# PCB设计指南

来源：西安电子科技大学PPT（2018年）

铺铜的具体做法另有专篇：[[pcb-copper-pour|PCB 铺铜设计要点]]。板子做完之后的存放见 [[pcb-storage-box|电路板与元器件存放箱材质选择]]，焊接环节的助焊剂原理与防护见 [[soldering-flux-principle-toxicity|助焊剂工作原理与毒性]]。

其他资料：
- [PCB设计学习 by 嘉立创](https://wiki.lceda.cn/zh-hans/contest/e-contests/basic-training/pcb-design.html)
- [PCB设计与应用 by 中国大学MOOC](https://www.icourse163.org/course/NJCIT-1206691852?tid=1476747486)

PCB：Printed Circuit Board 印刷电路板

## 通用电路

主流PCB设计软件：
1. Altium Designer by Altium
2. Cadence Allegro by Cadence
3. Siemens PADS by Siemens（原Mentor Graphics）
4. KiCad by Open Source Community
5. Autodesk EAGLE by Autodesk
6. LCEDA by 嘉立创

有些电路设计问题的出现和PCB设计息息相关：
- 为什么我的电路仿真OK，实际精度却很差
- 为什么ADC数据的跳动（噪声）那么强烈
- 为什么我的放大器电路会自激或啸叫
- 为什么数字电路总是出现莫名其妙的逻辑错误
- 为什么我的单片机控制板总是死机、跑飞
- 驱动1A的负载，我应该用多粗的导线
- 220V电源入口，绝缘间距取多少合适
- 为什么功率管的焊点总是烧融

### PCB基础知识
一、PCB组成和概念

表面沉金（铅锡）、过孔（Via）、丝印（Overlay）、信号线（Track）、通孔式焊盘（Multilayer Pad）、焊盘（Free Pad）固定孔、焊盘（Pad）表贴式/单面、表贴元件（SMD Component）、隔热盘（Thermal PAD）、铺铜（Polygon）、直插元件（PTH Component）

1）PCB内部结构

双层板：1张芯板（绝缘层、两层铜箔），结构：顶层阻焊层、顶层信号层、绝缘基板、底层信号层、底层阻焊层、丝印层

四层板：1张芯板、2张半固化片、2张铜箔，结构：顶层铜箔、半固化片、芯板（含内电层）、半固化片、底层铜箔

六层板：顶层铜箔、半固化片、第1块芯板、半固化片、第2块芯板、半固化片、底层铜箔，结构：顶层、内层1-地层、内层2-信号层、内层3-电源层、内层4-底层、底层

2）PCB易混淆的概念

1，过孔（Via） & 焊盘（Pad）

过孔只能是圆形的，用来连接其他层的电信号

焊盘可以是圆形、方形、不规格图形，用来放置元器件。焊盘能承受280℃高温不脱落。

2，线（Line）和导线（Track）

线在信号层会导电，不具备电路节点对应关系。不显示不会被推挤移除。任何层都可以画线。

导线具有和原理图对应的网络连接关系，导线带有网标（NetLabel），对应电路图节点。在布线时，导线可以被自动推挤、环绕等。只有在信号层才能画导线。

3，填充（Fill）、区块（Region）和铺铜（Polygon）

- 填充和区块都可以设定是否裸露，是否涂覆焊锡，主要用于绘制大块导电体
- 铺铜，自动填满区域并避让，用于填充PCB剩余部分

二、PCB层（Layer）的分类

1，导电层

- Top Layer 顶信号层
- Bottom Layer 底信号层
- Internal Plane 内层
- Middle Layer 中间层

2，掩模（Mask）层

- Top Overlay 顶丝印层
- Bottom Overlay 底丝印层
- Top Solder 顶阻焊层
- Bottom Solder 底阻焊层
- Top Paste 顶锡浆层
- Bottom Paste 底锡浆层

3，绘图辅助层

- keep-out Layer 禁布层
- Multi-Layer 多层
- Mechanical Layer 机械层
- Drill Layer 钻孔层

三、常用层的功能

1，信号层

对于插件元件来说，顶层是放置元件的，底层是焊接的。

2，内层

Layer：一部分是导电铜箔，一部分是刻蚀绝缘区域

Plane：与Layer反过来，Layer是导电铜箔的部分对Plane来说是刻蚀区域，Layer是绝缘的部分对Plane来说是导电铜箔

Layer适合画信号线，Plane适合画电源层

3，丝印层 Top/Bot Overlay

工艺和用途：
- 采用丝网印刷工艺涂印
- 作为装配图、注释标记、Logo
- 作为切割装配标记
- 局部覆盖，增加绝缘性

4，阻焊层（绿油） Top/Bot Solder

Solder层比焊盘略大一些

工艺和用途：
- Solder层划线部分为裸露金属，空白部分为阻焊层
- 大电流导线可以用Solder层裸露出来加锡加厚

5，锡浆层 Top/Bot Paste

直插元件没有焊膏，表贴元件焊盘上需涂覆锡浆。钢网就是根据Top Solder层制作的

工艺和用途：
- Paste层划线部分为钢网刻孔部分
- 用于SMT工艺刷锡浆
-大电流导线可以用Solder层裸露并加Paste锡浆加厚

6，多层 Multi-Layer

用途：
- 多层上画的实体在每个Layer都有（Plane除外）
- 常用于直插焊盘、过孔等需要穿透每个层
- 用于焊盘时，可定义电镀孔 PTH（Plated Through Hole） 和非电镀孔 UPTH（Non-Plated Through Hole）

