在实际的PCB设计过程中,通过大量的PCB设计工作积累的经验,浅谈一下PCB布局方面的一些设计经验或者是建议,希望每一位工程师都可以用最快的速度设计出满意的产品。
      PCB布局就是将电路元器件放在印制板允许区内,布局是否合理不仅影响后面的布线工作,而且对整个电路板的性能也有重要作用。
      主要表现为以下几个方面;
      1)元件整齐、线路均匀、能更好的抑制和减少电子干扰并提高自身抗干扰能力;
      2)合理的PCB 布局可以很好的提高生产效率与产品质量;
      3)合理的布局会使后期维修工作更加高效和快捷。
PCB布局原则
      元件排列对电子设备的性能影响很大,不同电路在排列元件时有不同的要求。PCB 布局之前,首先要对电路原理图进行相关分析,了解电路元件的特性。并且在排列元器件时应考虑到以下因素:
      1)排列顺序:先大后小,先放置面积较大的元器件;先集成后分立,放置集成电路后,再在其周围放置其它分立器件;先主后次,先放置主电路器件,之后放置次电路,先放置核心器件,再放置其它附属器件;
      2)信号流向原则:按信号流向排列,一般从输入级开始,到输出级终止避免输入输出部分交叉;将高频、低频,高压、低压,数字、模拟部分的电路分开来布置;
      3)就近原则:当印制板上对外连接确定后,相关电路部分应就近安放,避免走远路,绕弯子。每个单元电路,应以核心器件为中心,围绕它进行布局;
      4)散热原则:发热元器件应放在有利于散热的位置:发热量较大的元件,应尽可能放置在有利于散热的位置或靠近机壳;发热元器件不宜贴板安装;如电源电路中发热量大的器件,可以考虑放在机壳上;热敏元件要远离发热元件;
      5)敏感元件要远离干扰源;有铁芯的电感线圈,应尽量相互垂直放置,且相互远离以减小相互间的磁耦合;尽可能缩短高频元件的连接线,设法减小它们的分布参数和相互间的干扰;易受干扰的元件应加屏蔽;
      6)对于比较大、重的元件,应考虑添加支架或紧固件(在结构与空间允许的情况下),最好不要直接焊在印刷线路板上;可调元件布置时,要考虑到元件调节方便;
      7)某些元件或导线间有较大电位差者,应加大它们之间的距离;元件外壳之间的距离,应根据它们之间的电压来确定,不应小于0.5mm;
      8)对称式的电路,如心电导联采集电路,桥式电路等,应注意元件的对称性,尽可能使其分布参数一致;位于边缘的元件,距板边至少应大于2mm;
      9)工艺原则:满足工艺、检测、维修方面的要求,既要考虑元器件排列顺序方向、引线间距,又要考虑到印制板检测的需要,设置必要的调整空间和测试点;
      10)美观原则:在保证电路功能和性能指标的前提下,元件排列应均匀、整齐紧凑、疏密得当。单元电路之间的引线应尽可能短,引出线数目尽可能少。
PCB布局
1、布局-基本要求
      1)满足结构要求,包括PCB 板的安装、PCB 板的外形尺寸及限高要求、PCB 板对应的外围接口位置等;
      2)禁止在PCB 板的禁布区布局和走线,包括板边缘、螺丝固定孔或外壳支撑位等位置;
      3)满足电源通道的最小要求,不能因过密的布局元器件而影响电源的供电通道,例如因滤波电容过密布置而将电源和地网络冲断,造成信号的不连续,造成电源和地平面的不完整;
      4)满足关键元器件、关键信号、局部过密、整板的布线通道需求,对关键元器件的布局,关键信号的走线规划需要着重考虑。总的连线尽可能的短,关键信号线最短;
      5)满足PCB 的可制造性要求,元器件布局时彼此之间的间距要合理。考虑焊接调试的效率与便利,同一类型的元器件在空间允许的情况下,应尽可能进行同一方向的排布;
      6)满足PCB 的可测试性要求,易于检测和返修;
      7)在满足系统功能和性能的前提下,质量大的元件在PCB 板上布局时,应尽量在PCB 上做质量的均匀布置;
      8)明确PCB 上的风道,根据器件散热量的多少,在上风口和下风口进行合理布局。
2、布局-PCB尺寸、形状要求
      1)PCB 的尺寸尽量控制在4:3 或者3:2,若PCB 的尺寸过于狭长,那么它的板上面积的使用率一般不高;
      2)PCB 单板外形如存在较大镂空时需用废料填上(如刀形板),确保设备对PCB 板的可识别性;
