第9章PCB设计 9.1 PCB设计的原则与方法

9.1.1 PCB设计的基本原则 1.元器件布局 布局是按照电原理图的要求和元器件的外形尺寸，将元器件均匀整齐地布置在PCB上，并能满足整机的机械和电气性能要求。布局合理与否不仅影响PCB组装件和整机的性能和可靠性，而且也影响PCB及其组装件加工和维修的难易度，所以布局时尽量做到以下几点： 1）元器件分布均匀、排在同一电路单元的元器件应相对集中排列，以便于调试和维修； 2）有相互连线的元器件应相对靠近排列，以利于提高布线密度和保证走线距离最短； 3）对热敏感的元器件，布置时应远离发热量大的元器件； 4）相互可能有电磁干扰的元器件，应采取屏蔽或隔离措施。

2.布线规则 1）在满足使用要求的前提下，选择布线的顺序为单层、双层和多层布线。 2）两个连接盘之间的导线布设尽量短，敏感的信号、小信号先走，以减少小信号的延迟与干扰。模拟电路的输入线旁应布设接地线屏蔽；同一层导线的布设应分布均匀；各导线上的导电面积要相对均衡，以防板子翘曲。 3）信号线改变方向应走斜线或圆滑过渡,而且曲率半径大一些好，避免电场集中、信号反射和产生额外的阻抗。 4）数字电路与模拟电路在布线上应分隔开，以免互相干扰，如在同一层则应将两种电路的地线系统和电源系统的导线分开布设，不同频率的信号线中间应布设接地线隔开，避免发生串扰。 5）电路元件接地、接电源时走线要尽量短、尽量近，以减少内阻。 6）X、Y层走线应互相垂直，以减少耦合，切忌上下层走线对齐或平行。

7）高速电路的多根I／O线以及差分放大器、平衡放大器等电路的I／O线长度应相等，以避免产生不必要的延迟或相移。 8）焊盘与较大面积导电区相连接时，应采用长度不小于0.5mm的细导线进行热隔离，细导线宽度不小于0.13mm，如图2-1所示。但对于需过5A以上大电流的焊盘不能采用隔热焊盘。 9）最靠近印制板边缘的导线，距离印制板边缘的尺寸应大于5mm，需要时接地线可以靠近板的边缘。如果印制板加工过程中要插入导轨，则导线距板的边缘至少要大于导轨槽深的距离。 10）双面板上的公共电源线和接地线，尽量布设在靠近板的边缘，并且分布在板的两面，其图形配置要使电源线和地线之间为低的阻抗。多层板可在内层设置电源层和地线层，通过金属化孔与各层的电源线和接地线连接。 11）为了测试的方便，设计上应设定必要的断点和测试点。

3.导线宽度 印制导线的宽度由导线的负载电流、允许的温升和铜箔的附着力决定。一般印制板的导线宽度不小于0.2mm，厚度为18μm以上，对于SMT印制板和高密度板的导线宽度可小于0.2mm，导线越细其加工难度越大，所以在布线空间允许的条件下，应适当选择宽一些的导线，通常的设计原则如下： 1）信号线应粗细一致。 2）在高速电路与微波电路中，规定了传输线的特性阻抗，此时导线的宽度和厚度应满足特性阻抗要求。 3）在大功率电路设计中，还应考虑到电源密度，此时应考虑到线宽与厚度以及线间的绝缘性能。 4） 印制导线间距。印制板表层导线间的绝缘电阻是由导线间距、相邻导线平行段的长度、绝缘介质（包括基材和空气）所决定的，在布线空间允许的条件下，应适当加大导线间距。

5.元器件的选择 元器件的选择应充分考虑到PCB实际面积的需要，尽可能选用常规元器件。不可盲目地追求小尺寸的元器件，以免增加成本，IC器件应注意引脚形状与脚间距，对小于0.5mm脚间距的QFP应慎重考虑，不如直接选用BGA封装的器件，此外对元器件的包装形式、端电极尺寸、可焊性、器件的可靠性、温度的承受能力（如能否适应无铅焊接的需要）都应考虑到。 6.PCB基材的选用 选择基材应根据PCB的使用条件和机械、电气性能要求来选择；根据印制板结构确定基材的覆铜箔面数（单面、双面或多层板）；根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件质量，确定基材板的厚度。在选择PCB基材时应考虑到下列因素： 1）电气性能的要求； 2）Tg、CTE、平整度等因素以及孔金属化的能力； 3）价格因素。

