面向工程師的PCB設(shè)計(jì)布局指南

2021-11-23

面向工程師的PCB設(shè)計(jì)布局指南

印刷電路板布局遠(yuǎn)不止其外觀。成功的PCB布局將使其電路物理排列，以實(shí)現(xiàn)電路板的較佳電子性能，同時(shí)還可以完全制造。這需要認(rèn)真管理庫(kù)部件、CAD設(shè)置和參數(shù)、組件放置、走線布線以及供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的設(shè)計(jì)。此外，布局設(shè)計(jì)師必須確保他們的工作得到完整記錄，并且最終產(chǎn)品已準(zhǔn)備好包含在其設(shè)計(jì)的主要電子系統(tǒng)中。

這有很多工作要做，特別是對(duì)于不熟悉PCB布局過(guò)程的工程師。為了幫助完成此工作流程，建議擁有一套全面的電路板布局指南以供參考。行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將規(guī)定設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，但布局指南對(duì)于幫助工程師從頭到尾駕馭電路板開(kāi)發(fā)過(guò)程很重要。以下是一些基本的PCB設(shè)計(jì)布局指南，可用于制定您自己的電路板開(kāi)發(fā)指南。

布局開(kāi)始之前

在布局過(guò)程開(kāi)始之前，需要處理幾項(xiàng)任務(wù)以確保設(shè)計(jì)成功，首先是要使用的PCB封裝庫(kù)。

在為您的PCB布局構(gòu)建庫(kù)時(shí)，使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（例如 IPC）或制造商對(duì)封裝尺寸和尺寸的規(guī)范非常重要。然而，個(gè)人、公司或技術(shù)需求也可能決定某些部分的變化。例如，RF設(shè)計(jì)中的封裝可能需要比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字設(shè)計(jì)更小的焊盤(pán)尺寸。以下是構(gòu)建您自己的PCB組件封裝的一些其他指南：

確保您構(gòu)建的任何庫(kù)部件都具有可接受的焊盤(pán)圖案尺寸，其間距符合該部件的標(biāo)準(zhǔn)。

PCB封裝需要包含所有必要的元素，例如零件輪廓、絲印標(biāo)記和參考標(biāo)志。

一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是確保您的制造商可以在將它們提交到最終設(shè)計(jì)之前構(gòu)建您正在設(shè)計(jì)的零件。

另一種選擇是使用來(lái)自外部CAD庫(kù)供應(yīng)商的PCB封裝。零件制造商通常為您的設(shè)計(jì)系統(tǒng)預(yù)先構(gòu)建了自己的組件，并且一些工具具有瀏覽器來(lái)方便地下載這些零件。

電路板輪廓和層堆疊

在開(kāi)始電路板布局之前，您需要與機(jī)械設(shè)計(jì)師一起工作以獲得良好的輪廓形狀。盡管設(shè)計(jì)的形狀因素可以在以后更改，但任何更改都可能迫使電路進(jìn)行大量重新設(shè)計(jì)以適應(yīng)新形狀。此外，大多數(shù)CAD工具將接受從機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，從而使您的工作更加輕松。但是，即使使用導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，您仍然需要確保電路板輪廓正確并包含您的設(shè)計(jì)所需的所有必要CAD元素，例如禁區(qū)。

板層堆疊也應(yīng)在布局開(kāi)始之前完成。同樣，這些可以稍后更改，但對(duì)現(xiàn)有電路的潛在影響可能會(huì)破壞您的設(shè)計(jì)進(jìn)度和預(yù)算。還應(yīng)針對(duì)您的特定設(shè)計(jì)對(duì)板層堆疊進(jìn)行微調(diào)，以確保為阻抗控制路由和其他信號(hào)完整性要求提供正確的層配置。在此階段選擇電路板材料也很重要，以便可以根據(jù)材料的物理特性進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖呔€寬度和其他設(shè)計(jì)計(jì)算。這些特性包括介電常數(shù)、絕緣質(zhì)量、吸濕率和耗散系數(shù)。

CAD參數(shù)和設(shè)置

發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)師使用其CAD系統(tǒng)隨附的默認(rèn)設(shè)置工作的情況并不少見(jiàn)。但是，大多數(shù)CAD系統(tǒng)為用戶(hù)提供了對(duì)顏色、填充圖案、陰影以及字體大小和寬度的廣fan控制。您還可以更改某些對(duì)象的顯示、將一個(gè)設(shè)計(jì)元素置于另一個(gè)之上、設(shè)置網(wǎng)格以及指定布局和布線優(yōu)先選擇項(xiàng)。這些設(shè)置旨在提高您的工作效率，您可以通過(guò)預(yù)先花時(shí)間優(yōu)化設(shè)置來(lái)節(jié)省時(shí)間。

