關于PCB 設計流程的思考與分析

楊超，岳錕

（無錫中微愛芯電子有限公司，江蘇 無錫 214000）

PCB（印制電路板）為電子元器件的支撐載體，使各個元器件能夠得以協(xié)同運行。目前，幾乎所有電子設備，無論是電子手表或是計算機、軍用武器系統(tǒng)等，凡是配備集成電路，均需要PCB。而PCB 是依托于電子印刷手段制成，在如今工業(yè)化批量生產(chǎn)的大環(huán)境中，能有效降低制作加工中的失誤率，而且還能在插裝、檢查與焊接等環(huán)節(jié)中實現(xiàn)自動化操作，不僅可以控制PCB 成本，還能保障品質(zhì)以及生產(chǎn)效率。

1 PCB 設計概述

PCB 設計環(huán)節(jié)中，整體能分成2 個部分。其一，完成原理圖的繪制，構建起模型環(huán)境，這是一種邏輯設計。在該步驟中，設計工程師需完成PCB 模型邏輯，合理設置各項約束技術參數(shù)。其二，完成PCB 的物理實體，基于原型的各種物理狀況，實施合理化布局與布線部分的設計。而在該設計階段，為確保電器特性滿足使用需求，應當給IC 或是網(wǎng)絡圖等內(nèi)容配備約束條件，如此才能生成最后的設計方案。IC 技術逐漸成熟，不僅推動PCB 設計的穩(wěn)定進步，還給此項設計工作提出其他要求，例如快速接口、低壓元器件等，再加上元器件配備數(shù)目增多，引起新的緊密容差電路限制條件，這些變化給PCB 設計也帶來很多的不確定[1]。

2 PCB 設計流程分析

2.1 繪制原理圖

原理圖是制作線路板的基礎依據(jù)。設計人員需先確定圖紙規(guī)格、公制等，并選擇合適的庫元件。根據(jù)要求的電路功能模塊，形成具體圖樣。原理圖要保持美觀、清楚，在元件管腳之間進行走線，表明此處無電器連接，并且盡可能不讓兩處元件管腳直接連接。在線條繪制完成后，通常能自動編號，隨即添加相應的標稱值，同時要注意圖紙畫面上編號與標稱值的顯示位置，通常在設計中會選擇在左側顯示編號，標稱值則放在右側，也可以根據(jù)圖紙內(nèi)容，改成上下標注的方法，保證清晰、遵循統(tǒng)一規(guī)則即可。在繪制原理圖中，要求設計師保障圖中內(nèi)容準確，通過電器規(guī)則檢查確定無誤后，進行打印核對。除此之外，設計工程師還要進一步細化電路原理，包括高低壓、電流、信號、功率等，為后期布局創(chuàng)建便利的條件。

2.2 疊層設計

PCB 設計早期需結合具體項目的電源、信號數(shù)目、元器件管腳部署密度等條件，規(guī)劃PCB 板層數(shù)與布局順序。通常來講，相同材質(zhì)的四層板和雙面板相較，前者噪聲比后者小20 dB 左右。對于信號頻率超過5 MHz 或是上升沿在5 ns 以內(nèi)，可優(yōu)先考慮多層板結構。其相關設計參數(shù)設定標準為：按照管腳密度劃分，每平方英寸（1 in2≈6.45 сm2）中，布置14 以下的管腳，配備2 個信號層與2 個板層；管腳數(shù)量在14～23個之間，信號層數(shù)不變，板層數(shù)增加2 層；23～35 個管腳，要配備4 個信號層以及6 個板層；35～46 個管腳，信號層數(shù)為6 層，板層數(shù)為8 層；46～70 個管腳，信號層數(shù)設定為8 層，板層數(shù)則設為12 層；超過70個管腳，信號層數(shù)應設置成10 個，板層數(shù)要超過14 個。

