翡嫦翠烂PCB布局和布线的设计技巧文档

PCB布局和布线的设计技巧上网时间：2011-10-14中心议题：PCB规划、布局和布线的设计技巧PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为印刷电路板。随着PCB尺寸要求越来越小，器件密度要求越来越高，PCB设计的难度也越来越大。如何实现PCB高的布通率以及缩短设计时间，在这笔者谈谈对PCB规划、布局和布线的设计技巧。在开始布线之前应该对设计进行认真的分析以及对工具软件进行认真的设置，这会使设计更加符合要求。1确定PCB的层数电路板尺寸和布线层数需要在设计初期确定。布线层的数量以及层叠（STack-up）方式会直接影响到印制线的布线和阻抗。板的大小有助于确定层叠方式和印制线宽度，实现期望的设计效果。目前多层板之间的成本差别很小，在开始设计时最好采用较多的电路层并使敷铜均匀分布。2设计规则和限制要顺利完成布线任务，布线工具需要在正确的规则和限制条件下工作。要对所有特殊要求的信号线进行分类，每个信号类都应该有优先级，优先级越高，规则也越严格。规则涉及印制线宽度、过孔的最大数量、平行度、信号线之间的相互影响以及层的限制，这些规则对布线工具的性能有很大影响。认真考虑设计要求是成功布线的重要一步。3组件的布局在最优化装配过程中，可制造性设计（DFM）规则会对组件布局产生限制。如果装配部门允许组件移动，可以对电路适当优化，更便于自动布线。所定义的规则和约束条件会影响布局设计。自动布线工具一次只会考虑一个信号，通过设置布线的约束条件以及设定可布信号线的层，可以使布线工具能像设计师所设想的那样完成布线。比如，对于电源线的布局：①在PCB布局中应将电源退耦电路设计在各相关电路附近，而不要放置在电源部分，否则既影响旁路效果，又会在电源线和地线上流过脉动电流，造成窜扰；②对于电路内部的电源走向，应采取从末级向前级供电，并将该部分的电源滤波电容安排在末级附近；③对于一些主要的电流通道，如在调试和检测过程中要断开或测量电流，在布局时应在印制导线上安排电流缺口。另外，要注意稳压电源在布局时，尽可能安排在单独的印制板上。当电源与电路合用印制板时，在布局中，应该避免稳压电源与电路元件混合布设或是使电源和电路合用地线。因为这种布线不仅容易产生干扰，同时在维修时无法将负载断开，到时只能切割部分印制导线，从而损伤印制板。4扇出设计在扇出设计阶段，表面贴装器件的每一个引脚至少应有一个过孔，以便在需要更多的连接时，电路板能够进行内层连接、在线测试和电路再处理。为了使自动布线工具效率最高，一定要尽可能使用最大的过孔尺寸和印制线，间隔设置为50mil较为理想。要采用使布线路径数最大的过孔类型。经过慎重考虑和预测，电路在线测试的设计可在设计初期进行，在生产过程后期实现。根据布线路径和电路在线测试来确定过孔扇出类型，电源和接地也会影响到布线和扇出设计。5手动布线以及关键信号的处理手动布线在现在和将来都是印刷电路板设计的一个重要过程，采用手动布线有助于自动布线工具完成布线工作。通过对挑选出的网络（net）进行手动布线并加以固定，可以形成自动布线时可依据的路径。首先对关键信号进行布线，手动布线或结合自动布线工具均可。布线完成后，再由有关的工程技术人员对这些信号布线进行检查，检查通过后，将这些线固定，然后开始对其余信号进行自动布线。由于地线中阻抗的存在，会给电路带来共阻抗干扰。因此，在布线时不可将凡有接地符号的点随意连接，这可能会产生有害的耦合，影响电路的工作。频率较高时，导线的感抗将比导线本身的电阻大几个数量级。这时导线上即使只流过很小的高频电流，也会产生一定的高频电压降。因此，对高频电路来说，PCB布局尽可能排列紧凑，使印制导线尽可能短。印制导线之间还有互感和电容，当工作频率较大时，会对其它部分产生干扰，称为寄生耦合干扰。可以采取的抑制方式有：①尽量缩短各级间的信号走线；②按信号的顺序排列各级电路，避免各级信号线相互跨越；③相邻的两面板的导线要垂直或交叉，不能平行；④当板内要平行布设信号导线时，应使这些导线尽可能间隔一定的距离，或用地线、电源线隔开，达到屏蔽的目的。6自动布线对关键信号的布线需要考虑在布线时控制一些电参数，比如减小分布电感等，在了解自动布线工具有哪些输入参数以及输入参数对布线的影响后，自动布线的质量在一定程度上可以得到保证。在对信号进行自动布线时应该采用通用规则。通过设置限制条件和禁止布线区来限定给定信号所使用的层以及所用到的过孔数量，布线工具就能按照工程师的设计思想来自动布线。在设置好约束条件和应用所创建的规则后，自动布线将会达到与预期相近的结果，在一部分设计完成以后，将其固定下来，以防止受到后边布线过程的影响。布线次数取决于电路的复杂性和所定义的通用规则的多少。现在的自动布线工具功能非常强大，通常可完成100%的布线。但是，当自动布线工具未完成全部信号布线时，就需对余下的信号进行手动布线。7布线的整理一些约束条件很少的信号，布线的长度很长，这时可以先判断出哪些布线合理，哪些布线不合理，再通过手动编辑来缩短信号布线长度和减少过孔数量。高速PCB的过孔设计上网时间：2011-10-13中心议题：过孔的分类过孔的寄生电容和寄生电感非穿导孔技术普通PCB的过孔选择高速PCB的过孔设计目前高速PCB的设计在通信、计算机、图形图像处理等领域应用广泛，所有高科技附加值的电子产品设计都在追求低功耗、低电磁辐射、高可靠性、小型化、轻型化等特点，为了达到以上目标，在高速PCB设计中，过孔设计是一个重要因素。它由孔、孔周围的焊盘区和POWER层隔离区组成，通常分为盲孔、埋孔和通孔三类。在PCB设计过程中通过对过孔的寄生电容和寄生电感分析，总结出高速PCB过孔设计中的一些注意事项。1、过孔过孔是多层PCB设计中的一个重要因素，一个过孔主要由三部分组成，一是孔；二是孔周围的焊盘区；三是POWER层隔离区。