3.3 PCB板设计与制作3.3.1PCB板设计制作概述电子设备由元器件、组件、连线及零部件等按要求组装而成，只有通过合理的布局，妥善安排其位置，才能有利于保证技术指标的实现，并保证其稳定可靠地工作。在电路单元中元器件的位置安排称为元器件布局，各组件、元器件之间的各种导线的连接与走向安排，称为布线。布局与布线直接影响电子设备的性能、组装工艺。1元器件的布局（1）元器件的布局原则电子设备、组建中元器件的布局，应遵循以下原则。 元器件布局应保证电性能指标的实现电性能一般指频率特性、信号失真、增益、工作稳定性、相位移、杂音电平、效率等有关指标，具体要求随电路不同而异。元器件布局对电性能有很大影响，如低频电路在高增益时布局不当会产生寄生反馈使输出信号失真或工作不稳定；又如高频装置的布局不当会改变分布参数，使电路参数改变，带来严重后果。对数字电路而言，如布局不当会引起传输信号波形畸变，前后沿变坏，产生不利影响。如果元器件在布局时，注意电场、磁场的影响，并将电磁感应降低到最低限度，就能减少上述不良现象的产生，否则应采取屏蔽和隔离措施。 元器件布局要有利于布线元器件的位置和放置方向以及元器件之间的间距直接影响连线长度和敷设路径，而导线长度和走线方向等会影响其分布参数和电磁感应，最终将影响电路性能。而且不合理的走线还会影响组装的工艺性。因此元件布局时应充分考虑布线，做到相互照应、便于布线、走线。 元器件的布局要有利于结构安装目前电子设备正向小型化、微型化方向发展，要求结构紧凑，提高组装密度。因此在元器件布局时，应精心考虑，巧妙安排，使安装结构紧凑，重量分布均衡，排列有序，在各方面要求兼顾的条件下，力求提高组装密度，以缩小整机尺寸。此外，元器件布局时，在考虑元器件重量均衡的同时力求降低整机的重心；元器件应排列有序，层次分明，这样有利于查找和维修，便于装配和调试。元器件布局应有利于散热和耐冲击振动高温对大多数元器件特别是半导体的影响较大，对温度敏感元器件的影响更大，在布局时要有利散热，严格按照热设计要求布置。有些元器件耐冲击振动能力较差，或冲振对其工作性能有较大影响，在布局时应充分注意其抗振防冲的要求。（2）布局时的排列方法和要求 按电路图顺序呈直线型排列是较好的排列方式按电路图中各级电路的顺序，将各级电路排列成直线是常见，也是较好的排列方式。各级电路以其主要器件（晶体管或集成电路块）为中心按横轴顺序排列；各级电路的元器件尽量靠近主要器件，并集中布设在其四周。具体是：前级输出和后级输入间的元器件布置在两级主要器件之间的横轴区域，而各级电路的其他元器件则布置在主要器件两侧的纵轴区域。电路元器件成直线排列的优点是： 电路的输入级和输出级距离较远，减少了输入与输出之间的寄生反馈（寄生耦合）。 各级电路的地电流主要在本级范围内流动，减少了级间的地电流窜扰。 便于各级电路的屏蔽和隔离。必须指出，按直线布局时，应使各级电路之间有足够的距离，使前后级电路能很好的衔接，并应注意主要器件的引脚方向，使连线最短。对于集成电路与之相连的元器件应布置在集成电路块相应的引线附近，其距离应稍近。电路中既有高电位元件又有低电位元件时，高电位元件布置在横轴上，而低电位元件布置在纵轴上，这样可以免除地电流窜流，减少高电位元件对低电位元件的干扰。电路受到安装空间限制，不能作直线布置时，可采用角尺形（L形）或两排平行布置。这时应采用两块底板，各底板仍然是直线布置，两底板彼此隔离，只在一点上作电连接。锯齿形（W形）布局是不可取的，因为这种布局虽然面积占用较小，但地电流窜扰大，寄生耦合较大，对电路工作不利，一般不能采用。虽然采用印制电路板的电路单元的地电流影响不如采用金属底坐的电路单元那样严重，但布局时也应采取直线布置，这样输入、输出远离，寄生反馈小，而且各级电路印制导线最短，可削弱耦合干扰。 注意各级电路、元器件、导线之间的相互影响各级电路之间应留有适当的距离，并根据元器件的尺寸合理安排，要注意前一级输出与后一级输入的衔接，尽量将小型元器件直接跨接在电路之间，较重、较大的元器件可从电路中拉出来另行安装，并用导线连入电路。