廣東省惠州市技師學(xué)院 何培森

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PCB板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

廣東省惠州市技師學(xué)院 何培森

【摘要】現(xiàn)代電子產(chǎn)品制造業(yè)都非常重視PCB板的設(shè)計(jì)，提高PCB板質(zhì)量的關(guān)鍵是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文根據(jù)企業(yè)設(shè)計(jì)PCB板時采用的新工藝與新技術(shù)，對PCB板元器件布局的優(yōu)化、敷銅線布線的優(yōu)化問題，進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。

【關(guān)鍵詞】PCB板；設(shè)計(jì)；布局；布線；優(yōu)化在現(xiàn)代電子產(chǎn)品制造業(yè)中，都離不開PCB板的設(shè)計(jì)，各生產(chǎn)企業(yè)都非常注重PCB板設(shè)計(jì)的質(zhì)量問題。設(shè)計(jì)優(yōu)良的PCB板不但小巧精美、性能穩(wěn)定，而且使用壽命長，能給企業(yè)帶來良好的信譽(yù)與經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)不好的PCB板，則易出現(xiàn)相鄰敷銅線之間干擾、相鄰層與層之間干擾、輻射干擾、元器件發(fā)熱過大等一系列的問題，嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性與使用壽命，給企業(yè)造成不必要的各種損失。

1 影響PCB板設(shè)計(jì)質(zhì)量的因素

從事PCB板設(shè)計(jì)工作的技術(shù)人員，在進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)時，有時會感到很困惑，無法設(shè)計(jì)出實(shí)用性強(qiáng)、高質(zhì)量的PCB板，無法滿足企業(yè)的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)本人在實(shí)際工作中的體會，在進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)時，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量的主要因素是設(shè)計(jì)人員沒有注意把握好“元器件布局的優(yōu)化、敷銅線布線的優(yōu)化”這兩個關(guān)鍵問題。設(shè)計(jì)PCB板時，應(yīng)根據(jù)電路的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求，精心的對元器件的布局進(jìn)行優(yōu)化、對敷銅線的布線進(jìn)行優(yōu)化，這是PCB板設(shè)計(jì)的精髓。

2 PCB板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

PCB板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括PCB板元器件布局的優(yōu)化、敷銅線布線的優(yōu)化。

2.1 PCB板元器件布局的優(yōu)化

PCB板元器件的布局，就是根據(jù)電路工作原理圖，選擇一定尺寸的PCB板，按照電氣規(guī)范，在PCB板上確定好各個元器件的位置。元器件的布局是PCB板設(shè)計(jì)工作重要的一環(huán)，PCB板上的元器件只有合理布局，并認(rèn)真優(yōu)化，PCB板才會有優(yōu)良的電氣性能。

2.1.1 PCB板尺寸的優(yōu)化

根據(jù)元器件的結(jié)構(gòu)圖，確定出PCB板的大小，并按工藝規(guī)范的要求標(biāo)注出PCB板的尺寸。PCB板尺寸選用過大，既浪費(fèi)材料，也不利于縮小電路板的體積；PCB板尺寸選用過小，會出現(xiàn)不利生產(chǎn)、電氣性能不穩(wěn)定等的情況。

2.1.2 元器件布局區(qū)域的優(yōu)化

根據(jù)生產(chǎn)加工時夾持PCB板的要求，以及電路板安裝的要求，確定PCB板上元器件布局的區(qū)域和不能布局元器件的區(qū)域，在不能進(jìn)行布局的區(qū)域內(nèi)不能進(jìn)行元器件的布局。

2.1.3 元器件布局位置的優(yōu)化

元器件位置的布局，即是把每個元器件擺布的位置確定下來。元器件布局時，要先從整體上確定各單元電路的位置，后確定各單元電路里每個元器件的具體位置。

1)確定各個單元電路的位置。電路原理圖中有多個單元電路時，要認(rèn)真綜合考慮各個單元電路的擺布問題。優(yōu)化布局的重點(diǎn)是，根據(jù)電路組成主信號流程，布局各單元電路；結(jié)構(gòu)相同的電路，盡可能采用“對稱式”結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局；各單元電路之間總的連線盡可能短，關(guān)鍵信號線也要最短；高電壓、大電流信號與低電壓、小電流信號要完全分開布局；模擬信號與數(shù)字信號要分開布局；高頻信號與低頻信號也要分開布局。

