PCB板基础知识、布局原则、布线技巧、设计规则

PCB板基础知识

一、PCB板的元素

1、  工作层面

对于印制电路板来说，工作层面可以分为6大类，

信号层 （signal layer）

内部电源/接地层 （internal plane layer）

机械层（mechanical layer）     主要用来放置物理边界和放置尺寸标注等信息，起到相应的提示作用。EDA软件可以提供16层的机械层。

防护层（mask layer）            包括锡膏层和阻焊层两大类。锡膏层主要用于将表面贴元器件粘贴在PCB上，阻焊层用于防止焊锡镀在不应该焊接的地方。

丝印层（silkscreen layer）       在PCB板的TOP和BOTTOM层表面绘制元器件的外观轮廓和放置字符串等。例如元器件的标识、标称值等以及放置厂家标志，生产日期等。同时也是印制电路板上用来焊接元器件位置的依据，作用是使PCB板具有可读性，便于电路的安装和维修。

其他工作层（other layer）      禁止布线层 Keep Out Layer

钻孔导引层  drill guide layer

钻孔图层    drill drawing layer

复合层      multi-layer

2、  元器件封装

是实际元器件焊接到PCB板时的焊接位置与焊接形状，包括了实际元器件的外形尺寸，所占空间位置，各管脚之间的间距等。

元器件封装是一个空间的功能，对于不同的元器件可以有相同的封装，同样相同功能的元器件可以有不同的封装。因此在制作PCB板时必须同时知道元器件的名称和封装形式。

（1）       元器件封装分类

通孔式元器件封装（THT，through hole technology）

表面贴元件封装 （SMT  Surface  mounted  technology ）

另一种常用的分类方法是从封装外形分类： SIP单列直插封装

DIP双列直插封装

PLCC塑料引线芯片载体封装

  PQFP塑料四方扁平封装

SOP  小尺寸封装

TSOP薄型小尺寸封装

PPGA 塑料针状栅格阵列封装

PBGA 塑料球栅阵列封装

CSP  芯片级封装

(2) 元器件封装编号

编号原则：元器件类型+引脚距离（或引脚数）+元器件外形尺寸

例如 AXIAL-0.3   DIP14   RAD0.1   RB7.6-15  等。

（3、  铜膜导线 是指PCB上各个元器件上起电气导通作用的连线，它是PCB设计中最重要的部分。对于印制电路板的铜膜导线来说，导线宽度和导线间距是衡量铜膜导线的重要指标，这两个方面的尺寸是否合理将直接影响元器件之间能否实现电路的正确连接关系。

印制电路板走线的原则：

◆走线长度：尽量走短线，特别对小信号电路来讲，线越短电阻越小，干扰越小。

◆走线形状：同一层上的信号线改变方向时应该走135°的斜线或弧形，避免90°的拐角。

◆走线宽度和走线间距：在PCB设计中，网络性质相同的印制板线条的宽度要求尽量一致，这样有利于阻抗匹配。

走线宽度    通常信号线宽为： 0.2～0.3mm，(10mil)

电源线一般为1.2～2.5mm  在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线

焊盘、线、过孔的间距要求  

PAD and VIA　： ≥ 0.3mm（12mil）
PAD and PAD　： ≥ 0.3mm（12mil）
PAD and TRACK　： ≥ 0.3mm（12mil）
TRACK and TRACK　： ≥ 0.3mm（12mil）
密度较高时：
PAD and VIA　： ≥ 0.254mm（10mil）
PAD and PAD　： ≥ 0.254mm（10mil）
PAD and TRACK　： ≥　0.254mm（10mil）
TRACK and TRACK　： ≥　0.254mm（10mil）

4、  焊盘和过孔

引脚的钻孔直径=引脚直径+（10~30mil）

引脚的焊盘直径=钻孔直径+18mil

PCB布局原则

1、 根据结构图设置板框尺寸，按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的器件，并给这些器件赋予不可移动属性。 按工艺设计规范的要求进行尺寸标注。
2. 根据结构图和生产加工时所须的夹持边设置印制板的禁止布线区、禁止布局区域。根据某些元件的特殊要求，设置禁止布线区。
3. 综合考虑PCB性能和加工的效率选择加工流程。

