多層印制板設(shè)計(jì)基本要領(lǐng)_高都電子PCB技術(shù)中心_pcb學(xué)院PCB

一．概述

印制板（PCB－Printed Circuit Board）也叫印制電路板、印刷電路板。多層印制板，就是指兩層以上的印制板，它是由幾層絕緣基板上的連接導(dǎo)線(xiàn)和裝配焊接電子元件用的焊盤(pán)組成，既具有導(dǎo)通各層線(xiàn)路，又具有相互間絕緣的作用。隨著SMT（表面安裝技術(shù)）的不斷發(fā)展，以及新一代SMD（表面安裝器件）的不斷推出，如QFP、QFN、CSP、BGA（特別是MBGA），使電子產(chǎn)品更加智能化、小型化，因而推動(dòng)了PCB工業(yè)技術(shù)的重大改革和進(jìn)步。自1991年IBM公司首先成功開(kāi)發(fā)出高密度多層板（SLC）以來(lái)，各國(guó)各大集團(tuán)也相繼開(kāi)發(fā)出各種各樣的高密度互連（HDI）微孔板。這些加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使了PCB的設(shè)計(jì)已逐漸向多層、高密度布線(xiàn)的方向發(fā)展。多層印制板以其設(shè)計(jì)靈活、穩(wěn)定可靠的電氣性能和優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中。

下面，作者以多年設(shè)計(jì)印制板的經(jīng)驗(yàn)，著重印制板的電氣性能，結(jié)合工藝要求，從印制板穩(wěn)定性、可靠性方面，來(lái)談?wù)劧鄬又瓢逶O(shè)計(jì)的基本要領(lǐng)。

二．印制板設(shè)計(jì)前的必要工作

1. 認(rèn)真校核原理圖：任何一塊印制板的設(shè)計(jì)，都離不開(kāi)原理圖。原理圖的準(zhǔn)確性，是印制板正確與否的前提依據(jù)。所以，在印制板設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)原理圖的信號(hào)完整性進(jìn)行認(rèn)真、反復(fù)的校核，保證器件相互間的正確連接。

2. 器件選型：元器件的選型，對(duì)印制板的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。同等功能、參數(shù)的器件，封裝方式可能有不同。封裝不一樣，印制板上器件的焊孔（盤(pán)）就不一樣。所以，在著手印制板設(shè)計(jì)之前，一定要確定各個(gè)元器件的封裝形式。
    
多層板在器件選型方面，必須定位在表面安裝元器件（SMD）的選擇上，SMD以其小型化、高度集成化、高可靠性、安裝自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子產(chǎn)品上。同時(shí)，在器件選用上，不僅要注意器件的特性參數(shù)應(yīng)符合電路的需求，也要注意器件的供應(yīng)，避免器件停產(chǎn)問(wèn)題；同時(shí)應(yīng)意識(shí)到：目前很多國(guó)產(chǎn)器件，如片狀電阻、電容、連接器、電位器等的質(zhì)量已逐漸達(dá)到進(jìn)口器件的水平，且有貨源充足、交貨期短、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。所以，在電路許可的條件下，應(yīng)盡量考慮采用國(guó)產(chǎn)器件。

三．多層印制板設(shè)計(jì)的基本要求

1．板外形、尺寸、層數(shù)的確定 
    
任何一塊印制板，都存在著與其他結(jié)構(gòu)件配合裝配的問(wèn)題，所以，印制板的外形與尺寸，必須以產(chǎn)品整機(jī)結(jié)構(gòu)為依據(jù)。但從生產(chǎn)工藝角度考慮，應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，一般為長(zhǎng)寬比不太懸殊的長(zhǎng)方形，以利于裝配，提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)成本。
 
層數(shù)方面，必須根據(jù)電路性能的要求、板尺寸及線(xiàn)路的密集程度而定。對(duì)多層印制板來(lái)說(shuō)，以四層板、六層板的應(yīng)用最為廣泛，以四層板為例，就是兩個(gè)導(dǎo)線(xiàn)層（元件面和焊接面）、一個(gè)電源層和一個(gè)地層，如下圖。

