PCB板基本设计规则解析.docx
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PCB板基本设计规则解析
一、PCB板基础知识
PCB概念
PCB是英文（PrintedCircuieBoard）印制线路板的简称。
通常把在绝缘材上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。
而在绝缘基材上提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。
这样就把印制电路或印制线路的成品板称为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。
PCB几乎我们能见到的电子设备都离不开它，小到电子手表、计算器、通用电脑，大到计算机、通迅电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子无器件，它们之间电气互连都要用到PCB。
它提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。
同时为自动锡焊提供阻焊图形；为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。
PCB是如何制造出来的呢？
我们打开通用电脑的健盘就能看到一张软性薄膜（挠性的绝缘基材），印上有银白色（银浆）的导电图形与健位图形。
因为通用丝网漏印方法得到这种图形，所以我们称这种印制线路板为挠性银浆印制线路板。
而我们去电脑城看到的各种电脑主机板、显卡、网卡、调制解调器、声卡及家用电器上的印制电路板就不同了。
它所用的基材是由纸基（常用于单面）或玻璃布基（常用于双面及多层），预浸酚醛或环氧树脂，表层一面或两面粘上覆铜簿再层压固化而成。
这种线路板覆铜簿板材，我们就称它为刚性板。
再制成印制线路板，我们就称它为刚性印制线路板。
单面有印制线路图形我们称单面印制线路板，双面有印制线路图形，再通过孔的金属化进行双面互连形成的印制线路板，我们就称其为双面板。
如果用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印制线路板，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制线路板就成为四层、六层印制电路板了，也称为多层印制线路板。
现在已有超过100层的实用印制线路板了。
PCB板的元素
1.工作层面
对于印制电路板来说，工作层面可以分为6大类，
信号层（signallayer）
内部电源/接地层（internalplanelayer）
机械层（mechanicallayer）主要用来放置物理边界和放置尺寸标注等信息，起到相应的提示作用。
EDA软件可以提供16层的机械层。
防护层（masklayer）包括锡膏层和阻焊层两大类。
锡膏层主要用于将表面贴元器件粘贴在PCB上，阻焊层用于防止焊锡镀在不应该焊接的地方。
丝印层（silkscreenlayer）在PCB板的TOP和BOTTOM层表面绘制元器件的外观轮廓和放置字符串等。
例如元器件的标识、标称值等以及放置厂家标志，生产日期等。
同时也是印制电路板上用来焊接元器件位置的依据，作用是使PCB板具有可读性，便于电路的安装和维修。
其他工作层（otherlayer）禁止布线层KeepOutLayer
钻孔导引层drillguidelayer
钻孔图层drilldrawinglayer
复合层multi-layer
2.元器件封装
是实际元器件焊接到PCB板时的焊接位置与焊接形状，包括了实际元器件的外形尺寸，所占空间位置，各管脚之间的间距等。
元器件封装是一个空间的功能，对于不同的元器件可以有相同的封装，同样相同功能的元器件可以有不同的封装。
因此在制作PCB板时必须同时知道元器件的名称和封装形式。
（1）元器件封装分类
通孔式元器件封装（THT，throughholetechnology）
表面贴元件封装（SMTSurfacemountedtechnology）
另一种常用的分类方法是从封装外形分类：
SIP单列直插封装
DIP双列直插封装
PLCC塑料引线芯片载体封装
PQFP塑料四方扁平封装
SOP小尺寸封装
TSOP薄型小尺寸封装
PPGA塑料针状栅格阵列封装
PBGA塑料球栅阵列封装
CSP芯片级封装
（2）元器件封装编号
编号原则：
元器件类型+引脚距离（或引脚数）+元器件外形尺寸
例如AXIAL-0.3DIP14RAD0.1RB7.6-15等。
（3）常见元器件封装
电阻类普通电阻AXIAL-
其中
表示元件引脚间的距离；
可变电阻类元件封装的编号为VR
其中
表示元件的类别。
电容类非极性电容编号RAD
其中
表示元件引脚间的距离。
极性电容编号RB
-
，
表示元件引脚间的距离，
表示元件的直径。
二极管类编号DIODE-
其中
表示元件引脚间的距离。
晶体管类器件封装的形式多种多样。
集成电路类
SIP单列直插封装
DIP双列直插封装
PLCC塑料引线芯片载体封装
PQFP塑料四方扁平封装
SOP小尺寸封装
TSOP薄型小尺寸封装
PPGA塑料针状栅格阵列封装
PBGA塑料球栅阵列封装
CSP芯片级封装
3.铜膜导线是指PCB上各个元器件上起电气导通作用的连线，它是PCB设计中最重要的部分。
对于印制电路板的铜膜导线来说，导线宽度和导线间距是衡量铜膜导线的重要指标，这两个方面的尺寸是否合理将直接影响元器件之间能否实现电路的正确连接关系。
印制电路板走线的原则：
◆走线长度：
尽量走短线，特别对小信号电路来讲，线越短电阻越小，干扰越小。
◆走线形状：
同一层上的信号线改变方向时应该走135°的斜线或弧形，避免90°的拐角。
◆走线宽度和走线间距：
在PCB设计中，网络性质相同的印制板线条的宽度要求尽量一致，这样有利于阻抗匹配。
走线宽度通常信号线宽为：
0.2～0.3mm，（10mil）
电源线一般为1.2～2.5mm在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：
地线＞电源线＞信号线
焊盘、线、过孔的间距要求
PAD（焊盘）andVIA（过孔） ：
≥0.3mm（12mil）
PADandPAD ：
≥0.3mm（12mil）
PADandTRACK（走线） ：
≥0.3mm（12mil）
TRACKandTRACK ：
≥0.3mm（12mil）
密度较高时：
PADandVIA ：
≥0.254mm（10mil）
PADandPAD ：
≥0.254mm（10mil）
PADandTRACK ：
