SciTech-EECS-Manufacturing-PCB Layout基础知识

PCB Layout基础知识

PCB Layout是硬件电子设备必不可少的一个环节.
PCB Layout的规范及质量直接影响硬件设备的功能、性能、可靠性等.所以应对PCB Layout加以重视。
本文章对针对大厂PCB Layout的情况做一个简单的介绍。

1.PCB Layout工程师的工作内容

设计新元件封装和维护现有封装库；
布局元器件：
布局走线；
调节等长；
布局丝印文字；
检查和消除DRC；
输出Gerber文件。

2.与PCB Layout工程师相关的人员

Electronic Engineer；
- 提供电路图及零件资料；
- 提出电气回路要求；
- 提出布局位置要求；
- 提出走线方式要求。
Mechanical Engineer
- 提供机构尺寸图；
- 提供输入输出装置；
- 提供Heat Sink资料；
- 提供结构限制注意事项。
EMI Engineer
- 提供电磁辐射要求及注意事项。
PCB板制造厂商
- 提供PCB制程能力要求，如：可达最小线宽、线距。

3.PCB Layout Placement考虑点

电气特性：
在布局元器件时希望将某些元器件靠在一起摆放，
以缩短电路上的回路路径，降低干扰，减少电感量。
布线：
关系密切的元器件或相关电路模块应放在一起，
否则会增加布线的距离、难度和复杂度。
测试性：
需要测试的元器件最好摆放在板边，以方便测试和拆换。
保证测试点能被看得到、接触到为原则。
结构组装：
依据机构工程师提供的要求进行特殊元器件的布局，
比如依据限高区域、输入输出位置等要求进行布局。
散热性：
会产生热量的元器件不要紧靠摆放，务必将它们分散；
元器件尽量平行于风流方向，不要阻挡到风以提高散热。
电路板会因为热不平衡造成弯翘现象，进而使焊点受损，降低可靠性。
制程：
元器件排列方向, 决定波焊方向。若有元器件的阻隔(元器件太高或太靠近)，
会使得后面的焊点(波焊方向)得不到良好的焊接, 而产生阴影效应或吃锡不均匀产生墓碑效应。
另外，尽量使元器件的极性方向同向，同一轴向、同一孔距、仅需一个置件头，
以提高SMT自动插件效率，增加产量、减少错误，增加可靠度。
美观性：元器件排列整齐，不但美观，还能有较好的散热效果。

4.PCB Layout相关资讯

Cross Talk(串扰):
指当布线密度增加、平行走线距离过长，会使得两线传输线的互容、互感，将能量耦合至相邻的传输线上。

针对串扰的Layout对策有：
- 在平行线间加入地线，且每一段距离就打Via至GND，可降低互容及具屏蔽效用；
- 不同层（特别使相邻层）时要互相垂直走线；
- 每走一段距离平行线，两者间的间距加大；如下图。
反射现象：
布线的弯角、分歧的线路太多所造成，使传输线上产生阻抗不匹配, 如图4
Layout对策是减少线路上的弯角及分歧线(或避免直角走线及分歧线补强), 如图5
- 图4　弯角、分歧造成反射
- 图5　反射Layout对策
滤波电容和旁路电容走线：
Layout布线时，一旦忽略摆放在IC旁边的旁路电容、输入输出的滤波电容，
将使得电容功用失效，无法抑制电路所产生的杂讯。所以走线时:
- 一定要注意走线顺序，主要有：
  - 外部电源输入→滤波电容→旁路电容→后级电路；
  - 内部电源→滤波电容→输出；
  - 内部电源→旁路电容→IC引脚。
- 旁路（By pass）电容的作用:,
  "IC的 OFF→ON": 会使电感产生反电压: V=-L(di/dt), 造成VCC电压略降，GND电压略升;
  "IC的 ON→OFF": 则反之。如此升降关系, 杂讯便传出去了.
  在VCC引脚旁加上一个小电容滤波，引导杂讯进入GND。
3W原则：
指为减少Cross talk(串扰)的与EMI, 线路间距需大于线宽的3倍以上。
注意3W算的是两邻线的中心距离; 但"差分线对"的最小中心距离可以是2W。
图7　3W间距
20H法则：
Fringing(层间耦合)效应: 多层板内VCC与GND两参考层的边缘对齐时, 会向外界发射RF电磁波.
将VCC内缩20倍的介质厚度(H)，即可消除70%的边缘磁通量，故其称为20H法则。
若做到100H则可消除90%的磁通量.
- 图8 层间耦合
- 图9 VCC内缩消除磁通量
层序安排：
多层板Layout时，
- 需确定各层易受干扰的信号位置，将较敏感信号放中间；
- 选出上、下层来提供较佳的屏蔽；
- 可将敏感较高电路与高杂讯电路用地隔离；
- 如走线空间不足，可考虑走内层VCC层，若不能走VCC层就走GND层，但走线要短。
下图10 是多层板Layout各层别的规划参考，并标识了高速、低速和EMC优先走线层别。
孔的类别：

Layout线路用到的孔有上图所示的三种。
- 通孔: 为贯穿整个板子用于连接各层线路的导通孔，为最常用孔。
  优点是制板成本低；缺点是较浪费走线空间。
  内径可选的最小值与板厚和板厂制程能力有关，1.6mm的板厚建议孔最小内径用10mil。
  信号线最好选择可用的最小内径孔，而大电流线最好选择16mil/28mil的孔。
  常见通孔尺寸有: 8mil/16mil(内径/外径)、10mil/20mil、12mil/22mil，16mil/28mil，
- 盲孔：用于多层板，为连接板子最上两层或最下两层的线路。
  优点是可增加走线、布局空间；缺点是制板成本高。
- 埋孔：用于多层板，为连接板子内层走线。
  优点是可增加走线、布局空间；缺点是制板成本高。
接地：Layout接地一般分浮点接地、单点接地和多点接地；
- 浮点接地：多应用于测量仪器、医学仪器等。
  优点是使设备和外壳绝缘，外壳感应杂讯不导入电路；
  缺点是设备与外壳要保持绝缘阻抗在1M以上，对大系统及高频线路不易达到.
  若系统感应高电压，因无法接地By pass，可能对操作者会产生危险。
  浮点接地如下图12
- 单点接地(串接)：多应用于低频电路（0-30KHz）。
  优点是最经济；
  缺点是导入的杂讯最多，有电压降的问题。
  单点接地串接法如下图13所示。
- 单点接地(并接)：多应用于低频电路（0-300KHz）。
  优点是可避免串接时所造成接地电压降的问题；
  缺点是使接地线配长度增加。单点接地并接法如下图14所示。
- 多点接地：多应用于多层板电路和高频电路。
  优点是接地的导线短，减少R、L的阻抗，各部分电路连接到最近的阻抗地；
  缺点是制造成本高。多点接地法如下图15所示