多層板的各層應(yīng)保持對(duì)稱(chēng)，而且最好是偶數(shù)銅層，即四、六、八層等。因?yàn)椴粚?duì)稱(chēng)的層壓，板面容易產(chǎn)生翹曲，特別是對(duì)表面貼裝的多層板，更應(yīng)該引起注意。

2．元器件的位置及擺放方向
 
元器件的位置、擺放方向，首先應(yīng)從電路原理方面考慮，迎合電路的走向。擺放的合理與否，將直接影響了該印制板的性能，特別是高頻模擬電路，對(duì)器件的位置及擺放要求，顯得更加嚴(yán)格。合理的放置元器件，在某種意義上，已經(jīng)預(yù)示了該印制板設(shè)計(jì)的成功。所以，在著手編排印制板的版面、決定整體布局的時(shí)候，應(yīng)該對(duì)電路原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，先確定特殊元器件（如大規(guī)模IC、大功率管、信號(hào)源等）的位置，然后再安排其他元器件，盡量避免可能產(chǎn)生干擾的因素。
 
另一方面，應(yīng)從印制板的整體結(jié)構(gòu)來(lái)考慮，避免元器件的排列疏密不均，雜亂無(wú)章。這不僅影響了印制板的美觀，同時(shí)也會(huì)給裝配和維修工作帶來(lái)很多不便。

3．導(dǎo)線(xiàn)布層、布線(xiàn)區(qū)的要求
 
一般情況下，多層印制板布線(xiàn)是按電路功能進(jìn)行，在外層布線(xiàn)時(shí)，要求在焊接面多布線(xiàn)，元器件面少布線(xiàn)，有利于印制板的維修和排故。細(xì)、密導(dǎo)線(xiàn)和易受干擾的信號(hào)線(xiàn)，通常是安排在內(nèi)層。大面積的銅箔應(yīng)比較均勻分布在內(nèi)、外層，這將有助于減少板的翹曲度，也使電鍍時(shí)在表面獲得較均勻的鍍層。為防止外形加工傷及印制導(dǎo)線(xiàn)和機(jī)械加工時(shí)造成層間短路，內(nèi)外層布線(xiàn)區(qū)的導(dǎo)電圖形離板緣的距離應(yīng)大于50mil，如下圖： 
                                       

4．導(dǎo)線(xiàn)走向及線(xiàn)寬的要求
 
多層板走線(xiàn)要把電源層、地層和信號(hào)層分開(kāi)，減少電源、地、信號(hào)之間的干擾。相鄰兩層印制板的線(xiàn)條應(yīng)盡量相互垂直或走斜線(xiàn)、曲線(xiàn)，不能走平行線(xiàn)，以減少基板的層間耦合和干擾。且導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)盡量走短線(xiàn)，特別是對(duì)小信號(hào)電路來(lái)講，線(xiàn)越短，電阻越小，干擾越小。同一層上的信號(hào)線(xiàn)，改變方向時(shí)應(yīng)避免銳角拐彎。導(dǎo)線(xiàn)的寬窄，應(yīng)根據(jù)該電路對(duì)電流及阻抗的要求來(lái)確定，電源輸入線(xiàn)應(yīng)大些，信號(hào)線(xiàn)可相對(duì)小一些。對(duì)一般數(shù)字板來(lái)說(shuō)，電源輸入線(xiàn)線(xiàn)寬可采用50～80mil，信號(hào)線(xiàn)線(xiàn)寬可采用6～10mil。印制板導(dǎo)線(xiàn)與允許通過(guò)的電流與電阻的關(guān)系如表一：

