PCB设计规范.docx
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PCB设计规范
PCB设计规范
1 概述
本文档的目的在于说明使用PADS的印制板设计软件PowerPCB进行印制板设计的流程和一些注意事项，为一个工作组的设计人员提供设计规范，方便设计人员之间进行交流和相互检查。
2 设计流程
PCB的设计流程分为网表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查、输出六个步骤。
2.1 网表输入
网表输入有两种方法，一种是使用PowerLogic的OLE PowerPCB Connection功能，选择Send Netlist，应用OLE功能，可以随时保持原理图和PCB图的一致，尽量减少出错的可能。
另一种方法是直接在PowerPCB中装载网表，选择File->Import，将原理图生成的网表输入进来。
2.2 规则设置
如果在原理图设计阶段就已经把PCB的设计规则设置好的话，就不用再进行设置这些规则了，因为输入网表时，设计规则已随网表输入进PowerPCB了。
如果修改了设计规则，必须同步原理图，保证原理图和PCB的一致。
除了设计规则和层定义外，还有一些规则需要设置，比如Pad Stacks，需要修改标准过孔的大小。
如果设计者新建了一个焊盘或过孔，一定要加上Layer 25。
注意：
PCB设计规则、层定义、过孔设置、CAM输出设置已经作成缺省启动文件，名称为Default.stp，网表输入进来以后，按照设计的实际情况，把电源网络和地分配给电源层和地层，并设置其它高级规则。
在所有的规则都设置好以后，在PowerLogic中，使用OLE PowerPCB Connection的Rules From PCB功能，更新原理图中的规则设置，保证原理图和PCB图的规则一致。
2.3 元器件布局
网表输入以后，所有的元器件都会放在工作区的零点，重叠在一起，下一步的工作就是把这些元器件分开，按照一些规则摆放整齐，即元器件布局。
PowerPCB提供了两种方法，手工布局和自动布局。
2.3.1 手工布局
1. 工具印制板的结构尺寸画出板边（Board Outline）。
2. 将元器件分散（Disperse Components），元器件会排列在板边的周围。
3. 把元器件一个一个地移动、旋转，放到板边以内，按照一定的规则摆放整齐。
2.3.2 自动布局
PowerPCB提供了自动布局和自动的局部簇布局，但对大多数的设计来说，效果并不理想，不推荐使用。
2.3.3 注意事项
a. 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。
b. 数字器件和模拟器件要分开，尽量远离
c. 去耦电容尽量靠近器件的VCC
d. 放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集。
e. 多使用软件提供的Array和Union功能，提高布局的效率。
2.4 布线
布线的方式也有两种，手工布线和自动布线。
PowerPCB提供的手工布线功能十分强大，包括自动推挤、在线设计规则检查（DRC），自动布线由Specctra的布线引擎进行，通常这两种方法配合使用，常用的步骤是手工—自动—手工。
2.4.1 手工布线
1. 自动布线前，先用手工布一些重要的网络，比如高频时钟、主电源等，这些网络往往对走线距离、线宽、线间距、屏蔽等有特殊的要求；另外一些特殊封装，如BGA，自动布线很难布得有规则，也要用手工布线。
2. 自动布线以后，还要用手工布线对PCB的走线进行调整。
2.4.2 自动布线
手工布线结束以后，剩下的网络就交给自动布线器来自布。
选择Tools->SPECCTRA，启动Specctra布线器的接口，设置好DO文件，按Continue就启动了Specctra布线器自动布线，结束后如果布通率为100%，那么就可以进行手工调整布线了；如果不到100%，说明布局或手工布线有问题，需要调整布局或手工布线，直至全部布通为止。
2.4.3 注意事项
a. 电源线和地线尽量加粗
b. 去耦电容尽量与VCC直接连接
c. 设置Specctra的DO文件时，首先添加Protect all wires命令，保护手工布的线不被自动布线器重布。
d. 如果有混合电源层，应该将该层定义为Split/mixed Plane，在布线之前将其分割，布完线之后，使用Pour Manager的Plane Connect进行覆铜。
e. 将所有的器件管脚设置为热焊盘方式，做法是将Filter设为Pins，选中所有的管脚，
修改属性，在Thermal选项前打勾。
f. 手动布线时把DRC选项打开，使用动态布线（Dynamic Route）。
2.5 检查
检查的项目有间距（Clearance）、连接性（Connectivity）、高速规则（High Speed）和电源层（Plane），这些项目可以选择Tools->Verify Design进行。
如果设置了高速规则，必须检查，否则可以跳过这一项。
检查出错误，必须修改布局和布线。
注意：
有些错误可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。
2.6 复查
复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置；还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。
