PCB 布局关键策略：兼顾可靠性与成本效益

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• 测试的重要性
• 用 CAD 解决 PCB 布局问题
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印制电路板布局设计对打造可靠、具成本效益的板卡至关重要。电路设计与元件选型虽关键，但务必预留足够时间进行 PCB 布局。如今电路板日益复杂、紧凑、轻量化，柔性 PCB 的普及更增加了难度。

若忽视重要布局考量，设计可能难以落地。布局不当会导致电磁干扰、板两面元件冲突、功能受限甚至整板失效。且若首次布局不成功，返工会导致制造延期与成本增加。

那么，必须牢记的 PCB 布局设计规则与考量有哪些？让我们梳理 PCB 布局设计步骤，识别各阶段的核心考量。当然还有其他考量，但以下是您必须了解的最关键方面。

 

PCB 设计基本步骤

PCB 设计贯穿从明确需求到最终生产的每个环节。基本流程包含六步。

 

1. 概念确定

明确需要 PCB 后，下一步是确定板卡最终概念。此初始阶段涉及定义 PCB 的功能、特性、与其他电路的互连、在成品中的位置及大致尺寸。同时考虑工作温度范围及其他环境因素。

2. 原理图绘制

下一阶段依据最终概念绘制电路原理图。该图包含电气元件正常工作所需的所有信息，以及元件名称、值、额定值、制造商料号等细节。

绘制原理图时同步生成物料清单 (BOM)，包含 PCB 所需的所有元件信息。务必始终保持这两份文档最新。

 

3. 板级框图

接下来完成板级框图，标注 PCB 最终尺寸。标记各功能块区域——因电气原因或约束而连接在一起的元件组。将相关元件放在一起可缩短走线长度。

 

4. 元件布局

下一步是元件布局，确定每个元件在板上的位置。通常需多轮优化。

5. 首遍布线

确定电路的布线与布线优先级。

 

6. 测试验证

完成设计后，应进行一系列测试确保满足所有需求。通过则设计完成；否则返回相关阶段调整。

设计文档

创建 PCB 过程中会产生大量文档，包括：

• 硬件尺寸图： 描述裸板尺寸
• 原理图： 描绘板卡电气特性
• 物料清单 (BOM)： 描述项目所需元件
• 布局文件： 描述 PCB 基本布局
• 元件布局文件： 描述各元件具体位置
• 装配图与说明： 说明如何组装板卡
• 用户指南： 虽非必需，但有助于向用户提供额外信息
• Gerber 文件集： 布局输出文件集合，PCB 厂商用于制造

 

PCB 布局设计考量

PCB 布局与设计考量繁多，有的贯穿全程，有的针对特定步骤。以下是七个关键因素。

 

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1. 板卡约束

首要关注裸板相关约束，包括尺寸与形状。

需确保有足够板面面积容纳电路。终端产品尺寸、板卡必须提供的功能等因素决定板卡大小。电子产品及其内含电路板日益小型化。设计前估算板卡尺寸；若常规设计无法在有限空间容纳所有功能，可能需采用多层或高密度互连 (HDI) 设计。

标准 PCB 为矩形，仍是绝对主流形状。但也可制作其他形状，通常因尺寸限制或用于异形产品。

另一关键考量是层数，由功率等级与设计复杂度决定。最好在布局设计早期确定层数。增加层数虽会提高生产成本，但能容纳更多走线，对功能复杂的高阶板卡往往必要。

所有大电流路径的层间过渡至少使用两个过孔。多过孔过渡可提高可靠性、改善热传导、降低感性与电阻损耗。

 

2. 制造工艺

还需考虑期望采用的制造工艺。不同工艺有不同限制。板上需设置适配制造工艺的基准孔或基准点。确保孔位避开元件。

同时考虑板卡安装方式。不同安装方式可能要求在板上预留不同区域。混用通孔与表贴等多种工艺会增加成本，但有时不可避免。

务必与制造商确认其具备生产您所需板型的能力。例如，某些厂商可能无法制造多层板或柔性设计板卡。

 

3. 材料与元件

布局阶段需考虑计划使用的材料与元件。首先确保所需项可获取。部分材料难觅，部分因价格高昂而不可行。不同元件材料可能带来不同设计需求。

花时间确保选用最优材料与元件，且板卡设计能发挥其优势。

 

4. 元件布局顺序

最基本的 PCB 设计准则之一是元件放置顺序。建议顺序：连接器 → 电源电路 → 精密电路 → 关键电路 → 其余元件。功率电平、噪声敏感度、噪声产生与布线能力也影响电路布线优先级。

 

5. 方向一致性

放置元件时，尽量使相似元件朝向一致。这能提高焊接效率，防止焊接过程出错。

 

6. 放置避让

尽量避免在 PCB 焊面放置会位于镀通孔元件后方的元件。

 

7. 逻辑组织

逻辑组织元件可减少装配步骤，提升效率、降低成本。目标：所有表贴元件置于板一面，所有通孔元件置于顶面。

 

