PCB布线、焊盘及敷铜的设计方法详解

       随着电子技术的进步， PCB （印制电路板）的复杂程度、适用范围有了飞速的发展。从事高频PCB的设计者必须具有相应的基础理论知识，同时还应具有丰富的高频PCB的制作经验。也就是说，无论是原理图的绘制，还是PCB 的设计，都应当从其所在的高频工作环境去考虑，才能够设计出较为理想的PCB。

　　本文主要详解PCB布线、焊盘及敷铜的设计方法，首先从pcb布线的走向、布线的形式、电源线与地线的布线要求介绍了PCB布线的设计，其次从焊盘与孔径、PCB设计中焊盘的形状和尺寸设计标准、PCB制造工艺对焊盘的要求介绍了PCB焊盘的设计，最后从pcb覆铜技巧及设置介绍了pcb覆铜设计，具体的跟随小编来了解一下。

　　

　　PCB布线的设计

　　布线是在合理布局的基础上实现高频PCB 设计的总体要求。布线包括自动布线和手动布线两种方式。通常，无论关键信号线的数量有多少，首先对这些信号线进行手动布线，布线完成后对这些信号线布线进行仔细检查，检查通过后将其固定，再对其他布线进行自动布线。即采用手动和自动布线相结合来完成PCB的布线。

　　在高频PCB的布线过程中应特别注意以下几个方面问题。

　　1、布线的走向

　　电路的布线最好按照信号的流向采用全直线，需要转折时可用45°折线或圆弧曲线来完成，这样可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。高频信号线的布线应尽可能短。要根据电路的工作频率，合理地选择信号线布线的长度，这样可以减少分布参数，降低信号的损耗。制作双面板时，在相邻的两个层面上布线最好相互垂直、斜交或弯曲相交。避免相互平行，这样可以减少相互干扰和寄生耦合。

　　高频信号线与低频信号线要尽可能分开，必要时采取屏蔽措施，防止相互间干扰。对于接收比较弱的信号输入端，容易受到外界信号的干扰，可以利用地线做屏蔽将其包围起来或做好高频接插件的屏蔽。同一层面上应该避免平行走线，否则会引入分布参数，对电路产生影响。若无法避免时可在两平行线之间引入一条接地的铜箔，构成隔离线。

　　在数字电路中，对于差分信号线，应成对地走线，尽量使它们平行、靠近一些，并且长短相差不大。

　　2、布线的形式

　　在PCB的布线过程中，走线的最小宽度由导线与绝缘层基板之间的粘附强度以及流过导线的电流强度所决定。当铜箔的厚度为0.05mm、宽度为1mm ——1.5 mm时，可以通过2A电流。温度不会高于3 ℃，除一些比较特殊的走线外，同一层面上的其他布线宽度应尽可能一致。在高频电路中布线的间距将影响分布电容和电感的大小，从而影响信号的损耗、电路的稳定性以及引起信号的干扰等。在高速开关电路中，导线的间距将影响信号的传输时间及波形的质量。因此，布线的最小间距应大于或等于0.5 mm，只要允许，PCB布线最好采用比较宽的线。

　　印制导线与PCB的边缘应留有一定的距离（不小于板厚） ，这样不仅便于安装和进行机械加工，而且还提高了绝缘性能。

　　布线中遇到只有绕大圈才能连接的线路时，要利用飞线，即直接用短线连接来减少长距离走线带来的干扰。

　　含有磁敏元件的电路其对周围磁场比较敏感，而高频电路工作时布线的拐弯处容易辐射电磁波，如果PCB中放置了磁敏元件，则应保证布线拐角与其有一定的距离。

　　同一层面上的布线不允许有交叉。对于可能交叉的线条，可用“钻”与“绕”的办法解决，即让某引线从其他的电阻、电容、三极管等器件引脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去。在特殊情况下，如果电路很复杂，为了简化设计，也允许用导线跨接解决交叉问题。

