浅析印制线路板的设计

郭泽贤

【摘要】对于电子产品来说，印制线路板设计是从电路原理图变成一个具体产品必经的一道设计工序，印制线路板设计的合理性与产品成本、产品生产效率及产品电气性能紧密相关。本文介绍了印制线路板设计的流程及其设计原则，提出了印制线路板设计中需要注意的问题，以及如何选择印制线路板的板材与板厚。本文对从事电子设计的人员，特别对印制线路板设计人员具有一定的参考作用。

【关键词】原理图；PCB结构；布局；布线；板料

引言

印制线路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接。印制线路板设计是从电路原理图变成一个具体产品必经的一道设计工序，随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高，PCB设计的好坏对产品成本、产品生产效率及产品电气性能影响较大。一般PCB设计流程包括：电路原理绘图与元件库建立->印制线路板结构设计->印制线路板布局->印制線路板布线->印制线路板丝印->网络和DRC检查和综合性检查->印制线路板的板材与板厚选择。使用软件可用PROTEL99SE、POWERPCB5.0、PADS2005等。

一、原理图与元件库建立

在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图和SCH元件库和PCB元件库。一般情况下，先做PCB元件库，再做SCH元件库，PCB的元件库可用软件自带的元件库，特殊的元件（如：LCD、帮定IC、按键等）要根据供应商提供的规格和工厂的生产工艺要求等条件做PCB元件库。SCH元件库要注意管脚属性与PCB元件的对应关系，画原理图时，如果产品电路庞大可用层次电路图（模块化电路图）设计，以便提高设计速度和方便看图。

二、PCB结构设计

PCB结构设计是根据产品机械形状、功能位置（如按键）、特殊元件形状、产品的电性能、生产工艺要求、经济成本等的综合考虑。如电子产品设计成几块PCB板，是单面板还是双面板或其它板等，以及PCB的板材与板厚选择，然后再确定PCB板的形状、尺寸大小以及机械定位。机械定位其中包括接插件、按健/开关、LCD显示器、螺丝孔等。它们要按定位要求放置，排线和其它导线要考虑装配孔和定位柱，LCD显示器还要考虑与PCB板的接触方式（斑马条、斑马纸、柔性印刷线路板连接等），在机械结构紧凑的产品中，要考虑变压器和散热片的位置是否空气通畅，总之，机械定位要充分考虑运输试验和跌落试验。

三、PCB板布局

PCB板布局之前，有经验的PCB设计者首先装入机械结构图，把DWG或者DXF文件转成PCB文件，其中包括PCB板框初图和特殊电子元件定位位置，以及PCB板的定位孔和螺丝孔的位置等。这样可以避免PCB板的元器件在二维和三维空间与机械装置发生冲突（顶塑胶）。然后設定原點，建立PCB板框，在原理图上生成网络表，再在PCB界面上生成网络表，設定LAYOUT規則，設定各层顏色。一般布局的原则有：

（1）元器件离PCB板边缘的距离：如果PCB板有大批量生产流水线插件进行波峰焊，或者PCB板有表面装配（SMT）时，PCB板要留出边缘3mm提供给波峰焊机或者SMT机的导轨槽使用，如果印制线路板上元器件过多，可以在板的边缘加上3mm的辅边，辅边开V形槽，在生产时用手掰断即可。如果PCB板没有波峰焊机或者SMT机等作业，PCB板的电子元器件放置在离PCB板的边缘至少大于板厚。一般PCB板的电子元器件的焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。

（2）放置与机械结构有紧密配合的固定位置的元器件：如电源插座、指示灯、显示器（注意LCD显示器的PADS与其对应IC是否要镜像或分层）、开关、连接件之类，这些元器件放置好后用软件的LOCK 功能将其锁定，使之以后不会被误移动。

（3）放置电路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC、晶振、温度敏感元件等，晶振要尽量靠近该时钟的元器件，温度敏感元件与发热元件应分开放置，或有适当的距离，必要时还应考虑热对流措施，变压器等大器件要考虑安装位置和安装强度。

