【導讀】PCB設計雖然可能會很復雜，但采用很少的技巧和實踐就能夠設計很好的電路板。使用本文列出的指南，需要時加強研究，經驗豐富的老手會不斷增強技巧，而設計新手可以學習開發超出預期的高質量PCB。
現代電子系統最關鍵的部分是電路。銷售的每一部件構成了電路以及電路與用戶接口的互聯，這一般通過印刷電路板(PCB)來實現。便攜式電子設備、計算機和娛樂設備中有大量的PCB。它不僅銷售給消費類產品，而且還用于測試設備、制造和航天領域。本文將介紹正式而又全面的設計指南，工程師、技術人員或者PCB新設計人員可以參照這一指南來開發高質量PCB，不論出于何種目的，都能夠充滿信心的確保全功能PCB滿足甚至超出最初的目標。重點是保證設計按計劃完成的設計方法和策略，在預算范圍內滿足設計要求。討論的范圍包括必要的文檔、設計步驟和策略，以及最后的檢查等。下面的結構圖顯示了PCB理想的設計步驟，從發現需求開始，直至最終的產品電路板。
圖1 PCB基本設計流程圖
確定了PCB需求后，應明確最終概念。這些概念包括：PCB必須有的特性和功能，與其他電路的互聯、布局以及大概的最終尺寸等。應解決環境溫度范圍以及與工作環境相關的問題，用于設定為PCB所選擇的材料。必須選擇組件和PCB材料，以便在電路板生命周期中可能出現的惡劣條件下能夠按預期正常工作。從概念上畫出電路原理圖；這張圖詳細的顯示了PCB每一功能的電路實現。根據所畫出的原理圖，在確定了最終尺寸的實際圖中，為電路的每一模塊設定好區域(出于電信號原因或者限制條件的考慮，元器件組應盡量靠近連接)。
考慮好散熱管理、功能和電信號噪聲之后，決定元器件布局。相似的，根據原理圖生成材料表(BOM)。通過分析電路每一節點的最大工作電壓和電流來選擇電路中的元器件，同時要考慮容限標準，然后選擇相應的元器件。確定了符合電信號要求的元器件后，應根據可用性、預算和尺寸來重新考慮元器件。BOM應始終與原理圖保持更新。BOM中每一元器件的詳細要求包括：數量、參考指標、大小(歐姆、法拉等參數)、制造商型號和PCB引腳布局等。這五項非常關鍵，因為：(a)確定了需要多少型號，(b)解釋標示和電路位置，確切的描述用于購買和替換的每一電路單元，(c)解釋用于面積估算的每一型號的大小尺寸。可以增加其他的描述，但是要注意，這應該是描述每一電路單元的簡表，太多的信息會使得庫開發和管理過于復雜。
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上面已經提到了一些文檔，現在列出PCB需要的所有文檔。這些文檔是硬件尺寸圖、原理圖、BOM、布板文件、元器件布局文件、裝配圖和說明，以及Gerber文件集。用戶指南也是很有用的文檔，但不是必須的。Gerber文件集是PCB布板輸出文件的專業術語，PCB制造商使用這些文件來開發PCB。完整的Gerber文件包括以下由電路板布板文件產生的輸出文件：
●頂層和底層絲印
●頂層和底層阻焊層
●所有金屬層
●頂層和底層焊錫層
●元器件映射圖——X-Y軸
●頂層和底層裝配圖
●Drill文件
●Drill圖例
●FAB概述——尺寸、特殊特性
●網表文件
其中，特殊特性包括但是不限于：凹口、切口、斜角、回填焊盤過孔(用于BGA型IC封裝，在器件下面有引腳陣列)、盲孔/埋孔、表面光潔度和平整程度、孔的公差、層數等。
如果需要了解詳細信息，請參考Cohen的文章或者研究術語。
原理圖是控制工程的文檔，因此，正確完整是保證成功的關鍵。這些文檔含有電路正常工作所必需的信息。下面是含有足夠設計細節的部分原理圖。顯示了引腳數、名稱、元器件值和額定范圍。
圖2：IDTP9021R無線電源接收機的BUCK穩壓器模塊原理圖
