实用电子学/PCB 布局

在PCB上有效地布置走线是一项复杂的技能，需要很大的耐心。随着易于获得的PCB布局软件的出现，这项任务已变得容易得多，但仍然具有挑战性。

通常，电子或电气工程师设计电路，而布局专家设计PCB。PCB设计是一项专业技能。有许多用于设计PCB的技术和标准，这些PCB易于制造，同时尺寸小巧且价格低廉。

对于大多数客户，这些是PCB布局中的常见步骤，使客户能够最大限度地灵活地进行更改，以适应设计过程中发生的正常工程变更。通过利用这种结构化方法，可以最大限度地提高工程团队设计和构建成功产品的努力。

1.原理图/元件设计评审。
2.确定需要构建哪些焊盘，并构建它们，同时加入3D模型。
3.板框定义流程。DXF板框文件导入是最稳定的方法。
4.元件放置。
5.客户对元件放置的评审。
6.电源和地平面分配。
7.客户对电源平面和地平面分配的评审。
8.扇出。
9.关键网络布线。
10.客户对关键网络布线的评审。
11.非关键网络布线。
12.客户评审。
13.丝印调整和板部件号分配/放置。
14.Gerber、DXF、Step、IDF/LDF最终文件生成，供客户最终评审和批准。
15.最终清理和客户反馈所需的任何修饰。

铜厚

绝大多数PCB在外层使用“1盎司铜”。如果有内层，它们几乎总是使用“1/2盎司铜”制造。

PCB上铜层的厚度会影响电路的行为。PCB铜厚通常以盎司/平方英尺为单位测量，通常简称为盎司。它也可以以微米、英寸或密耳（千分之一英寸）为单位表示。下面给出了常用厚度的测量值。

盎司/平方英尺	μm	英寸	密耳
0.5	17.5	0.0007	0.7
0.75	25.5	0.0010	1.0
1	35	0.0014	1.4
2	71	0.0028	2.8
3	105	0.0042	4.2

始终如一，给定顶表面积的薄金属片的厚度始终是

$thickness={mass \over {area\times density}}$

该区域为“1平方英尺”（144平方英寸），铜的密度为8.96mg/mm³=5.18盎司/(英寸³)，通常质量为“1盎司铜”，但偶尔为1/2、2、3或4盎司。

走线宽度

不同宽度的走线具有不同的特性，这些特性可能会影响电路的运行。例如，细走线的电阻比粗走线高，因此可以承载的电流更少，或者在相同电流下会发热更多。

由于表格和图表数量众多，因此这些信息在不同的页面上呈现。

• 有关电流容量的信息，请参阅走线电流容量.

大多数制造商可以制造最小走线宽度为0.006英寸的走线。（许多制造商可以制造0.004英寸宽的走线）。对于大多数数字和模拟信号，此类最小尺寸的走线绰绰有余。

焊盘或几何形状

每个部件的制造商都推荐一个“焊盘”，即部件要焊接到PCB上的铜图案。

有时焊盘还包括部件轮廓的绘制。有些人将该轮廓放在丝印上。另一些人则制作一个“虚拟轮廓”，该轮廓显示在计算机屏幕和装配图上，但不会显示在实际的PCB上。

电容器和电池的焊盘应该在丝印上正极焊盘旁边包含正号(+) 极性标记。（电容器本身的正极端指示条应该放在最接近该正号的地方）。

LED和其他二极管的焊盘应具有极性标记——“二极管箭头符号”（三角形+横线），或至少是横线，在丝印中。横线与二极管本身的阴极端指示条匹配。

IC的焊盘应在靠近第1引脚的地方有一个“点”或“1”极性标记。大多数人使用一个“方形”焊盘来标识第1引脚，而所有其他引脚则使用“圆形”焊盘。有些人还在丝印中喜欢在第10引脚、第20引脚、第30引脚等旁边添加“10”、“20”、“30”等的标记。

极性标记必须在安装部件后可见，以便在检查后可以看到它。（将极性标记放在任何人都看不见的地方是毫无用处的）。将极性标记放在管状封装二极管下面是可以的，因为人们可以“绕过”已安装的二极管并看到极性标记。

孔

孔有3种基本类型

过孔——从字面上看，是将一层铜连接到另一层铜的“途径”。一个特定PCB上的过孔应该都是相同的大小。有些人[10]建议使用直径为0.025英寸（0.6毫米）的过孔，周围是直径为0.0394英寸（1.0毫米）的过孔铜焊盘，如果可能的话。一些密度非常高的SMT板需要更小的过孔。有些制造商可以处理直径为0.012英寸的过孔，周围是直径为0.024英寸的过孔焊盘。

