設(shè)計印刷電路板的布局對于創(chuàng)建可靠，具有成本效益的電路板至關(guān)重要。雖然電路設(shè)計和組件選擇也很重要，但您應(yīng)始終確保留有足夠的時間進(jìn)行PCB布局。確定最佳的PCB布局設(shè)計有很多事情要做，特別是因?yàn)楫?dāng)今的電路板變得越來越復(fù)雜，緊湊和輕便。柔性PCB的日益普及也使該過程變得復(fù)雜。

如果您沒有考慮到重要的PCB布局注意事項(xiàng)，那么最終可能會遇到無法很好地轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)計。布局不當(dāng)會導(dǎo)致諸如電磁干擾，電路板兩側(cè)的組件沖突，電路板功能受限甚至整個電路板故障等問題。另外，如果您第一次沒有得到正確的布局，則需要對其進(jìn)行重新加工，這可能會導(dǎo)致制造延誤并增加成本。

那么，您需要牢記哪些PCB布局設(shè)計規(guī)則和注意事項(xiàng)？讓我們看一下PCB布局設(shè)計的步驟，并確定每個階段的一些核心注意事項(xiàng)。當(dāng)然，您可能還需要牢記其他注意事項(xiàng)，但這是您應(yīng)注意的PCB布局設(shè)計的一些最關(guān)鍵方面。

基本的PCB設(shè)計步驟

從您知道需要PCB到最終生產(chǎn)的那一刻，PCB設(shè)計就在印刷電路板生產(chǎn)過程的每個步驟中都發(fā)揮著作用。基本設(shè)計過程包括六個步驟。

1.概念

在確定需要PCB之后，下一步就是確定電路板的最終概念。這個初始階段涉及定義PCB將具有和執(zhí)行的功能，其功能，與其他電路的互連，其在最終產(chǎn)品中的位置以及其近似尺寸。另外，還要考慮電路板將在大約溫度范圍內(nèi)工作以及其他任何環(huán)境問題。

2.原理圖

下一階段是根據(jù)最終概念繪制電路原理圖。該圖包括板的電氣組件正常運(yùn)行所需的所有信息，以及組件名稱，值，額定值和制造商零件號等詳細(xì)信息。

創(chuàng)建原理圖時，將創(chuàng)建物料清單。該BOM包含有關(guān)PCB所需的所有組件的信息。始終保持這兩個文檔為最新。

3.板級框圖

接下來，您將完成一個板級框圖，該圖描述了PCB的最終尺寸。標(biāo)記為每個塊指定的區(qū)域，以及由于電氣原因或約束而連接的組件部分。將相關(guān)組件放在一起可以使您的跟蹤簡短。

4.元件放置

下一步是元件放置，它確定您將每個元件放置在板上的位置。通常，您可能需要經(jīng)過幾輪精煉零部件放置。

5.首過路由

接下來，確定電路的路由和路由優(yōu)先級。

6.測試

完成設(shè)計后，應(yīng)進(jìn)行一系列測試以確保其滿足您的所有需求。如果是這樣，則說明設(shè)計已經(jīng)完成。如果沒有，您將返回需要進(jìn)行調(diào)整的階段。

設(shè)計文件

在創(chuàng)建PCB時，您將開發(fā)大量文檔。這些文件包括：

l硬件尺寸圖：描述裸板的尺寸

l原理圖：繪制電路板的電氣特性

l物料清單：描述項(xiàng)目所需的組件

l布局文件：描述PCB的基本布局

l組件放置文件：描述各個組件的位置。

l組裝圖和說明：說明如何組裝電路板

l用戶指南：盡管不是必需的，但它們對于向用戶提供其他信息很有用

lGerber文件集： PCB制造商將用于創(chuàng)建PCB的布局輸出文件的集合

PCB布局和設(shè)計注意事項(xiàng)

關(guān)于PCB布局和設(shè)計，有很多要考慮的因素。一些注意事項(xiàng)適用于整個過程，而某些注意事項(xiàng)特定于特定步驟。請記住以下七個相關(guān)因素。

