我們開(kāi)始新設計時(shí)，因為將大部分時(shí)間都花在了電路設計和元件的選擇上，在 PCB 布局布線(xiàn)階段往往會(huì )因為經(jīng)驗不足，考慮不夠周全。

如果沒(méi)有為 PCB 布局布線(xiàn)階段的設計提供充足的時(shí)間和精力，可能會(huì )導致設計從數字領(lǐng)域轉化為物理現實(shí)的時(shí)候，在制造階段出現問(wèn)題，或者在功能方面產(chǎn)生缺陷。

那么設計一個(gè)在紙上和物理形式上都真實(shí)可靠的電路板的關(guān)鍵是什么？

讓我們探討設計一個(gè)可制造，功能可靠的 PCB 時(shí)需要了解以下6個(gè) PCB 設計指南。

1. 微調你的元件布置

PCB 布局過(guò)程的元件放置階段既是科學(xué)又是藝術(shù)，需要對電路板上可用的主要元器件進(jìn)行戰略性考慮。雖然這個(gè)過(guò)程可能具有挑戰性，但你放置電子元件的方式將決定你的電路板的制造難易程度，以及它如何滿(mǎn)足你的原始設計要求。

雖然存在元件放置的常規通用順序，如按順序依次放置連接器，印刷電路板的安裝器件，電源電路，精密電路，關(guān)鍵電路等，但也有一些具體的指導方針需要牢記，包括：

取向 - 確保將相似的元件定位在相同的方向上，這將有助于實(shí)現高效且無(wú)差錯的焊接過(guò)程。

布置 - 避免將較小元件放置在較大元件的后面，這樣小元件有可能受大元件焊接的影響而產(chǎn)生裝貼問(wèn)題。

組織 - 建議將所有表面貼裝（SMT）元件放置在電路板的同一側，并將所有通孔（TH）元件放置在電路板頂部，以盡量減少組裝步驟。

最后還要注意的一條 PCB 設計指南 - 即當使用混合技術(shù)元件（通孔和表面貼裝元件）時(shí)，制造商可能需要額外的工藝來(lái)組裝電路板，這將增加你的總體成本。

良好的芯片元件方向(左)和不良的芯片元件方向

良好的元件布置(左)和不良元件布置(右)

2.合適放置電源，接地和信號走線(xiàn)

放置元件后，接下來(lái)可以放置電源，接地和信號走線(xiàn)，以確保你的信號具有干凈無(wú)故障的通行路徑。在布局過(guò)程的這個(gè)階段，請記住以下一些準則：

1）定位電源和接地平面層

始終建議將電源和接地平面層置于電路板內部，同時(shí)保持對稱(chēng)和居中。這有助于防止你的電路板彎曲，這也關(guān)系到你的元件是否正確定位。

對于給 IC 供電，建議為每路電源使用公共通道，確保有堅固并且穩定的走線(xiàn)寬度，并且避免元件到元件之間的菊花鏈式電源連接。

2）信號線(xiàn)走線(xiàn)連接

接下來(lái)，按照原理圖中的設計情況連接信號線(xiàn)。建議在元件之間始終采取盡可能短的路徑和直接的路徑走線(xiàn)。

如果你的元件需要毫無(wú)偏差地固定放置在水平方向，那么建議在電路板的元件出線(xiàn)的地方基本上水平走線(xiàn)，而出線(xiàn)之后再進(jìn)行垂直走線(xiàn)。

這樣在焊接的時(shí)候隨著(zhù)焊料的遷徙，元件會(huì )固定在水平方向。如下圖上半部分所示。而下圖下半部分的信號走線(xiàn)方式，在焊接的時(shí)候隨著(zhù)焊料的流動(dòng)，有可能會(huì )造成元件的偏轉。

建議的布線(xiàn)方式 (箭頭指示焊料流動(dòng)方向)

不建議的布線(xiàn)方式 (箭頭指示焊料流動(dòng)方向) 

