2.1 PCB设计基础

无论是采用分离器件的传统电子产品或是采用大规模集成电路的现代数码产品，都少不了印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）。PCB是在覆铜板上完成印制电路工艺加工的成品板，它起到电路元件和器件之间的电气连接作用。在电子产品中，PCB与各类电子器件一样，处于非常重要的地位，故PCB也是电子部件之一。

随着微电子技术的不断发展，现代电子产品的体积已趋小型化和微型化，而PCB也由单面板发展到双面板、多层板以及挠性板；其设计也由传统制作工艺发展到计算机辅助设计。目前，应用最广泛的是单面板与双面板。为此，掌握单、双面PCB的设计便成了电子技术人员的一项重要技能。

2.1.1 覆铜板概述

1.覆铜板简介

印制电路板（PCB）的主要材料是覆铜板，而覆铜板（敷铜板）是由基板、铜箔和粘合剂构成的。基板是由高分子合成树脂和增强材料组成的绝缘层板；在基板的表面覆盖着一层导电率较高、焊接性良好的纯铜箔，常用厚度为35～50μm；铜箔覆盖在基板一面的覆铜板称为单面覆铜板，基板的两面均覆盖铜箔的覆铜板称双面覆铜板；用粘合剂将铜箔牢固地覆在基板上。常用覆铜板的厚度有1.0mm、1.5mm和2.0mm3种。

覆铜板的种类也较多。按绝缘材料不同可分为纸基板、玻璃布基板和合成纤维板；按粘结剂树脂不同又可分为酚醛、环氧、聚脂和聚四氟乙烯等；按用途还可分为通用型和特殊型。

2.国内常用覆铜板的结构及特点

（1）覆铜箔酚醛纸层压板

这是由绝缘浸渍纸（TFZ-62）或棉纤维浸渍纸（TFZ-63）浸以酚醛树脂经热压而成的层压制品，两表面胶纸可附以单张无碱玻璃浸胶布，其一面敷以铜箔。

主要用做无线电设备中的印制电路板。

（2）覆铜箔酚醛玻璃布层压板

这是用无碱玻璃布浸以环氧酚醛树脂经热压而成的层压制品，其一面或双面覆以铜箔。具有质轻、电气和机械性能良好、加工方便等优点。其板面呈淡黄色，若用三氢二胺作为固化剂，则板面呈淡绿色，具有良好的透明度。

主要在工作温度和工作频率较高的无线电设备中用做印制电路板。

（3）覆铜箔聚四氟乙烯层压板

这是以聚四氟乙烯板为基板，覆以铜箔经热压而成的一种覆铜板。

主要用做高频和超高频电路中的印制电路板。

（4）覆铜箔环氧玻璃布层压板

这是孔金属化印制电路板常用的材料。

（5）软性聚酯敷铜薄膜

这是用聚酯薄膜与铜热压而成的带状材料，在应用中将它卷曲成螺旋形状放在设备内部。为了加固或防潮，常以环氧树脂将它灌注成一个整体。

主要用做柔性印制电路和印制电缆，可作为接插件的过渡线。

2.1.2 PCB常用术语介绍

一块合格的电路PCB是由焊盘、过孔、安装孔、定位孔、印制线、元件面、焊接面、阻焊层和丝印层等组成的。印制电路板的组成如图2-1所示。

1.焊盘

焊盘是通过对覆铜箔进行处理而得到的元器件连接点。有的PCB上的焊盘就是铜箔本身再喷涂一层助焊剂而形成的；有的PCB上的焊盘则采用了浸银或浸锡或浸镀铅锡合金等措施。焊盘的大小和形状直接影响焊点的质量和PCB的美观。

2.过孔

在双面PCB上，将上、下两层印制线连接起来且内部充满或涂有金属的小洞。有的过孔可作焊盘使用，有的仅起连接作用。使过孔内涂金属的过程叫孔金属化。

3.安装孔

用于固定大型元器件和PCB的小孔，大小根据实际而定。

4.定位孔

用于PCB加工和检测定位的小孔，可用安装孔代替，一般采用三孔定位方式，孔径根据装配工艺确定。

5.印制线

将覆铜板上的铜箔按要求经过蚀刻处理而留下来的网状细小的线路就是印制线，它是用来提供PCB上元器件电路连接的。成品PCB上的印制线已经涂有一层绿色（或棕色）的阻焊剂，以防氧化和锈蚀。