1.約束

您應(yīng)該查看的第一個約束是與裸板相關(guān)的約束。這些基本限制中的一些包括板的尺寸和形狀。

您將需要確保電路有足夠的電路板面積。最終產(chǎn)品的尺寸，電路板必須提供的功能以及其他因素決定了電路板應(yīng)該有多大。電子產(chǎn)品及其所包含的電路板越來越小。在開始設(shè)計過程之前，請評估電路板的尺寸。如果沒有足夠的空間來滿足更直接的設(shè)計所需的所有功能，則可能需要使用多層或高密度互連（HDI）設(shè)計。

標(biāo)準(zhǔn)PCB是矩形的。絕大多數(shù)情況下，這仍然是PCB最常見的形狀。但是，可以用其他形式創(chuàng)建板。由于尺寸限制或在形狀不規(guī)則的產(chǎn)品中使用，PCB設(shè)計人員通常會這樣做。

另一個關(guān)鍵的考慮因素是您需要的層數(shù)，哪些功率級別和設(shè)計復(fù)雜性將有助于確定。最好在布局設(shè)計過程的早期就弄清您需要多少。添加更多層可能會增加生產(chǎn)成本，但使您可以包含更多軌道。對于具有高級功能的更復(fù)雜的板，這可能是必需的。

使用至少兩個過孔對所有大電流路徑進(jìn)行層轉(zhuǎn)換。在層過渡處使用多個通孔可提高可靠性，改善導(dǎo)熱性并減少電感和電阻損耗。

2.制造過程

您還應(yīng)該考慮要用于生產(chǎn)電路板的制造過程。不同的方法有不同的限制和約束。您將需要使用與板上制造工藝配合使用的參考孔或點(diǎn)。始終確保沒有孔洞。

另外，請記住板安裝方法。不同的方法可能需要您將電路板的不同區(qū)域留空。使用多種技術(shù)類型（例如通孔和表面安裝組件）會增加電路板的成本，但在某些情況下可能是必需的。

始終與制造商聯(lián)系，以確保他們具有生產(chǎn)所需類型的紙板的能力。例如，有些可能無法制造多層的電路板，或者使用靈活設(shè)計的電路板。

3.材料和組件

在布局階段中，考慮計劃用于電路板的材料和組件。您首先需要確保可以訪問所需的項(xiàng)目。有些材料和零件很難找到，而另一些材料和零件是如此昂貴，以至于成本過高。不同的組件和材料也可能具有不同的設(shè)計需求。

花時間確保您為木板選擇了最佳的材料和組件，并確保您設(shè)計的木板能夠發(fā)揮這些項(xiàng)目的優(yōu)勢。

4.元件放置順序

最基本的PCB設(shè)計指南之一涉及在板上放置組件的順序。推薦的順序是連接器，然后是電源電路，然后是精密電路，然后是關(guān)鍵電路，然后是其余元件。功率水平，噪聲敏感性，產(chǎn)生和路由能力也會影響電路的路由優(yōu)先級。

5.方向

放置組件時，請嘗試將彼此相似的組件沿相同方向定向。這將使焊接過程更有效，并有助于防止在焊接過程中發(fā)生錯誤。

6.安置

盡量不要將零件放在PCB的焊接面上，該零件應(yīng)位于鍍通孔零件的后面。

7.組織

從邏輯上組織您的組件可以減少所需的組裝步驟，從而提高效率并降低成本。旨在將所有表面安裝組件放在板的一側(cè)，并將所有通孔組件放在板的一側(cè)。

電源，接地和信號走線注意事項(xiàng)

以上技巧著重于PCB組件的放置。為了使這些組件能夠按需工作，您還需要布設(shè)電源，接地和信號走線。有效地完成此步驟將有助于確保信號具有可靠的傳播路徑，以保持電路板正常運(yùn)行。請記住以下五個因素。

1.電源和地平面

一個基本的PCB布局設(shè)計規(guī)則是將電源平面和接地平面內(nèi)部保持在電路板上。它們還應(yīng)該居中且對稱，以防止板彎曲和扭曲。彎曲可能會導(dǎo)致組件移位，并可能損壞電路板。其他建議包括為每個電源使用共軌電源，以確保您擁有可靠，廣泛的走線，并避免創(chuàng)建用于連接組件的菊花鏈。

