面向工程師的PCB設計布局指南

2021-11-23

面向工程師的PCB設計布局指南

印刷電路板布局遠不止其外觀。成功的PCB布局將使其電路物理排列，以實現電路板的較佳電子性能，同時還可以完全制造。這需要認真管理庫部件、CAD設置和參數、組件放置、走線布線以及供電網絡 (PDN) 的設計。此外，布局設計師必須確保他們的工作得到完整記錄，并且最終產品已準備好包含在其設計的主要電子系統中。

這有很多工作要做，特別是對于不熟悉PCB布局過程的工程師。為了幫助完成此工作流程，建議擁有一套全面的電路板布局指南以供參考。行業和企業標準將規定設計的細節，但布局指南對于幫助工程師從頭到尾駕馭電路板開發過程很重要。以下是一些基本的PCB設計布局指南，可用于制定您自己的電路板開發指南。

布局開始之前

在布局過程開始之前，需要處理幾項任務以確保設計成功，首先是要使用的PCB封裝庫。

在為您的PCB布局構建庫時，使用行業標準（例如 IPC）或制造商對封裝尺寸和尺寸的規范非常重要。然而，個人、公司或技術需求也可能決定某些部分的變化。例如，RF設計中的封裝可能需要比標準數字設計更小的焊盤尺寸。以下是構建您自己的PCB組件封裝的一些其他指南：

確保您構建的任何庫部件都具有可接受的焊盤圖案尺寸，其間距符合該部件的標準。

PCB封裝需要包含所有必要的元素，例如零件輪廓、絲印標記和參考標志。

一個好的經驗法則是確保您的制造商可以在將它們提交到最終設計之前構建您正在設計的零件。

另一種選擇是使用來自外部CAD庫供應商的PCB封裝。零件制造商通常為您的設計系統預先構建了自己的組件，并且一些工具具有瀏覽器來方便地下載這些零件。

電路板輪廓和層堆疊

在開始電路板布局之前，您需要與機械設計師一起工作以獲得良好的輪廓形狀。盡管設計的形狀因素可以在以后更改，但任何更改都可能迫使電路進行大量重新設計以適應新形狀。此外，大多數CAD工具將接受從機械設計系統導入的數據，從而使您的工作更加輕松。但是，即使使用導入的數據，您仍然需要確保電路板輪廓正確并包含您的設計所需的所有必要CAD元素，例如禁區。

板層堆疊也應在布局開始之前完成。同樣，這些可以稍后更改，但對現有電路的潛在影響可能會破壞您的設計進度和預算。還應針對您的特定設計對板層堆疊進行微調，以確保為阻抗控制路由和其他信號完整性要求提供正確的層配置。在此階段選擇電路板材料也很重要，以便可以根據材料的物理特性進行適當的走線寬度和其他設計計算。這些特性包括介電常數、絕緣質量、吸濕率和耗散系數。

CAD參數和設置

發現設計師使用其CAD系統隨附的默認設置工作的情況并不少見。但是，大多數CAD系統為用戶提供了對顏色、填充圖案、陰影以及字體大小和寬度的廣fan控制。您還可以更改某些對象的顯示、將一個設計元素置于另一個之上、設置網格以及指定布局和布線優先選擇項。這些設置旨在提高您的工作效率，您可以通過預先花時間優化設置來節省時間。

 

設置CAD系統的顯示參數是PCB布局的重要第一步

放置PCB組件的指南

CAD庫、電路板輪廓和其他設置任務完成后，設計就可以開始布局了。此過程的第一步是將 PCB組件封裝放置在電路板上。在電路板上放置組件必須滿足三個主要要求：電路性能、可制造性和可訪問性。

電路性能

高速電路需要將它們的組件盡可能靠近以實現短而直接的信號路徑，但它們并不是具有此要求的組件。還需要放置模擬電路和電源組件，以使其敏感或高電流線路盡可能短。這有助于降低電感并提高信號和電源完整性。然而，在某些情況下，這些組件可能需要分開以適應總線布線或熱分離。

可制造性

為了盡可能降低生產成本，重要的是要以盡可能容易制造的方式放置組件。例如，彼此距離太近的組件可能無法自動組裝，或者可能難以使用自動焊接工藝。較高的芯片組件在較小的部件之前進行波峰焊接會產生陰影效應，從而導致焊接連接不良。小芯片組件的兩個焊盤之間不平衡的銅會產生不均勻的加熱，導致一個焊盤的焊料先于另一個焊盤熔化，并將另一側向上拉離焊盤。

