實用電子學/PCB 佈局

在PCB上有效地佈置走線是一項複雜的技能，需要很大的耐心。隨著易於獲得的PCB佈局軟體的出現，這項任務已變得容易得多，但仍然具有挑戰性。

通常，電子或電氣工程師設計電路，而佈局專家設計PCB。PCB設計是一項專業技能。有許多用於設計PCB的技術和標準，這些PCB易於製造，同時尺寸小巧且價格低廉。

對於大多數客戶，這些是PCB佈局中的常見步驟，使客戶能夠最大限度地靈活地進行更改，以適應設計過程中發生的正常工程變更。透過利用這種結構化方法，可以最大限度地提高工程團隊設計和構建成功產品的努力。

1.原理圖/元件設計評審。
2.確定需要構建哪些焊盤，並構建它們，同時加入3D模型。
3.板框定義流程。DXF板框檔案匯入是最穩定的方法。
4.元件放置。
5.客戶對元件放置的評審。
6.電源和地平面分配。
7.客戶對電源平面和地平面分配的評審。
8.扇出。
9.關鍵網路佈線。
10.客戶對關鍵網路佈線的評審。
11.非關鍵網路佈線。
12.客戶評審。
13.絲印調整和板部件號分配/放置。
14.Gerber、DXF、Step、IDF/LDF最終檔案生成，供客戶最終評審和批准。
15.最終清理和客戶反饋所需的任何修飾。

銅厚

絕大多數PCB在外層使用“1盎司銅”。如果有內層，它們幾乎總是使用“1/2盎司銅”製造。

PCB上銅層的厚度會影響電路的行為。PCB銅厚通常以盎司/平方英尺為單位測量，通常簡稱為盎司。它也可以以微米、英寸或密耳（千分之一英寸）為單位表示。下面給出了常用厚度的測量值。

盎司/平方英尺	μm	英寸	密耳
0.5	17.5	0.0007	0.7
0.75	25.5	0.0010	1.0
1	35	0.0014	1.4
2	71	0.0028	2.8
3	105	0.0042	4.2

始終如一，給定頂表面積的薄金屬片的厚度始終是

$thickness={mass \over {area\times density}}$

該區域為“1平方英尺”（144平方英寸），銅的密度為8.96mg/mm³=5.18盎司/(英寸³)，通常質量為“1盎司銅”，但偶爾為1/2、2、3或4盎司。

走線寬度

不同寬度的走線具有不同的特性，這些特性可能會影響電路的執行。例如，細走線的電阻比粗走線高，因此可以承載的電流更少，或者在相同電流下會發熱更多。

由於表格和圖表數量眾多，因此這些資訊在不同的頁面上呈現。

• 有關電流容量的資訊，請參閱走線電流容量.

大多數製造商可以製造最小走線寬度為0.006英寸的走線。（許多製造商可以製造0.004英寸寬的走線）。對於大多數數字和模擬訊號，此類最小尺寸的走線綽綽有餘。

焊盤或幾何形狀

每個部件的製造商都推薦一個“焊盤”，即部件要焊接到PCB上的銅圖案。

有時焊盤還包括部件輪廓的繪製。有些人將該輪廓放在絲印上。另一些人則製作一個“虛擬輪廓”，該輪廓顯示在計算機螢幕和裝配圖上，但不會顯示在實際的PCB上。

電容器和電池的焊盤應該在絲印上正極焊盤旁邊包含正號(+) 極性標記。（電容器本身的正極端指示條應該放在最接近該正號的地方）。

LED和其他二極體的焊盤應具有極性標記——“二極體箭頭符號”（三角形+橫線），或至少是橫線，在絲印中。橫線與二極體本身的陰極端指示條匹配。

IC的焊盤應在靠近第1引腳的地方有一個“點”或“1”極性標記。大多數人使用一個“方形”焊盤來標識第1引腳，而所有其他引腳則使用“圓形”焊盤。有些人還在絲印中喜歡在第10引腳、第20引腳、第30引腳等旁邊新增“10”、“20”、“30”等的標記。

極性標記必須在安裝部件後可見，以便在檢查後可以看到它。（將極性標記放在任何人都看不見的地方是毫無用處的）。將極性標記放在管狀封裝二極體下面是可以的，因為人們可以“繞過”已安裝的二極體並看到極性標記。

孔

孔有3種基本型別

過孔——從字面上看，是將一層銅連線到另一層銅的“途徑”。一個特定PCB上的過孔應該都是相同的大小。有些人[10]建議使用直徑為0.025英寸（0.6毫米）的過孔，周圍是直徑為0.0394英寸（1.0毫米）的過孔銅焊盤，如果可能的話。一些密度非常高的SMT板需要更小的過孔。有些製造商可以處理直徑為0.012英寸的過孔，周圍是直徑為0.024英寸的過孔焊盤。

