深度解读PCB设计布局准则

博客作者：Zachariah Peterson

无论您是在进行高速设计，还是正在设计一块高速PCB，良好的电路板设计实践都有助于确保您的设计能够按预期工作并实现批量生产。在本指南中，我们汇总了适用于大多数现代电路板的一些基本PCB设计布局准则。专业设计可能需要遵循额外的板级布局准则，但此处展示的PCB设计和布局准则，是大多数板设计的一个良好起点。

此处展示的PCB设计准则侧重于几个关键领域，将帮助您进行布线、可制造性设计、基本信号完整性设计和产品组装：

定义PCB设计规则，以确保制造和组装良率

元器件布局，以确保可焊接性和便于布线

按类型对元器件进行分组，以避免需要在整板范围内布线

电源和地在PCB叠层中的位置，包括一些针对混合信号PCB布局设计的要点

遵守机械约束，例如连接器位置和外壳限制

#1 - 在布局前确定您的PCB设计规则

开始一个新的PCB设计时，有时很容易忘记管理项目的重要PCB设计规则。有一些简单的间距要求，如果在设计初期确定，将能避免后期大量的元器件移动和重新布线。那么，您可以从哪里获取这些信息呢？

第一步是与您的PCB制造厂沟通。一个好的制造商通常会在网上公布其生产能力，或将此信息提供在文档中。如果在其网站上的明显位置找不到，请给他们发送电子邮件询问其生产能力。最好在开始放置元器件之前完成这一步。同时，请确保提交您提议的叠层方案以供审核，或者查找他们的标准叠层数据并使用该数据。

一旦您找到了他们的能力列表，应将这些能力与您将要遵循的任何行业可靠性标准（2级 vs. 3级或专业标准）进行比较。确定这些要点后，您应选择更保守的设计布局限制以确保可制造性和可靠性，并可以将这些限制应用到您的PCB设计规则中。

在布局过程中，您的PCB设计规则将帮助您消除大多数会导致制造和组装问题的设计错误。设置好板级设计规则后，您就可以开始布局过程了。

#2 - 微调您的元器件布局

PCB布局设计过程中的元器件布局阶段既是一门艺术，也是一门科学，需要战略性地考虑板上可用的核心区域。元器件布局的目标是创建一块易于布线的电路板，理想情况下尽可能减少层间转换。此外，设计必须遵守PCB设计规则并满足必须的元器件放置要求。这些要点可能难以平衡，但一个简单的过程可以帮助板设计师放置满足这些要求的元器件：

1.首先放置必须的元器件。 通常有些元器件必须放置在特定位置，有时是由于机械外壳限制或其尺寸原因。最好先放置这些元器件并锁定其位置，然后再进行其余布局。

2.放置大型处理器和IC。 像高引脚数IC或处理器这样的元件通常需要与设计中的多个元器件连接。将这些元器件放置在中心位置可以使PCB布局中的走线布线更容易。

3.尽量避免网络交叉。 当元器件放置在PCB布局中时，通常可以看到未布线的网络。最好尝试最小化网络交叉的数量。每个网络交叉点都需要通过过孔进行层间转换。如果您能通过创造性的元器件布局来消除网络交叉，那么实施PCB布局的布线准则将变得更加容易。

4.SMD PCB板设计规则。 建议将所有表面贴装（SMD）元器件放置在板的同一侧。这主要是出于组装考虑；板的每一侧都需要单独经过SMD焊接线，因此将所有SMD放在一侧将有助于避免一些额外的组装成本。

5.尝试调整方向。可以旋转元器件以尝试消除网络交叉。尝试使连接的焊盘彼此相对，因为这有助于简化布线。

如果您遵循第1点和第2点，那么布局板的其余部分就会容易得多，而不会出现太多布线交叉。此外，您的板将具有现代的布局外观和感觉，即中央处理器向板周边所有其他组件提供数据。

在此PCB布局设计中，主处理器位于中央位置，走线从其边缘引出。这种布局方式是大型集成电路（IC）及外围器件的理想选择。

#3 - 布置电源、接地与信号走线

在完成元器件布局后，接下来需要对电源线、地线及信号走线进行布线，以确保信号获得洁净无干扰的传输路径。在布局过程的这一阶段，请牢记以下PCB设计准则：

电源平面与接地平面的布置方案

通常建议将电源平面与接地平面布置在两个内层。对于双层板而言，这种安排实施难度较大，因此推荐在某一层设置大面积接地平面，另一层则布置信号走线与电源线路。当采用四层或更多层数的电路板叠层结构时，应优先使用接地平面而非接地走线。对于需要直接电源连接的元器件，若未设置专用电源平面，建议为每个电源系统设置公共母线：确保采用足够宽度的走线（100 mil线宽可承载5-10安培电流），并避免采用器件间串接的菊花链式供电方式。