7，禁布层 Keep-out Layer

用途：
- 定义电路板边界、切割线
- 定义电路板挖空、开槽位置
- 定义不允许放置导线的位置，布线时会自动避开

8，机械层 Mechanical Layer

用途：
- 根据机械层可以得到外壳的尺寸
- 机械层不带电气禁布功能
- 机械层有14个层，而禁布层是唯一的

四、元件与封装

1）元件符号与封装

同一个电路符号（Part）往往对应着多个封装（FootPrint）。同一个封装，因为安装形式不同（立式、卧式），会衍生出多个子封装。设计时要确认好自己所使用元器件的规格型号（封装尺寸/形式是否正确；管脚顺序是否相符）。

2）封装的焊盘大小

表贴器件焊盘：

- 引脚接触面积正常来说是比焊盘小的。沿长度方向，延长0.5-1.5倍，便于拉锡处理。宽度方向，注意焊盘间距，保证绝缘和涂敷焊膏最小间隙。
- 焊盘小，可节省PCB面积，但只适合回流焊工艺，较难检修。焊盘大，适合手动焊接装配，便于检修但占用PCB面积大。

## 直插器件焊盘设计要点

- **孔环尺寸：** 不能小于最小加工能力，还要考虑钻孔误差
- **承重器件：** 较重、受力、承重的器件，焊盘直径要加粗，避免扯裂焊盘
- **间距不足：** 焊盘加粗时若间距不够，可用椭圆形加粗代替圆形
- **通孔间隙：** 小元件腿与通孔隙之间至少留 0.1mm
- **频繁拆卸：** 需加大通孔，元件腿与孔壁最小间隙 0.2mm 以上
- **紧固件焊盘：** 建议增加一圈过孔，缓解 PCB 形变压力
- **排针孔径：** 孔径不足时拆卸困难，必须留够间隙
- **TO-220：** 孔环直径不足受力易脱落，加大孔环可显著增强附着力

## PCB 工艺概览

**酸性蚀刻法（负片工艺）：**
开料 → 钻孔 → 镀孔 → 涂感光油墨 → 图形转移（曝光） → 显影 → 蚀刻 → 去膜 → 检查

**碱性蚀刻法（正片工艺）：**
开料 → 钻孔 → 镀孔 → 涂感光油墨 → 图形转移（曝光） → 显影 → 电镀锡【抗蚀层】 → 去膜 → 蚀刻 → 去锡 → 检查

**后处理：**
印阻焊（绿油） → 印字符 → 金属表面处理 → 成品成型 → 电测试 → 外观检查 → 包装出货

**工艺极限来源：**

| 限制因素 | 说明 |
| --- | --- |
|---|---|
| 曝光能力 + 腐蚀扩散效应 | 限制最小线宽 |
| 电镀孔工艺 | 限制过孔/焊盘最小内径（PCB越厚，过孔越大） |
| 层间对准误差 + 钻孔位置误差 | 限制焊盘、过孔最小外径 |
| 腐蚀工艺洁净度 | 限制导线间最小间距 |
| 特殊新工艺（激光钻孔、沉积板） | 可达 2mil 极限，但价格昂贵 |

**大部分厂家 1.6mm 双面板加工极限：**

| 类型 | 可靠值 | 一般值 | 极限值 |
| --- | --- | --- | --- |
|---|---|---|---|
| 最小线宽 | 8-10mil | 4-6mil | 2-4mil |
| 最小间距 | 10mil | 6-8mil | 4mil |
| 最小过孔（内径/外径） | (16-20)*(36-40) mil | (12-16)*(24-32) mil | (10-12)/(20-24) mil |

## PCB 设计步骤与规范

**准备工作：** 确定外轮廓 → 绘制外轮廓 → 定好尺寸和螺丝孔 → 定义 PCB 边界轮廓 → 绘制安装孔 → 检查

**设置 LayerStack：** 设置基板和每层材料的介电特性、厚度——后续特征阻抗分析、信号完整性的重要参数。铜箔厚度用 Oz（盎司）表示，1Oz = 35μm。

**准备元件库：** 载入库文件（软件自带库 / 共享库 / 自绘库），检查电路符号和封装是否对应齐全，多重封装器件仔细核对所选封装及管脚顺序。

**原理图绘制：**
- **不要对着封装画原理图符号** ——原理图应便于读图，非追求与实际器件排布一致
- 放置器件：独立器件检查符号正确性、封装对应性、管脚顺序、唯一标号；多单元组合器件（双运放、六反相器等）按单元 ID 逐部分放置；特殊封装自行绘制或下载后入库
- 电气连线：Wire（有电气连接）、Line（无电气连接图示线）、Bus（总线走向指示，无电气连接）、Bus Entry（45度短线，有电气连接）。网标（NetLabel）相同的导线电气连接，电源和地用网标表示。端口（Port）名相同表示电气连接，用于模块/分图
- 自动标注（Auto Annotate）：所有带 ? 的器件可自动编号。注意避免滥用网标

