博客作者：Zachariah Peterson

無(wú)論您是在進(jìn)行高速設(shè)計(jì)，還是正在設(shè)計(jì)一塊高速PCB，良好的電路板設(shè)計(jì)實(shí)踐都有助于確保您的設(shè)計(jì)能夠按預(yù)期工作并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。在本指南中，我們匯總了適用于大多數(shù)現(xiàn)代電路板的一些基本PCB設(shè)計(jì)布局準(zhǔn)則。專業(yè)設(shè)計(jì)可能需要遵循額外的板級(jí)布局準(zhǔn)則，但此處展示的PCB設(shè)計(jì)和布局準(zhǔn)則，是大多數(shù)板設(shè)計(jì)的一個(gè)良好起點(diǎn)。

此處展示的PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則側(cè)重于幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，將幫助您進(jìn)行布線、可制造性設(shè)計(jì)、基本信號(hào)完整性設(shè)計(jì)和產(chǎn)品組裝：

定義PCB設(shè)計(jì)規(guī)則，以確保制造和組裝良率

元器件布局，以確?？珊附有院捅阌诓季€

按類型對(duì)元器件進(jìn)行分組，以避免需要在整板范圍內(nèi)布線

電源和地在PCB疊層中的位置，包括一些針對(duì)混合信號(hào)PCB布局設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

遵守機(jī)械約束，例如連接器位置和外殼限制

#1 - 在布局前確定您的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則

開始一個(gè)新的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)很容易忘記管理項(xiàng)目的重要PCB設(shè)計(jì)規(guī)則。有一些簡(jiǎn)單的間距要求，如果在設(shè)計(jì)初期確定，將能避免后期大量的元器件移動(dòng)和重新布線。那么，您可以從哪里獲取這些信息呢？

第一步是與您的PCB制造廠溝通。一個(gè)好的制造商通常會(huì)在網(wǎng)上公布其生產(chǎn)能力，或?qū)⒋诵畔⑻峁┰谖臋n中。如果在其網(wǎng)站上的明顯位置找不到，請(qǐng)給他們發(fā)送電子郵件詢問(wèn)其生產(chǎn)能力。最好在開始放置元器件之前完成這一步。同時(shí)，請(qǐng)確保提交您提議的疊層方案以供審核，或者查找他們的標(biāo)準(zhǔn)疊層數(shù)據(jù)并使用該數(shù)據(jù)。

一旦您找到了他們的能力列表，應(yīng)將這些能力與您將要遵循的任何行業(yè)可靠性標(biāo)準(zhǔn)（2級(jí) vs. 3級(jí)或?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行比較。確定這些要點(diǎn)后，您應(yīng)選擇更保守的設(shè)計(jì)布局限制以確?？芍圃煨院涂煽啃?，并可以將這些限制應(yīng)用到您的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則中。

在布局過(guò)程中，您的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則將幫助您消除大多數(shù)會(huì)導(dǎo)致制造和組裝問(wèn)題的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。設(shè)置好板級(jí)設(shè)計(jì)規(guī)則后，您就可以開始布局過(guò)程了。

#2 - 微調(diào)您的元器件布局

PCB布局設(shè)計(jì)過(guò)程中的元器件布局階段既是一門藝術(shù)，也是一門科學(xué)，需要戰(zhàn)略性地考慮板上可用的核心區(qū)域。元器件布局的目標(biāo)是創(chuàng)建一塊易于布線的電路板，理想情況下盡可能減少層間轉(zhuǎn)換。此外，設(shè)計(jì)必須遵守PCB設(shè)計(jì)規(guī)則并滿足必須的元器件放置要求。這些要點(diǎn)可能難以平衡，但一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程可以幫助板設(shè)計(jì)師放置滿足這些要求的元器件：

1.首先放置必須的元器件。 通常有些元器件必須放置在特定位置，有時(shí)是由于機(jī)械外殼限制或其尺寸原因。最好先放置這些元器件并鎖定其位置，然后再進(jìn)行其余布局。

2.放置大型處理器和IC。 像高引腳數(shù)IC或處理器這樣的元件通常需要與設(shè)計(jì)中的多個(gè)元器件連接。將這些元器件放置在中心位置可以使PCB布局中的走線布線更容易。

3.盡量避免網(wǎng)絡(luò)交叉。 當(dāng)元器件放置在PCB布局中時(shí)，通?？梢钥吹轿床季€的網(wǎng)絡(luò)。最好嘗試最小化網(wǎng)絡(luò)交叉的數(shù)量。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)交叉點(diǎn)都需要通過(guò)過(guò)孔進(jìn)行層間轉(zhuǎn)換。如果您能通過(guò)創(chuàng)造性的元器件布局來(lái)消除網(wǎng)絡(luò)交叉，那么實(shí)施PCB布局的布線準(zhǔn)則將變得更加容易。