复查不合格，设计者要修改布局和布线，合格之后，复查者和设计者分别签字。
2.7 设计输出
PCB设计可以输出到打印机或输出光绘文件。
打印机可以把PCB分层打印，便于设计者和复查者检查；光绘文件交给制板厂家，生产印制板。
光绘文件的输出十分重要，关系到这次设计的成败，下面将着重说明输出光绘文件的注意事项。
a. 需要输出的层有布线层（包括顶层、底层、中间布线层）、电源层（包括VCC层和GND层）、丝印层（包括顶层丝印、底层丝印）、阻焊层（包括顶层阻焊和底层阻焊），另外还要生成钻孔文件（NC Drill）
b. 如果电源层设置为Split/Mixed，那么在Add Document窗口的Document项选择Routing，并且每次输出光绘文件之前，都要对PCB图使用Pour Manager的Plane Connect进行覆铜；如果设置为CAM Plane，则选择Plane，在设置Layer项的时候，要把Layer25加上，在Layer25层中选择Pads和Vias
c. 在设备设置窗口（按Device Setup），将Aperture的值改为199
d. 在设置每层的Layer时，将Board Outline选上
e. 设置丝印层的Layer时，不要选择Part Type，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Line
f. 设置阻焊层的Layer时，选择过孔表示过孔上不加阻焊，不选过孔表示家阻焊，视具体情况确定
g. 生成钻孔文件时，使用PowerPCB的缺省设置，不要作任何改动
h. 所有光绘文件输出以后，用CAM350打开并打印，由设计者和复查者根据“PCB检查表”检查
ＰＣＢ设计应注意的一些问题!
在设计印制电路板时，设计的目的是控制下述指标：
a.来自ＰＣＢ电路的辐射；
b.ＰＣＢ电路与设备中的其它电路间的耦合；
c.ＰＣＢ电路对外部干扰的灵敏度；
d.ＰＣＢ上各种电路间的耦合。
这主要通过关注ＰＣＢ的布图和设计，将阻抗的不连续性减至最小和使用低幅值信号（如有必要）来实现。
如果使用的时钟速率高于１０ＭＨｚ，大多使用具有掩埋接地层的多层板设计。
如果其价格过高，则可使用保护带（Guardbanding）结构，亦即信号印制线的每侧均接地。
各种元件要安排得使干扰和敏感电路相隔开；时钟印制线、总线和芯片要与Ｉ／Ｏ线和连接器隔开；时钟运行速率应最低，并垂直于信号印制线布放；如果时钟电路不在板上，那其应靠近连接器布放。
另外，时钟电路应位于板的中心，以有助于板上分布的印制线最短。
输入／输出芯片应在相应的连接器附近。
利用靠近驱动器的电阻、电感和铁氧体珠对输出电路进行衰减。
各种类型电路及其接地应被分开。
对于高频设计，布图要象对待信号传输环境一样，需要使用阻抗不连续性最小。
在整个ＰＣＢ设计过程中，应经常利用有益的去耦实践，要充分使用旁路技术。
一般来说，这将利用０．１到１．０μＦ的陶瓷电容。
旁路电容要布放在接近ＩＣ之处。
将电源总线布得尽可能靠近接地，这样不但使电源总线环路的面积最小，而且能减少辐射。
电源线要在ＰＣＢ接口处进行滤波。
PCB设计基本概念
1、“层（Layer）”的概念
与字处理或其它许多软件中为实现图、文、色彩等的嵌套与合成而引入的“层”的概念有所同，Protel的“层”不是虚拟的，而是印刷板材料本身实实在在的各铜箔层。
现今，由于电子线路的元件密集安装。
防干扰和布线等特殊要求，一些较新的电子产品中所用的印刷板不仅有上下两面供走线，在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔，例如，现在的计算机主板所用的印板材料多在4层以上。
这些层因加工相对较难而大多用于设置走线较为简单的电源布线层（如软件中的GroundDever和PowerDever），并常用大面积填充的办法来布线（如软件中的ExternaIP1a11e和Fill）。
上下位置的表面层与中间各层需要连通的地方用软件中提到的所谓“过孔（Via）”来沟通。
有了以上解释，就不难理解“多层焊盘”和“布线层设置”的有关概念了。
举个简单的例子，不少人布线完成，到打印出来时方才发现很多连线的终端都没有焊盘，其实这是自己添加器件库时忽略了“层”的概念，没把自己绘制封装的焊盘特性定义为”多层（Mulii一Layer）的缘故。
要提醒的是，一旦选定了所用印板的层数，务必关闭那些未被使用的层，免得惹事生非走弯路。
2、过孔（Via）
为连通各层之间的线路，在各层需要连通的导线的文汇处钻上一个公共孔，这就是过孔。
工艺上在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。
一般而言，设计线路时对过孔的处理有以下原则：
（1）尽量少用过
孔，一旦选用了过孔，务必处理好它与周边各实体的间隙，特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙，如果是自动布线，可在“过孔数量最小化”（ViaMinimiz8tion）子菜单里选择“on”项来自动解决。
（2）需要的载流量越大，所需的过孔尺寸越大，如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。
3、丝印层（Overlay）