      3)PCB 拼板四角(拼板的外轮廓)优选设计为圆弧角,以防PCB 在设备间流转时出现卡板问题;
      4)PCB 板卡结构设计中有用到条形开槽处理时,板外框开槽宽度最小保证1.6mm,板内开槽宽度最小保证1.2mm;
      5)板子外形及所有特殊形状开槽须放置在板框层;
      6)有结构要求的板子,须将结构文件导进PCB 中指定的结构层,并修改标识,方便后续检查、维护修改等;
      7)器件在布局时,要考虑单板与单板、单板与结构件的装配干涉问题,尤其是高器件、立体装配的单板等。
3、布局-EMC、安规要求
      1)滤波电容、ESD、TVS 管等保护器件要靠近接口位置放置,信号走线要遵循先防护后滤波的原则再到其他系统;
      2)晶体、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件远离单板接口连接器至少1000mil;
      3)金属壳体、金属件与其他器件的距离满足安规要求;
      4)旁路电容与IC 尽可能放在同一个PCB 平面上。
4、布局-信号完整性要求
      1)不同模块分开布局;
      2)根据分析仿真结果或已有经验确定总线的拓扑结构,确保满足系统要求;
      3)退耦电容靠近相关器件放置;
      4)始端匹配靠近发端器件,终端匹配靠近接收端器件;
      5)晶体、晶振及时钟驱动芯片等靠近相关器件放置;
      6)对同步时钟总线系统的布局满足时序要求。
5、布局-电源要求
      1)电源模块优先靠近用电端放置,同时考虑散热和装配性等因素;
      2)放置时须将电源的功率回路和控制回路分开;
      3)电源输入输出顺畅,避免交叉。
6、布局-热设计要求
      1)高发热与较高的元器件应考虑放于出风口,且不阻挡风路;
      2)散热器的位置应考虑利于对流;
      3)温度敏感的器件应考虑远离热源,对于自身温升高于30℃的热源,一般要求:
            a:在风冷条件下:电解电容等温度敏感器件离热源距离要求≥2.5mm;
            b:自然冷条件下:电解电容等温度敏感器件离热源距离要求≥4.0mm;
      4)大面积铜箔要求用隔热带与焊盘连接,对于需要通过5A 以上大电流的焊盘则不能适用隔热带;
      5)过回流焊的0805 及以下的贴片元件两端的焊盘的散热需要对称,避免器件过回流焊后出现偏位、立碑等现象;
7、布局-基板和整机工艺要求
      1)对于结构无位置要求的拨码开关、复位按键等元件,需放置在PCB 板易操作的位置;
      2)结构未做定位的接口器件,在摆放时要保证产品插上接头后不互相干扰;
      3)元器件的摆放符合限高要求,不会影响其他器件的贴焊、安装和插拔;
      4)大于0805 的贴片电容,布局时其轴向尽量与进板方向平行,防止应力较大,使器件产生崩裂;
      5) 需要经常插拔的连接座、连接器等元件同一面上周围3mm 范围内不布表贴元件(尤其是BGA封装元件),压接件周围5mm 不能有插装件,防止连接器插拔时产生的应力损坏器件;
      6)多个引脚在同一条直线上的器件,如连接器等,布局时应使其轴线和波峰焊方向平行;
      7)较轻的器件如二极管、1/4W 电阻等,布局时应使其轴线和波峰焊方向垂直,能防止过波峰焊时因一端先焊接凝固而使器件产生浮高现象;
      8)BGA3mm 范围内无器件,最佳为5mm,以保证元件的可维修性;
      9)PCB 过回流焊元器件最外侧距传送边≥3mm,尽量保证5mm(双面板先过炉面元器件最外侧距传送边≥5mm),若达不到要求,则PCB 需要加工艺边,器件与V-CUT 的距离最小为0.5mm,推荐≥1mm;
      10)电缆的焊接端尽量靠经PCB 的边缘布置以便插装和焊接,否则PCB 上别的器件会阻碍电缆的插装焊接;
      11)经评估可裸板过波峰板卡,PCB 轨道边侧最近元件距离板边缘最小为5mm(为了保证PCB 过波峰焊时传送轨道的卡爪不碰到元件);
      12)需要热压焊接工艺的PCB 液晶屏焊盘底面前后1mm 内无元件,且屏定位孔底面周围2mm 内无元件;