4.SMD PCB板設(shè)計(jì)規(guī)則。 建議將所有表面貼裝（SMD）元器件放置在板的同一側(cè)。這主要是出于組裝考慮；板的每一側(cè)都需要單獨(dú)經(jīng)過(guò)SMD焊接線，因此將所有SMD放在一側(cè)將有助于避免一些額外的組裝成本。

5.嘗試調(diào)整方向?？梢孕D(zhuǎn)元器件以嘗試消除網(wǎng)絡(luò)交叉。嘗試使連接的焊盤彼此相對(duì)，因?yàn)檫@有助于簡(jiǎn)化布線。

如果您遵循第1點(diǎn)和第2點(diǎn)，那么布局板的其余部分就會(huì)容易得多，而不會(huì)出現(xiàn)太多布線交叉。此外，您的板將具有現(xiàn)代的布局外觀和感覺(jué)，即中央處理器向板周邊所有其他組件提供數(shù)據(jù)。

在此PCB布局設(shè)計(jì)中，主處理器位于中央位置，走線從其邊緣引出。這種布局方式是大型集成電路（IC）及外圍器件的理想選擇。

#3 - 布置電源、接地與信號(hào)走線

在完成元器件布局后，接下來(lái)需要對(duì)電源線、地線及信號(hào)走線進(jìn)行布線，以確保信號(hào)獲得潔凈無(wú)干擾的傳輸路徑。在布局過(guò)程的這一階段，請(qǐng)牢記以下PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

電源平面與接地平面的布置方案

通常建議將電源平面與接地平面布置在兩個(gè)內(nèi)層。對(duì)于雙層板而言，這種安排實(shí)施難度較大，因此推薦在某一層設(shè)置大面積接地平面，另一層則布置信號(hào)走線與電源線路。當(dāng)采用四層或更多層數(shù)的電路板疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先使用接地平面而非接地走線。對(duì)于需要直接電源連接的元器件，若未設(shè)置專用電源平面，建議為每個(gè)電源系統(tǒng)設(shè)置公共母線：確保采用足夠?qū)挾鹊淖呔€（100 mil線寬可承載5-10安培電流），并避免采用器件間串接的菊花鏈?zhǔn)焦╇姺绞健?/p>

部分設(shè)計(jì)指南要求平面層必須對(duì)稱布置，但這并非制造工藝的強(qiáng)制性要求。在大尺寸電路板中，對(duì)稱布局在電磁兼容性方面的考慮之外，還有助于降低板翹曲風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)于小型板則無(wú)需過(guò)多考慮。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先確保電源與接地的可達(dá)性，并保證所有走線都能與最近接地平面形成強(qiáng)效回流路徑耦合，隨后再考慮PCB疊層結(jié)構(gòu)的完美對(duì)稱性。

PCB布局布線準(zhǔn)則

接下來(lái)，連接您的信號(hào)走線以匹配原理圖中的網(wǎng)絡(luò)。PCB布局實(shí)踐建議，盡可能在元器件之間放置短而直接的走線，盡管這在較大的板上可能并不總是可行。如果您的元器件布局迫使在板的一側(cè)進(jìn)行水平走線布線，則始終在另一側(cè)進(jìn)行垂直走線布線。這是許多重要的雙層PCB板設(shè)計(jì)規(guī)則之一。

隨著疊層層數(shù)的增加，PCB設(shè)計(jì)規(guī)則和PCB布局準(zhǔn)則變得更加復(fù)雜。您的布線策略將需要在交替層中交替使用水平和垂直走線，除非您用參考平面分隔每個(gè)信號(hào)層。在用于特殊應(yīng)用的非常復(fù)雜的板中，許多常被吹捧的PCB實(shí)踐可能不再適用，您需要遵循特定于您應(yīng)用的PCB板設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

定義走線寬度

PCB布局設(shè)計(jì)使用走線連接元器件，但這些走線應(yīng)該多寬？不同網(wǎng)絡(luò)所需的走線寬度取決于三個(gè)可能的因素：

1.可制造性。 走線不能太細(xì)，否則無(wú)法可靠制造。在大多數(shù)情況下，您使用的走線寬度將遠(yuǎn)大于制造商所能生產(chǎn)的最小值。

2.電流。 走線中承載的電流將決定防止走線過(guò)熱所需的最小寬度。當(dāng)電流較高時(shí)，走線需要更寬。

3.阻抗。 高速數(shù)字信號(hào)或射頻信號(hào)需要特定的走線寬度以達(dá)到要求的阻抗值。這并不適用于所有信號(hào)或網(wǎng)絡(luò)，因此您不需要對(duì)板設(shè)計(jì)規(guī)則中的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都強(qiáng)制執(zhí)行阻抗控制。