7.抗电磁干扰设计 1）可能相互产生影响或干扰的元器件，在布局时应尽量远离或采取屏蔽措施。 2）不同频率的信号线，不要相互靠近平行布线；对高频信号线，应在其一侧或两侧布设接地线进行屏蔽。 3）对于高频、高速电路，应尽量设计成双面和多层印制板。双面板的一面布设信号线，另一面可以设计成接地面；多层板中可把易受干扰的信号线布置在地线层或电源层之间;对于微波电路用的带状线，传输信号线必须布设在两接地层之间，并对其间的介质层厚度按需要进行计算。 4）晶体管的基极印制线和高频信号线应尽量设计得短，减少信号传输时的电磁干扰或辐射。 5）不同频率的元器件不共用同一条接地线，不同频率的地线和电源线分开布设。 6）数字电路与模拟电路不共用同一条地线，在与印制板对外地线连接处可以有一个公共接点。 7）工作时电位差比较大的元器件或印制线，应加大相互之间的距离。

8.PCB的散热设计 随着印制板上元器件组装密度的提高，若不能及时有效地散热，将会影响电路的工作参数，甚至热量过大会使元器件失效，所以对印制板的散热问题，设计时必须认真考虑，一般采取以下措施： 1）加大印制板上与大功率元件接地面的铜箔面积： 2）发热量大的元器件不贴板安装，或外加散热器； 3）对多层板的内层地线应设计成网状并靠近板的边缘; 4）选择阻燃或耐热型的板材。

9.2.1 PCB整体设计 1.PCB幅面 PCB的外形一般为长宽比不太大的长方形。长宽比例较大或面积较大的板，容易产生翘曲变形，当幅面过小时还应考虑到拼板，PCB的厚度应根据对板的机械强度要求以及PCB上单位面积承受的元器件质量，选取合适厚度的基材。 考虑焊接工艺过程中的热变形以及结构强度，如抗张、抗弯、机械脆性、热膨胀等因素，PCB厚度、最大宽度与最大长宽比之间的关系见表3-6。

表9-6 印制板厚度、最大宽度及最大长宽比 厚度／mm 最大印制板宽度／mm 最大长宽比 0.8 50 2.0 1.0 100 2.4 1.6 150 3.0 300 4.0

2.电路块的划分 较复杂的电路常常需要划分为多块电路板，或在单块电路板上划分为不同的区域。划分可按如下原则进行： 1）按照电路各部分的功能划分。把电路的I/O端子尽量集中靠近电路板的边缘，以便和连接器相连接，并设置相应的测试点供功能调校用。 2）模拟和数字两部分电路分开。 3）高频和中、低频电路分开，高频部分单独屏蔽起来，防止外界电磁场的干扰。 4）大功率电路和其他电路隔开，以便采用散热措施等。 5）减小电路中噪声干扰和串扰现象。易产生噪声的电路需和某些电路隔开。例如，为降低ECL器件的高速开关噪声干扰，必须把低电平、高增益的放大电路和它们隔开。

3.电路板的尺寸与拼板工艺 当单个PCB尺寸较小，PCB上元器件较少，且为刚性板时，为了适应SMT生产设备的要求，经常将若干个相同或者不同单元的PCB进行有规则地拼合，把它们拼合成长方形或正方形，这就是拼板(Panel)。拼板之间可以采用V形槽、邮票孔、冲槽等工艺手段进行组合。 1）邮票板可由多块同样的电路板组成或由多块不同的电路板组成。 2）根据表面组装设备的情况决定邮票板的最大外形尺寸，如贴片机的贴片面积、印刷机的最大印刷面积和回流焊炉传送带的工作宽度等。 3）邮票板的工艺孔可设计成一个圆形和一个槽形孔，槽形孔的宽方向尺寸和圆形孔的直径相等，而长方向的尺寸则比宽方向的尺寸至少大0.5mm。 4）邮票板上各电路板间的连接筋起机械支撑作用。因此它既要有一定的强度，又要便于折断把电路板分开。

图9-2 邮票板结构示意图

4.定位孔、工艺边与基准标记 一般SMT生产设备在装夹PCB时主要采用针定位或者边定位，因此在PCB上需要有适应SMT生产的定位孔或者工艺边。基准标记则是为了纠正PCB制作过程中产生误差而设计的提供机器光学定位的标记。 1）定位孔。定位孔位于印制电路板的四角，以圆形为主，也可以是椭圆，定位孔内壁要求光滑，不允许有电镀层，定位孔周围2mm范围内不允许有铜箔，且不得贴装元器件。定位孔尺寸及其在PCB上的位置如图2-3所示。