3）定義網(wǎng)絡(luò )寬度

你的設計可能需要不同的網(wǎng)絡(luò )，這些網(wǎng)絡(luò )將承載各種電流，這將決定所需的網(wǎng)絡(luò )寬度?？紤]到這一基本要求，建議為低電流模擬和數字信號提供 0.010’’(10mil）寬度。當你的線(xiàn)路電流超過(guò) 0.3 安培時(shí)，它應該進(jìn)行加寬。這里有一個(gè)免費的線(xiàn)路寬度計算器，使這個(gè)換算過(guò)程變得簡(jiǎn)單。

3. 有效隔離

你可能已經(jīng)體驗到電源電路中的大電壓和電流尖峰如何干擾你的低壓電流的控制電路。要盡量減少此類(lèi)干擾問(wèn)題，請遵循以下準則：隔離 - 確保每路電源都保持電源地和控制地分開(kāi)。如果你必須將它們在 PCB 中連接在一起，請確保它盡可能地靠近電源路徑的末端。

布置 - 如果你已在中間層放置了地平面，請確保放置一個(gè)小阻抗路徑，以降低任何電源電路干擾的風(fēng)險，并幫助保護你的控制信號?？梢宰裱嗤臏蕜t，以保持你的數字和模擬的分開(kāi)。

耦合 - 為了減少由于放置了大的地平面以及在其上方和下方走線(xiàn)的電容耦合，請嘗試僅通過(guò)模擬信號線(xiàn)路交叉模擬地。

元件隔離示例（數字和模擬）

4. 解決熱量問(wèn)題

你是否曾因熱量問(wèn)題而導致電路性能的降低甚至電路板損壞？由于沒(méi)有考慮散熱，出現過(guò)很多問(wèn)題困擾許多設計者。這里有一些指導要記住，以幫助解決散熱問(wèn)題：

1）識別麻煩的元件 

第一步是開(kāi)始考慮哪些元件會(huì )耗散電路板上的最多熱量。這可以通過(guò)首先在元件的數據表中找到“熱阻”等級，然后按照建議的指導方針來(lái)轉移產(chǎn)生的熱量來(lái)實(shí)現。當然，可以添加散熱器和冷卻風(fēng)扇以保持元件溫度下降，并且還要記住使關(guān)鍵元件遠離任何高熱源。

2）添加熱風(fēng)焊盤(pán) 

添加熱風(fēng)焊盤(pán)對于生產(chǎn)可制造的電路板非常有用，它們對于高銅含量元件和多層電路板上的波峰焊接應用至關(guān)重要。由于難以保持工藝溫度，因此始終建議在通孔元件上使用熱風(fēng)焊盤(pán)，以便通過(guò)減慢元件管腳處的散熱速率，使焊接過(guò)程盡可能簡(jiǎn)單。

作為一般準則，始終對連接到地平面或電源平面的任何通孔或過(guò)孔使用熱風(fēng)焊盤(pán)方式連接。除了熱風(fēng)焊盤(pán)外，你還可以在焊盤(pán)連接線(xiàn)的位置添加淚滴，以提供額外的銅箔/金屬支撐。這將有助于減少機械應力和熱應力。

典型的熱風(fēng)焊盤(pán)連接方式

5. 熱風(fēng)焊盤(pán)科普

許多工廠(chǎng)內負責制程(Process)或是 SMT 技術(shù)的工程師經(jīng)常會(huì )碰到電路板元件發(fā)生空焊(solder empty)、假焊(de-wetting)或冷焊(cold solder)等等這類(lèi)焊不上錫(non-wetting)的不良問(wèn)題，不論制程條件怎么改或是回流焊的爐溫再怎么調，就是有一定焊不上錫的比率。這究竟是怎么回事？

撇開(kāi)元件及電路板氧化的問(wèn)題，究其根因后發(fā)現有很大部分這類(lèi)的焊接不良其實(shí)都來(lái)自于電路板的布線(xiàn)(layout)設計缺失，而最常見(jiàn)的就是在元件的某幾個(gè)焊腳上連接到了大面積的銅皮，造成這些元件焊腳經(jīng)過(guò)回流焊后發(fā)生焊接不良，有些手焊元件也可能因為相似情形而造成假焊或包焊的問(wèn)題，有些甚至因為加熱過(guò)久而把元件給焊壞掉。

