面向工程师的PCB设计布局指南

2021-11-23

面向工程师的PCB设计布局指南

印刷电路板布局远不止其外观。成功的PCB布局将使其电路物理排列，以实现电路板的较佳电子性能，同时还可以完全制造。这需要认真管理库部件、CAD设置和参数、组件放置、走线布线以及供电网络 (PDN) 的设计。此外，布局设计师必须确保他们的工作得到完整记录，并且最终产品已准备好包含在其设计的主要电子系统中。

这有很多工作要做，特别是对于不熟悉PCB布局过程的工程师。为了帮助完成此工作流程，建议拥有一套全面的电路板布局指南以供参考。行业和企业标准将规定设计的细节，但布局指南对于帮助工程师从头到尾驾驭电路板开发过程很重要。以下是一些基本的PCB设计布局指南，可用于制定您自己的电路板开发指南。

布局开始之前

在布局过程开始之前，需要处理几项任务以确保设计成功，首先是要使用的PCB封装库。

在为您的PCB布局构建库时，使用行业标准（例如 IPC）或制造商对封装尺寸和尺寸的规范非常重要。然而，个人、公司或技术需求也可能决定某些部分的变化。例如，RF设计中的封装可能需要比标准数字设计更小的焊盘尺寸。以下是构建您自己的PCB组件封装的一些其他指南：

确保您构建的任何库部件都具有可接受的焊盘图案尺寸，其间距符合该部件的标准。

PCB封装需要包含所有必要的元素，例如零件轮廓、丝印标记和参考标志。

一个好的经验法则是确保您的制造商可以在将它们提交到最终设计之前构建您正在设计的零件。

另一种选择是使用来自外部CAD库供应商的PCB封装。零件制造商通常为您的设计系统预先构建了自己的组件，并且一些工具具有浏览器来方便地下载这些零件。

电路板轮廓和层堆叠

在开始电路板布局之前，您需要与机械设计师一起工作以获得良好的轮廓形状。尽管设计的形状因素可以在以后更改，但任何更改都可能迫使电路进行大量重新设计以适应新形状。此外，大多数CAD工具将接受从机械设计系统导入的数据，从而使您的工作更加轻松。但是，即使使用导入的数据，您仍然需要确保电路板轮廓正确并包含您的设计所需的所有必要CAD元素，例如禁区。

板层堆叠也应在布局开始之前完成。同样，这些可以稍后更改，但对现有电路的潜在影响可能会破坏您的设计进度和预算。还应针对您的特定设计对板层堆叠进行微调，以确保为阻抗控制路由和其他信号完整性要求提供正确的层配置。在此阶段选择电路板材料也很重要，以便可以根据材料的物理特性进行适当的走线宽度和其他设计计算。这些特性包括介电常数、绝缘质量、吸湿率和耗散系数。

CAD参数和设置

发现设计师使用其CAD系统随附的默认设置工作的情况并不少见。但是，大多数CAD系统为用户提供了对颜色、填充图案、阴影以及字体大小和宽度的广fan控制。您还可以更改某些对象的显示、将一个设计元素置于另一个之上、设置网格以及指定布局和布线优先选择项。这些设置旨在提高您的工作效率，您可以通过预先花时间优化设置来节省时间。

 

设置CAD系统的显示参数是PCB布局的重要第一步

放置PCB组件的指南

CAD库、电路板轮廓和其他设置任务完成后，设计就可以开始布局了。此过程的第一步是将 PCB组件封装放置在电路板上。在电路板上放置组件必须满足三个主要要求：电路性能、可制造性和可访问性。

电路性能

高速电路需要将它们的组件尽可能靠近以实现短而直接的信号路径，但它们并不是具有此要求的组件。还需要放置模拟电路和电源组件，以使其敏感或高电流线路尽可能短。这有助于降低电感并提高信号和电源完整性。然而，在某些情况下，这些组件可能需要分开以适应总线布线或热分离。

可制造性

为了尽可能降低生产成本，重要的是要以尽可能容易制造的方式放置组件。例如，彼此距离太近的组件可能无法自动组装，或者可能难以使用自动焊接工艺。较高的芯片组件在较小的部件之前进行波峰焊接会产生阴影效应，从而导致焊接连接不良。小芯片组件的两个焊盘之间不平衡的铜会产生不均匀的加热，导致一个焊盘的焊料先于另一个焊盘熔化，并将另一侧向上拉离焊盘。