　　当高频电路工作频率较高时，还需要考虑布线的阻抗匹配及天线效应问题。

　　由于委托方在最后改变了之前的协议，要求按照他们定义的接口定义以及摆放位置，不得已将布局改成了右边的图。实际上由于整个PCB的面积只有9cm x 6cm。很难再根据客户的要求更改板子的整体布局，所以最终就没有改变板子的核心部分，只是对外围器件做了适当的修改，主要就是完成了两个接插件位置及管脚定义的修改。

　　但新的布局明显造成了走线上的一些麻烦，原本走的很顺畅的线变得有些杂乱，走线长度增加，还不得不使用了很多过孔，走线难度提高了很多。

　　

　　从这个例子可以明显看到，布局的差异对于PCB设计的影响。

　　

　　3、电源线与地线的布线要求

　　根据不同工作电流的大小，尽量加大电源线的宽度。高频PCB应尽量采用大面积地线并布局在PCB的边缘，可以减少外界信号对电路的干扰;同时，可以使PCB的接地线与壳体很好地接触，使PCB的接地电压更加接近于大地电压。应根据具体情况选择接地方式，与低频电路有所不同，高频电路的接地线应该采用就近接地或多点接地的方式，接地线短而粗，以尽量减少地阻抗，其允许电流要求能够达到3倍于工作电流的标准。扬声器的接地线应接在PCB 功放输出级的接地点，切勿任意接地。

　　在布线过程中还应该及时地将一些合理的布线锁定，以免多次重复布线。即执行EditselectNet命令在预布线的属性中选中Locked就可以将其锁定不再移动。

 

　　PCB焊盘设计

　　一、焊盘与孔径

　　在保证布线最小间距不违反设计的电气间距的情况下，焊盘的设计应较大，以保证足够的环宽。一般焊盘的内孔要比元器件的引线直径稍微大一点，设计过大，容易在焊接中形成虚焊。焊盘外径D 一般不小于（d+1.2）mm，其中d为焊盘内孔径，对于一些密度比较大的PCB ，焊盘的最小值可以取（d+1.0） mm。焊盘的形状通常设置为圆形，但是对于DIP封装的集成电路的焊盘最好采用跑道形，这样可以在有限的空间内增大焊盘的面积，有利于集成电路的焊接。布线与焊盘的连接应平滑过渡，即当布线进入圆焊盘的宽度较圆焊盘的直径小时，应采用补泪滴设计。

　　需要注意的是，焊盘内孔径d的大小是不同的，应当根据实际元器件引线直径的大小加以考虑，如元件孔、安装孔和槽孔等。而焊盘的孔距也要根据实际元器件的安装方式进行考虑，如电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”、“卧式”两种安装方式，这两种方式的孔距是不同的。此外，焊盘孔距的设计还要考虑元器件之间的最小间隙要求，特别是特殊元器件之间的间隙需要由焊盘间的孔距来保证。

　　在高频PCB中，还要尽量减少过孔的数量，这样既可减少分布电容，又能增加PCB的机械强度。总之，在高频PCB的设计中，焊盘及其形状、孔径与孔距的设计既要考虑其特殊性，又要满足生产工艺的要求。采用规范化的设计，既可降低产品成本，又可在保证产品质量的同时提高生产的效率。

　　二、PCB设计中焊盘的形状和尺寸设计标准

　　1、应调用PCB标准封装库。

　　2、所有焊盘单边最小不小于0.25mm，整个焊盘直径最大不大于元件孔径的3倍。

　　3、应尽量保证两个焊盘边缘的间距大于0.4mm。

　　4、在布线较密的情况下，推荐采用椭圆形与长圆形连接盘。单面板焊盘的直径或最小宽度为1.6mm；双面板的弱电线路焊盘只需孔直径加0.5mm即可，焊盘过大容易引起无必要的连焊。

