能影響較大。一般PCB設計流程包括：電路原理繪圖與元件庫建立->印制線路板結構設計->印制線路板布局->印制線路板布線->印制線路板絲印->網絡和DRC檢查和綜合性檢查->印制線路板的板材與板厚選擇。使用軟件可用PROTEL99SE、POWERPCB5.0、PADS2005等。

一、原理圖與元件庫建立

在進行PCB設計之前，首先要準備好原理圖和SCH元件庫和PCB元件庫。一般情況下，先做PCB元件庫，再做SCH元件庫，PCB的元件庫可用軟件自帶的元件庫，特殊的元件（如：LCD、幫定IC、按鍵等）要根據(jù)供應商提供的規(guī)格和工廠的生產工藝要求等條件做PCB元件庫。SCH元件庫要注意管腳屬性與PCB元件的對應關系，畫原理圖時，如果產品電路龐大可用層次電路圖（模塊化電路圖）設計，以便提高設計速度和方便看圖。

二、PCB結構設計

PCB結構設計是根據(jù)產品機械形狀、功能位置（如按鍵）、特殊元件形狀、產品的電性能、生產工藝要求、經濟成本等的綜合考慮。如電子產品設計成幾塊PCB板，是單面板還是雙面板或其它板等，以及PCB的板材與板厚選擇，然后再確定PCB板的形狀、尺寸大小以及機械定位。機械定位其中包括接插件、按健/開關、LCD顯示器、螺絲孔等。它們要按定位要求放置，排線和其它導線要考慮裝配孔和定位柱，LCD顯示器還要考慮與PCB板的接觸方式（斑馬條、斑馬紙、柔性印刷線路板連接等），在機械結構緊湊的產品中，要考慮變壓器和散熱片的位置是否空氣通暢，總之，機械定位要充分考慮運輸試驗和跌落試驗。

三、PCB板布局

PCB板布局之前，有經驗的PCB設計者首先裝入機械結構圖，把DWG或者DXF文件轉成PCB文件，其中包括PCB板框初圖和特殊電子元件定位位置，以及PCB板的定位孔和螺絲孔的位置等。這樣可以避免PCB板的元器件在二維和三維空間與機械裝置發(fā)生沖突（頂塑膠）。然后設定原點，建立PCB板框，在原理圖上生成網絡表，再在PCB界面上生成網絡表，設定LAYOUT規(guī)則，設定各層顏色。一般布局的原則有：

（1）元器件離PCB板邊緣的距離：如果PCB板有大批量生產流水線插件進行波峰焊，或者PCB板有表面裝配（SMT）時，PCB板要留出邊緣3mm提供給波峰焊機或者SMT機的導軌槽使用，如果印制線路板上元器件過多，可以在板的邊緣加上3mm的輔邊，輔邊開V形槽，在生產時用手掰斷即可。如果PCB板沒有波峰焊機或者SMT機等作業(yè)，PCB板的電子元器件放置在離PCB板的邊緣至少大于板厚。一般PCB板的電子元器件的焊盤內孔邊緣到印制板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免加工時導致焊盤缺損。

（2）放置與機械結構有緊密配合的固定位置的元器件：如電源插座、指示燈、顯示器（注意LCD顯示器的PADS與其對應IC是否要鏡像或分層）、開關、連接件之類，這些元器件放置好后用軟件的LOCK 功能將其鎖定，使之以后不會被誤移動。

（3）放置電路上的特殊元件和大的元器件，如發(fā)熱元件、變壓器、IC、晶振、溫度敏感元件等，晶振要盡量靠近該時鐘的元器件，溫度敏感元件與發(fā)熱元件應分開放置，或有適當?shù)木嚯x，必要時還應考慮熱對流措施，變壓器等大器件要考慮安裝位置和安裝強度。

（4）需要經常調整的可調元件是否方便調節(jié)，以便生產時測試。

（5）需要經常更換的元件是否方便更換，插板插入設備是否方便，以方便生產和維修。

（6）高低壓之間隔離：高壓電路部分的元器件與低壓電路部分的元器件要隔開放置，隔離距離與耐壓有關，為了避免爬電，通常情況下在印制線路板上的高低壓之間開槽。

（7）按電氣性能分區(qū)擺放元器件：一般分為數(shù)字電路區(qū)，模擬電路區(qū)和電源驅動區(qū)，避免數(shù)字電路，模擬電路，電源驅動之間互相干擾。