由於過孔中沒有實際放置元件，因此許多PCB都使用“填充”過孔（完全用金屬填充的過孔）和“塗覆”過孔（完全用阻焊層覆蓋的過孔）進行製造。

通孔——許多元件（稱為“通孔元件”）每個引腳都需要一個孔（一個“通孔”。部件製造商應指定一個“焊盤”，包括每個孔的位置和尺寸。如果沒有推薦，通常的做法是

• 圓形引腳：在標稱圓形引腳直徑上新增6密耳，即可得到建議的PCB孔直徑。
• 矩形引腳：找到引腳對角線（$\textstyle {\sqrt {x^{2}+y^{2}}}$）。然後新增6密耳即可得到建議的PCB孔直徑。（6密耳≈0.15毫米）[11][12]
• TO-220封裝中的穩壓器和其他元件通常適合0.040英寸（1毫米）的孔。有些人更喜歡“通用佈局”，支援幾乎所有3引腳穩壓器。
• DIP封裝IC和TO-95通常適合0.031英寸直徑的孔（0.8毫米直徑）。
• “元件引腳與孔的間隙應為0.4毫米” [13]
• “通孔元件的最佳焊盤直徑是其最終孔徑的兩倍。”[14]
• 許多製造商生產的 0.1 英寸間距針腳排針 通常為 0.025 英寸（0.64 毫米）正方形。製造商通常建議孔徑為 0.040 英寸（1.00 毫米）。 值得注意的是，0.025 英寸方形端子也可用於 AWG 30 線繞線。

定位孔或安裝孔 ... “定位孔” - 用於在組裝和測試期間將電路板臨時固定到測試夾具上。它們幾乎總是直徑為 0.125 英寸，不鍍層，並且放置在相對的角落。需要兩個，但第三個可以防止 PCB 反向安裝。可以將它們用作 PCB 終端用途的安裝孔。

許多製造商釋出了他們的“標準孔尺寸”（標準鑽頭尺寸減去標準通孔金屬鍍層的標準桶厚度）。鑽床操作員希望看到標準尺寸；否則，他們被迫（a）選擇下一個較小的標準鑽頭 - 那麼實物零件將無法放入孔中；(b) 選擇下一個較大的鑽頭 - 這會將通孔金屬鍍層推出來，可能會擊中一些內部走線，導致整個電路板無法使用；或者 (c) 拒絕該電路板，因為它無法制造。為了避免所有 3 個問題，PCB 設計人員通常將非標準孔尺寸“向上取整”到下一個較大的標準孔尺寸 - 例如，DIP 封裝的孔通常向上取整到 0.9 毫米直徑 - 然後執行 DRC 檢查。如果 DRC 發現任何現在“太靠近”大孔的走線，則設計人員會在將設計傳送給製造商之前將這些走線推到安全距離。

電路板厚度和層數

絕大多數 PCB 的總厚度為 1/16 英寸（1.58 毫米）。一些非常密集的 SMT 電路板的總厚度為 1/32 英寸（0.79 毫米），這使得可以鑽更小的通孔，從而實現更密集的封裝。偶爾，電路板的總厚度為 3/32 英寸（2.3 毫米），這使得它更堅固（但需要更大的通孔）。

通常，一些或所有層幾乎完全被“銅澆注”（“接地層”或“電源層”）覆蓋。這種澆注通常具有 0.010 英寸的訊號到澆注間隙，以及 0.020 英寸的切邊（電路板邊緣的周長）到澆注的間隙[15]。

（更多 層疊技巧）

大多數 PCB 在一個三明治中具有一個到二十個導電層，這些層用絕緣塑膠層壓（粘合）在一起。具有兩個以上層的 PCB 有助於構建複雜或密集的電路。它們並不總是使用，因為它們更昂貴，並且內層更難檢查和修復。

在更復雜的 PCB 中，兩個或多個層專門用於提供接地和電源。這些接地層和電源層很好地分配了電源。它們還可以防止天線（無意中由走線形成）發出無線電波。這些平面是佔據整個層的矩形箔片（除了防止意外連線到通孔和通孔元件的小孔）。它們比狹窄的走線更好地分配電能和熱量。有時使用具有薄層絕緣層的實心金屬 PCB。電力電子基板在空氣冷卻不可能的情況下帶走廢熱。

具有接地層和電源層的四層 PCB 通常用於高質量但注重成本的音訊、航空電子和醫療電子產品。大多數消費產品只有一層或兩層。

如果您想使用 BGA 封裝的零件，則該零件通常決定 PCB 必須具有的層數。對於一些低密度 BGA 封裝，可以使用 2 層 PCB 一些 BGA 封裝需要至少 4 層 PCB，並且許多 BGA 封裝迫使設計人員使用更多 PCB 層。 例如，具有 7 行或 8 行球（從中心到周邊）的 BGA 封裝通常至少需要 6 層才能扇出，包括電源層和接地層。 一些具有超過 1000 個引腳和 0.8 毫米引腳間距的 BGA 封裝需要至少 8 層以及盲孔、埋孔和微通孔。