在項目預算充足的前提下，需盡可能讓各個電源、地層單獨占據(jù)一層，并且電源與地層之間的距離需盡量接近，芯板應對稱布局，臨近的電源與地層能構成平板電容，能抵抗超過300 MHz 的外部擾動。另外，電源和地層的對稱布局有利于預防PCB 制作加工期間出現(xiàn)翹曲的問題。在二者之間形成的電場會受到邊緣效應的影響，向外輻射引起電磁干擾。在前期設計中，需把電源層直接向內(nèi)減少20H（H是指電源和地層之間充斥的介質(zhì)厚度），這樣可以抵消7/10 左右的干擾。另外，在PCB 設計中，低速信號層需布置在頂層或是地層，而高速信號層則需放在內(nèi)層，同時還要接近電源及地層[2]。

2.3 元器件布局

對于元器件布局部分，設計工程師需分析機械干涉、散熱效果、信號完整程度、焊點穩(wěn)定性等內(nèi)容。在PCB 板頂層能布置體量大、工作熱量產(chǎn)出多的元器件，而規(guī)格較小的貼片元件，可放置于底層。類似于接插件與插座等會多次使用的器件，需布置在頂層，并和周邊元件之間留出充足的余量，避免在PCB 板應用期間和附近構件發(fā)生機械干涉。而為使插接件可以就近應用，需把I/O 驅動芯片設計到板層邊緣附近。對于規(guī)格偏大的BGA 封裝芯片，不可直接部署在板中央，這樣可降低變形的風險，防止相應焊點出現(xiàn)脫焊病害。結合當前電子產(chǎn)品行業(yè)的情況來看，有超過半數(shù)的產(chǎn)品失效和熱環(huán)境應力存在較大的關聯(lián)。PCB 的熱環(huán)境形成，外殼作用比較突出，DCDC 效率及散熱模塊等緊隨其后。在PCB 設計中，功率管等產(chǎn)生熱量較大的元器件，可利用導熱膠和鋁材質(zhì)的散熱構件進行貼合，并勻稱分布于邊緣區(qū)域，和外殼接觸，這種布局可以在有限空間內(nèi)，提升散熱效果。假設工作溫度偏高，便可借助風冷及水冷的方式控制熱環(huán)境。其中，風冷系統(tǒng)里，感溫特性突出的元件需部署在冷卻氣流上游，而熱量產(chǎn)生過多的元件需布置在冷卻氣流的下方。

PCB 的電路模塊應按照具體的功能做好分區(qū)布置，具體包括數(shù)字、模擬與大電流開關等多個模塊，通過分區(qū)設計，使相互之間的耦合效應盡可能被弱化。其中，數(shù)字電路可放于PCB 板中間，這樣能控制對外輻射程度；模擬電路的位置設計，考慮到其易受干擾的問題，可將其放在邊緣區(qū)域，擴大其和發(fā)熱源的間距；ADC 元器件則可放在上述兩個電路交界位置。另外，晶振需布置在借鑒時鐘芯片的位置，并在芯片電源引腳周邊設置高頻與儲能類型的電源。

