淺析印制線路板的設(shè)計

郭澤賢

【摘要】對于電子產(chǎn)品來說，印制線路板設(shè)計是從電路原理圖變成一個具體產(chǎn)品必經(jīng)的一道設(shè)計工序，印制線路板設(shè)計的合理性與產(chǎn)品成本、產(chǎn)品生產(chǎn)效率及產(chǎn)品電氣性能緊密相關(guān)。本文介紹了印制線路板設(shè)計的流程及其設(shè)計原則，提出了印制線路板設(shè)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(shè)計的人員，特別對印制線路板設(shè)計人員具有一定的參考作用。

【關(guān)鍵詞】原理圖；PCB結(jié)構(gòu)；布局；布線；板料

引言

印制線路板（PCB）是電子產(chǎn)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(shè)計是從電路原理圖變成一個具體產(chǎn)品必經(jīng)的一道設(shè)計工序，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高，PCB設(shè)計的好壞對產(chǎn)品成本、產(chǎn)品生產(chǎn)效率及產(chǎn)品電氣性能影響較大。一般PCB設(shè)計流程包括：電路原理繪圖與元件庫建立->印制線路板結(jié)構(gòu)設(shè)計->印制線路板布局->印制線路板布線->印制線路板絲印->網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行PCB設(shè)計之前，首先要準(zhǔn)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(yīng)商提供的規(guī)格和工廠的生產(chǎn)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(yīng)關(guān)系，畫原理圖時，如果產(chǎn)品電路龐大可用層次電路圖（模塊化電路圖）設(shè)計，以便提高設(shè)計速度和方便看圖。

二、PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計

PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)產(chǎn)品機(jī)械形狀、功能位置（如按鍵）、特殊元件形狀、產(chǎn)品的電性能、生產(chǎn)工藝要求、經(jīng)濟(jì)成本等的綜合考慮。如電子產(chǎn)品設(shè)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(jī)械定位。機(jī)械定位其中包括接插件、按健/開關(guān)、LCD顯示器、螺絲孔等。它們要按定位要求放置，排線和其它導(dǎo)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(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊的產(chǎn)品中，要考慮變壓器和散熱片的位置是否空氣通暢，總之，機(jī)械定位要充分考慮運(yùn)輸試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)。

三、PCB板布局

PCB板布局之前，有經(jīng)驗(yàn)的PCB設(shè)計者首先裝入機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，把DWG或者DXF文件轉(zhuǎn)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(jī)械裝置發(fā)生沖突（頂塑膠）。然后設(shè)定原點(diǎn)，建立PCB板框，在原理圖上生成網(wǎng)絡(luò)表，再在PCB界面上生成網(wǎng)絡(luò)表，設(shè)定LAYOUT規(guī)則，設(shè)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(chǎn)流水線插件進(jìn)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(jī)或者SMT機(jī)的導(dǎo)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(chǎn)時用手掰斷即可。如果PCB板沒有波峰焊機(jī)或者SMT機(jī)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(nèi)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(dǎo)致焊盤缺損。

（2）放置與機(jī)械結(jié)構(gòu)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(yīng)IC是否要鏡像或分層）、開關(guān)、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(yīng)分開放置，或有適當(dāng)?shù)木嚯x，必要時還應(yīng)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(qiáng)度。

（4）需要經(jīng)常調(diào)整的可調(diào)元件是否方便調(diào)節(jié)，以便生產(chǎn)時測試。

（5）需要經(jīng)常更換的元件是否方便更換，插板插入設(shè)備是否方便，以方便生產(chǎn)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(guān)，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(qū)動區(qū)，避免數(shù)字電路，模擬電路，電源驅(qū)動之間互相干擾。

（8）同一功能的電路，應(yīng)盡量靠近放置，調(diào)整元器件保證連線最為簡潔，同時各個功能塊之間調(diào)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(chǎn)裝配的可行性和便利性的同時，可適當(dāng)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(shè)計中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟，可以說前面的準(zhǔn)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(yù)先對要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線，一般先進(jìn)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(jìn)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(jìn)行：

（1）首先對電源線和地線進(jìn)行布線：因?yàn)殡娫淳€和地線考慮不周會引起干擾，從而影響產(chǎn)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(yīng)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(dǎo)線的公共地線最好形成環(huán)路或網(wǎng)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(shè)置在多層印制線路板的內(nèi)層。

（2）振蕩器的外殼接地，走線要盡量短，周邊要有保護(hù)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(guān)鍵的線（如高頻線）進(jìn)行布線時，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應(yīng)加地線隔離，當(dāng)兩面布線時，兩面的導(dǎo)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(guān)鍵信號應(yīng)預(yù)留測試點(diǎn)，以方便生產(chǎn)和維修檢測用。

（6）跳線的使用：在單面的PCB設(shè)計中，當(dāng)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(shè)6mm，8mm，10mm三種，超出此范圍的會給生產(chǎn)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(shè)計成網(wǎng)狀，因?yàn)橛≈凭€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(chǎn)生揮發(fā)性氣體無法排除，熱量不易散發(fā)，以致產(chǎn)生銅箔膨脹，脫落現(xiàn)象。

（8）印制導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線就能滿足設(shè)計要求而不致引起溫升，在DIP封裝的IC腳間走線，可應(yīng)用10-10與12-12原則。

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

（10）焊盤的直徑和內(nèi)孔尺寸：焊盤的內(nèi)孔一般≥0.6mm，因?yàn)樾∮?.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(nèi)孔直徑，如電阻的金屬引腳直徑為0.5mm時，其焊盤內(nèi)孔直徑對應(yīng)為0.7mm，焊盤直徑取決于內(nèi)孔直徑，如表1所示。

另外注意：為了增加焊盤抗剝強(qiáng)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(jīng)過波峰焊后補(bǔ)焊的，如：排線或單股線等，由于經(jīng)過波峰焊后焊盤內(nèi)孔被錫封住，使器件無法插下去，解決辦法是在PCB板設(shè)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(nèi)孔就不會被錫封??；當(dāng)與焊盤連接的走線較細(xì)時，要將焊盤設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)做鏡像處理，以免混淆層面。

六、網(wǎng)絡(luò)和DRC檢查和綜合性檢查

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

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(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(fù)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(dá)到元器件裝配和導(dǎo)線連接的一體化。如移動通訊等。

剛性覆銅薄板按材質(zhì)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(chǎn)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(fù)合材料覆銅板按材質(zhì)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(chǎn)品及普通的電子產(chǎn)品（如DVD，游戲機(jī)等）。其主要特點(diǎn)是沖孔性能較好。

另外，選擇PCB板時還應(yīng)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(yīng)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(jī)械負(fù)荷以及覆箔板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格來決定。常見的印制板厚度有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等。

八、結(jié)束語

印制線路板的設(shè)計是一個簡單而又復(fù)雜的工作，要有耐心和細(xì)心。不僅要會各種PCB LAYOUT軟件，能獨(dú)檔一面，從做元器件到布局、布線、出光繪，會EMC設(shè)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(chǎn)裝配、測試、維修的要求等等，只有這樣積累經(jīng)驗(yàn)，精益求精，才能做好印制線路板的設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1]全國計算機(jī)信息高新技術(shù)考試教材編寫委員會《 PRO-TEL 99SE職業(yè)技能培訓(xùn)教程》北京希望電子出版社[M].電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]多層印制電路板性能介紹[J].計算機(jī)研究與發(fā)展，1980，10.

[3]郜蘊(yùn)厚.新型印制電路板接插件及初步應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù)，1982，02.