关于PCB 设计流程的思考与分析

杨超，岳锟

（无锡中微爱芯电子有限公司，江苏 无锡 214000）

PCB（印制电路板）为电子元器件的支撑载体，使各个元器件能够得以协同运行。目前，几乎所有电子设备，无论是电子手表或是计算机、军用武器系统等，凡是配备集成电路，均需要PCB。而PCB 是依托于电子印刷手段制成，在如今工业化批量生产的大环境中，能有效降低制作加工中的失误率，而且还能在插装、检查与焊接等环节中实现自动化操作，不仅可以控制PCB 成本，还能保障品质以及生产效率。

1 PCB 设计概述

PCB 设计环节中，整体能分成2 个部分。其一，完成原理图的绘制，构建起模型环境，这是一种逻辑设计。在该步骤中，设计工程师需完成PCB 模型逻辑，合理设置各项约束技术参数。其二，完成PCB 的物理实体，基于原型的各种物理状况，实施合理化布局与布线部分的设计。而在该设计阶段，为确保电器特性满足使用需求，应当给IC 或是网络图等内容配备约束条件，如此才能生成最后的设计方案。IC 技术逐渐成熟，不仅推动PCB 设计的稳定进步，还给此项设计工作提出其他要求，例如快速接口、低压元器件等，再加上元器件配备数目增多，引起新的紧密容差电路限制条件，这些变化给PCB 设计也带来很多的不确定[1]。

2 PCB 设计流程分析

2.1 绘制原理图

原理图是制作线路板的基础依据。设计人员需先确定图纸规格、公制等，并选择合适的库元件。根据要求的电路功能模块，形成具体图样。原理图要保持美观、清楚，在元件管脚之间进行走线，表明此处无电器连接，并且尽可能不让两处元件管脚直接连接。在线条绘制完成后，通常能自动编号，随即添加相应的标称值，同时要注意图纸画面上编号与标称值的显示位置，通常在设计中会选择在左侧显示编号，标称值则放在右侧，也可以根据图纸内容，改成上下标注的方法，保证清晰、遵循统一规则即可。在绘制原理图中，要求设计师保障图中内容准确，通过电器规则检查确定无误后，进行打印核对。除此之外，设计工程师还要进一步细化电路原理，包括高低压、电流、信号、功率等，为后期布局创建便利的条件。

2.2 叠层设计

PCB 设计早期需结合具体项目的电源、信号数目、元器件管脚部署密度等条件，规划PCB 板层数与布局顺序。通常来讲，相同材质的四层板和双面板相较，前者噪声比后者小20 dB 左右。对于信号频率超过5 MHz 或是上升沿在5 ns 以内，可优先考虑多层板结构。其相关设计参数设定标准为：按照管脚密度划分，每平方英寸（1 in2≈6.45 сm2）中，布置14 以下的管脚，配备2 个信号层与2 个板层；管脚数量在14～23个之间，信号层数不变，板层数增加2 层；23～35 个管脚，要配备4 个信号层以及6 个板层；35～46 个管脚，信号层数为6 层，板层数为8 层；46～70 个管脚，信号层数设定为8 层，板层数则设为12 层；超过70个管脚，信号层数应设置成10 个，板层数要超过14 个。

在项目预算充足的前提下，需尽可能让各个电源、地层单独占据一层，并且电源与地层之间的距离需尽量接近，芯板应对称布局，临近的电源与地层能构成平板电容，能抵抗超过300 MHz 的外部扰动。另外，电源和地层的对称布局有利于预防PCB 制作加工期间出现翘曲的问题。在二者之间形成的电场会受到边缘效应的影响，向外辐射引起电磁干扰。在前期设计中，需把电源层直接向内减少20H（H是指电源和地层之间充斥的介质厚度），这样可以抵消7/10 左右的干扰。另外，在PCB 设计中，低速信号层需布置在顶层或是地层，而高速信号层则需放在内层，同时还要接近电源及地层[2]。

