印制电路板设计原则优化： 印制电路板设计原则

在SMT工艺中，元器件贴装后只是被焊膏临时固定在印制板的相应位置上，回流焊过程中，当焊膏达到熔融温度时，焊料还要再流动一次，元器件受熔融焊料表面张力的作用会发生位置移动。如果PCB焊盘设计正确，元器件焊端与印制板焊盘的可焊性良好，元器件的全部焊端与相应焊盘同时被熔融焊料润湿时，就会产生自定位效应，当元器件贴装有少量偏离时，在表面张力的作用下，能自动被拉回近似目标位置。但是如果PCB焊盘设计不十分准确，回流焊时由于表面张力不平衡，即使贴装位置准确，焊接后也会出现元件位置偏移、立碑、桥接等焊接缺陷。正是由于回流焊工艺的再流动和自定位特点，使回流焊工艺对SMB设计提出了更严格的要求。

1.PCB外观

SMT生产设备具有全自动、高精度、高速度、高效益等特点。PCB设计必须满足SMT设备的要求，否则会影响组装质量和生产效率，严重时可能无法实现自动贴装。因此对PCB外形、尺寸、定位孔和工艺边、基准标记、拼板等都有严格要求。

（1）PCB外形、尺寸

PCB外形应尽可能简单，一般为长宽比不太大的矩形，板面也不要过大，要在SMT生产设备允许的板面大小范围之内。长宽比过大或板面过大，回流焊时容易产生翘曲变形。同时板面尺寸大小与板厚也要匹配。常见长宽比为3∶2或4∶3。表4-4列举了SMB厚度、最大宽度与最大长宽比。

表4-4　SMB板厚、最大宽度和最大长宽比

当PCB外形为异形时，必须设计工艺边使PCB外形成直线，生产结束后再把此工艺边去除。

（2）定位孔、工艺边与基准标记

一般SMT生产设备在装夹PCB时主要是采用针定位或者边定位，因此在PCB上需要有适应SMT生产的定位孔或者工艺边。基准标记则是为了纠正PCB制作过程中产生误差而设计的提供机器光学定位的标记。

1）定位孔

定位孔位于印制板的四角，以圆形为主，定位孔内壁要求光滑，不允许有电镀层，定位孔周围2 mm范围内不允许有铜箔，且不得贴装元器件。定位孔尺寸以及在PCB上位置如图4-8所示。

图4-8　定位孔尺寸及位置示意图

2）工艺边

若PCB夹持边两侧5 mm以上不贴元器件，则可以不设工艺边。若PCB因外形要求无法满足此要求时，则需在PCB上沿夹持方向增设工艺边，一般工艺边长度根据PCB的大小来确定，为5～8 mm不等。当生产工序完成并经检测合格后，再去掉工艺边。

3）基准标记

基准标记有PCB基准标记（PCB Mark）和器件基准标记（IC Mark）两大类。其中PCB基准标记是SMT生产时PCB的定位标记，器件基准标记则是贴装大型IC器件，如QFP、BGA、PLCC等时，进一步保证贴装精度的标记。

基准标记的形状可以是圆形、方形、十字形、三角形、菱形、椭圆形等，以圆形为主，尺寸一般为φ（1～2）mm，其外围有1～2倍其直径的无阻焊区，如图4-9所示。

图4-9　基准标记形状及其示意图

PCB基准标记一般在印制板对角两侧成对设置，距离越大越好，但两圆点的坐标值不应相等，以确保贴片时印制板进板方向的唯一性。当PCB较大（大于等于200mm）时，则一般需在印制板的四个角分别设置基准标记，不可对称分布，并在PCB长度的中心线上或附近增设1～2个基准标记，如图4-10所示。

器件基准标记则应设置在焊盘图形内或其外的附近地方，同样成对设置，如图4-11所示。

图4-10　PCB基准标记位置示意图

图4-11　器件基准标记位置示意图

（3）拼板（panel）

当单个PCB尺寸较小，PCB上元器件较少，且为刚性板时，为了适应SMT生产设备的要求，经常将若干个相同或者不同单元的PCB进行有规则的拼合，把它们拼合成长方形或正方形即为拼板，如图4-12所示。这种设计可以采用同一块模板，节省编程、生产准备时间，提高生产效率和设备利用率。