（4）需要经常调整的可调元件是否方便调节，以便生产时测试。

（5）需要经常更换的元件是否方便更换，插板插入设备是否方便，以方便生产和维修。

（6）高低压之间隔离：高压电路部分的元器件与低压电路部分的元器件要隔开放置，隔离距离与耐压有关，为了避免爬电，通常情况下在印制线路板上的高低压之间开槽。

（7）按电气性能分区摆放元器件：一般分为数字电路区，模拟电路区和电源驱动区，避免数字电路，模拟电路，电源驱动之间互相干扰。

（8）同一功能的电路，应尽量靠近放置，调整元器件保证连线最为简洁，同时各个功能块之间调整相对位置保证连线最为简洁。

（9）总体布局要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。

注意：在保证印制线路板的电气性能和生产装配的可行性和便利性的同时，可适当修改元器件的摆放，使之整齐有序美观，如相同的元器件摆放整齐，方便一致等。

四、PCB布线

在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为布线而做的，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，一般先进行探索式布线，快速地把短线连通，也可以根据需要断开已布的线，以改进总体效果。 总之，在保证电气性能情况下，布线要整齐，一般按如下原则进行：

（1）首先对电源线和地线进行布线：因为电源线和地线考虑不周会引起干扰，从而影响产品的电气性能，通常尽量加宽电源和地线的宽度，最好地线比电源线宽，在印制线路板上应尽可能多地保留铜箔做地线，这样传输特性和屏蔽作用将得到改善，另外起到了减小分布电容的作用。印制导线的公共地线最好形成环路或网状，接地和电源的图形尽可能要与数据的流动方向平行，这样可限制或减少接地电位差，从而降低或抑制噪声干扰，如果是多层印制线路板，电源、地线各占用一层，且均可视为屏蔽层，设置在多层印制线路板的内层。

（2）振荡器的外壳接地，走线要尽量短，周边要有保护地。并尽量避免穿其它信号线，可避免影响晶振的振荡。

（3）要求比较关键的线（如高频线）进行布线时，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，当两面布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交，避免相互平行，以减小寄生耦合。

（4）走线拐弯尽可能采用45?的折线布线或者成园弧拐弯，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能，尽量少用过孔或跳线。

（5）关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用。

（6）跳线的使用：在单面的PCB设计中，当线路无法连接时，常会放置跨接线。其种类越少越好，通常情况下只设6mm，8mm，10mm三种，超出此范围的会给生产上带来不便。

（7）大面积敷铜：PCB板大面积敷铜常用于两种作用：一种是散热，一种用于屏蔽来减小干扰。敷铜要开窗口设计成网状，因为印制线路板板材的基板与铜箔间的粘合剂在浸焊或长时间受热时，会产生挥发性气体无法排除，热量不易散发，以致产生铜箔膨胀，脱落现象。

（8）印制导线的宽度：它的最小值不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制电路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；单面板一般选用1～1.6mm宽度导线就能满足设计要求而不致引起温升，在DIP封装的IC脚间走线，可应用10-10与12-12原则。

（9）过孔（VIA）：一般为1.27mm/0.7mm；当布线密度较高时，过孔尺寸可适当减小，但不宜过小，可考虑采用1.0mm/0.6mm。

（10）焊盘的直径和内孔尺寸：焊盘的内孔一般≥0.6mm，因为小于0.6mm的孔开模冲孔时不易加工，一般以金属引脚直径值加上0.2mm∽0.3mm作为焊盘内孔直径，如电阻的金属引脚直径为0.5mm时，其焊盘内孔直径对应为0.7mm，焊盘直径取决于内孔直径，如表1所示。