一般 PCB 在電路設計時(shí)經(jīng)常需要鋪設大面積的銅箔來(lái)當作電源(Vcc、Vdd 或 Vss)與接地(GND，Ground)之用。這些大面積的銅箔一般會(huì )直接連接到一些控制電路(IC)及電子元件的管腳。

不幸的是如果我們想要將這些大面積的銅箔加熱到融錫的溫度時(shí)，比起獨立的焊墊通常需要花比較多的時(shí)間（就是加熱會(huì )比較慢），而且散熱也比較快。當這樣大面積的銅箔布線(xiàn)一端連接在小電阻、小電容這類(lèi) 小元器件，而另一端不是時(shí)，就容易因為融錫及凝固的時(shí)間不一致而發(fā)生焊接問(wèn)題；

如果回流焊的溫度曲線(xiàn)又調得不好，預熱時(shí)間不足時(shí)，這些連接在大片銅箔的元件焊腳就容易因為達不到融錫溫度而造成虛焊的問(wèn)題。

人工焊接（Hand Soldering）時(shí)，這些連接在大片銅箔的元件焊腳則會(huì )因為散熱太快，而無(wú)法在規定時(shí)間內完成焊接。

最常見(jiàn)到的不良現象就是包焊、虛焊，焊錫只有焊在元件的焊腳上而沒(méi)有連接到電路板的焊盤(pán)。從外觀(guān)看起來(lái)，整個(gè)焊點(diǎn)會(huì )形成一個(gè)球狀；更甚者，作業(yè)員為了要把焊腳焊上電路板而不斷調高烙鐵的溫度，或是加熱過(guò)久，以致造成元件超過(guò)耐熱溫度而毀損而不自知。如下圖所示。

包焊、冷焊或虛焊

既然知道了問(wèn)題點(diǎn)就可以有解決的方法，一般我們都會(huì )要求采用所謂 Thermal Relief pad（熱風(fēng)焊墊）設計來(lái)解決這類(lèi)因為大片銅箔連接元件焊腳所造成的焊接問(wèn)題。

如下圖所示，左邊的布線(xiàn)沒(méi)有采用熱風(fēng)焊盤(pán)，而右邊的布線(xiàn)則已經(jīng)采用了熱風(fēng)焊盤(pán)的連接方式，可以看到焊盤(pán)與大片銅箔的接觸面積只剩下幾條細小的線(xiàn)路，這樣就可以大大限制焊墊上溫度的流失，達到較佳的焊接效果。

采用 Thermal Relief pad（熱風(fēng)焊墊）對比

6. 檢查你的工作

當你馬不停蹄地哼哧哼哧地將所有的部分組合在一起進(jìn)行制造時(shí)，很容易在設計項目結束時(shí)才發(fā)現問(wèn)題，不堪重負。因此，在此階段對你的設計工作進(jìn)行雙重和三重檢查可能意味著(zhù)制造是成功還是失敗。

為了幫助完成質(zhì)量控制過(guò)程，我們始終建議你從電氣規則檢查（ERC）和設計規則檢查（DRC）開(kāi)始，以驗證你的設計是否完全滿(mǎn)足所有的規則及約束。使用這兩個(gè)系統，你可以輕松進(jìn)行間隙寬度，線(xiàn)寬，常見(jiàn)制造設置，高速要求和短路等等方面的檢查。

當你的 ERC 和 DRC 產(chǎn)生無(wú)差錯的結果時(shí)，建議你檢查每個(gè)信號的布線(xiàn)情況，從原理圖到 PCB，一次檢查一條信號線(xiàn)的方式仔細確認你沒(méi)有遺漏任何信息。另外，使用你的設計工具的探測和屏蔽功能，以確保你的 PCB 布局材料與你的原理圖相匹配。

仔細檢查你的設計，PCB 和約束規則

7.結語(yǔ)

當你掌握了PCB 設計師都需要知道的這幾個(gè)設計指南，通過(guò)遵循這些建議，你將很快就能夠得心應手地設計出功能強大且可制造的電路板，并擁有真正優(yōu)質(zhì)的印刷電路板。

良好的 PCB 設計實(shí)踐對于成功至關(guān)重要，這些設計規則為構建和鞏固所有設計實(shí)踐中持續改進(jìn)的實(shí)踐經(jīng)驗奠定了基礎。

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