（8）同一功能的電路，應盡量靠近放置，調整元器件保證連線最為簡潔，同時各個功能塊之間調整相對位置保證連線最為簡潔。

（9）總體布局要均衡，疏密有序，不能頭重腳輕或一頭沉。

注意：在保證印制線路板的電氣性能和生產裝配的可行性和便利性的同時，可適當修改元器件的擺放，使之整齊有序美觀，如相同的元器件擺放整齊，方便一致等。

四、PCB布線

在PCB設計中，布線是完成產品設計的重要步驟，可以說前面的準備工作都是為布線而做的，在自動布線之前，可以用交互式預先對要求比較嚴格的線進行布線，一般先進行探索式布線，快速地把短線連通，也可以根據(jù)需要斷開已布的線，以改進總體效果。 總之，在保證電氣性能情況下，布線要整齊，一般按如下原則進行：

（1）首先對電源線和地線進行布線：因為電源線和地線考慮不周會引起干擾，從而影響產品的電氣性能，通常盡量加寬電源和地線的寬度，最好地線比電源線寬，在印制線路板上應盡可能多地保留銅箔做地線，這樣傳輸特性和屏蔽作用將得到改善，另外起到了減小分布電容的作用。印制導線的公共地線最好形成環(huán)路或網狀，接地和電源的圖形盡可能要與數(shù)據(jù)的流動方向平行，這樣可限制或減少接地電位差，從而降低或抑制噪聲干擾，如果是多層印制線路板，電源、地線各占用一層，且均可視為屏蔽層，設置在多層印制線路板的內層。

（2）振蕩器的外殼接地，走線要盡量短，周邊要有保護地。并盡量避免穿其它信號線，可避免影響晶振的振蕩。

（3）要求比較關鍵的線（如高頻線）進行布線時，輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產生反射干擾。必要時應加地線隔離，當兩面布線時，兩面的導線宜相互垂直、斜交，避免相互平行，以減小寄生耦合。

（4）走線拐彎盡可能采用45?的折線布線或者成園弧拐彎，而直角或尖角在高頻電路和布線密度高的情況下會影響電氣性能，盡量少用過孔或跳線。

（5）關鍵信號應預留測試點，以方便生產和維修檢測用。

（6）跳線的使用：在單面的PCB設計中，當線路無法連接時，常會放置跨接線。其種類越少越好，通常情況下只設6mm，8mm，10mm三種，超出此范圍的會給生產上帶來不便。

（7）大面積敷銅：PCB板大面積敷銅常用于兩種作用：一種是散熱，一種用于屏蔽來減小干擾。敷銅要開窗口設計成網狀，因為印制線路板板材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長時間受熱時，會產生揮發(fā)性氣體無法排除，熱量不易散發(fā)，以致產生銅箔膨脹，脫落現(xiàn)象。

（8）印制導線的寬度：它的最小值不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制電路中，導線寬度和間距一般可取0.3mm；單面板一般選用1～1.6mm寬度導線就能滿足設計要求而不致引起溫升，在DIP封裝的IC腳間走線，可應用10-10與12-12原則。

（9）過孔（VIA）：一般為1.27mm/0.7mm；當布線密度較高時，過孔尺寸可適當減小，但不宜過小，可考慮采用1.0mm/0.6mm。

（10）焊盤的直徑和內孔尺寸：焊盤的內孔一般≥0.6mm，因為小于0.6mm的孔開模沖孔時不易加工，一般以金屬引腳直徑值加上0.2mm∽0.3mm作為焊盤內孔直徑，如電阻的金屬引腳直徑為0.5mm時，其焊盤內孔直徑對應為0.7mm，焊盤直徑取決于內孔直徑，如表1所示。