通常，系統的所有電子元件都可以使用 4 層電路板甚至 2 層電路板正常工作，但 BGA 封裝中的一個元件除外。許多人更喜歡 - 至少對於第一個原型 - 將設計劃分為兩個 PCB 甚至更多，而不是設計一個大型全定製的 10 層電路板來容納所有東西。一塊包含 BGA 元件的板 - 通常是商業現貨 (COTS) 板，最好是一塊包含儘可能多的系統其他部分的板 - 並定製設計一塊更簡單的 2 層或 4 層板來支援剩餘的元件。通常存在一個或多或少標準化的介面 - 載板和堆疊模組， FPGA 中間卡 (FMC) 用於 I/O 模組連線到 FPGA；等等

走線間隙

PCB 上導體（或“走線”）的寬度和間距非常重要。如果走線過於靠近，焊料會導致相鄰走線短路，並且 PCB 將難以構建或修復。如果相隔太遠，PCB 可能太大且昂貴。當 PCB 攜帶高頻時，走線可能需要具有精確的寬度和長度才能控制走線的特性阻抗。

“間隙”是指兩個導體之間透過空氣的最短距離。 對於市電供電的資訊科技裝置，UL 60950-1 給出了允許的最小 PCB 間距。在典型的 120-230 VAC 市電輸入下，根據 UL/IEC 60950，初級和低壓次級電路之間的爬電距離應至少為 6.4 毫米。 IPC 建議在預計將來將在 10,000 英尺以上使用的未塗覆電路板的走線之間保持 0.0254 毫米/V 的間隙，在預計始終保持在 10,000 英尺以下的未塗覆電路板的走線之間保持 0.005 毫米/V 的間隙，以及在焊盤下走線之間的間隙保持 0.00305 毫米/V 的間隙。一些安全標準要求市電輸入（240 V）和訊號走線之間至少保持 8 毫米的間隙。 其他與間隙和爬電距離相關的標準包括 ECMA 287、IEC 60664、NEMA 1-111-1、NEMA 1-111-2 等。

一些設計會在接地層或整個 PCB 的戰略位置進行切割，以控制電流的返回路徑。通常的願望是將高電壓或高頻遠離電路的敏感部分。設計的實際屬性至關重要，因為在某些情況下，切割接地層會使 PCB 變成天線，將無線電噪聲輻射到附近的裝置。

減少銅的去除

去除大面積銅會浪費蝕刻液，並可能增加浪費（儘管商業製造商會回收銅並再生蝕刻液）。此外，如果所有區域的銅與裸板的平均比例相同，則 PCB 的蝕刻更一致，並且往往能抵抗翹曲。因此，設計人員可能會加寬聯結器、保留未連線的銅，或者用一系列小的、電氣隔離的銅菱形或正方形覆蓋原本是裸板的大面積區域。

基準

大多數 PCB 都有對準標記（稱為基準）和定位孔來對準層。

首選的基準是直徑為 1 毫米的實心圓圈。 這些允許將 PCB 安裝在自動放置和焊接元件的裝置中。一些設計還具有質量控制圖案，用於測量焊接和蝕刻工藝。在某些情況下，測試圖案位於可拆卸的斷裂片上，可以在安裝 PCB 之前將其移除。

通孔

不同層上的訊號走線可以透過稱為過孔的鍍通孔連線在一起。過孔的基本結構包括一個鑽孔，該孔用銅電鍍，以及環繞鍍通孔的銅層上的圓形銅元件（焊盤）。高密度 PCB 可能有盲孔，它們只在一個表面可見，或者埋孔，它們兩個表面都不可見，但這些被認為是成本增加，因為它們需要多個層壓階段。最簡單的過孔是多層過孔（有時也稱為 PTV），它從電路板的一側一直鑽到底部。通常，每個 PCB 上的合理數量的過孔鑽孔沒有成本增加，成本增加可能出現在需要環氧樹脂填充過孔（VIPPO 或焊盤過孔）或鑽孔非常小的情況下。

阻焊層和絲印

阻焊層是一層塑膠層，可以抵抗焊料的潤溼（焊料被認為會“凝固”），並防止焊料島相互融合。它還可以保護外部導體層免受磨損和腐蝕。如果沒有阻焊層，玻璃纖維增強環氧樹脂看起來是半透明的淡白色。阻焊層通常是綠色的，但也可以找到其他顏色。