電源電路中的高壓會干擾低壓和電流控制電路。您可以使用電源接地和控制接地的位置來幫助最小化這種干擾。嘗試使每個電源階段的接地保持分開。如果您需要將它們放在一起，請確保它們位于供應(yīng)路徑的末端。如果接地層在電路板的中間層，則請使用一條小的阻抗路徑以防止電源電路干擾。

您還應(yīng)該以類似的方式將數(shù)字地和模擬地分開。僅嘗試使模擬線與模擬地交叉，以減少電容耦合。

2.賽道設(shè)計

此步驟還涉及根據(jù)原理圖連接信號走線。您始終希望您的走線盡可能短而直接。如果您在PCB的一側(cè)進(jìn)行水平走線布線，請將垂直走線置于另一側(cè)。

您的電路板可能需要多個具有不同電流的網(wǎng)絡(luò)，這將確定您需要的網(wǎng)絡(luò)寬度。使用跡線寬度計算器可以幫助完成此步驟。細(xì)徑只能承載這么多的電流。0.010“英寸或10密耳厚的軌道只能承受大約1安培的電流，而250密耳厚的軌道在30攝氏度的溫度上升下可以承載15安培的電流。

3.焊盤和孔的尺寸

您還需要在PCB設(shè)計過程的早期確定焊盤和孔的尺寸。隨著焊盤和孔尺寸的減小，獲得正確的焊盤與孔尺寸之比變得至關(guān)重要。在使用通孔時，這一點(diǎn)尤其重要。所述裸PCB制造商可能能夠提供關(guān)于他們所需要的標(biāo)準(zhǔn)和寬高比準(zhǔn)則。

另一個重要的考慮因素是PCB焊盤的形狀。PCB占位面積可能會根據(jù)制造過程而有所不同。例如，波峰焊通常比紅外回流焊需要更大的占地面積。

4.信號完整性和射頻問題

PCB布局設(shè)計在確保信號完整性和防止電氣問題（例如通常被稱為射頻干擾或電磁干擾）的電氣問題中起著至關(guān)重要的作用。

避免這些問題與路由走線有很大關(guān)系。為避免出現(xiàn)信號問題，請避免使軌道彼此平行。平行走線會產(chǎn)生更多的串?dāng)_，這可能會導(dǎo)致各種問題，一旦構(gòu)建PCB，這些問題就很難修復(fù)。如果軌道需要彼此交叉，請確保它們成直角。這將減少線路之間的電容和互感，從而減少串?dāng)_。

使用產(chǎn)生低電磁輻射的半導(dǎo)體組件也可以幫助提高信號完整性。但是，有時其他需求可能需要具有更高電磁產(chǎn)生的零件。

在設(shè)計PCB時，應(yīng)避免使用會輻射電磁能的天線以及載有高頻信號和接地回路的大型環(huán)路。您必須仔細(xì)放置集成電路，以實(shí)現(xiàn)短互連線。

另一個必不可少的RF PCB布局設(shè)計準(zhǔn)則是在PCB上放置接地格柵，該準(zhǔn)則有助于確保回線靠近信號線。這使有效天線面積保持相對較小。在多層板上，您可以使用接地層來實(shí)現(xiàn)。

5.散熱問題

散熱問題會影響設(shè)計過程的許多不同部分。較大的板以及具有較高組件密度和較高處理速度的板往往具有更多與熱相關(guān)的問題。對于較小的電路板，它們可能不是問題，但是對于更高級的電路板，它們可能是一個重大挑戰(zhàn)。

為避免與熱有關(guān)的問題，需要讓熱量消散。首先，確定會產(chǎn)生大量熱量的組件。您應(yīng)該能夠在其數(shù)據(jù)表中找到每個組件的熱阻額定值。然后，您可以遵循推薦的準(zhǔn)則來散發(fā)該組件的熱量。