2.4 布線規(guī)劃

PCB 項目的設計布線環(huán)節(jié)中，應綜合考量信號完整度、電流驅動力、散熱效果、可焊性等。具體來說，首先是信號完整度方面。PCB 涉及到的信號完整度問題包括傳輸延遲、串擾、反射等。其中，對于信號傳輸期間的反射現(xiàn)象，能借助端接的方法或者說是阻抗匹配，在負載周邊通過并聯(lián)的形式接入電阻，解決信號反射的問題。同理，把信號線轉彎點設置成圓弧狀以及135°，也起到控制信號反射的作用。對于串擾現(xiàn)象，可通過合理縮短并行走線的長度，擴大相鄰信號之間的距離加以處理。另外，根據(jù)設計經(jīng)驗，各條信號線之間的距離達到3W（W是指信號線的寬度），這樣布線形式能直接消除7/10 的串擾問題，而如果能把信號線距離擴大到10W，串擾程度能消除98%。根據(jù)現(xiàn)有研究成果來看，“過孔”在信號完整度上有著較大的影響，并且會在頻率持續(xù)增大中不斷提高作用力，同時也能借助過孔以及內(nèi)電層的諧振波相應位置填設去耦電容，或是把過孔部署于內(nèi)層諧振波節(jié)的位置來進行優(yōu)化。另外，針對由于過孔引起的信號延遲情況，能利用適當減少過孔以及電路線蛇形走位調(diào)節(jié)時序的方式改進[3]。其次，電流驅動力方面。前期設計中，提升PCB 電流驅動力的基本思路有拓展走線寬度、增加銅箔厚度以及調(diào)節(jié)過孔。其中，前兩項與電流之間為正相關，所以，對于需要承擔大多數(shù)電流的地線與電源線，需盡量提高其線寬。走線換層中會涉及到過孔，其大小參數(shù)對電流驅動力也有影響。對于需輸送較多電流的部分走線，設計工程師可考慮添加更多過孔。再次，散熱效果方面。在前期設計PCB 中，電源與地層需大范圍敷銅，這樣能提高散熱的效率。在敷銅期間，需選擇網(wǎng)狀的布設結構，這樣設計可以控制銅箔和基板之間介質(zhì)受熱后釋放的揮發(fā)性氣體。同時，對于本身發(fā)熱量較大的元器件，其接地銅皮需做好開窗處理，提高散熱速度。最后，可焊性方面。PCB 插件孔焊板和銅箔選擇銅橋銜接方式時，銅橋寬度處于0.13～0.5 mm 之間，可以優(yōu)化焊盤中的錫元素。在焊盤和大規(guī)格導線以及大面積銅箔進行連接時，要額外增設隔熱帶，這樣能預防焊盤周邊出現(xiàn)綠油脫落導致焊料堆在銅箔上，令元器件在焊接操作中發(fā)生傾斜“立碑”的狀況。

2.5 接地規(guī)劃

在PCB 設計項目中，接地是極為關鍵的部分，如果干擾信號超過5 MHz，大多數(shù)是和PCB 接地有聯(lián)系。目前，設計工程師可選擇的接地形式有單點、多點及混合3 類。其中，單點接地比較適合信號頻率不足1 MHz 的情況；多點接地則用在限號頻率超過10 MHz的項目中；混合接地模式則用在頻率處于1?10 MHz之間的情況。另外，布設數(shù)字器件與模擬器件的項目中，兩類器件接地需分開設置，在邊緣區(qū)域利用磁珠相連接地。假設地線未單獨設置，需要在模塊電路周圍分布地線網(wǎng)絡，該種設計成果可令地線形成完整閉合環(huán)路，以此控制電位差。同時，對于比較關鍵的高頻高速信號，需在其周邊通過兩端接地的方式實現(xiàn)有效隔離，由此控制對外產(chǎn)生的電磁輻射量。

3 PCB 設計流程改進思考

在實際設計中，若設計工程師到了物理實現(xiàn)階段才察覺到設計漏洞及錯誤，難免要投入一定代價進行調(diào)整，甚至要重新啟動新的設計周期。這是由于在容差電路布線環(huán)節(jié)中，單一信號的變化會引起諸多信號的改變，而多次返工會使設計成本增加、項目延期。

3.1 整體優(yōu)化思路

為改善原有設計模式的不足，可針對推進流程，從下述幾個方面進行優(yōu)化。首先，設置中心庫。在中心庫里存儲大量設計所需的資源材料，比如Pаrt、Cеll等，而為充分發(fā)揮出資源的作用，可運用蔡氏混沌系統(tǒng)，給資源應用提供決策參考。其次，把邏輯設計環(huán)節(jié)和在中心庫里的各類聯(lián)系整合成一個單元，稱之為DXD（Dхdеsignеr），這主要用在繪制原理圖的環(huán)節(jié)中。再次，把物理設計環(huán)節(jié)和在中心庫里的各類聯(lián)系整合成一個單元，稱之為EXP（Eхреditiоn），可用在布局與布線的環(huán)節(jié)中。最后，在原理圖繪制與PCB 正式規(guī)劃之間插入公共數(shù)據(jù)庫，所有網(wǎng)絡連接與元器件的相關資料信息都能存儲在此數(shù)據(jù)庫里，這樣可以有利于保持信息完整度與可靠性?；诖?，PCB 的整個設計流程被分成3 個模塊與1 個數(shù)據(jù)庫，其中3 個模塊具體包括中心庫、DXD、EXP，各模塊之間具有關聯(lián)，互相支持，構成無縫銜接的格局。下文以中心庫與原理圖繪制、PCB 設計為主，探究設計流程的具體優(yōu)化方向[4]。