電路板頂面或底面的絲印圖例提供了有關元件零件號和放置的可讀資訊。這有助於製造和維修。為了幫助手動組裝和維修，二極體、電容器和積體電路有時會以相同的方向定向。

新技術允許將元件代號直接印製到電路板表面，透過取消絲印來節省時間和金錢。這有時是由特殊的噴墨印表機完成的。類似的過程已經在實驗中產生了阻焊層。

基本指南

無線電發射器和無線電接收器很難設計。在設計它們時，PCB 設計師必須儘量減少由於元件佈局引起的寄生效應，或者用通用模型考慮這些效應並使用 SPICE 等模擬軟體。

幸運的是，許多實際電路可以使用更簡單的集總元件模型來佈局。

PCB 佈局基本指南:

• 使用點對點佈線或線繞佈線製作原型電路通常是一個好主意，因為您將解決與元件選擇有關的某些基本問題：（例如，我應該在這裡使用 1/4 瓦電阻器，還是需要 1/2 瓦？）
• 考慮組裝後的電路板尺寸和散熱要求的物理限制；如果需要，選擇散熱器。
• 仔細考慮您正在佈局的元件的物理尺寸；電路原理圖不會告訴您這一點。等效元件通常具有不同的封裝。
• 元件如何連線到電路板？它們是表面貼裝元件嗎？或者它們需要孔、螺釘、墊圈等？
• 是否有直接安裝到電路板上的機械部件？例如，開關或可變電阻器？
• 電路板將如何在容器中安裝？它和元件將承受哪些壓力（衝擊、應變、剪下）？
• 電路板將如何連線到電源？將需要哪些其他聯結器（例如，訊號輸入、輸出）？
• 使用繪圖紙和鉛筆，並以實際尺寸繪製電路板；或者使用包含元件輪廓資訊的元件佈局軟體。
• 確定每條訊號走線的適當寬度；這取決於每條走線預計承載的電流。
• 根據電路的複雜性和製造成本，決定是使用單層電路板、雙層電路板還是多層電路板。
• 首先放置元件輪廓，然後放置訊號走線；在每個元件周圍留一些空間以容納公差。
• 對於單層電路板，要花更多精力避免走線交叉；嘗試調整元件的位置或將走線繞到元件下面；有時需要跳線。
• 在雙層電路板和多層電路板中，只需在不同的層上佈線，並使用鍍通孔從一層跳到另一層。
• 嘗試預測並避免組裝錯誤：在有多個相同元件的地方，或者在引腳具有極性（例如，電解電容器）的地方，嘗試將它們並聯放置並將正極引腳朝向同一方向定向。
• 如果您的 PCB 設計軟體具有 DRC（設計規則檢查），請使用它。

PCB 佈局指南 用於雙層或多層電路板上的 RF 電路

• 首先識別電路的關鍵部分並進行佈局
• 讓其中一層充當連續的接地層。
• 如果訊號走線的寬度和高度在地平面之上是恆定的，並且經過適當的端接，那麼它們的特性阻抗將更加穩定，可以計算。
• 避免銳角。
• 儘可能縮簡訊號走線和元件引線。
• 輸入和輸出應該相距很遠，這樣 RF 能量就不會從輸出洩漏回輸入。級應該對齊，而不是蛇形繞。
• 將電路的 RF 部分與 DC 部分解耦。
• 遮蔽 AF 和 IF 元件免受 RF 元件的影響。
• 高速通訊（每根線超過 100 Mb/s）通常需要點對點連線，而不是多點多路複用匯流排連線。每根線超過 622 Mb/s 的通訊需要更專業的技術和仔細的聯結器選擇。

許多人會在將 Gerber 佈局檔案傳送到 PCB 製造商之前，使用清單檢查要審查的事項。

進一步閱讀

• 如何成為電路板設計師（教程）
• Kicad 是一本涵蓋用於 PCB 佈局的一種流行軟體工具的華夏公益教科書。
• 晶片設計變得簡單 描述了一些影響晶片設計師和 PCB 設計師的問題，例如 EMI。
• 機器人學：設計基礎：設計軟體#原理圖捕獲和 PCB
• 維基百科：原理圖捕獲
• 維基百科：電子學
• 維基百科：電子製造
• 維基百科：電磁干擾
• 維基百科：電路設計
• 維基百科：原理圖
• 維基百科：印刷電路板
• 維基百科：Gerber 格式
• 維基百科：接地層 和 維基百科：電源層
• 維基百科：電力電子基板
• 維基百科：特性阻抗
• 維基百科：基準點
• 維基百科：SPICE
• 維基百科：電氣網路
• 維基百科：集總元件模型
• 維基百科：點對點佈線
• 維基百科：線繞佈線
• 有些元件需要 維基百科：散熱器 進行散熱。
• 維基百科：表面貼裝技術
• 維基百科：訊號走線
• 維基百科：電流
• 維基百科：電解電容器
• 維基百科：電氣端接
• 維基百科：de:Leiterplattenentflechtung

參考文獻

免費 PCB 設計