为方便电路的安装和维修等，在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等，例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。
不少初学者设计丝印层的有关内容时，只注意文字符号放置得整齐美观，忽略了实际制出的PCB效果。
他们设计的印板上，字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹赊，还有的把元件标号打在相邻元件上，如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。
正确的丝印层字符布置原则是：
”不出歧义，见缝插针，美观大方”。
4、SMD的特殊性
Protel封装库内有大量SMD封装，即表面焊装器件。
这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元引脚孔。
因此，选用这类器件要定义好器件所在面，以免“丢失引脚（MissingPlns）”。
另外，这类元件的有关文字标注只能随元件所在面放置。
5、网格状填充区（ExternalPlane）和填充区（Fill）
正如两者的名字那样，网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的，填充区仅是完整保留铜箔。
初学者设计过程中在计算机上往往看不到二者的区别，实质上，只要你把图面放大后就一目了然了。
正是由于平常不容易看出二者的区别，所以使用时更不注意对二者的区分，要强调的是，前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用，适用于需做大面积填充的地方，特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。
后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。
6、焊盘（Pad）
焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念，但初学者却容易忽视它的选择和修正，在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。
选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。
Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘，如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等，但有时这还不够用，需要自己编辑。
例如，对发热且受力较大、电流较大的焊盘，可自行设计成“泪滴状”，在大家熟悉的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的设计中，不少厂家正是采用的这种形式。
一般而言，自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外，还要考虑以下原则：
（1）形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大；
（2）需要在元件引角之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍；
（3）各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定，原则是孔的尺寸比引脚直径大0．2-0．4毫米。
7、各类膜（Mask）
这些膜不仅是PcB制作工艺过程中必不可少的，而且更是元件焊装的必要条件。
按“膜”所处的位置及其作用，“膜”可分为元件面（或焊接面）助焊膜（TOporBottom和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOporBottomPasteMask）两类。
顾名思义，助焊膜是涂于焊盘上，提高可焊性能的一层膜，也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。
阻焊膜的情况正好相反，为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡，因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料，用于阻止这些部位上锡。
可见，这两种膜是一种互补关系。
由此讨论，就不难确定菜单中类似“solderMaskEn1argement”等项目的设置了。
8、飞线，飞线有两重含义：
（1）自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线，在通过网络表调入元件并做了初步布局后，用“Show命令就可以看到该布局下的网络连线的交叉状况，不断调整元件的位置使这种交叉最少，以获得最大的自动布线的布通率。
这一步很重要，可以说是磨刀不误砍柴功，多花些时间，值！
另外，自动布线结束，还有哪些网络尚未布通，也可通过该功能来查找。
找出未布通网络之后，可用手工补偿，实在补偿不了就要用到“飞线”的第二层含义，就是在将来的印板上用导线连通这些网络。
要交待的是，如果该电路板是大批量自动线生产，可将这种飞线视为0欧阻值、具有统一焊盘间距的电阻元件来进行设计.