由于过孔中没有实际放置元件，因此许多PCB都使用“填充”过孔（完全用金属填充的过孔）和“涂覆”过孔（完全用阻焊层覆盖的过孔）进行制造。

通孔——许多元件（称为“通孔元件”）每个引脚都需要一个孔（一个“通孔”。部件制造商应指定一个“焊盘”，包括每个孔的位置和尺寸。如果没有推荐，通常的做法是

• 圆形引脚：在标称圆形引脚直径上添加6密耳，即可得到建议的PCB孔直径。
• 矩形引脚：找到引脚对角线（$\textstyle {\sqrt {x^{2}+y^{2}}}$）。然后添加6密耳即可得到建议的PCB孔直径。（6密耳≈0.15毫米）[11][12]
• TO-220封装中的稳压器和其他元件通常适合0.040英寸（1毫米）的孔。有些人更喜欢“通用布局”，支持几乎所有3引脚稳压器。
• DIP封装IC和TO-95通常适合0.031英寸直径的孔（0.8毫米直径）。
• “元件引脚与孔的间隙应为0.4毫米” [13]
• “通孔元件的最佳焊盘直径是其最终孔径的两倍。”[14]
• 许多制造商生产的 0.1 英寸间距针脚排针 通常为 0.025 英寸（0.64 毫米）正方形。制造商通常建议孔径为 0.040 英寸（1.00 毫米）。 值得注意的是，0.025 英寸方形端子也可用于 AWG 30 线绕线。

定位孔或安装孔 ... “定位孔” - 用于在组装和测试期间将电路板临时固定到测试夹具上。它们几乎总是直径为 0.125 英寸，不镀层，并且放置在相对的角落。需要两个，但第三个可以防止 PCB 反向安装。可以将它们用作 PCB 终端用途的安装孔。

许多制造商发布了他们的“标准孔尺寸”（标准钻头尺寸减去标准通孔金属镀层的标准桶厚度）。钻床操作员希望看到标准尺寸；否则，他们被迫（a）选择下一个较小的标准钻头 - 那么实物零件将无法放入孔中；(b) 选择下一个较大的钻头 - 这会将通孔金属镀层推出来，可能会击中一些内部走线，导致整个电路板无法使用；或者 (c) 拒绝该电路板，因为它无法制造。为了避免所有 3 个问题，PCB 设计人员通常将非标准孔尺寸“向上取整”到下一个较大的标准孔尺寸 - 例如，DIP 封装的孔通常向上取整到 0.9 毫米直径 - 然后运行 DRC 检查。如果 DRC 发现任何现在“太靠近”大孔的走线，则设计人员会在将设计发送给制造商之前将这些走线推到安全距离。

电路板厚度和层数

绝大多数 PCB 的总厚度为 1/16 英寸（1.58 毫米）。一些非常密集的 SMT 电路板的总厚度为 1/32 英寸（0.79 毫米），这使得可以钻更小的通孔，从而实现更密集的封装。偶尔，电路板的总厚度为 3/32 英寸（2.3 毫米），这使得它更坚固（但需要更大的通孔）。

通常，一些或所有层几乎完全被“铜浇注”（“接地层”或“电源层”）覆盖。这种浇注通常具有 0.010 英寸的信号到浇注间隙，以及 0.020 英寸的切边（电路板边缘的周长）到浇注的间隙[15]。

（更多 层叠技巧）

大多数 PCB 在一个三明治中具有一个到二十个导电层，这些层用绝缘塑料层压（粘合）在一起。具有两个以上层的 PCB 有助于构建复杂或密集的电路。它们并不总是使用，因为它们更昂贵，并且内层更难检查和修复。

在更复杂的 PCB 中，两个或多个层专门用于提供接地和电源。这些接地层和电源层很好地分配了电源。它们还可以防止天线（无意中由走线形成）发出无线电波。这些平面是占据整个层的矩形箔片（除了防止意外连接到通孔和通孔元件的小孔）。它们比狭窄的走线更好地分配电能和热量。有时使用具有薄层绝缘层的实心金属 PCB。电力电子基板在空气冷却不可能的情况下带走废热。

具有接地层和电源层的四层 PCB 通常用于高质量但注重成本的音频、航空电子和医疗电子产品。大多数消费产品只有一层或两层。

如果您想使用 BGA 封装的零件，则该零件通常决定 PCB 必须具有的层数。对于一些低密度 BGA 封装，可以使用 2 层 PCB 一些 BGA 封装需要至少 4 层 PCB，并且许多 BGA 封装迫使设计人员使用更多 PCB 层。 例如，具有 7 行或 8 行球（从中心到周边）的 BGA 封装通常至少需要 6 层才能扇出，包括电源层和接地层。 一些具有超过 1000 个引脚和 0.8 毫米引脚间距的 BGA 封装需要至少 8 层以及盲孔、埋孔和微通孔。