拼板之间采用V形槽、邮票孔、冲槽等手段进行组合。要求既有一定的机械强度，又便于组装后的分离。

2.布线设计

（1）布线原则

PCB上组件位置和外形确定后，根据组件位置进行布线。

1）低频导线靠近印制板边布置。将电源、滤波、控制等低频和直流导线放在印制板的边缘。公共地线应布置在板的最边缘，高频线路放在板面的中间，可以减小高频导线对地的分布电容，也便于板上的地线和机架相连。高电位导线和低电位导线应尽量远离，最好布线使相邻的导线间的电位差最小。布线时应使印制导线与印制板边留有不小于板厚的距离，以便于组装和提高绝缘性能。

2）避免长距离平行走线。印制电路板上的布线应短而直，减少平行布线，必要时可以采用跨接线。双面印制板两面的导线应垂直交叉。高频电路的印制导线的长度和宽度宜小，导线间距要大。

图4-12　拼板示意图

3）不同信号系统应分开。印制电路板上同时组装模拟电路和数字电路时，宜将这两种电路的地线系统完全分开，它们的供电系统也要完全分开。

4）采用恰当的接插形式，有接插件、插接端和导线引出等几种形式。输入电路的导线要远离输出电路的导线，引出线要相对集中设置。布线时使输入输出电路分列于电路板的两边，并用地线隔开。

5）设置地线。印制板上每级电路的地线一般应自成封闭回路，以保证每级电路的地电流主要在本地回路中流通，减小级间地电流耦合。但印制板附近有强磁场时，地线不能做成封闭回路，以免成为一个闭合线圈而引起感应电流。电路的工作频率越高，地线应越宽，或采用大面积布铜。

6）导线不应有急弯和尖角，转弯和过渡部分宜用半径不小于2 mm的圆弧连接或用45°角连线，且应避免分支线。

（2）印制导线宽度及间距

印制导线的宽度取决于导线的载流量和允许温升。覆铜箔板铜箔的厚度一般为0.02～0.05 mm，印制导线的宽度不同，其截面积也不同。不同截面积的导线，在限定的温升条件下，其载流量也不同，面积越大，载流量也越大。而且，导线越细加工难度越大。因此，在布线空间允许的条件下，应适当选择宽一些的导线。如有特别大的电流应另加导线解决。印制导线的图形，同一印制板上的导线的宽度宜一致，地线可适当加宽。

印制板导线间距、相邻导线平行段的长度和绝缘介质决定了印制板表层导线间的绝缘电阻，因此，在布线允许的条件下，应适当加大导线间距。一般导线间距等于导线宽度。具体设计时应考虑下述三个因素：

1）低频低压电路的导线间距取决于焊接工艺。采用自动化焊接时间距要小些，手工操作时宜大些。

2）高压电路的导线间距取决于工作电压和基板的抗电强度。

3）高频电路主要考虑分布电容对信号的影响。

（3）导线与焊盘的连接

线路与焊盘连接时，可以采用如图4-13所示的方式进行。与矩形焊盘连接的导线最好从焊盘长边的中心引出，避免一定的角度。当焊盘需与较宽导线连接时，应将导线上与焊盘相连的部分做细。

图4-13　线路与焊盘的连接位置及连接方式示意图

3.元器件布局

（1）元器件的选取

应根据PCB的实际需要尽可能选取常规元器件，不可盲目的选取过小元件或过复杂IC器件，如0201和超细间距集成电路。

（2）元器件布局原则

通常元器件布置在印制板的一面，此种布置便于加工、组装和维修。对于双面板主要元器件也是组装在板的一面，在另一面可有一些小型的元件，一般为表面贴装元件。在保证电性能要求的前提下，元器件应平行或垂直于板面，并和主要板边平行或垂直。在板面上分布均匀整齐。一般不得将元件重叠安放，如果确实需要重叠，应采用结构件加以固定。