部分设计指南要求平面层必须对称布置，但这并非制造工艺的强制性要求。在大尺寸电路板中，对称布局在电磁兼容性方面的考虑之外，还有助于降低板翘曲风险，但对于小型板则无需过多考虑。设计时应优先确保电源与接地的可达性，并保证所有走线都能与最近接地平面形成强效回流路径耦合，随后再考虑PCB叠层结构的完美对称性。

PCB布局布线准则

接下来，连接您的信号走线以匹配原理图中的网络。PCB布局实践建议，尽可能在元器件之间放置短而直接的走线，尽管这在较大的板上可能并不总是可行。如果您的元器件布局迫使在板的一侧进行水平走线布线，则始终在另一侧进行垂直走线布线。这是许多重要的双层PCB板设计规则之一。

随着叠层层数的增加，PCB设计规则和PCB布局准则变得更加复杂。您的布线策略将需要在交替层中交替使用水平和垂直走线，除非您用参考平面分隔每个信号层。在用于特殊应用的非常复杂的板中，许多常被吹捧的PCB实践可能不再适用，您需要遵循特定于您应用的PCB板设计准则。

定义走线宽度

PCB布局设计使用走线连接元器件，但这些走线应该多宽？不同网络所需的走线宽度取决于三个可能的因素：

1.可制造性。 走线不能太细，否则无法可靠制造。在大多数情况下，您使用的走线宽度将远大于制造商所能生产的最小值。

2.电流。 走线中承载的电流将决定防止走线过热所需的最小宽度。当电流较高时，走线需要更宽。

3.阻抗。 高速数字信号或射频信号需要特定的走线宽度以达到要求的阻抗值。这并不适用于所有信号或网络，因此您不需要对板设计规则中的每个网络都强制执行阻抗控制。

对于不需要特定阻抗或高电流的走线，10 mil的走线宽度对于绝大多数低电流模拟和数字信号来说都足够了。承载超过0.3 A电流的 PCB 走线可能需要更宽。要检查这一点，您可以使用IPC-2152列线图来确定满足所需电流容量和温升限制的PCB设计走线宽度。

推荐布线方式（箭头表示元器件移动方向）

非推荐布线方式（箭头表示元器件移动方向）

通孔元件连接平面的散热焊盘设计

接地层可作为大型散热器，将热量均匀扩散至整个电路板。因此，当通孔连接至接地层时，省略该孔的散热焊盘将有利于热量传导至接地层——这种热管理方式比将热量局限在表面更优。但需注意，若通孔元件采用波峰焊工艺组装，此设计会产生问题，因为该工艺要求将热量集中在表面区域。

散热焊盘是PCB布局中的特殊设计特征，对于直接连接电源/接地层的通孔元件而言，它可确保板卡在波峰焊工艺中的可制造性。由于通孔焊点直接连接大铜面时难以维持工艺温度，建议采用散热焊盘来保证焊接温度达标。其原理简单而有效：通过减缓焊接过程中热量向平面扩散的速率，从根本上防止冷焊现象。

典型散热焊盘样式

部分设计师主张为任何连接内部接地/电源层的过孔或钻孔添加散热焊盘（即使连接的是小型铜箔区域）。这种建议往往过于绝对。实际需求取决于内层连接铜面的面积大小，建议在量产前将具体设计提交制造商进行工艺评审。

覆铜区域散热处理

覆铜上的通孔焊盘可能需要与平面相同的散热焊盘应用。当覆铜非常大时，它开始看起来很像一个平面，因此如果通孔引脚将要焊接到该连接中，自然应该应用散热焊盘。

对于表面贴装（SMD）元件，情况则有所不同。是否在覆铜区域应用热连接设计取决于PCB的组装方式。当采用回流焊工艺时，基板通过回流炉会实现均匀受热，因此无论SMD焊盘是否存在热连接，其产生立碑现象的潜在风险都远低于其他焊接方式。