無障礙

電路板通常必須經過手動測試和返工，這需要訪問需要處理的部件。如果其他較大的組件掩蓋了這些部件，則可能會使它們的工作更加耗時或對相鄰部件造成附帶損害。同樣，連接器、開關和其他無法訪問的人機界面也會減慢電路板的制造速度。

一個極其重要的指導原則是布局應該從開發板上部件的基本平面圖開始。這將允許您制定如何劃分板上不同電路區域的策略，以避免重疊模擬和數字信號。

 

PCB布局指南：有效的元件放置將導致走線布線

布線的PCB設計布局指南

對于電路板設計人員來說，布局他們的電路板以創建可能的較佳信號和電源完整性至關重要。組件應布置在較佳位置，以實現短而直接的走線布線。同時，必須對電路板進行布局，以便所有網絡都可以完全布線。在高密度設計中，試圖平衡這些需求可能是一個相當大的挑戰。第一個PCB設計布局指南是為走線設置設計規則和約束。

設計規則和約束

從技術上講，配置設計規則和約束應該包含在參數和設置中。但是，由于大部分規則直接適用于跟蹤路由，因此我們在此處包含了此指南。規則和約束用于控制走線寬度和間距，可以為單個網絡、稱為網絡類的網絡組設置，或作為所有非指定網絡的默認設置。設計規則還用于控制為不同的網絡、走線長度和匹配長度選擇哪些過孔，以及允許哪些板層用于路由特定網絡和路由拓撲。此外，設計規則還用于控制元件間距、絲印規則、機械間隙和許多其他約束。

信號和電源完整性

為了獲得較佳性能和信號完整性，PCB布局設計人員需要遵循不同電路布線的特定要求。在這里，設計規則和約束將有所幫助——允許設計人員將物理布線參數輸入到CAD系統中進行布線。盡管確切值會根據電路板的需要而變化，但設計人員通常會設置規則以確保遵循以下準則：

短而直接的高速傳輸線路路由。

用于受控阻抗布線的走線寬度、間距和允許的板層。

匹配長度布線的指定走線長度和長度公差。

差分對走線寬度和間距要求。

時鐘和控制線等敏感信號的寬度和間距。

不同網絡的過孔類型。

模擬電路的走線寬度和間距。

高電流電源電路的走線寬度和銅重。

另一個需要記住的重要指導原則是，在混合信號設計中布線時，避免數字電路與模擬走線的交叉區域，反之亦然。

有效電源和接地平面指南

對于現代高速設計，較佳接地策略通常是在內層上使用一個或多個連續接地層。這提供了較佳的 EMI 保護并確保清晰的信號路徑，這將提高整體信號完整性。對于由于獨特的電路板輪廓或特征而導致接地平面斷開的區域，應避免在任何接地空隙中布線。如果沒有連續和相鄰的接地平面供信號用作清晰的返回路徑，您的設計可能會產生大量不良噪聲。以下是一些需要牢記的電源和地平面指南：

接地層需要與具有高速布線的板層堆疊中的信號層相鄰。這將有助于屏蔽高速布線免受干擾，并為信號返回路徑提供良好的參考平面。

需要使用散熱墊并仔細管理與平面的電源和接地連接。緩沖墊輻條必須足夠寬以承受高電流，同時消除這些連接充當散熱器的機會。

仔細規劃電源連接和拆分電源平面，以確保將電源充分輸送到整個電路板上的所有連接部件。

 

避免在混合信號設計中同時布線模擬和數字電路

絲印和PCB測試指南

電路板設計完成后，是時候將注意力轉向通過清理絲印層和添加測試點來完成布局。參考標志、部件號和其他公司信息通過絲印工藝在電路板上用墨水標記。設計人員通常在他們的 CAD系統中使用“絲網印刷”層來設計這些標記。

為確保絲印層標記可讀，設計人員遵循以下準則：  

線寬不應小于6密耳。 

字體大小不應小于50密耳。

根據公司網格模式重命名組件參考指示符，以幫助定位電路板上的特定部件。 

移動和旋轉參考標志，使其易于閱讀。

在需要的地方包括極性和針一標記。

測試點對于將大規模生產用于自動裝配驗證的電路板至關重要。設計中的每個網絡都應該有一個測試點，無論該測試點是現有的通孔引腳、通孔還是添加的表面貼裝測試點焊盤。測試點應與其他電路板物體（例如組件或焊盤）至少保持50密耳的間隙，并且與電路板邊緣的距離至少為100密耳。但是，這些值可能因供應商而異，因此請務必先檢查制造商的測試點要求是什么。