原创 PCB设计规范与PCB分类

 

PCB设计规范与PCB分类

　　1 PCB设计规范概述

　　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 PCB设计规范设计流程

　　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 PCB设计规范规则设置

　　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 PCB设计规范元器件布局

　　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 PCB设计规范布线

　　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 PCB设计规范检查

　　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 PCB设计规范复查

　　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 PCB设计规范设计输出

　　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。

根据电路层数分类：分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达几十层。

　　PCB板有以下三种主要的划分类型：

单面板

　　单面板（Single-Sided Boards） 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

　　双面板（Double-Sided Boards） 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，双面板解决了单面板中因为布线交错的难点（可以通过孔导通到另一面），它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

多层板

　　多层板（Multi-Layer Boards） 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。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。板子的层数并不代表有几层独立的布线层，在特殊情况下会加入空层来控制板厚，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，不过技术上理论可以做到近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，不过如果仔细观察主机板，还是可以看出来。

根据软硬进行分类

　　分为刚性电路板和挠性电路板、软硬结合板。

PCB的原材料

　　覆铜箔层压板是制作印制电路板的基板材料。它用作支撑各种元器件，并能实现它们之间的电气连接或电绝缘。

　　PCB就是印刷电路板（Printed circuit board，PCB）,简单的说就是置有集成电路和其他电子组件的薄板。

　　它几乎会出现在每一种电子设备当中。

　　据Time magazine 最近报道，中国和印度属于全球污染最严重的国家。为保护环境，中国政府已经在严格制定和执行有关污染整治条理，并波及到PCB产业。许多城镇正不再允许扩张及建造PCB新厂，例如：深圳关内少量并以高精密手工为主，如南山区马家龙工业区的深圳市靖邦科技有限公司，关外则以批量设备生产为主。而东莞已经专门指定四个城镇作为“污染产业”生产基地，禁止在划定的区域之外再建造新厂。

　　如果在某样设备中有电子零件，它们都是镶在大小各异的PCB上的。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，需要的零件自然越来越多，PCB板上的线路与零件也越来越密集了。裸板（板上没有零件）也常被称为"印刷线路板Printed Wiring Board（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，而在制造过程中部分被蚀刻处理掉，留下来的部分就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线（conductor pattern）或称布线，并用来提供PCB上零件的电路连接。　

　　通常PCB的颜色都是绿色或是棕色，这是阻焊漆（solder mask）的颜色。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。在阻焊层上还会印刷上一层丝网印刷面（silk screen）。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。

　　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（Component Side）与焊接面（Solder Side）．

　　如果PCB板面上有某些零件，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．

　　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（edge connector）．金手指上包含了许多裸露的铜垫，这些铜垫事实上也是PCB布线的一部分．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．

　　印刷电路板将零件与零件之间复杂的电路铜线，经过细致整齐的规划后，蚀刻在一块板子上，提供电子零组件在安装与互连时的主要支撑体，是所有电子产品不可或缺的基础零件。

　　印刷电路板以不导电材料所制成的平板，在此平板上通常都有设计预钻孔以安装芯片和其它电子组件。组件的孔有助于让预先定义在板面上印制之金属路径以电子方式连接起来，将电子组件的接脚穿过PCB后，再以导电性的金属焊条黏附在PCB上而形成电路。

　　依其应用领域PCB可分为单面板、双面板、四层板以上多层板及软板。一般而言，电子产品功能越复杂、回路距离越长、接点脚数越多，PCB所需层数亦越多，如高阶消费性电子、信息及通讯产品等；而软板主要应用于需要弯绕的产品中：如笔记型计算机、照相机、汽车仪表、移动电话等

接点加工

　　防焊绿漆覆盖了大部份的线路铜面，仅露出供零件焊接、电性测试及电路板插接用的终端接点。该端点需另加适当保护层，以避免在长期使用中连通阳极(+)的端点产生氧化物，影响电路稳定性及造成安全顾虑。

　　【电镀硬金】在电路板的插接端点上（俗称金手指）镀上一层镍层及高化学钝性的金层来保护端点及提供良好接通性能，其中含有适量的钴，具有优良的耐磨特性。

　　【喷锡】在电路板的焊接端点上以热风整平的方式覆盖上一层锡铅合金层，来保护电路板端点及提供良好的焊接性能。

　　【预焊】在电路板的焊接端点上以浸染的方式覆盖上一层抗氧化预焊皮膜，在焊接前暂时保护焊接端点及提供较平整的焊接面，使有良好的焊接性能。

　　【碳墨】在电路板的接触端点上以网版印刷的方式印上一层碳墨，以保护端点及提供良好的接通性能。

　　成型切割

　　将电路板以CNC成型机（或模具冲床）切割成客户需求的外型尺寸。切割时用插梢透过先前钻出的定位孔将电路板固定于床台（或模具）上成型。切割后金手指部位再进行磨斜角加工以方便电路板插接使用。对于多联片成型的电路板多需加开X形折断线（业内称V-Cut），以方便客户于插件后分割拆解。最后再将电路板上的粉屑及表面的离子污染物洗净。

　　终检包装

　　在包装前对电路板进行最后的电性导通、阻抗测试及焊锡性、热冲击耐受性试验。并以适度的烘烤消除电路板在制程中所吸附的湿气及积存的热应力，最后再用真空袋封装出货。