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

印刷電(diàn)路板布局遠(yuǎn)不止其外观。成功的PCB布局将使其電(diàn)路物(wù)理(lǐ)排列，以实现電(diàn)路板的较佳電(diàn)子性能(néng)，同时还可(kě)以完全制造。这需要认真管理(lǐ)库部件、CAD设置和参数、组件放置、走線(xiàn)布線(xiàn)以及供電(diàn)网络 (PDN) 的设计。此外，布局设计师必须确保他(tā)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電(diàn)子系统中。

这有(yǒu)很(hěn)多(duō)工作要做，特别是对于不熟悉PCB布局过程的工程师。為(wèi)了帮助完成此工作流程，建议拥有(yǒu)一套全面的電(diàn)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電(diàn)路板开发过程很(hěn)重要。以下是一些基本的PCB设计布局指南，可(kě)用(yòng)于制定您自己的電(diàn)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(lǐ)几项任務(wù)以确保设计成功，首先是要使用(yòng)的PCB封装库。

在為(wèi)您的PCB布局构建库时，使用(yòng)行业标准（例如 IPC）或制造商(shāng)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(kě)能(néng)决定某些部分(fēn)的变化。例如，RF设计中的封装可(kě)能(néng)需要比标准数字设计更小(xiǎo)的焊盘尺寸。以下是构建您自己的PCB组件封装的一些其他(tā)指南：

确保您构建的任何库部件都具有(yǒu)可(kě)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(yǒu)必要的元素，例如零件轮廓、丝印标记和参考标志(zhì)。

一个好的经验法则是确保您的制造商(shāng)可(kě)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(yòng)来自外部CAD库供应商(shāng)的PCB封装。零件制造商(shāng)通常為(wèi)您的设计系统预先构建了自己的组件，并且一些工具具有(yǒu)浏览器来方便地下载这些零件。

電(diàn)路板轮廓和层堆叠

在开始電(diàn)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(kě)以在以后更改，但任何更改都可(kě)能(néng)迫使電(diàn)路进行大量重新(xīn)设计以适应新(xīn)形状。此外，大多(duō)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(yòng)导入的数据，您仍然需要确保電(diàn)路板轮廓正确并包含您的设计所需的所有(yǒu)必要CAD元素，例如禁區(qū)。

板层堆叠也应在布局开始之前完成。同样，这些可(kě)以稍后更改，但对现有(yǒu)電(diàn)路的潜在影响可(kě)能(néng)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，以确保為(wèi)阻抗控制路由和其他(tā)信号完整性要求提供正确的层配置。在此阶段选择電(diàn)路板材料也很(hěn)重要，以便可(kě)以根据材料的物(wù)理(lǐ)特性进行适当的走線(xiàn)宽度和其他(tā)设计计算。这些特性包括介電(diàn)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(yòng)其CAD系统随附的默认设置工作的情况并不少见。但是，大多(duō)数CAD系统為(wèi)用(yòng)户提供了对颜色、填充图案、阴影以及字體(tǐ)大小(xiǎo)和宽度的广fan控制。您还可(kě)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線(xiàn)优先选择项。这些设置旨在提高您的工作效率，您可(kě)以通过预先花(huā)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、電(diàn)路板轮廓和其他(tā)设置任務(wù)完成后，设计就可(kě)以开始布局了。此过程的第一步是将 PCB组件封装放置在電(diàn)路板上。在電(diàn)路板上放置组件必须满足三个主要要求：電(diàn)路性能(néng)、可(kě)制造性和可(kě)访问性。

電(diàn)路性能(néng)

高速電(diàn)路需要将它们的组件尽可(kě)能(néng)靠近以实现短而直接的信号路径，但它们并不是具有(yǒu)此要求的组件。还需要放置模拟電(diàn)路和電(diàn)源组件，以使其敏感或高電(diàn)流線(xiàn)路尽可(kě)能(néng)短。这有(yǒu)助于降低電(diàn)感并提高信号和電(diàn)源完整性。然而，在某些情况下，这些组件可(kě)能(néng)需要分(fēn)开以适应总線(xiàn)布線(xiàn)或热分(fēn)离。

可(kě)制造性

為(wèi)了尽可(kě)能(néng)降低生产成本，重要的是要以尽可(kě)能(néng)容易制造的方式放置组件。例如，彼此距离太近的组件可(kě)能(néng)无法自动组装，或者可(kě)能(néng)难以使用(yòng)自动焊接工艺。较高的芯片组件在较小(xiǎo)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(xiǎo)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

電(diàn)路板通常必须经过手动测试和返工，这需要访问需要处理(lǐ)的部件。如果其他(tā)较大的组件掩盖了这些部件，则可(kě)能(néng)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(tā)无法访问的人机界面也会减慢電(diàn)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(fēn)板上不同電(diàn)路區(qū)域的策略，以避免重叠模拟和数字信号。