无障碍

电路板通常必须经过手动测试和返工，这需要访问需要处理的部件。如果其他较大的组件掩盖了这些部件，则可能会使它们的工作更加耗时或对相邻部件造成附带损害。同样，连接器、开关和其他无法访问的人机界面也会减慢电路板的制造速度。

一个极其重要的指导原则是布局应该从开发板上部件的基本平面图开始。这将允许您制定如何划分板上不同电路区域的策略，以避免重叠模拟和数字信号。

 

PCB布局指南：有效的元件放置将导致走线布线

布线的PCB设计布局指南

对于电路板设计人员来说，布局他们的电路板以创建可能的较佳信号和电源完整性至关重要。组件应布置在较佳位置，以实现短而直接的走线布线。同时，必须对电路板进行布局，以便所有网络都可以完全布线。在高密度设计中，试图平衡这些需求可能是一个相当大的挑战。第一个PCB设计布局指南是为走线设置设计规则和约束。

设计规则和约束

从技术上讲，配置设计规则和约束应该包含在参数和设置中。但是，由于大部分规则直接适用于跟踪路由，因此我们在此处包含了此指南。规则和约束用于控制走线宽度和间距，可以为单个网络、称为网络类的网络组设置，或作为所有非指定网络的默认设置。设计规则还用于控制为不同的网络、走线长度和匹配长度选择哪些过孔，以及允许哪些板层用于路由特定网络和路由拓扑。此外，设计规则还用于控制元件间距、丝印规则、机械间隙和许多其他约束。

信号和电源完整性

为了获得较佳性能和信号完整性，PCB布局设计人员需要遵循不同电路布线的特定要求。在这里，设计规则和约束将有所帮助——允许设计人员将物理布线参数输入到CAD系统中进行布线。尽管确切值会根据电路板的需要而变化，但设计人员通常会设置规则以确保遵循以下准则：

短而直接的高速传输线路路由。

用于受控阻抗布线的走线宽度、间距和允许的板层。

匹配长度布线的指定走线长度和长度公差。

差分对走线宽度和间距要求。

时钟和控制线等敏感信号的宽度和间距。

不同网络的过孔类型。

模拟电路的走线宽度和间距。

高电流电源电路的走线宽度和铜重。

另一个需要记住的重要指导原则是，在混合信号设计中布线时，避免数字电路与模拟走线的交叉区域，反之亦然。

有效电源和接地平面指南

对于现代高速设计，较佳接地策略通常是在内层上使用一个或多个连续接地层。这提供了较佳的 EMI 保护并确保清晰的信号路径，这将提高整体信号完整性。对于由于独特的电路板轮廓或特征而导致接地平面断开的区域，应避免在任何接地空隙中布线。如果没有连续和相邻的接地平面供信号用作清晰的返回路径，您的设计可能会产生大量不良噪声。以下是一些需要牢记的电源和地平面指南：

接地层需要与具有高速布线的板层堆叠中的信号层相邻。这将有助于屏蔽高速布线免受干扰，并为信号返回路径提供良好的参考平面。

需要使用散热垫并仔细管理与平面的电源和接地连接。缓冲垫辐条必须足够宽以承受高电流，同时消除这些连接充当散热器的机会。

仔细规划电源连接和拆分电源平面，以确保将电源充分输送到整个电路板上的所有连接部件。

 

避免在混合信号设计中同时布线模拟和数字电路

丝印和PCB测试指南

电路板设计完成后，是时候将注意力转向通过清理丝印层和添加测试点来完成布局。参考标志、部件号和其他公司信息通过丝印工艺在电路板上用墨水标记。设计人员通常在他们的 CAD系统中使用“丝网印刷”层来设计这些标记。

为确保丝印层标记可读，设计人员遵循以下准则：  

线宽不应小于6密耳。 

字体大小不应小于50密耳。

根据公司网格模式重命名组件参考指示符，以帮助定位电路板上的特定部件。 

移动和旋转参考标志，使其易于阅读。

在需要的地方包括极性和针一标记。

测试点对于将大规模生产用于自动装配验证的电路板至关重要。设计中的每个网络都应该有一个测试点，无论该测试点是现有的通孔引脚、通孔还是添加的表面贴装测试点焊盘。测试点应与其他电路板物体（例如组件或焊盘）至少保持50密耳的间隙，并且与电路板边缘的距离至少为100密耳。但是，这些值可能因供应商而异，因此请务必先检查制造商的测试点要求是什么。