　　5、孔径超过1.2mm或焊盘直径超过3.0mm的焊盘应设计为菱形或梅花形焊盘

　　6、对于插件式的元器件，为避免焊接时出现铜箔断现象，且单面的连接盘应用铜箔完全包覆；而双面板最小要求应补泪滴；如图：

　　

　　7、所有机插零件需沿弯脚方向设计为滴水焊盘，保证弯脚处焊点饱满。

　　8、大面积铜皮上的焊盘应采用菊花状焊盘，不至虚焊。如果PCB上有大面积地线和电源线区（面积超过500平方毫米），应局部开窗口或设计为网格的填充（FILL）。如图：

　　

　　三、PCB制造工艺对焊盘的要求

　　1、贴片元器件两端没连接插装元器件的应加测试点，测试点直径等于或大于1.8mm，以便于在线测试仪测试。

　　2、脚间距密集的IC脚焊盘如果没有连接到手插件焊盘时需要加测试焊盘，如为贴片IC时，测试点不能置如贴片IC丝印内。测试点直径等于或大于1.8mm，以便于在线测试仪测试。

　　3、焊盘间距小于0.4mm的，须铺白油以减少过波峰时连焊。

　　4、贴片元件的两端及末端应设计有引锡，引锡的宽度推荐采用0.5mm的导线，长度一般取2、3mm为宜。

　　5、单面板若有手焊元件，要开走锡槽，方向与过锡方向相反，宽度视孔的大小为0.3MM到1.0MM；（孔径的50-70%）如下图：

　　

　　6、导电橡胶按键的间距与尺寸大小应与实际的导电橡胶按键的尺寸相符，与此相接的PCB板应设计成为金手指，并规定相应的镀金厚度。

　　7、焊盘大小尺寸与间距要与贴片元件尺寸相同（1：1）。

　　8、对于在同一直线上焊盘（焊盘个数大于4）间的距离小于0.4mm的焊点，在加白油的基础上，元件长边与波峰方向尽量平行的，则在末尾那个焊盘处增加一个空焊盘或将末尾那个焊盘加大，以便吃下拖尾焊锡减少连焊。

 

　　PCB敷铜的设计

　　一、PCB敷铜

　　敷铜的主要目的是提高电路的抗干扰能力，同时对于PCB散热和PCB的强度有很大好处，敷铜接地又能起到屏蔽的作用。但是不能使用大面积条状铜箔，因为在PCB的使用中时间太长时会产生较大热量，此时条状铜箔容易发生膨胀和脱落现象，因此，在敷铜时最好采用栅格状铜箔，并将此栅格与电路的接地网络连通，这样栅格将会有较好的屏蔽效果，栅格网的尺寸由所要重点屏蔽的干扰频率而定。

　　在完成布线、焊盘和过孔的设计后，应执行DRC（设计规则检查） 。在检查结果中详细列出了所设计的图与所定义的规则之间的差异，可查出不符合要求的网络。但是，首先应在布线前对DRC进行参数设定才可运行DRC，即执行ToolsDesign Rule Check命令。

　　二、pcb覆铜技巧

　　1、如果PCB的地较多，有SGND、AGND、GND，等等，就要根据PCB板面位置的不同，分别以最主要的“地”作为基准参考来独立覆铜，数字地和模拟地分开来敷铜自不多言，同时在覆铜之前，首先加粗相应的电源连线：5.0V、3.3V等等，这样一来，就形成了多个不同形状的多变形结构。

　　2、对不同地的单点连接，做法是通过0欧电阻或者磁珠或者电感连接；

　　3、晶振附近的覆铜，电路中的晶振为一高频发射源，做法是在环绕晶振敷铜，然后将晶振的外壳另行接地。

　　4、孤岛（死区）问题，如果觉得很大，那就定义个地过孔添加进去也费不了多大的事。

　　5、在开始布线时，应对地线一视同仁，走线的时候就应该把地线走好，不能依靠于覆铜后通过添加过孔来消除为连接的地引脚，这样的效果很不好。

　　6、在板子上最好不要有尖的角出现（《=180度），因为从电磁学的角度来讲，这就构成的一个发射天线！对于其他总会有一影响的只不过是大还是小而已，我建议使用圆弧的边沿线。