 

PCB布局指南：有(yǒu)效的元件放置将导致走線(xiàn)布線(xiàn)

布線(xiàn)的PCB设计布局指南

对于電(diàn)路板设计人员来说，布局他(tā)们的電(diàn)路板以创建可(kě)能(néng)的较佳信号和電(diàn)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線(xiàn)布線(xiàn)。同时，必须对電(diàn)路板进行布局，以便所有(yǒu)网络都可(kě)以完全布線(xiàn)。在高密度设计中，试图平衡这些需求可(kě)能(néng)是一个相当大的挑战。第一个PCB设计布局指南是為(wèi)走線(xiàn)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(fēn)规则直接适用(yòng)于跟踪路由，因此我们在此处包含了此指南。规则和约束用(yòng)于控制走線(xiàn)宽度和间距，可(kě)以為(wèi)单个网络、称為(wèi)网络类的网络组设置，或作為(wèi)所有(yǒu)非指定网络的默认设置。设计规则还用(yòng)于控制為(wèi)不同的网络、走線(xiàn)長(cháng)度和匹配長(cháng)度选择哪些过孔，以及允许哪些板层用(yòng)于路由特定网络和路由拓扑。此外，设计规则还用(yòng)于控制元件间距、丝印规则、机械间隙和许多(duō)其他(tā)约束。

信号和電(diàn)源完整性

為(wèi)了获得较佳性能(néng)和信号完整性，PCB布局设计人员需要遵循不同電(diàn)路布線(xiàn)的特定要求。在这里，设计规则和约束将有(yǒu)所帮助——允许设计人员将物(wù)理(lǐ)布線(xiàn)参数输入到CAD系统中进行布線(xiàn)。尽管确切值会根据電(diàn)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線(xiàn)路路由。

用(yòng)于受控阻抗布線(xiàn)的走線(xiàn)宽度、间距和允许的板层。

匹配長(cháng)度布線(xiàn)的指定走線(xiàn)長(cháng)度和長(cháng)度公差。

差分(fēn)对走線(xiàn)宽度和间距要求。

时钟和控制線(xiàn)等敏感信号的宽度和间距。

不同网络的过孔类型。

模拟電(diàn)路的走線(xiàn)宽度和间距。

高電(diàn)流電(diàn)源電(diàn)路的走線(xiàn)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線(xiàn)时，避免数字電(diàn)路与模拟走線(xiàn)的交叉區(qū)域，反之亦然。

有(yǒu)效電(diàn)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(yòng)一个或多(duō)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，这将提高整體(tǐ)信号完整性。对于由于独特的電(diàn)路板轮廓或特征而导致接地平面断开的區(qū)域，应避免在任何接地空隙中布線(xiàn)。如果没有(yǒu)连续和相邻的接地平面供信号用(yòng)作清晰的返回路径，您的设计可(kě)能(néng)会产生大量不良噪声。以下是一些需要牢记的電(diàn)源和地平面指南：

接地层需要与具有(yǒu)高速布線(xiàn)的板层堆叠中的信号层相邻。这将有(yǒu)助于屏蔽高速布線(xiàn)免受干扰，并為(wèi)信号返回路径提供良好的参考平面。

需要使用(yòng)散热垫并仔细管理(lǐ)与平面的電(diàn)源和接地连接。缓冲垫辐条必须足够宽以承受高電(diàn)流，同时消除这些连接充当散热器的机会。

仔细规划電(diàn)源连接和拆分(fēn)電(diàn)源平面，以确保将電(diàn)源充分(fēn)输送到整个電(diàn)路板上的所有(yǒu)连接部件。

 

避免在混合信号设计中同时布線(xiàn)模拟和数字電(diàn)路

丝印和PCB测试指南

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

為(wèi)确保丝印层标记可(kě)读，设计人员遵循以下准则：  

線(xiàn)宽不应小(xiǎo)于6密耳。 

字體(tǐ)大小(xiǎo)不应小(xiǎo)于50密耳。

根据公司网格模式重命名组件参考指示符，以帮助定位電(diàn)路板上的特定部件。 

移动和旋转参考标志(zhì)，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(yòng)于自动装配验证的電(diàn)路板至关重要。设计中的每个网络都应该有(yǒu)一个测试点，无论该测试点是现有(yǒu)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(tā)電(diàn)路板物(wù)體(tǐ)（例如组件或焊盘）至少保持50密耳的间隙，并且与電(diàn)路板边缘的距离至少為(wèi)100密耳。但是，这些值可(kě)能(néng)因供应商(shāng)而异，因此请務(wù)必先检查制造商(shāng)的测试点要求是什么。