≥ 0.254mm（10mil）
TRACKandTRACK ：
≥ 0.254mm（10mil）
4.焊盘和过孔
引脚的钻孔直径=引脚直径+（10~30mil）
引脚的焊盘直径=钻孔直径+18mil
二、PCB布局原则
1、根据结构图设置板框尺寸，按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的器件，并给这些器件赋予不可移动属性。
按工艺设计规范的要求进行尺寸标注。
2、根据结构图和生产加工时所须的夹持边设置印制板的禁止布线区、禁止布局区域。
根据某些元件的特殊要求，设置禁止布线区。
3、综合考虑PCB性能和加工的效率选择加工流程。
加工工艺的优选顺序为：
元件面单面贴装——元件面贴、插混装（元件面插装焊接面贴装一次波峰成型）——双面贴装——元件面贴插混装、焊接面贴装。
4、布局操作的基本原则
A.遵照“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局．
B.布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件．
C.布局应尽量满足以下要求:
总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分．
D.相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局；
E.按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局；
F.器件布局栅格的设置，一般IC器件布局时，栅格应为50--100mil,小型表面安装器件，如表面贴装元件布局时，栅格设置应不少于25mil。
G.如有特殊布局要求，应双方沟通后确定。
5、同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。
同一种类型的有极性分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。
6、发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。
7、电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。
特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆设计和扎线。
电源插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔；
8、元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件、需调试的元、器件周围要有足够的空间。
9、需用波峰焊工艺生产的单板，其紧固件安装孔和定位孔都应为非金属化孔。
当安装孔需要接地时,应采用分布接地小孔的方式与地平面连接。
10、焊接面的贴装元件采用波峰焊接生产工艺时，阻、容件轴向要与波峰焊传送方向垂直，排阻及SOP（PIN间距大于等于1.27mm）元器件轴向与传送方向平行；PIN间距小于1.27mm（50mil）的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用波峰焊焊接。
11、BGA与相邻元件的距离>5mm。
其它贴片元件相互间的距离>0.7mm；贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；有压接件的PCB，压接的接插件周围5mm内不能有插装元、器件，在焊接面其周围5mm内也不能有贴装元、器件。
12、IC去耦电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。
13、元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起,以便于将来的电源分隔。
14、用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根据其属性合理布置。
串联匹配电阻的布局要靠近该信号的驱动端，距离一般不超过500mil。
匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与终端，对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹配。
15、布局完成后打印出装配图供原理图设计者检查器件封装的正确性，并且确认单板、背板和接插件的信号对应关系，经确认无误后方可开始布线。
三、PCB布线原则
布线是整个PCB设计中最重要的工序。
这将直接影响着PCB板的性能好坏。
在PCB的设计过程中，布线一般有这么三种境界的划分：
首先是布通，这时PCB设计时的最基本的要求。
如果线路都没布通，搞得到处是飞线，那将是一块不合格的板子，可以说还没入门。
其次是电器性能的满足。
这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准。
这是在布通之后，认真调整布线，使其能达到最佳的电器性能。
接着是美观。
假如你的布线布通了，也没有什么影响电器性能的地方，但是一眼看过去杂乱无章的，加上五彩缤纷、花花绿绿的，那就算你的电器性能怎么好，在别人眼里还是垃圾一块。
这样给测试和维修带来极大的不便。
布线要整齐划一，不能纵横交错毫无章法。
这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现，否则就是舍本逐末了。
布线时主要按以下原则进行：
①．一般情况下，首先应对电源线和地线进行布线，以保证电路板的电气性能。
在条件允许的范围内，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：
地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：
0.2～0.3mm，最细宽度可达0.05～0.07mm，电源线一般为1.2～2.5mm。
对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用（模拟电路的地则不能这样使用）
②．预先对要求比较严格的线（如高频线）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。
③．振荡器外壳接地，时钟线要尽量短，且不能引得到处都是。