如果设计是手工组装的，例如使用焊膏和热风枪，则PCB布局可能需要散热连接以在焊盘附近保持足够的热量并防止立碑。手工焊接时，很难在元件引线上保持一致的加热，散热连接可以帮助防止立碑缺陷。

Altium软件中的多边形热连接

默认情况下，当您创建新项目时，Altium会保持到多边形的散热连接。这可以使用PCB设计规则编辑器中的多边形连接规则（Polygon Connect rule）进行配置。您可以使用Altium中的查询语言更改此设置，以基于特定的封装、层、元件类、网络/网络类或任何其他条件来应用。

#4 - 隔离设计原则

有一些关于如何分组和隔离元器件及走线的PCB设计规则布线准则，以确保易于布线同时防止电气干扰。这些分组准则也有助于热管理，因为您可能需要分离高功率元器件。

元器件分组

有些元器件最好通过将它们分组在一个区域来放置在PCB布局设计中。原因是它们可能是电路的一部分，并且可能只彼此连接，因此不需要将元器件放置在板的不同侧面或区域。PCB布局然后变成设计和布局单个电路组的过程，以便它们可以轻松地通过走线连接在一起。

在许多电路板布局中，往往会同时存在模拟与数字元器件，此时需要防止数字元器件对模拟元器件产生干扰。数十年前的传统做法是将接地层和电源层分割成不同区域，但这种设计方法在现代板卡设计中已被证实不可取。令人遗憾的是，许多PCB布局指南仍在传播这种过时方案，从而导致产生电磁干扰（EMI）的不良布线实践。

正确的做法是在元器件下方使用完整的接地层，避免物理分割接地平面。应将相同工作频率的模拟元器件集中布置，数字元器件也同样集中归类。可以这样理解：在PCB布局设计中，各类元器件应在地层上方分区布置，但接地层在大多数设计案例中必须保持完整统一。

PCB中数字和模拟部分的示例

分离高功率元器件

将板上会散发热量很多的元器件分开放置在不同区域也是合适的。分离这些高功率元器件背后的想法是平衡PCB布局周围的温度，而不是在布局中高温度元器件聚集的地方产生大的热点。这可以通过首先在元器件的数据手册中找到“热阻”额定值并根据估计的散热计算温升来实现。可以添加散热器和冷却风扇来降低元器件温度。在制定布线策略时，您可能必须仔细平衡这些元器件的放置与保持走线长度简短，这可能具有挑战性。

#5 - 完善您的PCB板设计和布局

在设计项目接近尾声时，当您忙于将剩余部分整合在一起以进行制造时，很容易感到不知所措。在此阶段反复检查您的工作是否存在错误，可能意味着制造成功与失败的区别。

为了帮助完成此质量控制过程，始终建议从电气规则检查（ERC）和设计规则检查（DRC）开始，以验证您是否满足所有已建立的约束。通过这两个系统，您可以轻松地定义间隙宽度、走线宽度、常见制造约束、高速电气要求以及特定应用的其他物理要求。这自动化了验证PCB布局的审查过程。

请注意，许多设计流程指出，您应该在板设计阶段结束时运行PCB设计规则检查，同时为制造做准备。如果您使用正确的设计软件，您可以在整个设计过程中运行检查，这使您能够及早发现潜在的设计问题并迅速纠正。当您的最终ERC和DRC产生无错误结果时，建议检查每个信号的布线，并通过一次检查一根线的方式仔细检查原理图，以确认没有遗漏任何东西。

以上就是我们为您提供的重要PCB布局核心准则，这些准则适用于大多数电路板设计。虽然建议清单篇幅精简，但能助您迅速完成功能可靠、可投入生产的设计。这些PCB板设计指南虽仅触及基础要点，却能为您的所有设计实践奠定坚实基础，助力构建并巩固持续改进的设计体系。

若您需要借助PCB板设计软件启动项目，Altium的高级设计工具将是您的理想选择。该软件内置规则驱动设计引擎，助您精准完成设计。当设计完成并准备投入生产时，Altium可帮助您轻松协作并共享项目成果。

关于Altium

Altium有限公司隶属于瑞萨集团，总部位于美国加利福尼亚州圣迭戈，是一家致力于加速电子创新的全球软件公司。Altium提供数字解决方案，以最大限度提高电子设计的生产力，连接整个设计过程中的所有利益相关者，提供对元器件资源和信息的无缝访问，并管理整个电子产品生命周期。Altium生态系统加速了各行业及各规模企业的电子产品实现进程。