加工工艺的优选顺序为：元件面单面贴装——元件面贴、插混装（元件面插装焊接面贴装一次波峰成型）——双面贴装——元件面贴插混装、焊接面贴装。

4、布局操作的基本原则
A. 遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局．
B. 布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件．
C. 布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分．
D. 相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局；
E. 按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局；
F. 器件布局栅格的设置，一般IC器件布局时，栅格应为50--100 mil,小型表面安装器件，如表面贴装元件布局时，栅格设置应不少于25mil。
G. 如有特殊布局要求，应双方沟通后确定。
5. 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。
6. 发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。
7. 元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件、需调试的元、器件周围要有足够的空间。
8. 需用波峰焊工艺生产的单板，其紧固件安装孔和定位孔都应为非金属化孔。当安装孔需要接地时, 应采用分布接地小孔的方式与地平面连接。
9. 焊接面的贴装元件采用波峰焊接生产工艺时，阻、容件轴向要与波峰焊传送方向垂直， 阻排及SOP（PIN间距大于等于1.27mm）元器件轴向与传送方向平行；PIN间距小于1.27mm（50mil)的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用波峰焊焊接。
10. BGA与相邻元件的距离>5mm。其它贴片元件相互间的距离>0.7mm；贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；有压接件的PCB，压接的接插件周围5mm内不能有插装元、器件，在焊接面其周围5mm内也不能有贴装元、器件。
11. IC去耦电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。
12. 元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于将来的电源分隔。
13. 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根据其属性合理布置。
串联匹配电阻的布局要靠近该信号的驱动端，距离一般不超过500mil。
匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与终端，对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹配。
14. 布局完成后打印出装配图供原理图设计者检查器件封装的正确性，并且确认单板、背板和接插件的信号对应关系，经确认无误后方可开始布线。

布线

布线是整个PCB设计中最重要的工序。这将直接影响着PCB板的性能好坏。在PCB的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：首先是布通，这时PCB设计时的最基本的要求。如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将是一块不合格的板子，可以说还没入门。其次是电器性能的满足。这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电器性能。接着是美观。假如你的布线布通了，也没有什么影响电器性能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算你的电器性能怎么好，在别人眼里还是垃圾一块。这样给测试和维修带来极大的不便。布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末了。布线时主要按以下原则进行：
　　　①．一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm，最细宽度可达0.05～0.07mm，电源线一般为1.2～2.5mm。对数字电路的 PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用（模拟电路的地则不能这样使用）
　　　②． 预先对要求比较严格的线（如高频线）进行布线，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，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。
　　　③． 振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零；
　　　④． 尽可能采用45o的折线布线，不可使用90o折线，以减小高频信号的辐射；（要求高的线还要用双弧线）
　　　⑤． 任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小；信号线的过孔要尽量少；
　　　⑥． 关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地。
　　　⑦． 通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线-信号-地线”的方式引出。
　　　⑧． 关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用
　　　⑨．原理图布线完成后，应对布线进行优化；同时，经初步网络检查和DRC检查无误后，对未布线区域进行地线填充，用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。

Alitum Designer的PCB板布线规则

  对于PCB的设计， AD提供了详尽的10种不同的设计规则，这些设计规则则包括导线放置、导线布线方法、元件放置、布线规则、元件移动和信号完整性等规则。根据这些规则， Protel DXP进行自动布局和自动布线。很大程度上，布线是否成功和布线的质量的高低取决于设计规则的合理性，也依赖于用户的设计经验。

对于具体的电路可以采用不同的设计规则，如果是设计双面板，很多规则可以采用系统默认值，系统默认值就是对双面板进行布线的设置。

  本章将对Protel DXP的布线规则进行讲解。

6.1 设计规则设置

进入设计规则设置对话框的方法是在PCB电路板编辑环境下，从Protel DXP的主菜单中执行菜单命令Desing/Rules ……，系统将弹出如图6-1所示的PCB Rules and Constraints Editor(PCB设计规则和约束 ) 对话框。

图6-1 PCB设计规则和约束对话框

该对话框左侧显示的是设计规则的类型，共分10类。左边列出的是Desing Rules( 设计规则 ) ，其中包括Electrical （电气类型）、 Routing （布线类型）、 SMT （表面粘着元件类型）规则等等，右边则显示对应设计规则的设置属性。