PCB设计基础知识
印刷电路板（Printedcircuitboard，PCB）几乎会出现在每一种电子设备当中。
如果在某样设备中有电子零件，那么它们也都是镶在大小各异的PCB上。
除了固定各种小零件外，PCB的主要功能是提供上头各项零件的相互电气连接。
随着电子设备越来越复杂，需要的零件越来越多，PCB上头的线路与零件也越来越密集了。
标准的PCB长得就像这样。
裸板（上头没有零件）也常被称为「印刷线路板PrintedWiringBoard（PWB）。
板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。
在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，原本铜箔是覆盖在整个板子上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路了。
这些线路被称作导线（conductorpattern）或称布线，并用来提供PCB上零件的电路连接。
为了将零件固定在PCB上面，我们将它们的接脚直接焊在布线上。
在最基本的PCB（单面板）上，零件都集中在其中一面，导线则都集中在另一面。
这么一来我们就需要在板子上打洞，这样接脚才能穿过板子到另一面，所以零件的接脚是焊在另一面上的。
因为如此，PCB的正反面分别被称为零件面（ComponentSide）与焊接面（SolderSide）。
如果PCB上头有某些零件，需要在制作完成后也可以拿掉或装回去，那么该零件安装时会用到插座（Socket）。
由于插座是直接焊在板子上的，零件可以任意的拆装。
下面看到的是ZIF（ZeroInsertionForce，零拨插力式）插座，它可以让零件（这里指的是CPU）可以轻松插进插座，也可以拆下来。
插座旁的固定杆，可以在您插进零件后将其固定。
如果要将两块PCB相互连结，一般我们都会用到俗称「金手指」的边接头（edgeconnector）。
金手指上包含了许多裸露的铜垫，这些铜垫事实上也是PCB布线的一部份。
通常连接时，我们将其中一片PCB上的金手指插进另一片PCB上合适的插槽上（一般叫做扩充槽Slot）。
在计算机中，像是显示卡，声卡或是其它类似的界面卡，都是借着金手指来与主机板连接的。
PCB上的绿色或是棕色，是阻焊漆（soldermask）的颜色。
这层是绝缘的防护层，可以保护铜线，也可以防止零件被焊到不正确的地方。
在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面（silkscreen）。
通常在这上面会印上文字与符号（大多是白色的），以标示出各零件在板子上的位置。
丝网印刷面也被称作图标面
legend）。
单面板（Single-SidedBoards）
我们刚刚提到过，在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。
因为导线只出现在其中一面，所以我们就称这种PCB叫作单面板（Single-sided）。
因为单面板在设计线路上有许多严格的限制（因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类的板子。
双面板（Double-SidedBoards）
这种电路板的两面都有布线。
不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。
这种电路间的「桥梁」叫做导孔（via）。
导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。
因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错（可以绕到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。
为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。
多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后黏牢（压合）。
板子的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。
大部分的主机板都是4到8层的结构，不过技术上可以做到近100层的PCB板。
大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板，不过因为这类计算机已经可以用许多普通计算机的集群代替，超多层板已经渐渐不被使用了。
因为PCB中的各层都紧密的结合，一般不太容易看出实际数目，不过如果您仔细观察主机板，也许可以看出来。
我们刚刚提到的导孔（via），如果应用在双面板上，那么一定都是打穿整个板子