另外注意：為了增加焊盤抗剝強度，可采用長2.5mm，寬為1.6mm的長圓形焊盤，如：集成電路引腳焊盤；還有些器件是在經過波峰焊后補焊的，如：排線或單股線等，由于經過波峰焊后焊盤內孔被錫封住，使器件無法插下去，解決辦法是在PCB板設計時（建議在做PCB元件庫時）對該焊盤開一小口，這樣波峰焊時內孔就不會被錫封?。划斉c焊盤連接的走線較細時，要將焊盤設計成淚滴狀，這樣焊盤不容易起皮，而且走線與焊盤不易斷開。

（11）焊盤、線、過孔的間距要求：一般相互間的間距為：≥0.3mm；布線密度較高的PCB板時：可考慮：≥0.254mm；特殊器件如：幫定IC的PADS和PADS間距可考慮：0.2mm。

五、絲印

絲印字符為水平或右轉90?度擺放，不要放在集成電路（IC）的底部或被其它器件擋住，或被過孔和焊盤去掉。同時要正視元件面，底層字應做鏡像處理，以免混淆層面。

六、網絡和DRC檢查和綜合性檢查

先在確定電路原理圖設計無誤的前提下，將所生成的PCB網絡文件與原理圖網絡文件進行網絡檢查（NETCHECK），檢查有無飛線（可關掉除飛線層外其他層）。網絡檢查正確通過后，對PCB設計進行DRC檢查，有無不應該的錯誤標號，并根據(jù)輸出文件結果及時對設計進行修正，以保證PCB布線的電氣性能，最后需對PCB進行綜合性檢查。如：文字說明整理以及添加PCB標志性文字說明，還有考慮生產裝配、測試、維修等進行的檢查和確認。

七、PCB板材與板厚選擇

選擇PCB板材時要從電氣性能、可靠性、加工工藝要求、經濟指標等方面綜合考慮，常用的印制線路板分類有：柔性印刷線路板、剛性覆銅薄板、復合材料覆銅板、特殊基板等。

柔性印刷線路板是用柔性的絕緣基材制成的印刷電路，具有可以自由彎曲、卷繞、折疊，并在三維空間任意移動和伸縮，從而達到元器件裝配和導線連接的一體化。如移動通訊等。

剛性覆銅薄板按材質主要分：紙基板和玻璃布基板。紙基板有：酚醛樹脂覆銅箔板（FR-2等）和環(huán)氧樹脂覆銅箔板（FR-3）等；環(huán)氧樹脂工作溫度較高，有較高的耐熱性（255℃/50S）。玻璃布基板有：玻璃（或耐熱玻璃）布-環(huán)氧樹脂覆銅箔板、玻璃布-聚酰亞胺樹脂覆銅箔板、玻璃布-聚四氟乙烯樹脂覆銅箔板，代碼如：FR-4、FR-5等系列，對于—般的電子產品采用FR4環(huán)氧玻璃纖維基板，對于環(huán)境溫度較高或撓性線路板采用聚酰亞胺玻璃纖維基板，對于高頻電路則需要采用聚四氟乙烯玻璃纖維基板。

復合材料覆銅板按材質主要分：環(huán)氧樹脂類和聚酯樹脂類，代碼如：CEM-3等，它們適宜一般家電產品及普通的電子產品（如DVD，游戲機等）。其主要特點是沖孔性能較好。

另外，選擇PCB板時還應考慮熱膨脹系數(shù)和平整度因素。特別是有SMT工藝的PCB板，

印制線路板的厚度：應根據(jù)印制板的功能及所裝元件的重量、印制板外形尺寸和所承受的機械負荷以及覆箔板的標準規(guī)格來決定。常見的印制板厚度有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等。

八、結束語

印制線路板的設計是一個簡單而又復雜的工作，要有耐心和細心。不僅要會各種PCB LAYOUT軟件，能獨檔一面，從做元器件到布局、布線、出光繪，會EMC設計，以及熱分析，還要熟悉SMT工藝，波峰焊工藝，幫定工藝，PCB板的制造工藝，以及工廠生產裝配、測試、維修的要求等等，只有這樣積累經驗，精益求精，才能做好印制線路板的設計。

參考文獻

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