對(duì)于不需要特定阻抗或高電流的走線，10 mil的走線寬度對(duì)于絕大多數(shù)低電流模擬和數(shù)字信號(hào)來(lái)說(shuō)都足夠了。承載超過(guò)0.3 A電流的 PCB 走線可能需要更寬。要檢查這一點(diǎn)，您可以使用IPC-2152列線圖來(lái)確定滿足所需電流容量和溫升限制的PCB設(shè)計(jì)走線寬度。

推薦布線方式（箭頭表示元器件移動(dòng)方向）

非推薦布線方式（箭頭表示元器件移動(dòng)方向）

通孔元件連接平面的散熱焊盤設(shè)計(jì)

接地層可作為大型散熱器，將熱量均勻擴(kuò)散至整個(gè)電路板。因此，當(dāng)通孔連接至接地層時(shí)，省略該孔的散熱焊盤將有利于熱量傳導(dǎo)至接地層——這種熱管理方式比將熱量局限在表面更優(yōu)。但需注意，若通孔元件采用波峰焊工藝組裝，此設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，因?yàn)樵摴に囈髮崃考性诒砻鎱^(qū)域。

散熱焊盤是PCB布局中的特殊設(shè)計(jì)特征，對(duì)于直接連接電源/接地層的通孔元件而言，它可確保板卡在波峰焊工藝中的可制造性。由于通孔焊點(diǎn)直接連接大銅面時(shí)難以維持工藝溫度，建議采用散熱焊盤來(lái)保證焊接溫度達(dá)標(biāo)。其原理簡(jiǎn)單而有效：通過(guò)減緩焊接過(guò)程中熱量向平面擴(kuò)散的速率，從根本上防止冷焊現(xiàn)象。

典型散熱焊盤樣式

部分設(shè)計(jì)師主張為任何連接內(nèi)部接地/電源層的過(guò)孔或鉆孔添加散熱焊盤（即使連接的是小型銅箔區(qū)域）。這種建議往往過(guò)于絕對(duì)。實(shí)際需求取決于內(nèi)層連接銅面的面積大小，建議在量產(chǎn)前將具體設(shè)計(jì)提交制造商進(jìn)行工藝評(píng)審。

覆銅區(qū)域散熱處理

覆銅上的通孔焊盤可能需要與平面相同的散熱焊盤應(yīng)用。當(dāng)覆銅非常大時(shí)，它開始看起來(lái)很像一個(gè)平面，因此如果通孔引腳將要焊接到該連接中，自然應(yīng)該應(yīng)用散熱焊盤。

對(duì)于表面貼裝（SMD）元件，情況則有所不同。是否在覆銅區(qū)域應(yīng)用熱連接設(shè)計(jì)取決于PCB的組裝方式。當(dāng)采用回流焊工藝時(shí)，基板通過(guò)回流爐會(huì)實(shí)現(xiàn)均勻受熱，因此無(wú)論SMD焊盤是否存在熱連接，其產(chǎn)生立碑現(xiàn)象的潛在風(fēng)險(xiǎn)都遠(yuǎn)低于其他焊接方式。

如果設(shè)計(jì)是手工組裝的，例如使用焊膏和熱風(fēng)槍，則PCB布局可能需要散熱連接以在焊盤附近保持足夠的熱量并防止立碑。手工焊接時(shí)，很難在元件引線上保持一致的加熱，散熱連接可以幫助防止立碑缺陷。

Altium軟件中的多邊形熱連接

默認(rèn)情況下，當(dāng)您創(chuàng)建新項(xiàng)目時(shí)，Altium會(huì)保持到多邊形的散熱連接。這可以使用PCB設(shè)計(jì)規(guī)則編輯器中的多邊形連接規(guī)則（Polygon Connect rule）進(jìn)行配置。您可以使用Altium中的查詢語(yǔ)言更改此設(shè)置，以基于特定的封裝、層、元件類、網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)類或任何其他條件來(lái)應(yīng)用。

#4 - 隔離設(shè)計(jì)原則

有一些關(guān)于如何分組和隔離元器件及走線的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則布線準(zhǔn)則，以確保易于布線同時(shí)防止電氣干擾。這些分組準(zhǔn)則也有助于熱管理，因?yàn)槟赡苄枰蛛x高功率元器件。

元器件分組

有些元器件最好通過(guò)將它們分組在一個(gè)區(qū)域來(lái)放置在PCB布局設(shè)計(jì)中。原因是它們可能是電路的一部分，并且可能只彼此連接，因此不需要將元器件放置在板的不同側(cè)面或區(qū)域。PCB布局然后變成設(shè)計(jì)和布局單個(gè)電路組的過(guò)程，以便它們可以輕松地通過(guò)走線連接在一起。