元件尽可能有规则地排列，以得到均匀的组装密度。大功率元件周围布置热敏元件和其他元件时要有足够的距离。元件排列的方向和疏密要有利于空气对流。元器件宜按电原理图顺序成直线排列，力求紧凑以缩短印制导线长度。如果由于板面尺寸限制，或由于屏蔽要求而必须将电路分成几块时，应使每一块印制板成为独立的功能电路，以便于单独调整、测试和维修，这时应使每一块印制板的引出线为最少。

为使印制板上的元器件的相互影响和干扰最小，高频电路和低频电路、高电位与低电位电路的元器件距离不宜过小。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板面，以求对其他零件的干扰最小。

考虑元器件的散热和相互之间的热影响。发热量大的元器件应放置在有利于散热的位置，如散热孔附近。如元件的工作温度高于40℃时应加散热器。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。在设计印制板时要考虑到散热器的体积以及温度对周围元件的影响。

提高印制板的抗振、抗冲击性能。要使板上的负荷分布合理以免产生过大的应力。对大而重的元件尽可能布置在靠近固定端，或加金属结构件固定。如印制板比较狭长，则可考虑用加强筋加固。

元器件布局要满足回流焊、波峰焊工艺要求。采用双面回流焊时，应将大型元器件分布在一面，小型元器件分布在另一面，这样可以防止在第二面（大型元器件面）进行回流焊时已经焊接的第一面（小型元器件面）元器件掉落回流炉中；采用一面回流焊一面波峰焊时，应将大型贴装元器件分布在回流焊接面，小型元器件分布在波峰焊接面。(www.xing528.com)

（3）元器件的方向设计

元器件在PCB上的排列方向，同类元器件尽可能按相同的方向排列，特征方向应一致，便于元器件的贴装、焊接和检测。例如，电解电容极性、二极管的正极、集成电路的第一引脚排列方向尽量一致。

回流焊时，为了使SMC元件的两个焊端以及SMD器件两侧引脚同步受热，减少由于元器件两侧焊端不能同步受热而产生立碑、移位、焊端脱离焊盘等焊接缺陷，要求PCB上SMC元件的长轴应垂直于回流炉的传送带方向，SMD器件长轴应平行于回流炉的传送带方向。波峰焊时，为了使SMC元件的两个焊端以及SMD器件的两侧焊端同时与焊料波峰相接触，SMC元件的长轴应垂直于波峰焊接机的传送带方向，SMD器件的长轴应平行于波峰焊接机的传送带方向，而且元器件布局和排布方向应遵循较小元件在前和尽量避免互相遮挡的原则。如图4-14所示。

图4-14　回流焊、波峰焊元器件排列方向示意图

（4）元器件间距设计

为了保证焊接时焊盘间不会发生桥接，以及在大型元器件的四周留下一定的维修间隙，因此在分布元器件时，要注意元器件间的最小间距，而且波峰焊接工艺要略宽于回流焊接工艺。一般组装密度的表面贴装元器件之间的最小间距如下：

1）片式元件之间，SOT之间，SOP与片式元件之间为1.25 mm。

2）SOP之间，SOP与QFP之间为2 mm。

3）PLCC与片式元件、SOP、QFP之间为2.5 mm。

4）PLCC之间为4 mm。

4.焊盘设计

PCB焊盘不仅与焊接后焊点的强度有关，而且也与元件连接的可靠性，以及焊接时的工艺有关系。设计优良的焊盘，其焊接过程几乎不会出现虚焊、桥接等缺陷；相反，不良的焊盘设计将导致SMT生产无法进行，因此焊盘设计必须严格按照设计规范进行设计。本节仅介绍几种典型元器件的焊盘设计原则，全面的焊盘设计可参考相关PCB标准或者相关PCB软件数据库。

