PCB設計流程與經驗分析

林秀鳳

摘 要：印制電路板（PCB）設計流程比較復雜，主要包括前期準備、PCB設計環境設置、PCB元器件位置規劃、PCB布線、PCB線路優化、PCB審核和PCB制板。因此，本文分析了PCB設計流程與經驗。

關鍵詞：前期準備;設置;規劃;布線;優化

中圖分類號：TM303.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0059-03

Abstract： The printed circuit board （PCB） design process is more complicated， mainly including preliminary preparation， PCB design environment setting， PCB component location planning， PCB wiring， PCB circuit optimization， PCB review， and PCB manufacturing. Therefore， this paper analyzed the PCB design process and experience.

Keywords： preparatory;set up;planning;wiring;optimizes

在日常生活中，印制電路板（PCB）隨處可見，它廣泛分布在家用電器、計算機和其他電子產品里，只要是電子產品，幾乎都會用到PCB。PCB是電子產品中電路元器件的支撐件，它為電路元件與器件之間的電氣提供連接。所以，本文分析了PCB設計流程與經驗。

1 前期準備

根據硬件工程師制作的原理圖，人們要導出ASC文檔，即網絡表，將其導入PCB設計系統。如果用到PCB元件封裝庫里沒有的新封裝，PCB LAYOUT工程師需要根據所選元件的規格，給出封裝PCB的建議尺寸。一般來說，為了保證元器件貼片時互不影響擺放，人們會按照元器件的尺寸，適當加寬加長，制作新封裝（一般會將制作的新元件封裝備份一份，存放在個人制作的元件封裝庫里）。PCB元件封裝制作的要求較高，它直接影響PCB的元件貼片成功與否[1]。

2 PCB設計環境設置

打開PCB設計工具軟件后，人們要設置好PCB設計環境，如元件、走線和VIA等移動柵格的大小，布線參數以及板層參數。布線參數包括最小線寬、常規線寬、最大線寬、線與線的間距、線與元件焊盤的間距、線與VIA的間距、線與銅箔的間距、線與板框的間距、元件焊盤與板框的間距等。板層參數包括層面走線的顏色、VIA的顏色、銅箔的顏色、DRC的顏色、2D線顏色、字符文本顏色和網絡信號名的顯示顏色等。

大多數參數都可以用系統給出的默認值，這些參數經過設置后符合布板常規要求和個人習慣，以后可以不用再設置。

3 PCB元器件位置規劃

元器件擺放是PCB設計的首要環節，PCB功能越多，元器件位置規劃的好壞越影響PCB布通的難易度[2]。

按照結構工程師給出的電路板面積大小與裝配定位孔等組裝要求，在PCB已設置好工作環境的條件下，先畫出PCB板框，然后根據結構需求，擺放接口器件、按鍵/開關、定位孔和螺絲孔等結構件。其間遵照“先主后次，先中間后兩邊”的擺放規律，即主要電路、主要芯片應當先行擺放，按照原理圖設計的頁面和模塊，合理布局PCB。如果PCB沒有結構要求，就要先考慮PCB的尺寸大小。PCB面積較大時，走線就比較長，走線的阻抗值增加，抗噪功能就會下降，費用就會上升;若PCB面積太小，PCB的散熱性能就不佳，而相鄰走線間距比較小，容易互相干擾。明確PCB面積后，要確認異常元器件的結構擺位，然后按照電流通路，逐步擺放原理圖上的器件。

若線路具有相同功能，相關元件最好就近擺放，并調整各元器件方向，使布局便于網絡信號的流通，并讓網絡連接盡量維持相同的方向，使其連線路徑最短。同時，可以調節不同模塊之間的擺放方位，使之連線路徑最短。另外，輸入與輸出的功能塊最好間隔一定的距離擺放。

對于體積大或者比較重的元器件，應該研究其裝配方位及其裝配難易程度;溫度容易上升的元器件應盡量遠離對熱能比較敏感的元器件，還要考慮散熱問題;I/O驅動元器件盡量靠近PCB板邊放置，好就近引出接插件;晶體諧振器應盡可能擺放在IC的PIN腳附件上，使之走線最短[1]。

PCB質量必須符合產品電氣性能和機械結構要求，PCB器件擺放整體力求平均分布，井井有條，不要虎頭蛇尾，不能偏重一邊[2]。擺放元器件時，必須留意元器件的實物尺寸（特別是高度，要注意結構要求的限高區），還要考慮元器件相對的擺放間距。在確保PCB電氣性能及生產裝配切實可行的前提下，適當調整元器件的擺放位置，盡量對齊擺放，橫平豎直，使之更加整齊美觀，焊接也更容易，這樣易于批量生產[2]。

一般來說，擺放于PCB邊緣的元器件要求距離板邊不小于2 mm。在沒有結構要求的情況下，PCB的最佳形狀為矩形。最佳的長寬比為3∶2或者4∶3。當PCB的尺寸大于200 mm×150 mm時，應考慮PCB所承受的機械強度[3]。

PCB布局與PCB整板的外形美觀度和走線布通的難易度相關，所以要多花點心思，磨刀不誤砍柴工。布局時，疑惑之處可以先試著布線，看看走線是否通順，然后進行調整布局。

4 PCB布線

PCB的走線布通是PCB設計中工作量最大、費時最多的環節，與PCB的電氣性能優劣有關。在PCB布線工程中，布通是最基本的條件。PCB走線布通后，要調整布線，讓PCB實現最好的電氣功能（電氣性能是否滿足是權衡PCB是否合格的準則）。最后，盡量優化布線，使之整齊劃一，方便測試、維修以及后續改版。