具有磁场的铁心器件、热敏元件，高压元件应正确放置，最好远离其他元件，以免元器件之间产生干扰。为了减少高频电路分布参数的影响，相近元器件最好不要平行排列，其引线也不要平行，可互相交错排列（如一个直立，另一个卧倒）。 排列元器件时，应注意其接地方法和接地点如果用金属底座安装元器件，最好在下底表面敷设几根粗铜线作地线，地线应热浸锡后焊在底座中央（注意每根粗铜线必须与底座焊牢）。需接地元器件接地时，应选取最短的路径就近焊在粗铜地线上。如果大型元器件安装在其他金属构件上，应单独敷设地线，不能利用金属构件作地线。在金属底座和金属构件上安装元器件时，应留有足够的安装空间，以便装拆。如采用印制电路板安装元器件，各接地元器件要就近布置在地线附近，可根据情况采用一点接地和就近接地。 在元器件布局时应满足电路元器件的特殊要求对于热敏元器件和发热量大的元器件，在布局时应注意其热干扰，可采取热隔离或散热措施；对需要屏蔽的电路和元器件，布局时应留有安装屏蔽结构的空间。对推挽电路、桥式电路或其他要求电性能对称的电路，排列元器件时应注意做到结构对称性，即做到元器件位置对称，连线对称，使电路的分布参数尽可能一致。2印制电路板结构设计的一般原则上面讲的元器件布局与布线原则，对印制电路板上的元器件布局也基本适用。但印制电路板又有其自身特点，如印制导线都是平面布置，单面印制电路板上导线不能相互交叉；铜箔的抗剥离强度较低，接点不宜多次焊接；不宜采用一点接地等。因此印制电路板上元器件的布局与布线又有其自身的特点。（1）印制电路板的结构布局设计 印制电路板的热设计由于印制电路板基材的耐温能力和导热系数都比较低，铜箔的抗剥离强度随工作温度的升高而下降，印制电路板的工作温度一般不能超过85。如果不采取措施，则过高的温度会导致印制电路板损坏和焊点开裂。降温的方法是采用对流散热，根据情况采用自然通风或强迫风冷。设计印制电路板结构时，主要有以下几种散热方法：均匀分布热负载，零件装散热器；在印制电路板与元器件之间设置带状导热条，局部或全局强迫风冷。考虑到印制电路板上元器件的散热和相互之间的热影响，元件排列的方向和疏密要有利于空气对流。印制板直立安装更有利于散热，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且器件在印制电路板上的排列方式应遵循一定的规则：对于采用自然对流通风冷却的电子设备，最好将集成电路（或器件）按纵长方式排列；对于采用强迫通风冷却的电子设备，最好将集成电路（或其他器件）按横长方式排列。同一块印制电路板上的器件应尽可能按其发热量大小及耐热程度分区排列，发热量小、热敏元件或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容器等）放在冷却气流的最上游（入气口）。发热量大的（如功率晶体管、大规模集成电路等）或耐热性好的元器件应放置放在冷却气流最下游（出气口），并且在水平方向上尽量靠近印制电路板边沿布置，以便缩短传热路径；而在垂直方向上这类元器件尽量靠近印制电路板上方布置，以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。元件的工作温度高于40应加散热器。散热器体积较小时可直接固定在元件上，体积较大时应固定在底板上。在设计印制电路板时要考虑到散热器的体积以及温度对周围元件的影响。热敏元件应远离高温区域（如在设备的底部），并和其他元件要有足够的距离，或采用热屏蔽结构。电解电容不可触及发热元件，如大功率电阻、热敏电阻、变压器、散热器等。电解电容与散热器的最小间隔为10.0mm，其他元件到散热器的最小间隔为2.0mm。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制电路板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑加散热器。实践经验表明，采用合理的器件排列方式，可以有效的降低印制电路板的温度，从而使器件及设备的故障率明显下降。 