电源、地与信号走线考量

上述技巧侧重元件布局。为使元件按预期工作，还需布设电源、地与信号走线。高效完成此步骤有助于确保信号有可靠传输路径。以下五因素需牢记。

 

1. 电源层与地层

基本布局规则：电源层与地层保持在板内部，且居中对称，防止板卡翘曲。翘曲会导致元件位移、潜在损坏。其他建议：每路电源使用公共轨，确保走线可靠宽阔，避免菊花链式连接元件。

电源电路高压可能干扰低压控制电路。可利用电源地与控制地的布局最小化干扰。尽量分离各电源级的地；若必须合并，置于电源路径末端。若地平面在中间层，需包含低阻抗路径防止电源电路干扰。

同样保持数字地与模拟地分离。尽量仅让模拟走线跨越模拟地，以减少容性耦合。

 

2. 走线设计

此步骤按原理图连接信号走线。走线应尽可能短且直接。若 PCB 一面走水平走线，另一面走垂直走线。

板卡可能需要不同电流的多个网络，决定所需网络宽度。走线宽度计算器对此有帮助。细走线承流能力有限：10 mil (0.010 英寸) 走线仅承载约 1 安培；250 mil 走线在温升 30°C 时可承载 15 安培。

 

3. 焊盘与孔径尺寸

PCB 设计早期需确定焊盘与孔径尺寸。焊盘与孔径缩小时，焊盘孔径比愈发关键，尤其针对过孔。裸板厂商可提供其要求的标准与长宽比指南。

另一重要考量是 PCB 焊盘形状。焊盘足迹随制造工艺而异。例如波峰焊通常比红外回流焊需要更大足迹。

 

4. 信号完整性与射频问题

PCB 布局设计在确保信号完整性、防止干扰（常称射频干扰 RFI 或电磁干扰 EMI）中起关键作用。

避免这些问题很大程度上取决于走线布局。为防止信号问题，避免走线平行。平行走线串扰更大，导致制板后难以修复的各种问题。若走线必须交叉，确保垂直交叉，可降低线间电容与互感，从而减少串扰。

使用低电磁辐射半导体元件也有助于信号完整性。有时其他需求可能要求高电磁辐射元件。

设计 PCB 时，消除可辐射电磁能量的天线，以及携带高频的大面积信号回路与地回路。需精心布局集成电路以实现短互连线。

在 PCB 上铺设贴地网格是重要的射频布局准则，使回流线靠近信号线，保持有效天线面积较小。多层板可用地平面实现。

 

5. 热设计

热问题影响设计多个环节。大尺寸、高元件密度、高处理速度的板卡更易出现热问题。小板卡可能无虑，但高阶板卡挑战巨大。

为防热问题，需让热量散发。首先识别大功耗元件，从数据手册获取热阻额定值，遵循推荐导热指南。

确保大功耗元件周围预留足够空间。发热越大，所需散热面积越大。关键元件切勿靠近热源。

理想状态下整板工作温度均匀。利用导热平面将热量分散到宽广区域，增大传热面积加快降温。

若热问题严重，可能需加入散热风扇、散热片、热释放垫（对多层板波峰焊和高铜含量组装至关重要）。可用散热膏（聚合物填充细分散固体颗粒）制作散热片，通过丝网或模板印刷涂覆，干燥/烘烤后固化发挥散热作用。

通孔元件建议始终使用热释放垫，减缓热量通过元件焊盘传导的速度。通用规则：过孔或安装孔连接地/电源平面时，采用热释放图案。走线与焊盘交汇处可添加泪滴形，提供额外支撑、减轻热应力。

 

测试的重要性

PCB 设计过程及制造全程应持续自检。早期发现问题可最小化影响、降低修复成本。

两项常见测试：电气规则检查 (ERC) 与设计规则检查 (DRC)。它们能解决多数重大问题。

通过 ERC 与 DRC 无误后，应逐一检查每条信号走线，并将板卡与原理图详细对比。

 

用 CAD 解决 PCB 布局设计问题

如今大多数 PCB 设计师使用先进的计算机辅助设计 (CAD) 软件；制造商使用计算机辅助制造软件。这些系统有助于解决许多布局问题。主要优势包括：

• 简单、半自动化设计流程： CAD 允许拖放元件至所需位置。许多系统自动生成走线，随后可移动、增删元件或重新布线。提升设计效率与准确性。
• 设计验证： 送产前可用 CAD 系统测试公差、兼容性、元件布局等。许多系统能实时捕捉基本错误，最小化或消除其影响。
• 制造文件生成： 可直接从设计软件生成 Gerber 文件等所需格式，提高文件准确性，确保顺利过渡到制造阶段。
• 文档管理： 可生成并保存元件使用、错误报告、设计状态、版本控制等详细文档，助力后续项目。
• 规则创建： 部分程序允许创建并存储自定义规则集，可共享给设计师以增强软件功能。
• 模板创建： 可为未来项目创建模板。完成设计后保存为模板供复用。
• 提升效率、降低成本： 引入 CAD 可改善设计流程效率与准确性，降低整体成本。

 

选择 PCB 供应商

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