PCB设计流程与经验分析

    在日常生活中，印制电路板（PCB）随处可见，它广泛分布在家用电器、计算机和其他电子产品里，只要是电子产品，几乎都会用到PCB。PCB是电子产品中电路元器件的支撑件，它为电路元件与器件之间的电气提供连接。所以，本文分析了PCB设计流程与经验。
 

1 前期准备

    根据硬件工程师制作的原理图，人们要导出ASC文档，即网络表，将其导入PCB设计系统。如果用到PCB元件封装库里没有的新封装，PCB LAYOUT工程师需要根据所选元件的规格，给出封装PCB的建议尺寸。一般来说，为了保证元器件贴片时互不影响摆放，人们会按照元器件的尺寸，适当加宽加长，制作新封装（一般会将制作的新元件封装备份一份，存放在个人制作的元件封装库里）。PCB元件封装制作的要求较高，它直接影响PCB的元件贴片成功与否[1]。
 

2 PCB设计环境设置

    打开PCB设计工具软件后，人们要设置好PCB设计环境，如元件、走线和VIA等移动栅格的大小，布线参数以及板层参数。布线参数包括最小线宽、常规线宽、最大线宽、线与线的间距、线与元件焊盘的间距、线与VIA的间距、线与铜箔的间距、线与板框的间距、元件焊盘与板框的间距等。板层参数包括层面走线的颜色、VIA的颜色、铜箔的颜色、DRC的颜色、2D线颜色、字符文本颜色和网络信号名的显示颜色等。

    大多数参数都可以用系统给出的默认值，这些参数经过设置后符合布板常规要求和个人习惯，以后可以不用再设置。
 

3 PCB元器件位置规划

    元器件摆放是PCB设计的首要环节，PCB功能越多，元器件位置规划的好坏越影响PCB布通的难易度［2］。

    按照结构工程师给出的电路板面积大小与装配定位孔等组装要求，在PCB已设置好工作环境的条件下，先画出PCB板框，然后根据结构需求，摆放接口器件、按键/开关、定位孔和螺丝孔等结构件。其间遵照“先主后次，先中间后两边”的摆放规律，即主要电路、主要芯片应当先行摆放，按照原理图设计的页面和模块，合理布局PCB。如果PCB没有结构要求，就要先考虑PCB的尺寸大小。PCB面积较大时，走线就比较长，走线的阻抗值增加，抗噪功能就会下降，费用就会上升；若PCB面积太小，PCB的散热性能就不佳，而相邻走线间距比较小，容易互相干扰。明确PCB面积后，要确认异常元器件的结构摆位，然后按照电流通路，逐步摆放原理图上的器件。

    若线路具有相同功能，相关元件最好就近摆放，并调整各元器件方向，使布局便于网络信号的流通，并让网络连接尽量维持相同的方向，使其连线路径最短。同时，可以调节不同模块之间的摆放方位，使之连线路径最短。另外，输入与输出的功能块最好间隔一定的距离摆放。

    对于体积大或者比较重的元器件，应该研究其装配方位及其装配难易程度；温度容易上升的元器件应尽量远离对热能比较敏感的元器件，还要考虑散热问题；I/O驱动元器件尽量靠近 PCB板边放置，好就近引出接插件；晶体谐振器应尽可能摆放在IC的PIN脚附件上，使之走线最短[1]。

    PCB质量必须符合产品电气性能和机械结构要求，PCB器件摆放整体力求平均分布，井井有条，不要虎头蛇尾，不能偏重一边[2]。摆放元器件时，必须留意元器件的实物尺寸（特别是高度，要注意结构要求的限高区），还要考虑元器件相对的摆放间距。在确保PCB电气性能及生产装配切实可行的前提下，适当调整元器件的摆放位置，尽量对齐摆放，横平竖直，使之更加整齐美观，焊接也更容易，这样易于批量生产[2]。

    一般来说，摆放于 PCB 边缘的元器件要求距离板边不小于2mm。在没有结构要求的情况下，PCB的最佳形状为矩形。最佳的长宽比为3∶2或者4∶3。当PCB的尺寸大于200mm×150mm 时，应考虑 PCB 所承受的机械强度[3]。

    PCB布局与PCB整板的外形美观度和走线布通的难易度相关，所以要多花点心思，磨刀不误砍柴工。布局时，疑惑之处可以先试着布线，看看走线是否通顺，然后进行调整布局。
 

4 PCB布线

    PCB的走线布通是 PCB 设计中工作量最大、费时最多的环节，与PCB的电气性能优劣有关。在PCB布线工程中，布通是最基本的条件。PCB走线布通后，要调整布线，让PCB实现最好的电气功能（电气性能是否满足是权衡PCB是否合格的准则）。最后，尽量优化布线，使之整齐划一，方便测试、维修以及后续改版。