表一 印制板導(dǎo)線(xiàn)與允許通過(guò)的電流和電阻的關(guān)系

布線(xiàn)時(shí)還應(yīng)注意線(xiàn)條的寬度要盡量一致，避免導(dǎo)線(xiàn)突然變粗及突然變細(xì)，有利于阻抗的匹配。

5．鉆孔大小與焊盤(pán)的要求
 
多層板上的元器件鉆孔大小與所選用的元器件引腳尺寸有關(guān)，鉆孔過(guò)小，會(huì)影響器件的裝插及上錫；鉆孔過(guò)大，焊接時(shí)焊點(diǎn)不夠飽滿(mǎn)。一般來(lái)說(shuō)，元件孔孔徑及焊盤(pán)大小的計(jì)算方法為：
    元件孔的孔徑＝元件引腳直徑（或?qū)蔷€(xiàn)）+（10～30mil）
    元件焊盤(pán)直徑≥元件孔直徑＋18mil

至于過(guò)孔孔徑,主要由成品板的厚度決定,對(duì)于高密度多層板，一般應(yīng)控制在板厚∶孔徑≤5∶1的范圍內(nèi)。過(guò)孔焊盤(pán)的計(jì)算方法為:
    過(guò)孔焊盤(pán)(VIA  PAD)直徑≥過(guò)孔直徑＋12mil。

6．電源層、地層分區(qū)及花孔的要求：

對(duì)于多層印制板來(lái)說(shuō)，起碼有一個(gè)電源層和一個(gè)地層。由于印制板上所有的電壓都接在同一個(gè)電源層上，所以必須對(duì)電源層進(jìn)行分區(qū)隔離，分區(qū)線(xiàn)的大小一般采用20～80mil的線(xiàn)寬為宜，電壓超高，分區(qū)線(xiàn)越粗。如下圖

 
焊孔與電源層、地層連接處，為增加其可靠性，減少焊接過(guò)程中大面積金屬吸熱而產(chǎn)生虛焊，一般連接盤(pán)應(yīng)設(shè)計(jì)成花孔形狀，如下圖：

  
與電源層、地層非連接功能的隔離盤(pán)應(yīng)設(shè)計(jì)為如下形狀：

 
隔離焊盤(pán)的孔徑≥鉆孔孔徑+20mil

6．安全間距的要求
   
安全間距的設(shè)定，應(yīng)滿(mǎn)足電氣安全的要求。一般來(lái)說(shuō)，外層導(dǎo)線(xiàn)的最小間距不得小于4mil，內(nèi)層導(dǎo)線(xiàn)的最小間距不得小于4mil。在布線(xiàn)能排得下的情況下，間距應(yīng)盡量取大值，以提高制板時(shí)的成品率及減少成品板故障的隱患。

7．提高整板抗干擾能力的要求
多層印制板的設(shè)計(jì)，還必須注意整板的抗干擾能力，一般方法有：
a．在各IC的電源、地附近加上濾波電容，容量一般為473或104。
b．對(duì)于印制板上的敏感信號(hào)，應(yīng)分別加上伴行屏蔽線(xiàn)，且信號(hào)源附近盡量少布線(xiàn)。
c．選擇合理的接地點(diǎn)。

四．多層印制板外協(xié)加工要求
 
印制板的加工，一般都是外協(xié)加工，所以在外協(xié)加工提供圖紙時(shí)，一定要準(zhǔn)確無(wú)誤，盡量說(shuō)明清楚，應(yīng)注意諸如材料的選型、壓層的順序、板厚、公差要求、加工工藝等等，都要說(shuō)明清楚。在PCB導(dǎo)出GERBER時(shí)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)建議采用RS274X格式，因?yàn)樗腥缦聝?yōu)點(diǎn)：CAM系統(tǒng)能自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程不須人工參與，可避免許多麻煩，同時(shí)能保持很好的一致性，減少出差率。

總之，多層印制板的設(shè)計(jì)內(nèi)容包含很廣，在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)注意其工藝性、可加工性。只有通過(guò)不斷的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)的積累，才能設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。

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