该对话框左下角有按钮Priorities ，单击该按钮，可以对同时存在的多个设计规则设置优先权的大小。

对这些设计规则的基本操作有：新建规则、删除规则、导出和导入规则等。可以在左边任一类规则上右击鼠标，将会弹出如6-2所示的菜单。

在该设计规则菜单中， New Rule是新建规则； Delete Rule是删除规则； Export Rules是将规则导出，将以 .rul为后缀名导出到文件中； Import Rules是从文件中导入规则； Report ……选项，将当前规则以报告文件的方式给出。 图6 — 2设计规则菜单

下面，将分别介绍各类设计规则的设置和使用方法。

6.2 电气设计规则

Electrical （电气设计）规则是设置电路板在布线时必须遵守，包括安全距离、短路允许等4个小方面设置。

1 ． Clearance （安全距离）选项区域设置

安全距离设置的是PCB 电路板在布置铜膜导线时，元件焊盘和焊盘之间、焊盘和导线之间、导线和导线之间的最小的距离。

下面以新建一个安全规则为例，简单介绍安全距离的设置方法。

（ 1 ）在Clearance上右击鼠标，从弹出的快捷菜单中选择New Rule ……选项，如图6-3所示。

图6-3 新建规则

系统将自动当前设计规则为准，生成名为Clearance_1的新设计规则，其设置对话框如图6-4所示。

图6-4 新建Clearance_1设计规则

（ 2 ）在Where the First object matches选项区域中选定一种电气类型。在这里选定Net单选项，同时在下拉菜单中选择在设定的任一网络名。在右边Full Query中出现InNet （ ）字样，其中括号里也会出现对应的网络名。

（ 3 ）同样的在where the Second object matches选项区域中也选定Net单选项，从下拉菜单中选择另外一个网络名。

（ 4 ）在Constraints选项区域中的Minimum Clearance文本框里输入8mil 。这里Mil为英制单位， 1mil=10 -3 inch, linch= 2.54cm 。文中其他位置的mil也代表同样的长度单位。

（ 5 ）单击Close按钮，将退出设置，系统自动保存更改。

设计完成效果如图6-5所示。

图6-5 设置最小距离

2 ． Short Circuit （短路）选项区域设置

短路设置就是否允许电路中有导线交叉短路。设置方法同上，系统默认不允许短路，即取消Allow Short Circuit复选项的选定，如图6- 6所示。

图6-6 短路是否允许设置

3 ． Un-Routed Net （未布线网络）选项区域设置

可以指定网络、检查网络布线是否成功，如果不成功，将保持用飞线连接。

4 ． Un-connected Pin （未连接管脚）选项区域设置

对指定的网络检查是否所有元件管脚都连线了。

6.3 布线设计规则

Routing （布线设计）规则主要有如下几种。

1 ． Width （导线宽度）选项区域设置

导线的宽度有三个值可以供设置，分别为Max width （最大宽度）、 Preferred Width （最佳宽度）、 Min width （最小宽度）三个值，如图6-7所示。系统对导线宽度的默认值为10mil ，单击每个项直接输入数值进行更改。这里采用系统默认值10mil设置导线宽度。

图6 -7 设置导线宽度

2. Routing Topology （布线拓扑）选项区域设置

拓扑规则定义是采用的布线的拓扑逻辑约束。 Protel DXP中常用的布线约束为统计最短逻辑规则，用户可以根据具体设计选择不同的布线拓扑规则。 Protel DXP提供了以下几种布线拓扑规则。

Shortest ( 最短 ) 规则设置

最短规则设置如图6-8所示，从Topology下拉菜单中选择Shortest选项，该选项的定义是在布线时连接所有节点的连线最短规则。

图6 -8 最短拓扑逻辑

Horizontal （水平）规则设置

水平规则设置如图6- 9所示，从Topoogy下拉菜单中选择Horizontal选基。它采用连接节点的水平连线最短规则。

图6-9 水平拓扑规则

Vertical （垂直）规则设置

垂直规则设置如图6-10所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择Vertical选项。它采和是连接所有节点，在垂直方向连线最短规则。

图 6-10 垂直拓扑规则

Daisy Simple （简单雏菊）规则设置

简单雏菊规则设置如图 6-11所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择Daisy simple选项。它采用的是使用链式连通法则，从一点到另一点连通所有的节点，并使连线最短。