**PCB 布局：**
1. **导入元件封装：** 重点检查通孔尺寸、多脚通用封装的管脚顺序、缺失型号、飞线连接关系。大图分批导入，边画边导边检查
2. **布局总体规划：** 信号流向单向，不交叉不走回头路；输入输出/配置调节尽量靠近板边；大功率器件布局时就要考虑散热，远离温度敏感电路
3. **局部布局：** 同一功能模块归为一类，外包络形状规整；先确定大器件、多管脚器件位置，其余 2-3 腿小元件围绕大器件灵活调整；"一头近原则"——小元件飞线有一头尽量短，飞线交叉会减少很多；相邻小元件间距以能走 1-2 根线为宜；预留标号空间，标号字符放器件轮廓之外；布局时可先隐藏 GND/VCC 等公共网络飞线
4. **整体布局：** 元件整体划一便于贴装；飞线短、交叉少；功能模块划分明确、信号流向清晰。布线空间与飞线密集程度相关。IO 口管脚顺序可灵活调节避免飞线交叉。退耦元件——原理图中集中画在一起，布局时就近放在 IC 附近

**PCB 布线（不要直接使用自动布线）：**
1. **安全间距（Clearance）：** 电压越高间距越大；裸露部分（焊盘/过孔/元件腿）需要更大间距；海拔越高间距越大；低压电路参考制版厂家极限并留余量。通过规则编辑器进行全局设定
2. **线宽（Width）：** 电流越大线越宽；厚板改善对流可降低线宽需求（但仅从温升角度，阻性压降需结合原理考虑）。利用类编辑器和规则编辑器对特殊网络制定线宽规则
3. **过孔尺寸：** 规则编辑器全局设定。大电流过孔计算：查线的横截面 s，孔周长 l = s/0.7 - 1.0mil(18-25μm)，孔径 d = l/π
4. 铺铜连接样式设定
5. 规则进阶——规则编辑器和优先级：Net Class、Pad Class
6. 交互布线工具
7. 常用布线策略：Z字走线、单面走线、单面板

**收尾工作（千万不要相信自己）：**
1. **DRC（Design Rule Check）：** 必查三项——Un-Routed Net（未完成布线网络）、Short-Circuit（不同网络短路）、Clearance（安全间距不足）。建议加查四项——Width、Routing Via Style、Component Clearance、SMD To Corner
2. **其他细节检查：** 表贴元件避免焊盘间连线；避免锐角连线（热应力下易断）；注意标号被遮蔽、焊盘与字符冲突；细小零件避免出线粗细差异（热不均匀导致立碑）；大表贴元件留热风空隙，避免过紧密排布
3. 生成装配图：打印顶丝印层（TopOverlay）即可
4. 准备物料单（BOM）

> 规则检查建立在规则编辑器基础上，不要削足适履通过修改规则来绕过 DRC。

## 电流路径与回流路径分析

**回流路径与环路阻抗：**
- 电流从信号源出发，经信号线到负载，再经回流路径回信号源
- 低频下电阻主导→走电阻最小路径；高频下感抗主导（jωL）→走环路面积最小的路径
- 环路阻抗 = 导线电阻（mΩ）+ 环路感抗（jωL）
- 信号线看似很直很短，但若引入大的环路感抗，高频性能仍会劣化
- 多路信号线的环路之间互感会造成相互干扰
- 接地概念被改变：原理图上接地标记无法表示回流路径，会误导版图设计；电源在交流等效接地，VCC/VDD/VEE 也可作为 AC 回流路径

**降低回流路径阻抗的意义与方法：**
- **意义：** 减小回路感抗（减小回流环路面积）；减少信号交叉干扰（为每个前向信号配置就近回流路径，降低环路间互感）
- **方法：** 不要怕信号线长、不要怕曲折，但要提供环路面积小的回流路径；入门方案：使用地线网格能明显降低环路面积；更优方案：低阻抗平面——在布线区域保留完整的导电平面，在其上方任意走线，电流都能自动找到最小环路回流路径（信号线正下方）。实例：柔性 PCB 排线、多层板电源层

**低阻抗平面的割裂问题：**
- 信号线跨过割裂缝时，回流路径被迫绕行，环路面积剧增
- 需缝补割裂缝以恢复连续回流路径

**回流路径跨层处理：**
- 多层板信号切换层时，回流路径也随之跨越低阻抗平面。若内层平面分属不同网络，回流路径被切断
- 处理方案：在信号换层过孔附近增加一枚高频电容，作为回流路径的跨层通路

**小结：**
1. 信号的回流路径往往比前向路径更重要
2. 信号趋向于走阻抗（电阻+电抗）最小的路径回流
3. 高频下环路感抗起决定作用，前向和回流路径的环路面积决定了感抗
4. 完整的低阻抗平面能有效减小环路阻抗
5. 回流路径若被切断，要通过各种手段缝补使之连通

## 高速电路