　　7、多层板中间层的布线空旷区域，不要敷铜。因为你很难做到让这个敷铜“良好接地”

　　8、设备内部的金属，例如金属散热器、金属加固条等，一定要实现“良好接地”。

　　9、三端稳压器的散热金属块，一定要良好接地。晶振附近的接地隔离带，一定要良好接地。总之：PCB上的敷铜，如果接地问题处理好了，肯定是“利大于弊”，它能减少信号线的回流面积，减小信号对外的电磁干扰。

　　

　　三、pcb覆铜设置

　　1、pcb覆铜安全间距设置：

　　覆铜的安全间距（clearance）一般是布线的安全间距的二倍。但是在没有覆铜之前，为布线而设置好了布线的安全间距，那么在随后的覆铜过程中，覆铜的安全间距也会默认是布线的安全距离。这样与预期的结果不一样。

　　一种笨方法就是在布好线之后，把安全距离扩大到原来的二倍，然后覆铜，覆铜完毕之后再把安全距离改回布线的安全距离，这样DRC检查就不会报错了。这种办法可以，但是如果要重新更改覆铜的话就要重复上面的步骤，略显麻烦，最好的办法是单独为覆铜的安全距离设置规则。

　　另一种办法就是添加规则了。在Rule的Clearance里面，新建一个规则Clearance1（名称可以自定义），然后再WheretheFirstObjectmatches选项框里面选择Advanced（Query），单击QueryBuilder，然后出现BuildingQueryfromBoard对话框，在此对话框中第一行下拉菜单中选择默认项ShowAllLevels，在CondiTIonType/Operator下面的下拉菜单中选择ObjectKindis，在右边的CondiTIonValue下面的下拉菜单中选择Ploy，这样QueryPreview中就会显示IsPolygon，单击OK确定，接下来还没有完，完全保存时会提示错误：

　　接下来只要在FullQuery显示框中将IsPolygon改为InPolygon就可以，最后在Constraints里面修改你自己需要的覆铜安全间距。有人说布线的规则优先级高于覆铜的优先级，覆铜的话也肯定是遵守布线安全间距的规则，需要在布线的安全间距规则里面把覆铜这个例外给加上，具体做法是在FullQuery里面注释上noTInPolygon。其实这么做完全没有必要，因为优先级是可以更改的，设置规则的主页面左下角有个选项prioriTIes，把覆铜的安全间距规则的优先级提高到高于布线的安全间距规则，这样就互不干扰了，完毕。

　　2、pcb覆铜线宽设置：

　　覆铜在选择Hatched还有None两种模式的时候，会注意到有个设置TrackWidth的地方。如果你选择默认的8mil，并且你覆铜所连接的网络在设置线宽范围的时候，最小的线宽大于8mil，那么在DRC的时候就会报错，在刚开始的时候也没有注意到这一细节，每次覆铜之后DRC都有很多的错误。

　　是在Rule的Clearance里面，新建一个规则Clearance1（名称可以自定义），然后再WheretheFirstObjectmatches选项框里面选择ADVANCED（Query），单击QueryBuilder，然后出现BuildingQueryfromBoard对话框，在此对话框中第一行下拉菜单中选择ShowAllLevels（默认为此项），然后在ConditionType/Operator下面的下拉菜单中选择ObjectKindis，然后再右边的ConditionVALUE下面的下拉菜单中选择Ploy，这样在右边QueryPreview中就会显示IsPolygon，单击OK确定保存退出，接下来还没有完，在FullQuery显示框中将IsPolygon改为InPolygon（DXP中的bug必须这样改，2004版本好像不用改），最后一步了，下面就可以在Constraints里面修改你自己需要的间距了（根据你们的制版工艺水平）。这样就只影响铺铜的间距，不影响各层布线的间距了。