图9-3 定位孔尺寸及其在PCB上的位置

2）辅助工艺边。简称工艺边，主要是用于设备的夹持与定位，以及异形边框补偿。工艺边宽度根据PCB的大小来确定，一般为5～8mm，此时定位孔与图像识别标志应设于工艺边上，待加工工序结束并经检测合格后可以去掉工艺边。 当PCB外形为异形时，必须设计工艺边，使PCB外形成直线，生产结束后再把此工艺边去除。 3）基准标记。基准标记有PCB基准标记（PCB Mark）和器件基准标记（IC Mark）两大类。其中PCB基准标记是SMT生产时PCB的定位标记，器件基准标记则是贴装大型IC器件，如QFP、BGA、PLCC等时，进一步保证贴装精度的标记。 基准标记的形状可以是圆形、方形、十字形、三角形、菱形、椭圆形等，以圆形为主，尺寸一般为φ(1～2)mm，其外围有等于其直径1～2倍的无阻焊区。

图9-4 基准标记形状

PCB基准标记一般在印制电路板对角两侧成对设置，距离越大越好，但两圆点的坐标值不应相等，以确保贴片时印制电路板进板方向的唯一性。当PCB较大(≥200mm)时，则一般需在印制电路板的4个角分别设置基准标记，但不可对称分布，并在PCB长度的中心线上或附近增设1～2个基准标记，如图2-5a所示。 器件基准标记则应设置在焊盘图形内或其外的附近，同样成对设置，如图2-5b所示。

图9-5 PCB基准标记和器件基准标记 a) PCB基准标记 b) 器件基准标记

5.测试点的设计 1） 接触可靠性测试。测试点的焊盘直径为0.9～1.0mm，并与相关测试针相配套，此外也可取通孔为测试点。测试点的中心应落在网格之上，测试点不应设计在板子的边缘5mm内，测试点原则上应设在同一面上，并注意分散均匀。相邻的测试点之间的中心距不小于1.46mm，测试点之间不设计其他元件，以防止元件或测试点之间短路。测试点与元件焊盘之间的距离应≥1mm，测试点不能涂覆任何绝缘层。 2）电器可靠性设计。所有的电气节点都应提供测试点，即测试点应能覆盖所有的I/O、电源地和返回信号。每一块IC都应有电源和地的测试点，如果器件的电源和地引脚不止一个，则应分别加上测试点，一个集成块的电源和地应放在2.54mm之内。不能将IC控制线直接连接到电源、地或公用电阻上。对带有边界扫描器件的VLSI和ASIC器件，应增设为实现边界扫描功能的辅助测试点，如时钟、模式、数据串行I/O端、复位端，以达到能测试器件本身的内部逻辑功能的要求。

图9-7 测试点与元件焊盘之间的距离

9.2.2 SMC／SMD焊盘设计 1.SMC片式元件的焊盘设计 片式元件两端有电极，其电极为三层结构，虽然很薄但仍有一定的厚度，片式元件焊接后理想的焊接形态如图所示。 从图中可以看出它有两个焊点，分别在电极的外侧和内侧，外侧焊点又称主焊点，主焊点呈弯月面状，维持焊接强度；内焊点起到补强和焊接时自对中作用，不可轻视。由图9-8可知理想的焊盘长度为B=bl+T+b2，式中b1取值范围为0.05～0.3mm, b2取值范围为0.25～1.3mm。

图9-8 理想的焊接形态

2.小外形封装晶体管焊盘的设计 在SMT中，小外形封装晶体管(SOT)的焊盘图形设计较为简单，一般来说，只要遵循下述规则即可。 1）焊盘间的中心距与器件引线间的中心距相等； 2）焊盘的图形与器件引线的焊接面相似，但在长度方向上应扩展0.3mm，在宽度方向上应减少0.2mm；若是用于波峰焊，则长度方向及宽度方向均应扩展0.3mm。 使用中应注意SOT的品种，如SOT-23、SOT-89、SOTl43和DPAK（带散热片）等，SOT焊盘图形如图9-12所示。

3.PLCC焊盘设计 通常PLCC引脚在焊接后也有两个焊接点，PLCC和LCCC焊盘图形如图9-13所示。 外侧焊点为主焊点，内侧焊点为次焊点，PLCC器件的引脚间距通常为1.27mm(50mil)，故焊盘的宽度为0.63mm(25mil)，长度为2.03mm(80mil)，PLCC引脚在焊盘上的位置有两种类型： 1）引脚居中型。这种设计在计算时较为方便和简单，焊盘的宽度为0.63mm(25mil)，长度为2.03mm(80mil)，只要计算出器件引脚落地中央尺寸，就可以方便地设计出焊盘内外侧的尺寸，如图9-14a所示。 2）引脚不居中型。这种设计有利于形成主焊接点，外侧有足够的锡量供给主焊缝，PLCC引脚与焊盘的相切点在焊盘的内1／3处。焊盘的宽度仍为0.63mm(25mil)，如图9-14b所示。

图2-13 PLCC和LCCC焊盘图形

4.QFP焊盘设计 这种焊盘其焊盘长度和引脚长度的最佳比为L2:Ll=（2.5～3）:1,或者L2=F+Ll+A（F为端部长0.4mm；A为趾部长0.6mm; Ll为器件引脚长度; L2为焊盘长度）。