 

設(shè)置CAD系統(tǒng)的顯示參數(shù)是PCB布局的重要第一步

放置PCB組件的指南

CAD庫(kù)、電路板輪廓和其他設(shè)置任務(wù)完成后，設(shè)計(jì)就可以開(kāi)始布局了。此過(guò)程的第一步是將 PCB組件封裝放置在電路板上。在電路板上放置組件必須滿(mǎn)足三個(gè)主要要求：電路性能、可制造性和可訪問(wèn)性。

電路性能

高速電路需要將它們的組件盡可能靠近以實(shí)現(xiàn)短而直接的信號(hào)路徑，但它們并不是具有此要求的組件。還需要放置模擬電路和電源組件，以使其敏感或高電流線路盡可能短。這有助于降低電感并提高信號(hào)和電源完整性。然而，在某些情況下，這些組件可能需要分開(kāi)以適應(yīng)總線布線或熱分離。

可制造性

為了盡可能降低生產(chǎn)成本，重要的是要以盡可能容易制造的方式放置組件。例如，彼此距離太近的組件可能無(wú)法自動(dòng)組裝，或者可能難以使用自動(dòng)焊接工藝。較高的芯片組件在較小的部件之前進(jìn)行波峰焊接會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)，從而導(dǎo)致焊接連接不良。小芯片組件的兩個(gè)焊盤(pán)之間不平衡的銅會(huì)產(chǎn)生不均勻的加熱，導(dǎo)致一個(gè)焊盤(pán)的焊料先于另一個(gè)焊盤(pán)熔化，并將另一側(cè)向上拉離焊盤(pán)。

無(wú)障礙

電路板通常必須經(jīng)過(guò)手動(dòng)測(cè)試和返工，這需要訪問(wèn)需要處理的部件。如果其他較大的組件掩蓋了這些部件，則可能會(huì)使它們的工作更加耗時(shí)或?qū)ο噜彶考斐筛綆p害。同樣，連接器、開(kāi)關(guān)和其他無(wú)法訪問(wèn)的人機(jī)界面也會(huì)減慢電路板的制造速度。

一個(gè)極其重要的指導(dǎo)原則是布局應(yīng)該從開(kāi)發(fā)板上部件的基本平面圖開(kāi)始。這將允許您制定如何劃分板上不同電路區(qū)域的策略，以避免重疊模擬和數(shù)字信號(hào)。

 

PCB布局指南：有效的元件放置將導(dǎo)致走線布線

布線的PCB設(shè)計(jì)布局指南

對(duì)于電路板設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，布局他們的電路板以創(chuàng)建可能的較佳信號(hào)和電源完整性至關(guān)重要。組件應(yīng)布置在較佳位置，以實(shí)現(xiàn)短而直接的走線布線。同時(shí)，必須對(duì)電路板進(jìn)行布局，以便所有網(wǎng)絡(luò)都可以完全布線。在高密度設(shè)計(jì)中，試圖平衡這些需求可能是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。第一個(gè)PCB設(shè)計(jì)布局指南是為走線設(shè)置設(shè)計(jì)規(guī)則和約束。

設(shè)計(jì)規(guī)則和約束

從技術(shù)上講，配置設(shè)計(jì)規(guī)則和約束應(yīng)該包含在參數(shù)和設(shè)置中。但是，由于大部分規(guī)則直接適用于跟蹤路由，因此我們?cè)诖颂幇舜酥改稀Ｒ?guī)則和約束用于控制走線寬度和間距，可以為單個(gè)網(wǎng)絡(luò)、稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)類(lèi)的網(wǎng)絡(luò)組設(shè)置，或作為所有非指定網(wǎng)絡(luò)的默認(rèn)設(shè)置。設(shè)計(jì)規(guī)則還用于控制為不同的網(wǎng)絡(luò)、走線長(zhǎng)度和匹配長(zhǎng)度選擇哪些過(guò)孔，以及允許哪些板層用于路由特定網(wǎng)絡(luò)和路由拓?fù)洹４送?，設(shè)計(jì)規(guī)則還用于控制元件間距、絲印規(guī)則、機(jī)械間隙和許多其他約束。