2)確定各個單元電路元器件的位置。對每個單元電路的元器件進(jìn)行布局時，要重點(diǎn)從如下幾方面對各個元器件進(jìn)行優(yōu)化布局。每個單元電路里的元器件，應(yīng)按照先大后小、先難后易來進(jìn)行布局，重要的核心元器件優(yōu)先布局；同類型的元器件，在X或Y方向上色環(huán)或極性應(yīng)朝一個方向布局，便于生產(chǎn)和質(zhì)量檢驗(yàn)；元器件采用波峰焊接生產(chǎn)工藝時，阻、容元器件軸向要與波峰焊傳送方向垂直進(jìn)行布局；阻排及SOP封裝元器件軸向，要與波峰焊傳送方向平行進(jìn)行布局；發(fā)熱元件應(yīng)均勻布局，以利于整機(jī)的散熱；溫度敏感器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的元器件（溫度檢測元件除外）；需調(diào)試的元器件周圍要有足夠的空間；采用BGA封裝形式的元器件與相鄰元件之間的距離要大于5毫米；各集成電路的去耦電容要盡量靠近其電源引腳，并使之與電源、地之間形成的回路最短。另外，安裝孔、接插件等元器件要均勻分布，使之重心平衡、版面美觀。

2.2 PCB板敷銅線布線的優(yōu)化

PCB板元器件的布局情況確定之后，就應(yīng)在PCB板上進(jìn)行布線。PCB板的布線，就是在PCB板上用敷銅箔作為導(dǎo)線，把元器件的引腳按照要求連接起來，使電路通電后能正常工作。PCB板布線的優(yōu)化，也是PCB板設(shè)計(jì)工作重要的一環(huán)。

2.2.1 布線層數(shù)的優(yōu)化

PCB板上的元器件數(shù)量不相同時，元器件總的引腳數(shù)是不相同的，也就是單位面積上引腳的密度是不相同的。為此可利用PCB板設(shè)計(jì)軟件的統(tǒng)計(jì)功能，求出PCB板上平均管腳密度參數(shù)，以便確定所需要的信號布線層數(shù)，也即確定PCB板的層數(shù)。信號層數(shù)的確定，可參考表1經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 信號層數(shù)數(shù)據(jù)表

其中，引腳密度系數(shù)按“板面積（平方英寸）÷（板上管腳總數(shù)×14）”方法進(jìn)行計(jì)算。

PCB板布線時，電源、摸擬小信號、高頻信號、時鐘信號、同步信號等關(guān)鍵信號的元器件優(yōu)先布線；盡量為時鐘信號、高頻信號等敏感信號提供專門的布線層，并保證其最小的回路面積；電源元件產(chǎn)生的干擾較大，布線時應(yīng)避免靠近對干擾敏感的元器件。

2.2.2 線寬的優(yōu)化

線寬即敷銅箔印制導(dǎo)線的寬度，線寬的優(yōu)化要考慮板上元器件的密度與信號的電流強(qiáng)度這兩個因素。PCB板元器件的密度較高時，線寬可窄一些；當(dāng)信號的平均電流較大時，銅箔的厚度與線寬都要加大。PCB板敷銅箔的厚度、走線寬度與流過的電流有密切的關(guān)系，不同厚度，不同寬度的敷銅箔的載流量見表2。實(shí)際使用時，為確保安全，敷銅箔寬度的載流量，應(yīng)按表中的值50%進(jìn)行選擇。

表2 銅箔寬度與電流量關(guān)系表

2.2.3 導(dǎo)線間距的優(yōu)化

導(dǎo)線間距是PCB板上相鄰印制導(dǎo)線（敷銅線）之間的距離，相鄰導(dǎo)線之間的距離由爬電距離來決定。為了減少印制導(dǎo)線之間的串?dāng)_，應(yīng)計(jì)算出相鄰印制導(dǎo)線之間的工作電壓差，由工作電壓差再確定出爬電距離，不同工作電壓下的爬電距離見表3。相鄰印制導(dǎo)線之間的距離應(yīng)大于爬電距離。

表3 爬電距離數(shù)值表

計(jì)算相鄰導(dǎo)線的電壓差較困難，實(shí)際應(yīng)用時，可采用“3W規(guī)則”確定導(dǎo)線距離，當(dāng)相鄰兩導(dǎo)線中心間距大于3倍導(dǎo)線寬時，基本可滿足抗干擾的要求。如要達(dá)到優(yōu)良的抗干擾性能，則可使相鄰印制導(dǎo)線間大于10W的間距，如圖1（a）所示。