焊盘宽度通常取：0. 49P≤b2≤0. 54P (P为引脚公称尺寸；b2为焊盘宽度)。对于引脚中心距0 焊盘宽度通常取：0.49P≤b2≤0.54P (P为引脚公称尺寸；b2为焊盘宽度)。对于引脚中心距0.5mm间距的QFP焊盘设计，以FQFP48器件为例，它的外形尺寸如图2-16所示。

图9-17 FQFP48器件焊盘尺寸

5.BGA焊盘设计 BGA焊点的形态如图2-18所示，图中DC、DO是器件基板的焊盘尺寸，Db是焊球的尺寸，DP是PCB焊盘尺寸，H是焊球的高度。 通常焊盘直径按照焊球直径的75％~85％设计，焊盘引出线不超过焊盘的50％，相对于焊接质量来说，越细越好。为了防止焊盘变形，阻焊开窗(solder mask) 不大于0.05mm。

1）哑铃式焊盘。哑铃式焊盘结构如图2-19所示。BGA焊盘通过镀覆导电层的过孔（通孔或盲孔），提供与内层布线连接构成通路，实现同外围电路的沟通，过孔通常应用阻焊层全面覆盖。 这种图形的连线方法使信号直接由焊盘与内层相连接，简单实用较为常见，并且占用PCB面较少，但由于过孔位于焊盘之间，万一过孔处的阻焊层脱落，就可能造成焊接时出现桥接故障。

2）过孔分布在BGA外部式焊盘。特别适用于I/O数量较少的BGA焊盘设计，焊接时可以减少一些不确定性因素的影响，对保证焊接质量有利。但采用这样的设计形式对于多I/O端子的BGA是有困难的，因为阵列最外边行列中，焊球引脚间的空间很快被走线塞满。由于导线的最小线宽与间距是由电性能要求与加工能力决定，所以这种布线设计的导线数量是有限制的。

3）混合式焊盘。对于I/O端子较多的BGA，可以将上述两种焊盘结构设计混合在一起使用，即内部采用哑铃式结构，外围则采用过孔分布在BGA外部形式的焊盘，如图2-21b所示。

9.2.3 元器件方向、间距、辅助焊盘的设计 1.同类元器件的排列方向应一致 9.2.3 元器件方向、间距、辅助焊盘的设计 1.同类元器件的排列方向应一致 同类元器件尽可能按相同的方向排列，特征方向应一致，以便于元器件的贴装、焊接和检测，如电解电容极性、二极管的正极、集成电路的第一引脚的排列方向应尽量一致。 回流焊时，为了使SMC的两个焊端以及SMD两侧引脚同步受热，减少由于元器件两侧焊端不能同步受热而产生立碑、移位、焊端脱离焊盘等焊接缺陷，要求PCB上SMC的长轴应垂直于回流炉的传送带方向，SMD的长轴应平行于回流炉的传送带方向。 波峰焊时，为了使SMC的两个焊端以及SMD的两侧焊端同时与焊料波峰相接触，SMD的长轴应平行于波峰焊炉的传送带方向（焊盘与PCB运行方向垂直），QFP器件（引脚中心距大于0.8mm以上）则应转45°角，如图2-23所示。而且元器件布局和排布方向应遵循较小元件在前和尽量避免互相遮挡的原则。

图9-23 波峰焊工艺中元器件的排列方向

2.元器件的间距设计 为了保证焊接时焊盘间不会发生桥接，以及在大型元器件的四周留下一定的维修空间，在分布元器件时，要注意元器件间的最小间距，波峰焊接工艺要略宽于回流焊接工艺。一般组装密度的表面贴装元器件之间的最小间距如下。 1）片式元件之间，SOT之间，SOP与片式元件之间为1.25mm。 2）SOP之间，SOP与QFP之间为2mm。 3）PLCC与片式元件、SOP、QFP之间为2.5mm。 4）PLCC之间为4mm。 3.供热均匀原则 对于吸热大的器件和FQFP器件，在整板布局时要考虑到焊接时的热均衡，不要把吸热多的器件集中放在一处，造成局部供热不足而另一处过热的现象，良好的布局方式和不良方式如图2-24所示。

图9-24 元器件布局的设计 a)良好 b)差

4. 辅助焊盘 在采用贴片—波峰焊工艺时，SOIC和QFP除注意方向外，还应在焊盘间放一个辅助焊盘，辅助焊盘也称工艺焊盘，是PCB涂胶位置上有阻焊膜的空焊盘。在焊盘过高或SMD组件下面的间隙过大时，将贴片胶点在辅助焊盘上面，其作用是为了减小表面组装元器件贴装后的架空高度。