確保在所有可能發(fā)熱的組件周圍留出足夠的空間。它們產(chǎn)生的熱量越多，需要冷卻的面積就越大。同樣重要的是不要將關(guān)鍵組件放在熱源附近。

理想情況下，整個電路板將具有相同的工作溫度。使用導(dǎo)熱平面散布大面積的熱量，通過增加用于傳熱的表面積來加快溫度降低的速度。

如果電路板的散熱問題很嚴(yán)重，則可能需要包括冷卻風(fēng)扇，散熱器和散熱裝置，這對于在多層板和銅含量高的組件上進(jìn)行波峰焊接至關(guān)重要。您可以使用散熱膏（一種填充有精細(xì)分散的固體顆粒的聚合物）創(chuàng)建散熱片。您可以使用絲網(wǎng)印刷或模板印刷來應(yīng)用此粘貼。經(jīng)過干燥或烘烤后，它變得固定并充當(dāng)散熱器。

始終建議在通孔部件上使用散熱片，這會減慢散熱通過部件板的速度。通常，只要過孔或孔連接到接地層或電源層，就應(yīng)使用散熱圖案。您可能還希望在走線和焊盤相遇的地方使用淚珠，以提供額外的支撐并減少熱應(yīng)力。

測試的重要性

在整個PCB設(shè)計過程以及其余的PCB制造過程中，您應(yīng)不斷檢查工作。盡早發(fā)現(xiàn)問題將有助于最大程度地減少其影響并降低修復(fù)問題的成本。

您應(yīng)該執(zhí)行的兩個常見測試是電氣規(guī)則檢查和設(shè)計規(guī)則檢查。這些測試將幫助您解決可能遇到的許多更重要的問題。

一旦可以順利通過ERC和DRC測試，則應(yīng)檢查每個信號的路由，并將電路板與原理圖進(jìn)行詳細(xì)比較。

用CAD解決PCB布局問題

如今，大多數(shù)PCB設(shè)計人員都使用先進(jìn)的計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）軟件系統(tǒng)來創(chuàng)建其PCB。同樣，制造商使用計算機(jī)輔助的制造軟件。使用這些系統(tǒng)可以幫助您解決可能遇到的許多布局問題。使用這些軟件系統(tǒng)的一些優(yōu)點(diǎn)包括：

l簡單，半自動化的設(shè)計過程： CAD程序使您可以將組件拖放到需要進(jìn)行設(shè)計的位置。許多系統(tǒng)甚至?xí)槟鷦?chuàng)建跟蹤，然后您可以根據(jù)需要移動，添加或刪除組件或重新路由它們。這種方法可以提高設(shè)計過程的效率和準(zhǔn)確性。

l設(shè)計驗(yàn)證：在將設(shè)計發(fā)送到制造階段之前，可以使用CAD系統(tǒng)對其進(jìn)行測試，以驗(yàn)證您的公差，兼容性，組件放置以及其他方面。許多系統(tǒng)甚至可以實(shí)時捕獲基本錯誤，從而最大限度地減少或消除其影響。

l制造文件生成：您可以生成Gerber文件和其他可能需要通過CAD系統(tǒng)發(fā)送給制造商的文件格式。直接從設(shè)計軟件創(chuàng)建這些文件有助于提高其準(zhǔn)確性，并確保順利過渡到制造階段。

l文檔：您還可以使用這些系統(tǒng)生成并保存與組件使用，錯誤報告，設(shè)計狀態(tài)，版本控制等相關(guān)的詳細(xì)文檔，這些文檔可以為將來的項(xiàng)目提供幫助。

l規(guī)則創(chuàng)建：其中一些程序可讓您創(chuàng)建和存儲自定義規(guī)則集，您可以與設(shè)計者共享這些規(guī)則集以改善軟件的功能。

l模板創(chuàng)建：您甚至可以創(chuàng)建用于將來項(xiàng)目的模板。創(chuàng)建設(shè)計后，您可以將其保存并重新用作其他項(xiàng)目的模板。

l提高效率并降低成本：將計算機(jī)輔助設(shè)計整合到您的運(yùn)營中可以提高設(shè)計過程的效率和準(zhǔn)確性，從而降低總體成本。