在許多電路板布局中，往往會(huì)同時(shí)存在模擬與數(shù)字元器件，此時(shí)需要防止數(shù)字元器件對(duì)模擬元器件產(chǎn)生干擾。數(shù)十年前的傳統(tǒng)做法是將接地層和電源層分割成不同區(qū)域，但這種設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)代板卡設(shè)計(jì)中已被證實(shí)不可取。令人遺憾的是，許多PCB布局指南仍在傳播這種過(guò)時(shí)方案，從而導(dǎo)致產(chǎn)生電磁干擾（EMI）的不良布線實(shí)踐。

正確的做法是在元器件下方使用完整的接地層，避免物理分割接地平面。應(yīng)將相同工作頻率的模擬元器件集中布置，數(shù)字元器件也同樣集中歸類?？梢赃@樣理解：在PCB布局設(shè)計(jì)中，各類元器件應(yīng)在地層上方分區(qū)布置，但接地層在大多數(shù)設(shè)計(jì)案例中必須保持完整統(tǒng)一。

PCB中數(shù)字和模擬部分的示例

分離高功率元器件

將板上會(huì)散發(fā)熱量很多的元器件分開放置在不同區(qū)域也是合適的。分離這些高功率元器件背后的想法是平衡PCB布局周圍的溫度，而不是在布局中高溫度元器件聚集的地方產(chǎn)生大的熱點(diǎn)。這可以通過(guò)首先在元器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到“熱阻”額定值并根據(jù)估計(jì)的散熱計(jì)算溫升來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢蕴砑由崞骱屠鋮s風(fēng)扇來(lái)降低元器件溫度。在制定布線策略時(shí)，您可能必須仔細(xì)平衡這些元器件的放置與保持走線長(zhǎng)度簡(jiǎn)短，這可能具有挑戰(zhàn)性。

#5 - 完善您的PCB板設(shè)計(jì)和布局

在設(shè)計(jì)項(xiàng)目接近尾聲時(shí)，當(dāng)您忙于將剩余部分整合在一起以進(jìn)行制造時(shí)，很容易感到不知所措。在此階段反復(fù)檢查您的工作是否存在錯(cuò)誤，可能意味著制造成功與失敗的區(qū)別。

為了幫助完成此質(zhì)量控制過(guò)程，始終建議從電氣規(guī)則檢查（ERC）和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）開始，以驗(yàn)證您是否滿足所有已建立的約束。通過(guò)這兩個(gè)系統(tǒng)，您可以輕松地定義間隙寬度、走線寬度、常見制造約束、高速電氣要求以及特定應(yīng)用的其他物理要求。這自動(dòng)化了驗(yàn)證PCB布局的審查過(guò)程。

請(qǐng)注意，許多設(shè)計(jì)流程指出，您應(yīng)該在板設(shè)計(jì)階段結(jié)束時(shí)運(yùn)行PCB設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，同時(shí)為制造做準(zhǔn)備。如果您使用正確的設(shè)計(jì)軟件，您可以在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)行檢查，這使您能夠及早發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)問(wèn)題并迅速糾正。當(dāng)您的最終ERC和DRC產(chǎn)生無(wú)錯(cuò)誤結(jié)果時(shí)，建議檢查每個(gè)信號(hào)的布線，并通過(guò)一次檢查一根線的方式仔細(xì)檢查原理圖，以確認(rèn)沒(méi)有遺漏任何東西。

以上就是我們?yōu)槟峁┑闹匾狿CB布局核心準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則適用于大多數(shù)電路板設(shè)計(jì)。雖然建議清單篇幅精簡(jiǎn)，但能助您迅速完成功能可靠、可投入生產(chǎn)的設(shè)計(jì)。這些PCB板設(shè)計(jì)指南雖僅觸及基礎(chǔ)要點(diǎn)，卻能為您的所有設(shè)計(jì)實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，助力構(gòu)建并鞏固持續(xù)改進(jìn)的設(shè)計(jì)體系。

若您需要借助PCB板設(shè)計(jì)軟件啟動(dòng)項(xiàng)目，Altium的高級(jí)設(shè)計(jì)工具將是您的理想選擇。該軟件內(nèi)置規(guī)則驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)引擎，助您精準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)完成并準(zhǔn)備投入生產(chǎn)時(shí)，Altium可幫助您輕松協(xié)作并共享項(xiàng)目成果。

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Altium有限公司隸屬于瑞薩集團(tuán)，總部位于美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈，是一家致力于加速電子創(chuàng)新的全球軟件公司。Altium提供數(shù)字解決方案，以最大限度提高電子設(shè)計(jì)的生產(chǎn)力，連接整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的所有利益相關(guān)者，提供對(duì)元器件資源和信息的無(wú)縫訪問(wèn)，并管理整個(gè)電子產(chǎn)品生命周期。Altium生態(tài)系統(tǒng)加速了各行業(yè)及各規(guī)模企業(yè)的電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)進(jìn)程。