时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积，而不应该走其它信号线，以使周围电场趋近于零；
④．尽可能采用45º的折线布线，不可使用90º折线，以减小高频信号的辐射；（要求高的线还要用双弧线）
⑤．任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小；信号线的过孔要尽量少；
⑥．关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地。
⑦．通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时，要用“地线-信号-地线”的方式引出。
⑧．关键信号应预留测试点，以方便生产和维修检测用
⑨．原理图布线完成后，应对布线进行优化；同时，经初步网络检查和DRC检查无误后，对未布线区域进行地线填充，用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。
或是做成多层板，电源，地线各占用一层。
PCB布线规则详解
1、电源、地线的处理
既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。
所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。
对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因，现只对降低式抑制噪音作以表述：
众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。
尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：
地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：
0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5mm。
对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用（模拟电路的地不能这样使用）用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。
或是做成多层板，电源，地线各占用一层。
2、数字电路与模拟电路的共地处理
现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。
因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。
数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。
数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。
也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。
3、信号线布在电（地）层上
在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电（地）层上进行布线。
首先应考虑用电源层，其次才是地层。
因为最好是保留地层的完整性。
4、大面积导体中连接腿的处理
在大面积的接地（电）中，常用元器件的腿与其连接，对连接腿的处理需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：
①焊接需要大功率加热器。
②容易造成虚焊点。
所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离（heatshield）俗称热焊盘（Thermal），这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。
多层板的接电（地）层腿的处理相同。
5、布线中网络系统的作用
在许多CAD系统中，布线是依据网络系统决定的。
网格过密，通路虽然有所增加，但步进太小，图场的数据量过大，这必然对设备的存贮空间有更高的要求，同时也对象计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。
而有些通路是无效的，如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定门孔所占用的等。
网格过疏，通路太少对布通率的影响极大。
所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。
标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸（2.54mm）,所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸（2.54mm）或小于0.1英寸的整倍数，如：
0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。
6、设计规则检查（DRC）
布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面：
线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。
电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否紧耦合（低的波阻抗）？
在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。
对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度最短，加保护线，输入线及输出线被明显地分开。
模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。
后加在PCB中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。
对一些不理想的线形进行修改。
在PCB上是否加有工艺线？
阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。
多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。