2.3 元器件布局

对于元器件布局部分，设计工程师需分析机械干涉、散热效果、信号完整程度、焊点稳定性等内容。在PCB 板顶层能布置体量大、工作热量产出多的元器件，而规格较小的贴片元件，可放置于底层。类似于接插件与插座等会多次使用的器件，需布置在顶层，并和周边元件之间留出充足的余量，避免在PCB 板应用期间和附近构件发生机械干涉。而为使插接件可以就近应用，需把I/O 驱动芯片设计到板层边缘附近。对于规格偏大的BGA 封装芯片，不可直接部署在板中央，这样可降低变形的风险，防止相应焊点出现脱焊病害。结合当前电子产品行业的情况来看，有超过半数的产品失效和热环境应力存在较大的关联。PCB 的热环境形成，外壳作用比较突出，DCDC 效率及散热模块等紧随其后。在PCB 设计中，功率管等产生热量较大的元器件，可利用导热胶和铝材质的散热构件进行贴合，并匀称分布于边缘区域，和外壳接触，这种布局可以在有限空间内，提升散热效果。假设工作温度偏高，便可借助风冷及水冷的方式控制热环境。其中，风冷系统里，感温特性突出的元件需部署在冷却气流上游，而热量产生过多的元件需布置在冷却气流的下方。

PCB 的电路模块应按照具体的功能做好分区布置，具体包括数字、模拟与大电流开关等多个模块，通过分区设计，使相互之间的耦合效应尽可能被弱化。其中，数字电路可放于PCB 板中间，这样能控制对外辐射程度；模拟电路的位置设计，考虑到其易受干扰的问题，可将其放在边缘区域，扩大其和发热源的间距；ADC 元器件则可放在上述两个电路交界位置。另外，晶振需布置在借鉴时钟芯片的位置，并在芯片电源引脚周边设置高频与储能类型的电源。

2.4 布线规划

PCB 项目的设计布线环节中，应综合考量信号完整度、电流驱动力、散热效果、可焊性等。具体来说，首先是信号完整度方面。PCB 涉及到的信号完整度问题包括传输延迟、串扰、反射等。其中，对于信号传输期间的反射现象，能借助端接的方法或者说是阻抗匹配，在负载周边通过并联的形式接入电阻，解决信号反射的问题。同理，把信号线转弯点设置成圆弧状以及135°，也起到控制信号反射的作用。对于串扰现象，可通过合理缩短并行走线的长度，扩大相邻信号之间的距离加以处理。另外，根据设计经验，各条信号线之间的距离达到3W（W是指信号线的宽度），这样布线形式能直接消除7/10 的串扰问题，而如果能把信号线距离扩大到10W，串扰程度能消除98%。根据现有研究成果来看，“过孔”在信号完整度上有着较大的影响，并且会在频率持续增大中不断提高作用力，同时也能借助过孔以及内电层的谐振波相应位置填设去耦电容，或是把过孔部署于内层谐振波节的位置来进行优化。另外，针对由于过孔引起的信号延迟情况，能利用适当减少过孔以及电路线蛇形走位调节时序的方式改进[3]。其次，电流驱动力方面。前期设计中，提升PCB 电流驱动力的基本思路有拓展走线宽度、增加铜箔厚度以及调节过孔。其中，前两项与电流之间为正相关，所以，对于需要承担大多数电流的地线与电源线，需尽量提高其线宽。走线换层中会涉及到过孔，其大小参数对电流驱动力也有影响。对于需输送较多电流的部分走线，设计工程师可考虑添加更多过孔。再次，散热效果方面。在前期设计PCB 中，电源与地层需大范围敷铜，这样能提高散热的效率。在敷铜期间，需选择网状的布设结构，这样设计可以控制铜箔和基板之间介质受热后释放的挥发性气体。同时，对于本身发热量较大的元器件，其接地铜皮需做好开窗处理，提高散热速度。最后，可焊性方面。PCB 插件孔焊板和铜箔选择铜桥衔接方式时，铜桥宽度处于0.13～0.5 mm 之间，可以优化焊盘中的锡元素。在焊盘和大规格导线以及大面积铜箔进行连接时，要额外增设隔热带，这样能预防焊盘周边出现绿油脱落导致焊料堆在铜箔上，令元器件在焊接操作中发生倾斜“立碑”的状况。

2.5 接地规划

在PCB 设计项目中，接地是极为关键的部分，如果干扰信号超过5 MHz，大多数是和PCB 接地有联系。目前，设计工程师可选择的接地形式有单点、多点及混合3 类。其中，单点接地比较适合信号频率不足1 MHz 的情况；多点接地则用在限号频率超过10 MHz的项目中；混合接地模式则用在频率处于1˜10 MHz之间的情况。另外，布设数字器件与模拟器件的项目中，两类器件接地需分开设置，在边缘区域利用磁珠相连接地。假设地线未单独设置，需要在模块电路周围分布地线网络，该种设计成果可令地线形成完整闭合环路，以此控制电位差。同时，对于比较关键的高频高速信号，需在其周边通过两端接地的方式实现有效隔离，由此控制对外产生的电磁辐射量。