通常，人們會先走電源線及GND走線，或者預留足夠的空間，確保PCB的電氣功能。在空間允許的情況下，盡量加寬電源和地線的寬度，還要打上足夠多的VIA孔，保證連通與散熱。核心的IC顆粒先引線，走線用45°折線，盡量避免走90°，更不要用銳角走線，高頻信號線還要求采用圓弧走線，如WIFI等。CLK、DDR、EMMC、HDMI、MIPI、LVDS和USB等是主要信號，相鄰層走線要避免平行和交叉，最好是垂直走線，同組信號盡量同層走線，差分對一起平行走線，同層走線，對內誤差要盡量小，整組要求做到等長。

在PCB層面有限而信號層走線不通的情況下，為了節約成本，只能在電源層或者地層走線，最初在電源層走線，然后分布到地層，最好保持地層的完整性[1]。

5 PCB線路優化

PCB設計沒有最好，只有更好。不管前期花多少心思去設計，后期檢查時再審視設計的PCB，人們還是覺得有很多地方可以優化。有時候，優化時間比前期花的時間還要多。PCB布線優化完成后，要進行后處理，比如，做好PCB板面的絲印標識，讓使用PCB板的人更易識別，一目了然。

在線路走通的情況下，要結合元器件的優化線路，使之更合理。比如，直插的元器件，走線盡量走元器件擺放的背面層;貼片的元器件，放置在正面就盡量走正面，放置在背面就盡量走背面層，盡可能減少過孔數，同時方便調試與檢查。同時，人們要做好關鍵信號的優化處理。關鍵信號（如時鐘信號）走線直，長度最短，應進行完整包地處理，避免產生干擾。

輸入端和輸出端的LAYOUT盡量防止相鄰走線，避免平行走線，以免產生發射干擾，最好加GND走線進行間隔。

6 PCB審核

電路板審核是電路板外發制板前的必要步驟，電路板審核主要有：原理圖審核、結構審核、網絡及元器件的安全間距審核、電源通道與地平面審核等。要先審核原理圖的正確與否，然后確認電路板的結構與限高。網絡及元器件的安全間距可以在繪圖軟件里面設置好。電源通道的寬度需求看通過的電流大小，一般原理圖里面有說明。地平面肯定是越大越完整越好。

PCB LAYOUT布通后，要仔細審核LAYOUT是不是與設計人員設置的布線規格相符，確定設計規格是否滿足PCB廠家加工工藝的要求。首先，要確認PCB板框尺寸是否符合終端產品的安裝和性能測試要求。在PCB設計中，人們要注意安裝尺寸，特別是一些定位螺絲孔的位置和尺寸。對于高度比較大的元器件，要確認放置在限高區域內的元器件高度是否超出要求。

對于有極性的元器件（如二極管、三極管和MOS管等），確認采購的實物跟PCB元器件封裝是否一致。很多時候，對于同一個元器件，不同生產廠家會有不同的封裝尺寸，有時即使是同樣的廠家，生產批次不同，元器件的實物尺寸跟廠家提供的封裝尺寸也不一致。所以，要考慮元器件的可替代性，預留出可替換的元器件封裝位置，防止因采購不到物料而出現替代情況[1]。

字符層的標注與擺放要按照看板人員的習慣，從上到下，從左到右，整齊擺放。元器件比較密集的區域可以把字符標注引到附件相對寬裕的地方。

元器件擺放要考慮后期維修拆卸，盡量方便拆裝。要注意大電流路徑是否足夠寬敞，載流能力是否達到，必要時要加寬銅箔。對于有連接器的大電流焊盤，要加強焊盤的走線連接;有插件的元器件焊盤，走線連接也要進行加寬處理，防止拆裝時被牽連，引起連接不良。

7 PCB制板

一般來說，在發給板廠制作之前，PCB LAYOUT工程師會重復審核PCB，直到各方面都確認良好。最后，把生產文件和制板說明一起打包成郵件發給制板企業。正式加工生產前，PCB廠家會就一些PCB加工問題在郵件上與PCB LAYOUT工程師確認。這其中包括但不限于以下內容：PCB板材型號的選擇、線路線寬線距的調整、阻抗控制的調整、PCB層疊厚度的調整、表面處理加工工藝、孔徑公差控制與交付標準等[3]。

8 結論

本文主要介紹了PCB設計流程與經驗，其從前期準備開始，然后進行PCB設計環境設置、PCB元器件位置規劃、布線布通、PCB布局和布線優化、PCB審核，最后進行發板制作。PCB設計是一項考驗細心度和經驗積累的工作，PCB LAYOUT工程師的心思細膩，經驗豐富，設計出來的PCB才會具有良好質量。設計過程要充分考慮各個方面的需要，既要考慮電路板的實用性，也要考慮電路板的整體美觀性。只有精益求精，才能設計出更好的PCB。電子技術發展日新月異，電路板的精細度越來越高，電子產品的功能越來越全。人們都希望PCB在有限的空間里實現更多的功能，同時還要控制成本，使得PCB布局越來越密。總之，PCB設計的優劣對產品抗干擾能力的影響很大。

參考文獻：

[1]胡宗海，趙彥，王立平，等.PCB設計流程的改進研究[J].成都工業學院學報，2017（1）：16-19.

[2]朱凌.PCB的設計流程[J].科技風，2012（1）：113.

[3]候澤紅.設計與制作PCB板的工藝流程綜述[J].民營科技，2013（5）：2.