      13)需要用到波峰焊工艺的PCB 要求直插件焊接面焊点周围3mm 内不布元件、覆铜、定位孔及测试点(特殊防护器件与焊点距离在满足电气性能要求下尽量大);
      14)需要粘屏工艺的PCB(原则上PCB 上带液晶屏均需要)要求液晶屏上部设计2 个直径1.6mm的定位孔,定位孔距离屏本体最小为5mm(液晶屏固定方式为屏支架的板卡不需添加);
      15)需要热熔工艺的PCB,热熔位置处定位孔边缘尽量在周围2mm 以内不布元件;
      16)经评估需用两面回流焊工艺的PCB,先过炉面尽可能不布较重的元件,避免二次过炉出现掉件情况;
      17)在本体不干涉的情况下,相邻两直插件焊盘边缘距离最小为1mm;
      18) Pitch≦2.0mm 的条形连接器、杜邦插母等,在焊接面平行于过炉方向末端加偷锡焊盘,偷锡焊盘为表贴形式与物料焊盘大小及间距保持一致;
      19)遇到表贴件与直插件焊接面同面波峰的电源板,表贴元件生产使用红胶工艺时,需要过波峰焊的表贴元件要求使用特殊处理过的红胶封装(焊盘间距经过加大处理);
      20)在满足产品性能要求的前提下,尽可能不要在QFP、QFN、BGA 等类型IC 背面放测试点,会对IC 产生应力造成焊点断裂或损坏IC;
      21)须放置mark 点、定位孔(如需要)、工艺边(如需要)。
            MARK 点设计具体要求:
            a. Mark 点直径为1mm,Mark 点距离板卡夹持边边缘距离最小为3mm;
            b. 以Mark 点为中心圆形的2mm 范围内应无阻焊区、元件及图案等,Mark 点周围5mm 范围以内不应有类似Mark 点的圆形点(如测试点等);
            c. PCB 拼板的TOP 面及BOT 面上各至少有3 个Mark 点,呈“L 形”分布,同一面上的Mark 点做到旋转180 度不重合,(拼板工艺边上四角Mark 点按库中标准封装添加,后再添加一个防呆Mark 设计,此Mark 位置边缘与工艺边垂直方向距工艺边边缘Min≥3mm,平行方向位置任意,避开工艺边定位孔、桥连、邮票孔等特殊部位)TOP 面与BOT 面Mark 点做到防呆不重合设计(涉及阴阳双排拼板卡,TOP 面与BOT 面Mark 点做到不防呆重合设计,可在其中一面上额外加2 个方形Mark 点用于防呆);
            d.无工艺边板卡要求每个单板上至少有2 个以上的Mark 点,条件允许时做到4 个对角分布的Mark点;
            f. 作为AOI 工序的Mark 点,PCB 整拼板上应至少有3 个以上的孔,同一面上的孔做到旋转180度不重合,TOP 面与BOT 面孔做到防呆不重合设计,孔直径最小为1.5mm,与夹持边边缘距离最小为3mm。
PCB布局的基本顺序
      1)根据结构图,导入CAD 板框,确定PCB 板外形尺寸,开窗处理等;
      2)设置叠层参数,2/4/6/8/10/12 层数板设置好对应叠层命名及层间介质厚度等参数;
      3)根据结构图,确定元器件如通讯接口、定位孔、安装孔等的位置;
      4)绘制结构相关禁布区(包括禁止布局、布线区以及限高区等);
      5)在已经布局的结构部件的基础上,确认信号的流向,以及关键元器件的大致位置,确保关键信号元器件的外围电路采用模块布局的方式,在原理图与PCB 设计环境中进行交互式摆放,完成各个模块的布局;
      6)在布局时对各个模块的功能进行相应的划分,优先考虑时钟系统、控制系统、电源系统的布局,同时需对主次电源进行规划,各个功能模块的电源就近布局,并考虑各电源在电源平面的大致分割,为各器件间的互连留有足够的布线通道;
      7)布局时需考虑有拓扑要求的元器件,并预留足够的空间给有长度要求的信号的等长绕线;如在CPU 和DDR 部分的布局时,要求DDR 和CPU 之间不能有其它的元器件布局,中间留有足够的空间,便于进行CPU 与DDR 之间对时序有要求的信号的等长绕线。

       以上内容基本上是根据现有的工艺需求总结的一些具体的设计要求,工艺不同可能每个人设计的的要求也不同,希望大家可以广泛讨论!