    通常，人们会先走电源线及GND走线，或者预留足够的空间，确保PCB的电气功能。在空间允许的情况下，尽量加宽电源和地线的宽度，还要打上足够多的VIA孔，保证连通与散热。核心的IC颗粒先引线，走线用45°折线，尽量避免走90°，更不要用锐角走线，高频信号线还要求采用圆弧走线，如 WIFI 等。CLK、DDR、EMMC、HDMI、MIPI、LVDS 和 USB 等是主要信号，相邻层走线要避免平行和交叉，最好是垂直走线，同组信号尽量同层走线，差分对一起平行走线，同层走线，对内误差要尽量小，整组要求做到等长。

    在PCB层面有限而信号层走线不通的情况下，为了节约成本，只能在电源层或者地层走线，最初在电源层走线，然后分布到地层，最好保持地层的完整性[1]。
 

5 PCB线路优化

    PCB设计没有最好，只有更好。不管前期花多少心思去设计，后期检查时再审视设计的PCB，人们还是觉得有很多地方可以优化。有时候，优化时间比前期花的时间还要多。PCB布线优化完成后，要进行后处理，比如，做好PCB板面的丝印标识，让使用PCB板的人更易识别，一目了然。

    在线路走通的情况下，要结合元器件的优化线路，使之更合理。比如，直插的元器件，走线尽量走元器件摆放的背面层；贴片的元器件，放置在正面就尽量走正面，放置在背面就尽量走背面层，尽可能减少过孔数，同时方便调试与检查。同时，人们要做好关键信号的优化处理。关键信号（如时钟信号）走线直，长度最短，应进行完整包地处理，避免产生干扰。输入端和输出端的LAYOUT尽量防止相邻走线，避免平行走线，以免产生发射干扰，最好加GND走线进行间隔。
 

6 PCB审核

    电路板审核是电路板外发制板前的必要步骤，电路板审核主要有：原理图审核、结构审核、网络及元器件的安全间距审核、电源通道与地平面审核等。要先审核原理图的正确与否，然后确认电路板的结构与限高。网络及元器件的安全间距可以在绘图软件里面设置好。电源通道的宽度需求看通过的电流大小，一般原理图里面有说明。地平面肯定是越大越完整越好。

    PCB LAYOUT布通后，要仔细审核LAYOUT是不是与设计人员设置的布线规格相符，确定设计规格是否满足PCB厂家加工工艺的要求。首先，要确认PCB板框尺寸是否符合终端产品的安装和性能测试要求。在PCB设计中，人们要注意安装尺寸，特别是一些定位螺丝孔的位置和尺寸。对于高度比较大的元器件，要确认放置在限高区域内的元器件高度是否超出要求。

    对于有极性的元器件（如二极管、三极管和MOS管等），确认采购的实物跟PCB元器件封装是否一致。很多时候，对于同一个元器件，不同生产厂家会有不同的封装尺寸，有时即使是同样的厂家，生产批次不同，元器件的实物尺寸跟厂家提供的封装尺寸也不一致。所以，要考虑元器件的可替代性，预留出可替换的元器件封装位置，防止因采购不到物料而出现替代情况[1]。

    字符层的标注与摆放要按照看板人员的习惯，从上到下，从左到右，整齐摆放。元器件比较密集的区域可以把字符标注引到附件相对宽裕的地方。

    元器件摆放要考虑后期维修拆卸，尽量方便拆装。要注意大电流路径是否足够宽敞，载流能力是否达到，必要时要加宽铜箔。对于有连接器的大电流焊盘，要加强焊盘的走线连接；有插件的元器件焊盘，走线连接也要进行加宽处理，防止拆装时被牵连，引起连接不良。
 

7 PCB制板

    一般来说，在发给板厂制作之前，PCB LAYOUT工程师会重复审核PCB，直到各方面都确认良好。最后，把生产文件和制板说明一起打包成邮件发给制板企业。正式加工生产前，PCB厂家会就一些PCB加工问题在邮件上与PCB LAYOUT工程师确认。这其中包括但不限于以下内容：PCB板材型号的选择、线路线宽线距的调整、阻抗控制的调整、PCB层叠厚度的调整、表面处理加工工艺、孔径公差控制与交付标准等[3]。
 

8 结论

    本文主要介绍了PCB设计流程与经验，其从前期准备开始，然后进行PCB设计环境设置、PCB元器件位置规划、布线布通、PCB布局和布线优化、PCB审核，最后进行发板制作。PCB 设计是一项考验细心度和经验积累的工作，PCB LAYOUT工程师的心思细腻，经验丰富，设计出来的PCB才会具有良好质量。设计过程要充分考虑各个方面的需要，既要考虑电路板的实用性，也要考虑电路板的整体美观性。只有精益求精，才能设计出更好的PCB。电子技术发展日新月异，电路板的精细度越来越高，电子产品的功能越来越全。人们都希望PCB在有限的空间里实现更多的功能，同时还要控制成本，使得PCB布局越来越密。总之，PCB设计的优劣对产品抗干扰能力的影响很大。
 

参考文献：

[1] 胡宗海,赵彦,王立平,等.PCB设计流程的改进研究[J].成都工业学院学报,2017(1):16-19.

[2] 朱凌.PCB的设计流程[J].科技风,2012(1):113.

[3] 候泽红.设计与制作PCB板的工艺流程综述[J].民营科技,2013(5):2.