3 PCB 设计流程改进思考

在实际设计中，若设计工程师到了物理实现阶段才察觉到设计漏洞及错误，难免要投入一定代价进行调整，甚至要重新启动新的设计周期。这是由于在容差电路布线环节中，单一信号的变化会引起诸多信号的改变，而多次返工会使设计成本增加、项目延期。

3.1 整体优化思路

为改善原有设计模式的不足，可针对推进流程，从下述几个方面进行优化。首先，设置中心库。在中心库里存储大量设计所需的资源材料，比如Pаrt、Cеll等，而为充分发挥出资源的作用，可运用蔡氏混沌系统，给资源应用提供决策参考。其次，把逻辑设计环节和在中心库里的各类联系整合成一个单元，称之为DXD（Dхdеsignеr），这主要用在绘制原理图的环节中。再次，把物理设计环节和在中心库里的各类联系整合成一个单元，称之为EXP（Eхреditiоn），可用在布局与布线的环节中。最后，在原理图绘制与PCB 正式规划之间插入公共数据库，所有网络连接与元器件的相关资料信息都能存储在此数据库里，这样可以有利于保持信息完整度与可靠性。基于此，PCB 的整个设计流程被分成3 个模块与1 个数据库，其中3 个模块具体包括中心库、DXD、EXP，各模块之间具有关联，互相支持，构成无缝衔接的格局。下文以中心库与原理图绘制、PCB 设计为主，探究设计流程的具体优化方向[4]。

3.2 中心库

在改进后的设计流程中，共分成3 步：先建立中心库，库中设计所需资源以及材料管理都需在此环节内完成；绘制原理图，即DXD 环节；布局布线设计。由此能看出，整个设计流程都是围绕中心库开展的。构建设计中心库中管理层次的设置，并根据所需资源的具体类别来支持分类管理，相应的运行操作原则是符合信息完整度与连续性的。对于PCB 设计项目，中心库可分出5 个层次，即Symbоl 库、Cеll 库、Pаrt 库、Pаdstасk 库以及IBIS 模型库。项目进行中，设计工程师对某些资源的需要与使用属于非线性行为，引入蔡氏混沌系统对此种行为进行模拟，能达到较好的效果。适当设置该系统的期望值，并把其稳定到在预期目标方向上，并全过程跟踪误差表现，确保其始终处于允许的范围内。借助蔡氏混沌系统，达到对中心库运行、应用的量化模拟分析。

3.3 DXD 与EXP

根据优化后的流程，先把中心库里的各类资源，导入到DXD，而后才能开展原理图绘制。在此项操作中，设计工程师有2 种选择，即从DXD 数据库调取、从中心库调取。常规设计流程是原理图绘制、封装、PCB 设计。而本文所述的改进流程是在原有基础上，添加公共数据库，这样处理的价值在于让DXD 与EXP之间可以快速完成信息交换。而公共数据库里文件资料格式需符合DXD 与EXP 的读取需要。当公共数据库编译后，便可封装设计形成原理图。而后EXP 通过保存文件，得到公共数据库内的各类元器件资料、有关网络互联内容，支持PCE 设计，即布线和布局[5]。

3.4 改进效果

PCB 设计流程改进效果分析选择“Mеntоr”的专项设计软件，涵盖设计环节到最后的打样环节。相关设计要求设定为：信号完整度是100%，布通率分成90%、95%以及100%的3 个层次，具体是对比改进前后的设计周期与设计成本2 项指标。当布通率处于90%的情况下，常规设计流程下的2 项指标，初始值是100%。通过对设计周期与设计成本2 项的对比，经过优化调整后的设计流程能有效提升布通率，并且还使设计周期明显缩短，切实令PCB 开发成本得到控制。

4 结束语

PCB 设计直接影响电子产品的实际质量，熟知其设计流程及方法，可合理降低项目资金投入，并缩短设计周期。而根据如今电子产业的发展情况来看，集成电路上的晶体管会继续增多，产品工作速度加快、上升沿时间缩短、管脚数目提升，会进一步提高PCB设计复杂性，这难免会引起设计难度以及成本加大。在未形成系统化、完整化经验体系的状况下，本文提出优化设计流程的思路，以提升PCB 设计的实际效能。总之，PCB 是高端电子领域的重要部分，也是多专业的产业，相信在更多研究及设计人才的加持下，PCB会有可观的发展前景。