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面向工程師的PCB設(shè)計布局指南
面向工程師的PCB設(shè)計布局指南
印刷電路板布局遠不止其外觀。成功的PCB布局將使其電路物理排列，以實現(xiàn)電路板的較佳電子性能，同時還可以完全制造。這需要認真管理庫部件、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。此外，布局設(shè)計師必須確保他們的工作得到完整記錄，并且最終產(chǎn)品已準備好包含在其設(shè)計的主要電子系統(tǒng)中。
這有很多工作要做，特別是對于不熟悉PCB布局過程的工程師。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)標準將規(guī)定設(shè)計的細節(jié)，但布局指南對于幫助工程師從頭到尾駕馭電路板開發(fā)過程很重要。以下是一些基本的PCB設(shè)計布局指南，可用于制定您自己的電路板開發(fā)指南。
布局開始之前
在布局過程開始之前，需要處理幾項任務(wù)以確保設(shè)計成功，首先是要使用的PCB封裝庫。
在為您的PCB布局構(gòu)建庫時，使用行業(yè)標準（例如 IPC）或制造商對封裝尺寸和尺寸的規(guī)范非常重要。然而，個人、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)計中的封裝可能需要比標準數(shù)字設(shè)計更小的焊盤尺寸。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)建的任何庫部件都具有可接受的焊盤圖案尺寸，其間距符合該部件的標準。
PCB封裝需要包含所有必要的元素，例如零件輪廓、絲印標記和參考標志。
一個好的經(jīng)驗法則是確保您的制造商可以在將它們提交到最終設(shè)計之前構(gòu)建您正在設(shè)計的零件。
另一種選擇是使用來自外部CAD庫供應(yīng)商的PCB封裝。零件制造商通常為您的設(shè)計系統(tǒng)預先構(gòu)建了自己的組件，并且一些工具具有瀏覽器來方便地下載這些零件。
電路板輪廓和層堆疊
在開始電路板布局之前，您需要與機械設(shè)計師一起工作以獲得良好的輪廓形狀。盡管設(shè)計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行大量重新設(shè)計以適應(yīng)新形狀。此外，大多數(shù)CAD工具將接受從機械設(shè)計系統(tǒng)導入的數(shù)據(jù)，從而使您的工作更加輕松。但是，即使使用導入的數(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)在布局開始之前完成。同樣，這些可以稍后更改，但對現(xiàn)有電路的潛在影響可能會破壞您的設(shè)計進度和預算。還應(yīng)針對您的特定設(shè)計對板層堆疊進行微調(diào)，以確保為阻抗控制路由和其他信號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)材料的物理特性進行適當?shù)淖呔€寬度和其他設(shè)計計算。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)計師使用其CAD系統(tǒng)隨附的默認設(shè)置工作的情況并不少見。但是，大多數(shù)CAD系統(tǒng)為用戶提供了對顏色、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象的顯示、將一個設(shè)計元素置于另一個之上、設(shè)置網(wǎng)格以及指定布局和布線優(yōu)先選擇項。這些設(shè)置旨在提高您的工作效率，您可以通過預先花時間優(yōu)化設(shè)置來節(jié)省時間。
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、電路板輪廓和其他設(shè)置任務(wù)完成后，設(shè)計就可以開始布局了。此過程的第一步是將 PCB組件封裝放置在電路板上。在電路板上放置組件必須滿足三個主要要求：電路性能、可制造性和可訪問性。
電路性能
高速電路需要將它們的組件盡可能靠近以實現(xiàn)短而直接的信號路徑，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和電源完整性。然而，在某些情況下，這些組件可能需要分開以適應(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法自動組裝，或者可能難以使用自動焊接工藝。較高的芯片組件在較小的部件之前進行波峰焊接會產(chǎn)生陰影效應(yīng)，從而導致焊接連接不良。小芯片組件的兩個焊盤之間不平衡的銅會產(chǎn)生不均勻的加熱，導致一個焊盤的焊料先于另一個焊盤熔化，并將另一側(cè)向上拉離焊盤。
無障礙