过孔的工艺过程是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。过孔可以起到电气连接，固定或定位器件的作用。过孔示意图如图1所示。过孔一般又分为三类：盲孔、埋孔和通孔。盲孔，指位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。埋孔，指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。盲孔与埋孔两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以一般印制电路板均使用通孔。过孔的分类如图2所示。2、过孔的寄生电容过孔本身存在着对地的寄生电容，若过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB的厚度为T，板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于：C=1.41εTD1/（D2-D1）过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度，电容值越小则影响越小。3、过孔的寄生电感过孔本身就存在寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。过孔的寄生串联电感会削弱旁路电容的作用，减弱整个电源系统的滤波效用。若L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径，过孔的寄生电感近似于：L=5.08h[ln（4h/d）+1]从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。4、非穿导孔技术非穿导孔包含盲孔和埋孔。在非穿导孔技术中，盲孔和埋孔的应用，可以极大地降低PCB的尺寸和质量，减少层数，提高电磁兼容性，增加电子产品特色，降低成本，同时也会使得设计工作更加简便快捷。在传统PCB设计和加工中，通孔会带来许多问题。首先它们占居大量的有效空间，其次大量的通孔密集一处也对多层PCB内层走线造成巨大障碍，这些通孔占去走线所需的空间，它们密集地穿过电源与地线层的表面，还会破坏电源地线层的阻抗特性，使电源地线层失效。且常规的机械法钻孔将是采用非穿导孔技术工作量的20倍。在PCB设计中，虽然焊盘、过孔的尺寸已逐渐减小，但如果板层厚度不按比例下降，将会导致通孔的纵横比增大，通孔的纵横比增大会降低可靠性。随着先进的激光打孔技术、等离子干腐蚀技术的成熟，应用非贯穿的小盲孔和小埋孔成为可能，若这些非穿导孔的孔直径为0.3mm，所带来的寄生参数是原先常规孔的1/10左右，提高了PCB的可靠性。由于采用非穿导孔技术，使得PCB上大的过孔会很少，因而可以为走线提供更多的空间。剩余空间可以用作大面积屏蔽用途，以改进EMI/RFI性能。同时更多的剩余空间还可以用于内层对器件和关键网线进行部分屏蔽，使其具有最佳电气性能。采用非穿导孔，可以更方便地进行器件引脚扇出，使得高密度引脚器件（如BGA封装器件）很容易布线，缩短连线长度，满足高速电路时序要求。5、普通PCB中的过孔选择在普通PCB设计中，过孔的寄生电容和寄生电感对PCB设计的影响较小，对1-4层PCB设计，一般选用0.36mm/0.61mm/1.02mm（钻孔/焊盘/POWER隔离区）的过孔较好，一些特殊要求的信号线（如电源线、地线、时钟线等）可选用0.41mm/0.81mm/1.32mm的过孔，也可根据实际选用其余尺寸的过孔。6、高速PCB中的过孔设计通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：（1）选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的PCB设计来说，选用0.25mm/0.51mm/0.91mm（钻孔/焊盘/POWER隔离区）的过孔较好；对于一些高密度的PCB也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm的过孔，也可以尝试非穿导孔；对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗；（2）POWER隔离区越大越好，考虑PCB上的过孔密度，一般为D1=D2+0.41；（3）PCB上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量减少过孔；（4）使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数；（5）电源和地的管脚要就近过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗；（6）在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔，以便为信号提供短距离回路。当然，在设计时还需具体问题具体分析。从成本和信号质量两方面综合考虑，在高速PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。在高密度PCB设计中，采用非穿导孔以及过孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制地减小，它受到PCB厂家钻孔和电镀等工艺技术的限制，在高速PCB的过孔设计中应给以均衡考虑。PCB布线技巧在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。对目前高密度的PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的布线