另外注意：为了增加焊盘抗剥强度，可采用长2.5mm，宽为1.6mm的长圆形焊盘，如：集成电路引脚焊盘；还有些器件是在经过波峰焊后补焊的，如：排线或单股线等，由于经过波峰焊后焊盘内孔被锡封住，使器件无法插下去，解决办法是在PCB板设计时（建议在做PCB元件库时）对该焊盘开一小口，这样波峰焊时内孔就不会被锡封住；当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘设计成泪滴状，这样焊盘不容易起皮，而且走线与焊盘不易断开。

（11）焊盘、线、过孔的间距要求：一般相互间的间距为：≥0.3mm；布线密度较高的PCB板时：可考虑：≥0.254mm；特殊器件如：帮定IC的PADS和PADS间距可考虑：0.2mm。

五、丝印

丝印字符为水平或右转90?度摆放，不要放在集成电路（IC）的底部或被其它器件挡住，或被过孔和焊盘去掉。同时要正视元件面，底层字应做镜像处理，以免混淆层面。

六、网络和DRC检查和综合性检查

先在确定电路原理图设计无误的前提下，将所生成的PCB网络文件與原理图网络文件进行网络检查（NETCHECK），检查有无飞线（可关掉除飞线层外其他层）。网络检查正确通过后，对PCB设计进行DRC检查，有无不应该的错误标号，并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证PCB布线的电气性能，最后需对PCB进行综合性检查。如：文字说明整理以及添加PCB标志性文字说明，还有考虑生产装配、测试、维修等进行的检查和确认。

七、PCB板材与板厚选择

选择PCB板材时要从电气性能、可靠性、加工工艺要求、经济指标等方面综合考虑，常用的印制线路板分类有：柔性印刷线路板、刚性覆铜薄板、复合材料覆铜板、特殊基板等。

柔性印刷线路板是用柔性的绝缘基材制成的印刷电路，具有可以自由弯曲、卷绕、折叠，并在三维空间任意移动和伸缩，从而达到元器件装配和导线连接的一体化。如移动通讯等。

刚性覆铜薄板按材质主要分：纸基板和玻璃布基板。纸基板有：酚醛树脂覆铜箔板（FR-2等）和环氧树脂覆铜箔板（FR-3）等；环氧树脂工作温度较高，有较高的耐热性（255℃/50S）。玻璃布基板有：玻璃（或耐热玻璃）布-环氧树脂覆铜箔板、玻璃布-聚酰亚胺树脂覆铜箔板、玻璃布-聚四氟乙烯树脂覆铜箔板，代码如：FR-4、FR-5等系列，对于—般的电子产品采用FR4环氧玻璃纤维基板，对于环境温度较高或挠性线路板采用聚酰亚胺玻璃纤维基板，对于高频电路则需要采用聚四氟乙烯玻璃纤维基板。

复合材料覆铜板按材质主要分：环氧树脂类和聚酯树脂类，代码如：CEM-3等，它们适宜一般家电产品及普通的电子产品（如DVD，游戏机等）。其主要特点是冲孔性能较好。

另外，选择PCB板时还应考虑热膨胀系数和平整度因素。特别是有SMT工艺的PCB板，

印制线路板的厚度：应根据印制板的功能及所装元件的重量、印制板外形尺寸和所承受的机械负荷以及覆箔板的标准规格来决定。常见的印制板厚度有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等。

八、结束语

印制线路板的设计是一个简单而又复杂的工作，要有耐心和细心。不仅要会各种PCB LAYOUT软件，能独档一面，从做元器件到布局、布线、出光绘，会EMC设计，以及热分析，还要熟悉SMT工艺，波峰焊工艺，帮定工艺，PCB板的制造工艺，以及工厂生产装配、测试、维修的要求等等，只有这样积累经验，精益求精，才能做好印制线路板的设计。

参考文献

[1]全国计算机信息高新技术考试教材编写委员会《 PRO-TEL 99SE职业技能培训教程》北京希望电子出版社[M].电子科技大学出版社，2004.

[2]多层印制电路板性能介绍[J].计算机研究与发展，1980，10.

[3]郜蕴厚.新型印制电路板接插件及初步应用[J].电子工艺技术，1982，02.