電路板通常必須經(jīng)過手動測試和返工，這需要訪問需要處理的部件。如果其他較大的組件掩蓋了這些部件，則可能會使它們的工作更加耗時或?qū)ο噜彶考斐筛綆p害。同樣，連接器、開關(guān)和其他無法訪問的人機界面也會減慢電路板的制造速度。
一個極其重要的指導原則是布局應(yīng)該從開發(fā)板上部件的基本平面圖開始。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。
PCB布局指南：有效的元件放置將導致走線布線
布線的PCB設(shè)計布局指南
對于電路板設(shè)計人員來說，布局他們的電路板以創(chuàng)建可能的較佳信號和電源完整性至關(guān)重要。組件應(yīng)布置在較佳位置，以實現(xiàn)短而直接的走線布線。同時，必須對電路板進行布局，以便所有網(wǎng)絡(luò)都可以完全布線。在高密度設(shè)計中，試圖平衡這些需求可能是一個相當大的挑戰(zhàn)。第一個PCB設(shè)計布局指南是為走線設(shè)置設(shè)計規(guī)則和約束。
設(shè)計規(guī)則和約束
從技術(shù)上講，配置設(shè)計規(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，因此我們在此處包含了此指南。規(guī)則和約束用于控制走線寬度和間距，可以為單個網(wǎng)絡(luò)、稱為網(wǎng)絡(luò)類的網(wǎng)絡(luò)組設(shè)置，或作為所有非指定網(wǎng)絡(luò)的默認設(shè)置。設(shè)計規(guī)則還用于控制為不同的網(wǎng)絡(luò)、走線長度和匹配長度選擇哪些過孔，以及允許哪些板層用于路由特定網(wǎng)絡(luò)和路由拓撲。此外，設(shè)計規(guī)則還用于控制元件間距、絲印規(guī)則、機械間隙和許多其他約束。
信號和電源完整性
為了獲得較佳性能和信號完整性，PCB布局設(shè)計人員需要遵循不同電路布線的特定要求。在這里，設(shè)計規(guī)則和約束將有所幫助——允許設(shè)計人員將物理布線參數(shù)輸入到CAD系統(tǒng)中進行布線。盡管確切值會根據(jù)電路板的需要而變化，但設(shè)計人員通常會設(shè)置規(guī)則以確保遵循以下準則：
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。
匹配長度布線的指定走線長度和長度公差。
差分對走線寬度和間距要求。
時鐘和控制線等敏感信號的寬度和間距。
不同網(wǎng)絡(luò)的過孔類型。
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。
另一個需要記住的重要指導原則是，在混合信號設(shè)計中布線時，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
對于現(xiàn)代高速設(shè)計，較佳接地策略通常是在內(nèi)層上使用一個或多個連續(xù)接地層。這提供了較佳的 EMI 保護并確保清晰的信號路徑，這將提高整體信號完整性。對于由于獨特的電路板輪廓或特征而導致接地平面斷開的區(qū)域，應(yīng)避免在任何接地空隙中布線。如果沒有連續(xù)和相鄰的接地平面供信號用作清晰的返回路徑，您的設(shè)計可能會產(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層相鄰。這將有助于屏蔽高速布線免受干擾，并為信號返回路徑提供良好的參考平面。
需要使用散熱墊并仔細管理與平面的電源和接地連接。緩沖墊輻條必須足夠?qū)捯猿惺芨唠娏鳎瑫r消除這些連接充當散熱器的機會。
仔細規(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電路板上的所有連接部件。
避免在混合信號設(shè)計中同時布線模擬和數(shù)字電路
絲印和PCB測試指南
電路板設(shè)計完成后，是時候?qū)⒆⒁饬D(zhuǎn)向通過清理絲印層和添加測試點來完成布局。參考標志、部件號和其他公司信息通過絲印工藝在電路板上用墨水標記。設(shè)計人員通常在他們的 CAD系統(tǒng)中使用“絲網(wǎng)印刷”層來設(shè)計這些標記。
為確保絲印層標記可讀，設(shè)計人員遵循以下準則：
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。
移動和旋轉(zhuǎn)參考標志，使其易于閱讀。
在需要的地方包括極性和針一標記。
測試點對于將大規(guī)模生產(chǎn)用于自動裝配驗證的電路板至關(guān)重要。設(shè)計中的每個網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該有一個測試點，無論該測試點是現(xiàn)有的通孔引腳、通孔還是添加的表面貼裝測試點焊盤。測試點應(yīng)與其他電路板物體（例如組件或焊盤）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，因此請務(wù)必先檢查制造商的測試點要求是什么。