3.2 中心庫

在改進后的設計流程中，共分成3 步：先建立中心庫，庫中設計所需資源以及材料管理都需在此環(huán)節(jié)內(nèi)完成；繪制原理圖，即DXD 環(huán)節(jié)；布局布線設計。由此能看出，整個設計流程都是圍繞中心庫開展的。構建設計中心庫中管理層次的設置，并根據(jù)所需資源的具體類別來支持分類管理，相應的運行操作原則是符合信息完整度與連續(xù)性的。對于PCB 設計項目，中心庫可分出5 個層次，即Symbоl(xiāng) 庫、Cеll 庫、Pаrt 庫、Pаdstасk 庫以及IBIS 模型庫。項目進行中，設計工程師對某些資源的需要與使用屬于非線性行為，引入蔡氏混沌系統(tǒng)對此種行為進行模擬，能達到較好的效果。適當設置該系統(tǒng)的期望值，并把其穩(wěn)定到在預期目標方向上，并全過程跟蹤誤差表現(xiàn)，確保其始終處于允許的范圍內(nèi)。借助蔡氏混沌系統(tǒng)，達到對中心庫運行、應用的量化模擬分析。

3.3 DXD 與EXP

根據(jù)優(yōu)化后的流程，先把中心庫里的各類資源，導入到DXD，而后才能開展原理圖繪制。在此項操作中，設計工程師有2 種選擇，即從DXD 數(shù)據(jù)庫調(diào)取、從中心庫調(diào)取。常規(guī)設計流程是原理圖繪制、封裝、PCB 設計。而本文所述的改進流程是在原有基礎上，添加公共數(shù)據(jù)庫，這樣處理的價值在于讓DXD 與EXP之間可以快速完成信息交換。而公共數(shù)據(jù)庫里文件資料格式需符合DXD 與EXP 的讀取需要。當公共數(shù)據(jù)庫編譯后，便可封裝設計形成原理圖。而后EXP 通過保存文件，得到公共數(shù)據(jù)庫內(nèi)的各類元器件資料、有關網(wǎng)絡互聯(lián)內(nèi)容，支持PCE 設計，即布線和布局[5]。

3.4 改進效果

PCB 設計流程改進效果分析選擇“Mеntоr”的專項設計軟件，涵蓋設計環(huán)節(jié)到最后的打樣環(huán)節(jié)。相關設計要求設定為：信號完整度是100%，布通率分成90%、95%以及100%的3 個層次，具體是對比改進前后的設計周期與設計成本2 項指標。當布通率處于90%的情況下，常規(guī)設計流程下的2 項指標，初始值是100%。通過對設計周期與設計成本2 項的對比，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后的設計流程能有效提升布通率，并且還使設計周期明顯縮短，切實令PCB 開發(fā)成本得到控制。

4 結束語

PCB 設計直接影響電子產(chǎn)品的實際質(zhì)量，熟知其設計流程及方法，可合理降低項目資金投入，并縮短設計周期。而根據(jù)如今電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況來看，集成電路上的晶體管會繼續(xù)增多，產(chǎn)品工作速度加快、上升沿時間縮短、管腳數(shù)目提升，會進一步提高PCB設計復雜性，這難免會引起設計難度以及成本加大。在未形成系統(tǒng)化、完整化經(jīng)驗體系的狀況下，本文提出優(yōu)化設計流程的思路，以提升PCB 設計的實際效能?？傊琍CB 是高端電子領域的重要部分，也是多專業(yè)的產(chǎn)業(yè)，相信在更多研究及設計人才的加持下，PCB會有可觀的發(fā)展前景。