通常，系统的所有电子元件都可以使用 4 层电路板甚至 2 层电路板正常工作，但 BGA 封装中的一个元件除外。许多人更喜欢 - 至少对于第一个原型 - 将设计划分为两个 PCB 甚至更多，而不是设计一个大型全定制的 10 层电路板来容纳所有东西。一块包含 BGA 元件的板 - 通常是商业现货 (COTS) 板，最好是一块包含尽可能多的系统其他部分的板 - 并定制设计一块更简单的 2 层或 4 层板来支持剩余的元件。通常存在一个或多或少标准化的接口 - 载板和堆叠模块， FPGA 中间卡 (FMC) 用于 I/O 模块连接到 FPGA；等等

走线间隙

PCB 上导体（或“走线”）的宽度和间距非常重要。如果走线过于靠近，焊料会导致相邻走线短路，并且 PCB 将难以构建或修复。如果相隔太远，PCB 可能太大且昂贵。当 PCB 携带高频时，走线可能需要具有精确的宽度和长度才能控制走线的特性阻抗。

“间隙”是指两个导体之间通过空气的最短距离。 对于市电供电的信息技术设备，UL 60950-1 给出了允许的最小 PCB 间距。在典型的 120-230 VAC 市电输入下，根据 UL/IEC 60950，初级和低压次级电路之间的爬电距离应至少为 6.4 毫米。 IPC 建议在预计将来将在 10,000 英尺以上使用的未涂覆电路板的走线之间保持 0.0254 毫米/V 的间隙，在预计始终保持在 10,000 英尺以下的未涂覆电路板的走线之间保持 0.005 毫米/V 的间隙，以及在焊盘下走线之间的间隙保持 0.00305 毫米/V 的间隙。一些安全标准要求市电输入（240 V）和信号走线之间至少保持 8 毫米的间隙。 其他与间隙和爬电距离相关的标准包括 ECMA 287、IEC 60664、NEMA 1-111-1、NEMA 1-111-2 等。

一些设计会在接地层或整个 PCB 的战略位置进行切割，以控制电流的返回路径。通常的愿望是将高电压或高频远离电路的敏感部分。设计的实际属性至关重要，因为在某些情况下，切割接地层会使 PCB 变成天线，将无线电噪声辐射到附近的设备。

减少铜的去除

去除大面积铜会浪费蚀刻液，并可能增加浪费（尽管商业制造商会回收铜并再生蚀刻液）。此外，如果所有区域的铜与裸板的平均比例相同，则 PCB 的蚀刻更一致，并且往往能抵抗翘曲。因此，设计人员可能会加宽连接器、保留未连接的铜，或者用一系列小的、电气隔离的铜菱形或正方形覆盖原本是裸板的大面积区域。

基准

大多数 PCB 都有对准标记（称为基准）和定位孔来对准层。

首选的基准是直径为 1 毫米的实心圆圈。 这些允许将 PCB 安装在自动放置和焊接元件的设备中。一些设计还具有质量控制图案，用于测量焊接和蚀刻工艺。在某些情况下，测试图案位于可拆卸的断裂片上，可以在安装 PCB 之前将其移除。

通孔

不同层上的信号走线可以通过称为过孔的镀通孔连接在一起。过孔的基本结构包括一个钻孔，该孔用铜电镀，以及环绕镀通孔的铜层上的圆形铜元件（焊盘）。高密度 PCB 可能有盲孔，它们只在一个表面可见，或者埋孔，它们两个表面都不可见，但这些被认为是成本增加，因为它们需要多个层压阶段。最简单的过孔是多层过孔（有时也称为 PTV），它从电路板的一侧一直钻到底部。通常，每个 PCB 上的合理数量的过孔钻孔没有成本增加，成本增加可能出现在需要环氧树脂填充过孔（VIPPO 或焊盘过孔）或钻孔非常小的情况下。

阻焊层和丝印

阻焊层是一层塑料层，可以抵抗焊料的润湿（焊料被认为会“凝固”），并防止焊料岛相互融合。它还可以保护外部导体层免受磨损和腐蚀。如果没有阻焊层，玻璃纤维增强环氧树脂看起来是半透明的淡白色。阻焊层通常是绿色的，但也可以找到其他颜色。