圖1 3W規(guī)則與線孔

2.2.4 線孔的優(yōu)化

PCB板上的線孔主要是指元器件引腳的過線孔，有焊接孔、盲孔、埋孔之分。焊接孔一般設(shè)置在雙面板的焊盤上，元器件引腳穿過孔后再進(jìn)行焊接，如圖1（b）所示。PCB板焊接孔的孔徑取決于板厚度、焊盤直徑的大小，板厚度與孔徑之比，應(yīng)小于 5~8。焊盤孔徑大小、焊盤直徑大小、PCB板的厚度數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系見表4。設(shè)計(jì)線孔時應(yīng)根據(jù)板的厚度優(yōu)化選取線孔的直徑。

表4 板厚度、焊盤直徑、焊盤孔徑對應(yīng)關(guān)系表

在多層板中，盲孔是連接在PCB板最表面層和內(nèi)層之間，但又不貫通整板的導(dǎo)通孔；埋孔則是連接在PCB板內(nèi)、層與層之間，但在PCB板最表面層不可見的導(dǎo)通孔。這兩類過孔的作用是，把PCB板各層之間的元器件進(jìn)行連通，這兩類孔的尺寸選取方法與焊線孔相同。

2.3 地線回路的優(yōu)化

地線回路優(yōu)化的方法是，信號線所構(gòu)成的環(huán)路面積要盡可能小，地線的面積要足夠大。環(huán)路面積越小，對外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。在雙層PCB板設(shè)計(jì)中，應(yīng)為電源地留下足夠的空間，且要增加一些必要的過孔，將雙面電源地有效連接起來。另外，對一些關(guān)鍵信號，信號線之間盡量采用地線進(jìn)行隔離，以減少信號之間的竄擾。

2.4 竄擾控制的優(yōu)化

竄擾是指PCB板上不同網(wǎng)絡(luò)（單元電路）之間，因較長的、相鄰的敷銅線的分布電容和分布電感引起的相互干擾?？朔Z擾進(jìn)行優(yōu)化的方法是，加大相鄰敷銅線的間距，或在相鄰敷銅線之間插入接地的隔離線，都可有效解決問題。

2.5 屏蔽保護(hù)的優(yōu)化

對一些特別重要，頻率特別高的信號，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時，應(yīng)該采用銅軸電纜屏蔽結(jié)構(gòu)，即將所布的敷銅線的上下、左右，用地線與周圍元器件進(jìn)行隔離，達(dá)到屏蔽干擾的作用，如圖2（a）所示。

圖2 屏蔽保護(hù)與走線方向優(yōu)化

2.6 走線方向的優(yōu)化

在多層PCB板中，相鄰層敷銅線的走線方向，在空間應(yīng)成正交結(jié)構(gòu)，不可成平行結(jié)構(gòu)，以減少不必要的層間竄擾，如圖2(b)所示。

2.7 走線開環(huán)的優(yōu)化

在設(shè)計(jì)PCB板時，不允許出現(xiàn)一端浮空、類似天線結(jié)構(gòu)的敷銅線，以減少電路不必要的輻射和接受外來的干擾信號，如圖3(a)所示。

圖3 走線開環(huán)與諧振要求

2.8 走線諧振的優(yōu)化

設(shè)計(jì)高頻電路的PCB板時，還應(yīng)注意敷銅線的長短問題，敷銅線的布線長度不得與高頻信號的波長成整數(shù)倍關(guān)系，以免產(chǎn)生諧振現(xiàn)象而引發(fā)干擾，如圖3（b）所示。

2.9 倒角的優(yōu)化

在PCB板的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會碰到敷銅線需要轉(zhuǎn)彎的情況，敷銅線轉(zhuǎn)彎時，應(yīng)避免設(shè)計(jì)成銳角和直角，應(yīng)優(yōu)化成圓弧角，以減少不必要的輻射干擾，并提高電路的工藝性能。

2.10 重疊電源與地線層的優(yōu)化

對多層結(jié)構(gòu)的PCB板，當(dāng)不同層的電路的供電電壓不相同時，相鄰層之間的電源在空間上要避免重疊，特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問題一定要設(shè)法避免，主要是為了減少不同電源之間的干擾，如圖4所示。

圖4 重疊電源優(yōu)化要求

何培森，現(xiàn)供職于廣東省惠州市技師學(xué)院。教研成果：從事職業(yè)教育工作29年，是人社部教材辦全國通用教材編委。編寫出版過《電視機(jī)原理分析》、《液晶電視機(jī)原理與維修技能訓(xùn)練》、《SMT貼片技術(shù)》等多門全國通用教材。

作者簡介：