图 6-11简单雏菊规则

Daisy-MidDriven （雏菊中点）规则设置

雏菊中点规则设置如图6-12所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择Daisy_MidDiven选项。该规则选择一个Source （源点），以它为中心向左右连通所有的节点，并使连线最短。

图 6-12雏菊中点规则

Daisy Balanced （雏菊平衡）规则设置

雏菊平衡规则设置如图6-13所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择Daisy Balanced选项。它也选择一个源点，将所有的中间节点数目平均分成组，所有的组都连接在源点上，并使连线最短。

图 6-13雏菊平衡规则

Star Burst （星形）规则设置

星形规则设置如图6-14所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择Star Burst选项。该规则也是采用选择一个源点，以星形方式去连接别的节点，并使连线最短。

图 6-14 Star Burst （星形）规则

3. Routing Rriority （布线优先级别）选项区域设置

该规则用于设置布线的优先次序，设置的范围从0~100 ，数值越大，优先级越高，如图6-15所示。

图 6-15 布线优先级设置

4. Routing Layers （布线图）选殴区域设置

该规则设置布线板导的导线走线方法。包括顶层和底层布线层，共有32个布线层可以设置，如图6-16所示。

图 6-16 布线层设置

由于设计的是双层板，故Mid-Layer 1到Mid-Layer30都不存在的，该选项为灰色不能使用，只能使用Top Layer和Bottom Layer两层。每层对应的右边为该层的布线走法。

Prote DXP提供了11种布线走法，如图6 -17所示。

图 6-17 11 种布线法

各种布线方法为： Not Used该层不进行布线； Horizontal该层按水平方向布线 ;Vertical该层为垂直方向布线； Any该层可以任意方向布线； Clock该层为按一点钟方向布线； Clock该层为按两点钟方向布线； Clock该层为按四点钟方向布线； Clock该层为按五点钟方向布线； 45Up该层为向上45 °方向布线、 45Down该层为向下 45 °方法布线； Fan Out该层以扇形方式布线。

对于系统默认的双面板情况，一面布线采用 Horizontal 方式另一面采用 Vertical 方式。

5 ． Routing Corners （拐角）选项区域设置

布线的拐角可以有45 °拐角、 90 °拐角和圆形拐角三种，如图6－18所示。

图 6－18 拐角设置

从Style上拉菜单栏中可以选择拐角的类型。如图6 －16中Setback文本框用于设定拐角的长度。 To文本框用于设置拐角的大小。对于90 °拐角如图6－19所示，圆形拐角设置如图6－20所示。

图 6－19 90 °拐角设置

图 6－20 圆形拐角设置

6 ． Routing Via Style （导孔）选项区域设置

该规则设置用于设置布线中导孔的尺寸，其界面如图6－21所示。

图 6 －21 导孔设置

可以调协的参数有导孔的直径via Diameter和导孔中的通孔直径Via Hole Size ，包括Maximum （最大值）、 Minimum （最小值）和Preferred （最佳值）。设置时需注意导孔直径和通孔直径的差值不宜过小，否则将不宜于制板加工。合适的差值在10mil以上。

6.4 阻焊层设计规则

Mask （阻焊层设计）规则用于设置焊盘到阻焊层的距离，有如下几种规则。

1 ． Solder Mask Expansion （阻焊层延伸量）选项区域设置

该规则用于设计从焊盘到阻碍焊层之间的延伸距离。在电路板的制作时，阻焊层要预留一部分空间给焊盘。这个延伸量就是防止阻焊层和焊盘相重叠，如图6 — 22所示系统默认值为4mil,Expansion设置预为设置延伸量的大小。

图 6 — 22 阻焊层延伸量设置

2 ． Paste Mask Expansion （表面粘着元件延伸量）选项区域设置

该规则设置表面粘着元件的焊盘和焊锡层孔之间的距离，如图6 — 23所示，图中的Expansion设置项为设置延伸量的大小。

图 6 — 23 表面粘着元件延伸量设置

6.5 内层设计规则

Plane （内层设计）规则用于多层板设计中，有如下几种设置规则。

1 ． Power Plane Connect Style （电源层连接方式）选项区域设置

电源层连接方式规则用于设置导孔到电源层的连接，其设置界面如图6 — 24所示。

图 6 — 24 电源层连接方式设置

图中共有5项设置项，分别是：

?  Conner Style 下拉列表：用于设置电源层和导孔的连接风格。下拉列表中有 3 个选项可以选择： Relief Connect （发散状连接）、 Direct connect （直接连接）和 No Connect （不连接）。工程制板中多采用发散状连接风格。