不过在多层板当中，如果您只想连接其中一些线路，那么导孔可能会浪费一些其它层的线路空间。
埋孔（Buriedvias）和盲孔（Blindvias）技术可以避免这个问题，因为它们只穿透其中几层。
盲孔是将几层内部PCB与表面PCB连接，不须穿透整个板子。
埋孔则只连接内部的PCB，所以光是从表面是看不出来的。
在多层板PCB中，整层都直接连接上地线与电源。
所以我们将各层分类为信号层（Signal），电源层（Power）或是地线层（Ground）。
如果PCB上的零件需要不同的电源供应，通常这类PCB会有两层以上的电源与电线层。
零件封装技术
插入式封装技术（ThroughHoleTechnology）
将零件安置在板子的一面，并将接脚焊在另一面上，这种技术称为「插入式（ThroughHoleTechnology，THT）」封装。
这种零件会需要占用大量的空间，并且要为每只接脚钻一个洞。
所以它们的接脚其实占掉两面的空间，而且焊点也比较大。
但另一方面，THT零件和SMT（SurfaceMountedTechnology，表面黏着式）零件比起来，与PCB连接的构造比较好，关于这点我们稍后再谈。
像是排线的插座，和类似的界面都需要能耐压力，所以通常它们都是THT封装。
表面黏贴式封装技术（SurfaceMountedTechnology）
使用表面黏贴式封装（SurfaceMountedTechnology，SMT）的零件，接脚是焊在与零件同一面。
这种技术不用为每个接脚的焊接，而都在PCB上钻洞。
表面黏贴式的零件，甚至还能在两面都焊上。
SMT也比THT的零件要小。
和使用THT零件的PCB比起来，使用SMT技术的PCB板上零件要密集很多。
SMT封装零件也比THT的要便宜。
所以现今的PCB上大部分都是SMT，自然不足为奇。
因为焊点和零件的接脚非常的小，要用人工焊接实在非常难。
不过如果考虑到目前的组装都是全自动的话，这个问题只会出现在修复零件的时候吧。
只看该作者设计流程
在PCB的设计中，其实在正式布线前，还要经过很漫长的步骤，以下就是主要设计的流程：
系统规格
首先要先规划出该电子设备的各项系统规格。
包含了系统功能，成本限制，大小，运作情形等等。
系统功能区块图
接下来必须要制作出系统的功能方块图。
方块间的关系也必须要标示出来。
将系统分割几个PCB
将系统分割数个PCB的话，不仅在尺寸上可以缩小，也可以让系统具有升级与交换零件的能力。
系统功能方块图就提供了我们分割的依据。
像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。
决定使用封装方法，和各PCB的大小
当各PCB使用的技术和电路数量都决定好了，接下来就是决定板子的大小了。
如果设计的过大，那么封装技术就要改变，或是重新作分割的动作。
在选择技术时，也要将线路图的品质与速度都考量进去。
绘出所有PCB的电路概图
概图中要表示出各零件间的相互连接细节。
所有系统中的PCB都必须要描出来，现今大多采用CAD（计算机辅助设计，ComputerAidedDesign）的方式。
下面就是使用CircuitMakerTM设计的范例。
只看该作者PCB的电路概图
初步设计的仿真运作
为了确保设计出来的电路图可以正常运作，这必须先用计算机软件来仿真一次。
这类软件可以读取设计图，并且用许多方式显示电路运作的情况。
这比起实际做出一块样本PCB，然后用手动测量要来的有效率多了。
将零件放上PCB
零件放置的方式，是根据它们之间如何相连来决定的。
它们必须以最有效率的方式与路径相连接。
所谓有效率的布线，就是牵线越短并且通过层数越少（这也同时减少导孔的数目）越好，不过在真正布线时，我们会再提到这个问题。
下面是总线在PCB上布线的样子。
为了让各零件都能够拥有完美的配线，放置的位置是很重要的。
测试布线可能性，与高速下的正确运作
现今的部份计算机软件，可以检查各零件摆设的位置是否可以正确连接，或是检查在高速运作下，这样是否可以正确运作。
这项步骤称为安排零件，不过我们不会太深入研究这些。
如果电路设计有问题，在实地导出线路前，还可以重新安排零件的位置。
导出PCB上线路
在概图中的连接，现在将会实地作成布线的样子。
这项步骤通常都是全自动的，不过一般来说还是需要手动更改某些部份。
下面是2层板的导线模板。
红色和蓝色的线条，分别代表PCB的零件层与焊接层。
白色的文字与四方形代表的是网版印刷面的各项标示。
红色的点和圆圈代表钻洞与导孔。
最右方我们可以看到PCB上的焊接面有金手指。
这个PCB的最终构图通常称为工作底片（Artwork）。
每一次的设计，都必须要符合一套规定，像是线路间的最小保留空隙，最小线路宽度，和其它类似的实
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