（1）矩形片式元件焊盘设计

矩形片式元件及焊盘如图4-15所示，具体参数如表4-5所示。

图4-15　矩形片式元件及焊盘示意图

矩形片式元件焊盘设计原则：

焊盘宽度：A＝Wmax－K；

焊盘长度：电阻器B＝Hmax＋Tmax＋K；电容器B＝Hmax＋Tmax－K；

焊盘间距：G＝Lmax－2Tmax－K；

其中K为常数，一般取0.25 mm。

表4-5　矩形片式元件焊盘设计参数

续表

（2）小外形封装SOP焊盘设计

SOP封装外形及焊盘设计如图4-16所示。

图4-16　SOP封装外形及焊盘设计示意图

SOP焊盘设计原则：

焊盘中心距等于引脚中心距；

单个引脚焊盘设计的一般原则：

Y＝T＋b1＋b2＝1.5～2 mm(b1＝b2＝0.3～0.5 mm)

X＝(1～1.2)W；

相对两排焊盘内侧距离：G＝F－K（mm）；

其中K为常数，一般取0.25 mm。

（3）四方扁平封装QFP焊盘设计

QFP封装外形及焊盘设计如图4-17所示。

图4-17　QFP封装外形及焊盘设计示意图

QFP焊盘设计原则：

焊盘中心距等于引脚中心距；

单个引脚焊盘设计的一般原则：

Y＝T＋b1＋b2＝1.5～2 mm(b1＝b2＝0.3～0.5 mm)

X＝(1～1.2)W；

相对两排焊盘内侧距离：G＝A/B－K（mm）；

其中K为常数，一般取0.25 mm。

5.PCB可焊性设计

PCB电路蚀刻制作完成后，需在PCB表面进行涂敷处理，这种处理主要有两方面：在PCB上非焊接区涂敷阻焊膜，可以防止焊料漫流引起桥接以及焊接后防潮的功能；在PCB焊盘上涂层以防止焊盘氧化。

（1）阻焊膜涂敷

阻焊膜通常为热固化或者光固化的树脂：丙烯树脂、环氧树脂、硅树脂等。阻焊膜又可分为干膜和湿膜。干膜法是将制成一定厚度的薄膜覆盖在PCB上，然后采用光刻法暴露出焊盘部分；湿膜法是在PCB整体印刷液态光成像阻焊膜，然后再用光刻法暴露出焊盘部分。阻焊膜开窗的尺寸精度，取决于PCB制造商的工艺水平。

（2）焊盘涂覆

自然界中除了金和铂金外，所有暴露在空气中的金属都会氧化。为了防止PCB焊盘氧化，保护焊盘有较长的有效期，且有良好的可焊性，需对焊盘表面进行涂敷保护，通常采用以下几种工艺。

1）Sn Pb热风整平工艺

SnPb热风整平工艺是传统的焊盘涂敷方法，其具体工艺：PCB电路蚀刻完成后，浸入熔融的SnPb合金中，再慢慢提起并在热风作用下使焊盘涂敷SnPb合金层，并力求平整、光滑。这种工艺制成的PCB可焊性好，但焊盘平整度不太高，因此不适合于带有细间距表面贴装器件焊盘的PCB。

2）镀金工艺

镀金工艺有全板镀金和化学镀金两种。全板镀金是在PCB电路图形制作好后，先全板镀镍，再全板镀金，清洁后即可。这种工艺比较成熟，镀金层薄，但成本较高。化学镀金是在PCB电路图形制作好后，先在非焊接区涂敷阻焊膜，然后通过化学还原反应在焊盘上沉积一层镍，然后再沉积一层金，这种工艺用金量少，成本低，但是有时会出现阻焊膜的性能不能适应化学镀金过程中所使用的溶剂和药品的问题，因此多用全板镀金。镀金工艺制成的PCB可焊性不如热风整平工艺，但其焊盘平整度高，适合于各种PCB。

3）涂有机耐热预焊剂OSP

有机耐热预焊剂又称有机可焊性保护剂，是20世纪90年代中期出现的代替镀金工艺的一种涂敷方法。它具有良好的耐热保护，能承受二次焊接的要求，成本低。但其可焊性不如热风整平工艺，焊接形成的焊点不饱满，外观上不及前面两种工艺的焊接效果。