电路板顶面或底面的丝印图例提供了有关元件零件号和放置的可读信息。这有助于制造和维修。为了帮助手动组装和维修，二极管、电容器和集成电路有时会以相同的方向定向。

新技术允许将元件代号直接印制到电路板表面，通过取消丝印来节省时间和金钱。这有时是由特殊的喷墨打印机完成的。类似的过程已经在实验中产生了阻焊层。

基本指南

无线电发射器和无线电接收器很难设计。在设计它们时，PCB 设计师必须尽量减少由于元件布局引起的寄生效应，或者用通用模型考虑这些效应并使用 SPICE 等仿真软件。

幸运的是，许多实际电路可以使用更简单的集总元件模型来布局。

PCB 布局基本指南:

• 使用点对点布线或线绕布线制作原型电路通常是一个好主意，因为您将解决与元件选择有关的某些基本问题：（例如，我应该在这里使用 1/4 瓦电阻器，还是需要 1/2 瓦？）
• 考虑组装后的电路板尺寸和散热要求的物理限制；如果需要，选择散热器。
• 仔细考虑您正在布局的元件的物理尺寸；电路原理图不会告诉您这一点。等效元件通常具有不同的封装。
• 元件如何连接到电路板？它们是表面贴装元件吗？或者它们需要孔、螺钉、垫圈等？
• 是否有直接安装到电路板上的机械部件？例如，开关或可变电阻器？
• 电路板将如何在容器中安装？它和元件将承受哪些压力（冲击、应变、剪切）？
• 电路板将如何连接到电源？将需要哪些其他连接器（例如，信号输入、输出）？
• 使用绘图纸和铅笔，并以实际尺寸绘制电路板；或者使用包含元件轮廓信息的元件布局软件。
• 确定每条信号走线的适当宽度；这取决于每条走线预计承载的电流。
• 根据电路的复杂性和制造成本，决定是使用单层电路板、双层电路板还是多层电路板。
• 首先放置元件轮廓，然后放置信号走线；在每个元件周围留一些空间以容纳公差。
• 对于单层电路板，要花更多精力避免走线交叉；尝试调整元件的位置或将走线绕到元件下面；有时需要跳线。
• 在双层电路板和多层电路板中，只需在不同的层上布线，并使用镀通孔从一层跳到另一层。
• 尝试预测并避免组装错误：在有多个相同元件的地方，或者在引脚具有极性（例如，电解电容器）的地方，尝试将它们并联放置并将正极引脚朝向同一方向定向。
• 如果您的 PCB 设计软件具有 DRC（设计规则检查），请使用它。

PCB 布局指南 用于双层或多层电路板上的 RF 电路

• 首先识别电路的关键部分并进行布局
• 让其中一层充当连续的接地层。
• 如果信号走线的宽度和高度在地平面之上是恒定的，并且经过适当的端接，那么它们的特性阻抗将更加稳定，可以计算。
• 避免锐角。
• 尽可能缩短信号走线和元件引线。
• 输入和输出应该相距很远，这样 RF 能量就不会从输出泄漏回输入。级应该对齐，而不是蛇形绕。
• 将电路的 RF 部分与 DC 部分解耦。
• 屏蔽 AF 和 IF 元件免受 RF 元件的影响。
• 高速通信（每根线超过 100 Mb/s）通常需要点对点连接，而不是多点多路复用总线连接。每根线超过 622 Mb/s 的通信需要更专业的技术和仔细的连接器选择。

许多人会在将 Gerber 布局文件发送到 PCB 制造商之前，使用清单检查要审查的事项。

进一步阅读

• 如何成为电路板设计师（教程）
• Kicad 是一本涵盖用于 PCB 布局的一种流行软件工具的维基教科书。
• 芯片设计变得简单 描述了一些影响芯片设计师和 PCB 设计师的问题，例如 EMI。
• 机器人学：设计基础：设计软件#原理图捕获和 PCB
• 维基百科：原理图捕获
• 维基百科：电子学
• 维基百科：电子制造
• 维基百科：电磁干扰
• 维基百科：电路设计
• 维基百科：原理图
• 维基百科：印刷电路板
• 维基百科：Gerber 格式
• 维基百科：接地层 和 维基百科：电源层
• 维基百科：电力电子基板
• 维基百科：特性阻抗
• 维基百科：基准点
• 维基百科：SPICE
• 维基百科：电气网络
• 维基百科：集总元件模型
• 维基百科：点对点布线
• 维基百科：线绕布线
• 有些元件需要 维基百科：散热器 进行散热。
• 维基百科：表面贴装技术
• 维基百科：信号走线
• 维基百科：电流
• 维基百科：电解电容器
• 维基百科：电气端接
• 维基百科：de:Leiterplattenentflechtung

参考文献

免费 PCB 设计