6.元器件面

在PCB上用来安装元器件的一面称为元器件面，单面PCB上无印制线的一面就是元器件面。双面PCB上的元器件面一般印有元器件图形、字符等标记。

7.焊接面

在PCB上用来焊接元器件引脚的一面称为焊接面，该面一般不做任何标记。

8.阻焊层

PCB上的绿色或是棕色层面，它是绝缘的防护层。可以保护铜线不致氧化，也可以防止元器件被焊到不正确的地方。

9.丝印层

在PCB的阻焊层上印出文字与符号（大多是白色的）的层面，由于采用的是丝印的方法，所以称为丝印层。它是用来标示各元器件在板子上位置的。

2.1.3 PCB设计规则

1.元器件的布局

（1）元器件布局要求

保证电路功能和性能指标；满足工艺性、检测、维修等方面的要求；元器件排列整齐、疏密得当，兼顾美观性。

（2）元器件布局原则

排列方位尽可能与原理图一致，布线方向最好与电路图走线方向一致；PCB四周留有5～10mm空隙不布器件；布局的元器件应有利于发热元器件散热；高频时，要考虑元器件之间的分布参数，一般电路应尽可能使元器件平行排列；高、低压之间要隔离，隔离距离与承受的耐压有关。

对于单面PCB，每个元器件引脚单独占用一个焊盘，且元器件不可上下交叉，相邻两元器件之间要保持一定间距，不得过小或碰接。

（3）元器件布局顺序

先放置占用面积较大的元器件；先集成后分立；先主后次，当多块集成电路时，应先放置主电路。

（4）常用元器件的布局方法

对于可调元器件，应布局在印制板上便于调节的地方；质量超过15g的元器件应当用支架，大功率器件最好装在整机的机箱底板上，热敏元器件应远离发热元器件；对于管状元器件一般采用平放，但当PCB尺寸不大时，可采用竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取0.1～0.2in；对于集成电路要确定定位槽放置的方位是否正确。

2.元器件的排列方式

元器件在PCB上的排列可采用不规则、规则和网格等3种排列方式中的一种，也可同时采用多种。

（1）不规则排列

元器件轴线方向彼此不一致，这对印制导线布设是方便的，且平面利用率高，分布参数小，特别对高频电路极为有利。

（2）规则排列

元器件轴线方向排列一致。布局美观整齐，但走线较长而且复杂，适于低频电路。

（3）网格排列

网格排列中的每一个安装孔均设计在正方形网格的交点上。在CAD软件中交点间距可以公制（Metric）或英制（Imperial）进行设定。

3.元器件的间距与安装尺寸

（1）元器件的引脚间距

元器件不同，其引脚间距也不相同。但对于各种各样的元器件的引脚间距大多都是100mil（英制）的整数倍（1mil=25.4×10-6m），常将100mil作为一个间距。

在PCB设计中必须准确弄清元器件的引脚间距，因为它决定着焊盘放置间距。对非标准器件引脚间距的确定，最直接的方法就是使用游标卡尺进行测量。常用元器件的引脚间距如图2-2所示。

（2）元器件的安装尺寸

根据引脚间距来确定焊孔间距。它有软尺寸和硬尺寸之分。软尺寸是基于引脚能够弯折的元器件，故设计该类器件的焊接孔距比较灵活；而硬尺寸是基于引脚不能弯折的元器件，其焊接孔距要求相当准确。当设计PCB时，元器件的焊孔间距可用CAD软件中的标尺度量工具进行确定。

4.印制导线布线

布线是指对印制导线的走向及形状进行放置，它在PCB的设计中是最关键步骤，而且是工作量最大的步骤。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线；布线的方式也有自动布线和手动布线两种。印制导线的走向及形状如表2-1所示。

在PCB的设计中，为了获得比较满意的布线效果，则应遵循如下基本原则。

1）印制线的走向尽可能取直，以短为佳，不要绕远。

2）印制线的弯折走线平滑自然，连接处用圆角，避免用直角。

3）双面板上的印制线两面的导线应避免相互平行；作为电路输入与输出用的印制导线，应尽量避免相互平行，且在这些导线之间最好加接地线。

4）印制线做地线，应尽可能多地保留铜箔做公共地线，且布置在PCB的边缘。

5）大面积铜箔的使用时，最好镂空成栅格，有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体；导线宽度超过3mm时中间留槽，以利于焊接。

5.印制导线的宽度及间距

（1）印制导线的最小宽度

印制导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。PCB的电源线和接地线因电流量较大，设计时要适当加宽，一般不要小于1mm。对于安装密度不大的PCB，印制导线宽度最好不小于0.5mm，手工制板应不小于0.8mm。

（2）印制导线间距

印制导线间距由它们之间的安全工作电压决定。相邻导线之间的峰值电压、基板的质量、表面涂覆层、电容耦合参数等都影响印制导线的安全工作电压。

为满足电气安全要求，印制导线宽度与间隙一般不小于1mm。

6.焊盘的形状

PCB设计时可根据不同的要求选择不同形状的焊盘。常见焊盘形状及用途如表2-2所示。

7.焊盘的孔径

焊盘的外径决定焊盘的大小，用D表示；焊盘的内径由元器件引线直径、孔金属化电镀层厚度等决定，用d表示，一般应不小于0.6mm，否则开模冲孔时不易加工。对于单面板，D≥（d+1.5）mm；对于双面板，D≥（d+1.0）mm。