?  Condctor Width 文本框：用于设置导通的导线宽度。

?  Conductors 复选项：用于选择连通的导线的数目，可以有 2 条或者 4 条导线供选择。

?  Air-Gap 文本框：用于设置空隙的间隔的宽度。

?  Expansion 文本框：用于设置从导孔到空隙的间隔之间的距离。

2. Power Plane Clearance （电源层安全距离）选项区域设置

该规则用于设置电源层与穿过它的导孔之间的安全距离，即防止导线短路的最小距离，设置界面如图6 — 25所示，系统默认值20mil。

图 6 — 25 电源层安全距离设置

3 ． Polygon Connect style （敷铜连接方式）选项区域设置

该规则用于设置多边形敷铜与焊盘之间的连接方式，设置界面如图6 — 26所示。

图 6 — 26 敷铜连接方式设置

该设置对话框中Connect Style 、 Conductors和Conductor width的设置与Power Plane Connect Style选项设置意义相同，在此不同志赘述。

最后可以设定敷铜与焊盘之间的连接角度，有90angle(90 ° ) 和45Angle （ 45 °）角两种方式可选。

6.6 测试点设计规则

Testpiont （测试点设计）规则用于设计测试点的形状、用法等，有如下几项设置。

1 ． Testpoint Style （测试点风格）选项区域设置

该规则中可以指定测试点的大小和格点大小等，设置界面如图6 — 27所示。

图 6 — 27 测试点风格设置

该设置对话框有如下选项：

?  Size文本框为测试点的大小， Hole Size文本框为测试点的导孔的大小，可以指定Min （最小值）、 Max （最大值）和 Preferred （最优值）。

?  Grid Size文本框：用于设置测试点的网格大小。系统默认为1mil大小。

?  Allow testpoint under component 复选项：用于选择是否允许将测试点放置在元件下面。复选项Top 、 Bottom等选择可以将测试点放置在哪些层面上。

右边多项复选项设置所允许的测试点的放置层和放置次序。系统默认为所有规则都选中。

2 ． Testpoint Usage （测试点用法）选项区域设置

测试点用法设置的界面如图6 — 28所示。

图 6 — 28 测试点用法设置

该设置对话框有如下选项：

Allow multiple testpoints on same net复选项：用于设置是否可以在同一网络上允许多个测试点存在。
Testpoint 选项区域中的单选项选择对测试点的处理，可以是Required ( 必须处理 ) 、 Invalid （无效的测试点）和 Don't care （可忽略的测试点）。

6.7 电路板制板规则

Manufacturing （电路板制板）规则用于对电路板制板的设置，有如下几类设置：

1. Minimum annular Ring （最小焊盘环宽）选项区域设置

电路板制作时的最小焊盘宽度，即焊盘外直径和导孔直径之间的有效期值，系统默认值为10 mil。

2 ． Acute Angle （导线夹角设置）选项区域设置

对于两条铜膜导线的交角，不小于90 °。

3 ． Hole size （导孔直径设置）选项区域设置

该规则用于设置导孔的内直径大小。可以指定导孔的内直径的最大值和最小值。

Measurement Method下拉列表中有两种选项： Absolute以绝对尺寸来设计， Percent以相对的比例来设计。采用绝对尺寸的导孔直径设置对话框如图6 — 29所示（以mil为单位）。

图 6 — 29 导孔直径设置对话框

4 ． Layers Pais （使用板层对）选项区域设置

在设计多层板时，如果使用了盲导孔，就要在这里对板层对进行设置。对话框中的复选取项用于选择是否允许使用板层对（ layers pairs ）设置。

本章中，对Protel DXP提供的10种布线规则进行了介绍，在设计规则中介绍了每条规则的功能和设置方法。这些规则的设置属于电路设计中的较高级的技巧，它设计到很多算法的知识。掌握这些规则的设置，就能设计出高质量的PCB电路。

数字和模拟范围确定后，谨慎布线对获得成功的PCB是至关重要的。尤其是有源数字走线靠近高阻抗模拟走线时，会引起严重的耦合噪声，这只能通过增加走线之间的距离来避免。

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