四、AlitumDesignerPCB布线规则设置
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，在这里的只介绍布线规则的设置。
对于PCB的设计，AD提供了详尽的10种不同的设计规则，这些设计规则则包括导线放置、导线布线方法、元件放置、布线规则、元件移动和信号完整性等规则。
根据这些规则，ProtelDXP进行自动布局和自动布线。
很大程度上，布线是否成功和布线的质量的高低取决于设计规则的合理性，也依赖于用户的设计经验。
对于具体的电路可以采用不同的设计规则，如果是设计双面板，很多规则可以采用系统默认值，系统默认值就是对双面板进行布线的设置。
设计规则设置
进入设计规则设置对话框的方法是在PCB电路板编辑环境下，从ProtelDXP的主菜单中执行菜单命令Desing/Rules……，系统将弹出如图4-1所示的PCBRulesandConstraintsEditor（PCB设计规则和约束）对话框。
图4-1PCB设计规则和约束对话框
该对话框左侧显示的是设计规则的类型，共分10类。
左边列出的是DesingRules（设计规则），其中包括Electrical（电气类型）、Routing（布线类型）、SMT（表面粘着元件类型）规则等等，右边则显示对应设计规则的设置属性。
该对话框左下角有按钮Priorities，单击该按钮，可以对同时存在的多个设计规则设置优先权的大小。
对这些设计规则的基本操作有：
新建规则、删除规则、导出和导入规则等。
可以在左边任一类规则上右击鼠标，将会弹出如4-2所示的菜单。
图4-2设计规则菜单
在该设计规则菜单中，NewRule是新建规则；DeleteRule是删除规则；ExportRules是将规则导出，将以.rul为后缀名导出到文件中；ImportRules是从文件中导入规则；Report……选项，将当前规则以报告文件的方式给出。
下面，将分别介绍各类设计规则的设置和使用方法。
电气设计规则
Electrical（电气设计）规则是设置电路板在布线时必须遵守，包括安全距离、短路允许等4个小方面设置。
1．Clearance（安全距离）选项区域设置
安全距离设置的是PCB电路板在布置铜膜导线时，元件焊盘和焊盘之间、焊盘和导线之间、导线和导线之间的最小的距离。
下面以新建一个安全规则为例，简单介绍安全距离的设置方法。
（1）在Clearance上右击鼠标，从弹出的快捷菜单中选择NewRule……选项，如图4-3所示。
图4-3新建规则
系统将自动当前设计规则为准，生成名为Clearance_1的新设计规则，其设置对话框如图4-4所示。
图4-4新建Clearance_1设计规则
（2）在WheretheFirstobjectmatches选项区域中选定一种电气类型。
在这里选定Net单选项，同时在下拉菜单中选择在设定的任一网络名。
在右边FullQuery中出现InNet（）字样，其中括号里也会出现对应的网络名。
（3）同样的在wheretheSecondobjectmatches选项区域中也选定Net单选项，从下拉菜单中选择另外一个网络名。
（4）在Constraints选项区域中的MinimumClearance文本框里输入8mil。
这里Mil为英制单位，1mil=10-3inch,linch=2.54cm。
文中其他位置的mil也代表同样的长度单位。
（5）单击Close按钮，将退出设置，系统自动保存更改。
设计完成效果如图4-5所示。
图4-5设置最小距离
2．ShortCircuit（短路）选项区域设置
短路设置就是否允许电路中有导线交叉短路。
设置方法同上，系统默认不允许短路，即取消AllowShortCircuit复选项的选定，如图4-6所示。
图4-6短路是否允许设置
3．Un-RoutedNet（未布线网络）选项区域设置
可以指定网络、检查网络布线是否成功，如果不成功，将保持用飞线连接。
4．Un-connectedPin（未连接管脚）选项区域设置
对指定的网络检查是否所有元件管脚都连线了。
布线设计规则
Routing（布线设计）规则主要有如下几种。
1．Width（导线宽度）选项区域设置
导线的宽度有三个值可以供设置，分别为Maxwidth（最大宽度）、PreferredWidth（最佳宽度）、Minwidth（最小宽度）三个值，如图4-7所示。
系统对导线宽度的默认值为10mil，单击每个项直接输入数值进行更改。
这里采用系统默认值10mil设置导线宽度。
图4-7设置导线宽度
2.RoutingTopology（布线拓扑）选项区域设置
拓扑规则定义是采用的布线的拓扑逻辑约束。
ProtelDXP中常用的布线约束为统计最短逻辑规则，用户可以根据具体设计选择不同的布线拓扑规则。
ProtelDXP提供了以下几种布线拓扑规则。
Shortest（最短）规则设置
最短规则设置如图4-8所示，从Topology下拉菜单中选择Shortest选项，该选项的定义是在布线时连接所有节点的连线最短规则。
图4-8最短拓扑逻辑
Horizontal（水平）规则设置
水平规则设置如图4-9所示，从Topoogy下拉菜单中选择Horizontal选基。
它采用连接节点的水平连线最短规则。
图4-9水平拓扑规则
Vertical（垂直）规则设置
垂直规则设置如图4-10所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择Vertical选项。
它采和是连接所有节点，在垂直方向连线最短规则。
图4-10垂直拓扑规则
DaisySimple（简单雏菊）规则设置
简单雏菊规则设置如图4-11所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择Daisysimple选项。
它采用的是使用链式连通法则，从一点到另一点连通所有的节点，并使连线最短。
图4-11简单雏菊规则
Daisy-MidDriven（雏菊中点）规则设置
雏菊中点规则设置如图4-12所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择Daisy_MidDiven选项。
该规则选择一个Source（源点），以它为中心向左右连通所有的节点，并使连线最短。
图4-12雏菊中点规则
DaisyBalanced（雏菊平衡）规则设置
雏菊平衡规则设置如图4-13所示，从Tolpoogy下拉菜单中选择DaisyBalanced选项。
它也选择一个源点，将所有的中间节点数目平均分成组，所有
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