2.1.4 PCB高级设计

在PCB的设计过程中，只懂得一些设计基础方面的知识往往只能解决简单及低频方面的PCB设计问题，而对于复杂与高频方面的PCB设计却要困难得多，有时解决由设计而考虑不周的问题所花费的时间是设计时间的很多倍，甚至可能需要重新设计。为此，在PCB的设计中还应解决如下问题。

1.热干扰及抑制

元器件在工作中都有一定程度的发热，尤其是功率较大的器件所发出的热量会对周边温度比较敏感的元器件产生干扰，如果热干扰得不到很好的抑制，那么整个电路的电性能就会发生变化。为了对热干扰进行抑制，可采取以下措施。

（1）发热元器件的放置

不要贴板放置，可以将其移到机壳之外，也可以单独设计为一个功能单元，放在靠近边缘容易散热的地方。比如微机电源、贴于机壳外的功放管等。另外，发热量大的元器件与小热量的元器件应分开放置。

（2）大功率元器件的放置

应尽量靠近印制电路板边缘布置，在垂直方向时应尽量布置在印制电路板上方。

（3）温度敏感元器件的放置

应将温度比较敏感的器件安置在温度最低的区域，千万不要将它放在发热器件的正上方。

（4）元器件的排列与气流

非特定要求，一般设备内部均以空气自由对流进行散热，故元器件应以纵式排列；若强制散热，则元器件可横式排列。另外，为了改善散热效果，可添加与电路原理无关的零部件以引导热量对流。元器件的排列与气流关系示意图如图2-3所示。

2.共阻抗干扰及抑制

共阻干扰是由PCB上大量的地线造成。当两个或两个以上的回路共用一段地线时，不同的回路电流在共用地线上产生一定压降，此压降经放大就会影响电路性能；当电流频率很高时，会产生很大的感抗而使电路受到干扰。为了抑制共阻抗干扰，可采用如下措施。

（1）一点接地

使同级单元电路的几个接地点尽量集中，以避免其他回路的交流信号窜入本级，或本级中的交流信号窜到其他回路中去。一点接地适用于信号工作频率小于1MHz的低频电路，如果工作频率在1～10MHz而采用一点接地时，其地线长度就应不超过波长的1/20。总之，一点接地是消除地线共阻抗干扰的基本原则。

（2）就近多点接地

PCB上有大量公共地线分布在板的边缘，且呈现半封闭回路（防磁场干扰），故各级电路应采取就近接地，以防地线太长。就近多点接地适用于信号工作频率大于10MHz的高频电路。

（3）汇流排接地

汇流排是由铜箔板镀银而成的，PCB上所有集成电路的地线都接到汇流排上。汇流排具有条形对称传输线的低阻抗特性，在高速电路里，可提高信号的传输速度，减少干扰。汇流排接地示意图如图2-4所示。

（4）大面积接地

在高频电路中，常将PCB上所有不用面积均布设为地线，以减少地线中的感抗，从而削弱在地线上产生的高频信号，并对电场干扰起到屏蔽作用。大面积接地示意图如图2-5所示。

（5）加粗接地线

若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此其密度至应大于3mm。

（6）D-A转换器（数-模转换器）电路的地线分开

即将两种电路的地线各自独立，然后分别与电源端地线相连，以抑制它们的相互干扰。

3.电磁干扰及抑制

电磁干扰是由电磁效应而造成的干扰，由于PCB上的元器件及布线越来越密集，如果设计不当就会产生电磁干扰，所以为了抑制电磁干扰，可采取如下措施。

（1）合理布设导线

印制线应远离干扰源且不能切割磁力线；避免平行走线，双面板可以交叉通过，单面板可以通过“飞线”跨过；避免成环，防止产生环形天线效应；时钟信号布线应与地线靠近，对于数据总线的布线应在每两根之间夹一根地线或紧挨着地址引线放置；为了抑制出现在印制导线终端的反射干扰，可在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。

（2）采用屏蔽措施

可设置大面积的屏蔽地线和专用屏蔽线以屏蔽弱信号不受干扰。用屏蔽线防止电磁干扰示意图如图2-6所示。

（3）去耦电容的配置

在直流供电电路中，负载的变化会引起电源噪声并通过电源及配线对电路产生干扰。为抑制这种干扰，可在单元电路的供电端接一个10～100μF的电解电容器；可在集成电路的供电端配置一个680pF～0.1μF的陶瓷电容器或4～10个芯片配置一个1～10μF的电解电容器；对ROM、RAM等芯片应在电源线（UCC）和地线（GND）间直接接入去耦电容等。