嵌在每一原理圖符號中的是制造商型號，用于確定價格和規范。封裝規范確定了每一元器件引腳布局的大小。第一步應該是確定每一引腳裸露銅部分處于正確的位置，比元器件引腳稍大(3～20mils)，具體取決于可用面積和焊接方法。當設計引腳布局時，應考慮裝配，并參照制造商建議的PCB引腳布局。有些元器件采用了微小封裝，無法為額外的銅連接提供空間；即使在這種情況下，電路板的每一引腳之間都應該留有2.5～3mils的阻焊層。按照這10條規則，小過孔的最終孔徑為10mils，焊盤環還有額外10mils。走線應該距離板邊10 mils，或者更多，走線至走線間距是10mils(5mils氣隙，5mils走線寬度，1oz銅連接)。出于可靠性原因，直徑40mils或者更大的過孔應該有額外的焊盤環。在外層銅平面，應該在設計規則基礎上為平面至引腳額外留出15～25mils；這降低了所有焊點出現焊接連接的風險。[page]
PCB的下一階段是第一次通過的元器件布局。這一步是在分配好元器件和互聯位置之后進行的。每一元器件完成布局后，應立即查看布局，并進行調整，以便布線，優化性能。在這一點，根據尺寸和成本，通常重新考慮布局和封裝尺寸，并進行修改。
如果元器件吸收功率大于10mW，或者電流超過10mA，那么可以認為其功耗較大，應該考慮其電信號性能，并進行額外的散熱。敏感信號應通過平面與噪聲源隔離，保持阻抗受控。電源管理元器件應利用地平面或者電源平面，以便散熱，應根據連接能夠承受的電壓降來進行大電流連接。應在每一層轉換的地方采用2～4個過孔實現大電流通路的層轉換。層轉換過孔的目的是提高可靠性，降低電阻和電感損耗，同時提高熱傳導能力。PCB熱傳導過程如圖3所示。
應按照以下順序進行元器件布局：連接器、電源電路、敏感和高精度電路、關鍵電路元器件，其他元器件。在這一點，圍繞PCB上的每一組件得出原理圖，完成連接。根據電源電平、噪聲敏感程度或者生成和布線能力來選擇電路布線優先級。一般而言，對于承載10～20m A的走線，采用10～20m i l s的走線寬度，走線電流如果小于10mA，那么走線寬度為5～8mils。當高頻(>3MHz)和快變信號與高阻抗節點一起布線時，應仔細考慮這些信號。在這一點，首席工程師/設計人員應檢查布板，仔細的調整物理位置，以交互的方式完成布線通路，直到針對所有設計約束對電路進行了優化。請記住，層數取決于電源電平和復雜度；應成對增加層數，這是因為，銅覆層是以這種方式生成的。影響工作的重要因素包括，功率信號和平面的布線，接地方法，電路板能否按預期工作等。最終的檢查包括驗證敏感節點和電路是否正確的與噪聲源隔離，引腳和過孔之間的阻焊層，絲網是否干凈簡潔。確定板層堆疊時，最好使用元器件側下面的第一內層作為地，把電源平面分配給其他層。建立堆疊時，電路板應以z軸中點為平衡點。在檢查過程中，應考慮PCB設計人員提出的任何問題，根據檢查得到的反饋來修改PCB。在每次重復檢查時，應建立修改列表，直到完成電路板。在布板的所有階段，應利用設計規則檢查器(DRC)，消除設計錯誤。
DRC只能找出被監視的錯誤，根據每一不同的設計來修改D R C規則設置。應檢查的最簡規則是：封裝至封裝間距、未連接的網(唯一名稱，區別電路的每一節點)、截短網短路網、氣隙違規、過孔太靠近焊盤、過孔彼此靠的太近，以及縱向間距違規等。還有很多其他重要的DRC規則，確保穩健設計的，應重新研究并理解這些規則。其他常用規則是：保持間距不低于5mils，過孔不應位于表面貼焊盤內(除非回填)，阻焊層應位于所有焊點之間。成本是影響PCB設計的背后因素，最好能夠理解PCB制造的成本問題。典型的電路板是2～4層，穿孔直徑不會小于10mils，氣隙和走線寬度最小5mil，標準FR-4厚度為0.062英寸，銅箔重量1o z。更多的板層、過厚或者太薄的電路板、焊盤過孔、回填過孔(最好是不導通，這是因為導電限制和熱膨脹差)、盲孔/埋孔，以及交付時間都會大幅度增加總成本。當開始PCB設計時，應了解制造商的能力。設計PCB并進行制造時，應經常聯系圓晶廠，了解其能力，以及降低成本的方法。
PCB設計雖然可能會很復雜，但采用很少的技巧和實踐就能夠設計很好的電路板。使用上面列出的指南，需要時加強研究，經驗豐富的老手會不斷增強技巧，而設計新手可以學習開發超出預期的高質量PCB。
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