信號(hào)和電源完整性

為了獲得較佳性能和信號(hào)完整性，PCB布局設(shè)計(jì)人員需要遵循不同電路布線的特定要求。在這里，設(shè)計(jì)規(guī)則和約束將有所幫助——允許設(shè)計(jì)人員將物理布線參數(shù)輸入到CAD系統(tǒng)中進(jìn)行布線。盡管確切值會(huì)根據(jù)電路板的需要而變化，但設(shè)計(jì)人員通常會(huì)設(shè)置規(guī)則以確保遵循以下準(zhǔn)則：

短而直接的高速傳輸線路路由。

用于受控阻抗布線的走線寬度、間距和允許的板層。

匹配長(zhǎng)度布線的指定走線長(zhǎng)度和長(zhǎng)度公差。

差分對(duì)走線寬度和間距要求。

時(shí)鐘和控制線等敏感信號(hào)的寬度和間距。

不同網(wǎng)絡(luò)的過(guò)孔類(lèi)型。

模擬電路的走線寬度和間距。

高電流電源電路的走線寬度和銅重。

另一個(gè)需要記住的重要指導(dǎo)原則是，在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中布線時(shí)，避免數(shù)字電路與模擬走線的交叉區(qū)域，反之亦然。

有效電源和接地平面指南

對(duì)于現(xiàn)代高速設(shè)計(jì)，較佳接地策略通常是在內(nèi)層上使用一個(gè)或多個(gè)連續(xù)接地層。這提供了較佳的 EMI 保護(hù)并確保清晰的信號(hào)路徑，這將提高整體信號(hào)完整性。對(duì)于由于獨(dú)特的電路板輪廓或特征而導(dǎo)致接地平面斷開(kāi)的區(qū)域，應(yīng)避免在任何接地空隙中布線。如果沒(méi)有連續(xù)和相鄰的接地平面供信號(hào)用作清晰的返回路徑，您的設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生大量不良噪聲。以下是一些需要牢記的電源和地平面指南：

接地層需要與具有高速布線的板層堆疊中的信號(hào)層相鄰。這將有助于屏蔽高速布線免受干擾，并為信號(hào)返回路徑提供良好的參考平面。

需要使用散熱墊并仔細(xì)管理與平面的電源和接地連接。緩沖墊輻條必須足夠?qū)捯猿惺芨唠娏?，同時(shí)消除這些連接充當(dāng)散熱器的機(jī)會(huì)。

仔細(xì)規(guī)劃電源連接和拆分電源平面，以確保將電源充分輸送到整個(gè)電路板上的所有連接部件。

 

避免在混合信號(hào)設(shè)計(jì)中同時(shí)布線模擬和數(shù)字電路

絲印和PCB測(cè)試指南

電路板設(shè)計(jì)完成后，是時(shí)候?qū)⒆⒁饬D(zhuǎn)向通過(guò)清理絲印層和添加測(cè)試點(diǎn)來(lái)完成布局。參考標(biāo)志、部件號(hào)和其他公司信息通過(guò)絲印工藝在電路板上用墨水標(biāo)記。設(shè)計(jì)人員通常在他們的 CAD系統(tǒng)中使用“絲網(wǎng)印刷”層來(lái)設(shè)計(jì)這些標(biāo)記。

為確保絲印層標(biāo)記可讀，設(shè)計(jì)人員遵循以下準(zhǔn)則：  

線寬不應(yīng)小于6密耳。 

字體大小不應(yīng)小于50密耳。

根據(jù)公司網(wǎng)格模式重命名組件參考指示符，以幫助定位電路板上的特定部件。 

移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)參考標(biāo)志，使其易于閱讀。

在需要的地方包括極性和針一標(biāo)記。

測(cè)試點(diǎn)對(duì)于將大規(guī)模生產(chǎn)用于自動(dòng)裝配驗(yàn)證的電路板至關(guān)重要。設(shè)計(jì)中的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該有一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，無(wú)論該測(cè)試點(diǎn)是現(xiàn)有的通孔引腳、通孔還是添加的表面貼裝測(cè)試點(diǎn)焊盤(pán)。測(cè)試點(diǎn)應(yīng)與其他電路板物體（例如組件或焊盤(pán)）至少保持50密耳的間隙，并且與電路板邊緣的距離至少為100密耳。但是，這些值可能因供應(yīng)商而異，因此請(qǐng)務(wù)必先檢查制造商的測(cè)試點(diǎn)要求是什么。