印制电路板的减振缓冲设计印制电路板是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电器连接。为提高印制电路板的抗振动、抗冲击性能，板上的负荷应合理分布以免产生过大的应力。较重的元件应安排在靠近印制电路板支承点处。大而重的元件（重量超过15g或体积超过27）尽可能靠近固定端布置，并降低其重心或加金属结构件固定或者焊接固定。电路板面尺寸大于200mm150mm时，应考虑电路板的机械强度。应该采用机械边框对其加固，减小印制电路板受负荷时产生的变形。位于电路板边缘的元器件，距离电路板边缘一般不小于2mm。在板上要留出固定支架、定位螺钉和连接插座所需的位置。 印制电路板的抗电磁干扰设计进行PCB电磁兼容性EMC（electromagnetic compatibility）设计的目的是控制下述指标：来自PCB电路的辐射；PCB电路与设备其他电路间的耦合；PCB电路对外部干扰的灵敏度；PCB上各种电路间的耦合。为使印制电路板上元器件的相互影响和干扰最小，高频电路和低频电路、高电压与低电位为电路的元器件不能靠得太近。输入和输出元件应尽量远离，最可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分部参数和相互间的电磁干扰。元器件排列方向与相邻的印制导线应垂直交叉。特别是电感器件和有磁芯的元件要注意其磁场方向。线圈的轴线应垂直于印制电路板面，以求对其他零件的干扰最小。使用的时钟频率高于10MHz时，大多使用具有掩埋接地层的多层板设计。模拟和数字电路要分层布局，以达到板上各电路之间的相互兼容。同一层电源线与地线要靠近；时钟线、信号线与地线的距离要近，以减少电路工作时引起的内部噪声。另外，一定不能忽略对静电放电（ESD）的防护。ESD防护的关键，一是防止静电荷的产生和积累，再就是阻隔ESD效应的产生。印制电路板中有接触器、继电器、按钮等元件时，工作过程中均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取，C取。CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时不用端（指不接入电路的空脚）要接地或接正电源。随着高密度精细线宽（间距）的发展，导线与导线间距愈来愈小，使得因导线与导线间的耦合和干扰作用带来杂散信号或错误信号，俗称为串扰或噪音。这种耦合作用可分为电容性耦合和电感性耦合两种。这些耦合作用所带来的杂散信号，应通过设计或隔离办法来减少或消除。 采用信号与地线交错排列或地线（层）包围信号线，以达到良好的隔离作用。 采用双信号带状线时，相邻的两层信号线不宜平放布设，最好采用井字形网状布线（垂直走线）结构，或斜交、弯曲走线，力求避免相互平行走线。减少导线之间的互感和分布电容。具体做法是印制电路板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。同时不宜直角或锐角走线，应以圆角走弧线与斜线，尽量降低可能发生的干扰。为了避免高频率信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于90，禁止环状走线等。 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间信号线的长度。目前在保持高密度走线的条件下，缩短信号传输线最有效的方法是采用多层板结构。 应把最高频信号或最高速数字化信号组件尽量接近印制电路板连接边输入输出（I/O）处，使它们的传输线走线最短。同时把传输线间的距离尽可能拉大且均匀布设，以取得最佳的电气性能。 各种元件要安排得使干扰和敏感电路相隔开；时钟印制线、总线和芯片要与I/O线和连接器隔开；时钟运行速率应最低，并垂直于信号线布放；如果时钟电路不在板上，应靠近连接器布放。另外，时钟电路应位于板的中心，以有助于使板上分布的印制线最短；I/O芯片应在相应的连接器附近；利用靠近驱动器的电