PCB设计流程及常见错误讲解 pcb设计软件

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发布时间: 2019-04-22　更新时间: 2019-04-22

PCB设计流程及常见错误讲解

在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。

自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。

对目前高密度的PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善，PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程，要想很好地掌握它，还需广大电子工程设计人员去自已体会，才能得到其中的真谛。

一、设计流程

PCB的设计流程分为网表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查、输出六个步骤.

1.1 网表输入

　网表输入有两种方法，一种是使用PowerLogic的OLE PowerPCB Connection功能，选择Send Netlist，应用OLE功能，可以随时保持原理图和PCB图的一致，尽量减少出错的可能。另一种方法是直接在PowerPCB中装载网表，选择File->Import，将原理图生成的网表输入进来。

1.2 规则设置

如果在原理图设计阶段就已经把PCB的设计规则设置好的话，就不用再进行设置. 这些规则了，因为输入网表时，设计规则已随网表输入进PowerPCB了。如果修改了设计规则，必须同步原理图，保证原理图和PCB的一致。除了设计规则和层定义外，还有一些规则需要设置，比如Pad Stacks，需要修改标准过孔的大小。如果设计者新建了一个焊盘或过孔，一定要加上Layer 25。

注意：

PCB设计规则、层定义、过孔设置、CAM输出设置已经作成缺省启动文件，名称为Default.stp，网表输入进来以后，按照设计的实际情况，把电源网络和地分配给电源层和地层，并设置其它高级规则。在所有的规则都设置好以后，在PowerLogic中，使用OLE PowerPCB Connection的Rules From PCB功能，更新原理图中的规则设置，保证原理图和PCB图的规则一致。

1.3 元器件布局

网表输入以后，所有的元器件都会放在工作区的零点，重叠在一起，下一步的工作就是把这些元器件分开，按照一些规则摆放整齐，即元器件布局。PowerPCB提供了两种方法，手工布局和自动布局。

1.3.1 手工布局

1. 工具印制板的结构尺寸画出板边（Board Outline）。

2. 将元器件分散（Disperse Components），元器件会排列在板边的周围。

3. 把元器件一个一个地移动、旋转，放到板边以内，按照一定的规则摆放整齐。

1.3.2 自动布局

PowerPCB提供了自动布局和自动的局部簇布局，但对大多数的设计来说，效果并不理想，不推荐使用。

1.3.3 注意事项

a. 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起

b. 数字器件和模拟器件要分开，尽量远离

c. 去耦电容尽量靠近器件的VCC

d. 放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集

e. 多使用软件提供的Array和Union功能，提高布局的效率

1.4 布线

布线的方式也有两种，手工布线和自动布线。PowerPCB提供的手工布线功能十分强大，包括自动推挤、在线设计规则检查（DRC），自动布线由Specctra的布线引擎进行，通常这两种方法配合使用，常用的步骤是手工—自动—手工。

1.4.1 手工布线

1. 自动布线前，先用手工布一些重要的网络，比如高频时钟、主电源等，这些网络往往对走线距离、线宽、线间距、屏蔽等有特殊的要求；另外一些特殊封装，如BGA，自动布线很难布得有规则，也要用手工布线。

2. 自动布线以后，还要用手工布线对PCB的走线进行调整。

1.4.2 自动布线

手工布线结束以后，剩下的网络就交给自动布线器来自布。选择Tools->SPECCTRA，启动Specctra布线器的接口，设置好DO文件，按Continue就启动了Specctra布线器自动布线，结束后如果布通率为100%，那么就可以进行手工调整布线了；如果不到100%，说明布局或手工布线有问题，需要调整布局或手工布线，直至全部布通为止。

1.4.3 注意事项

a. 电源线和地线尽量加粗

b. 去耦电容尽量与VCC直接连接

c. 设置Specctra的DO文件时，首先添加Protect all wires命令，保护手工布的线不被自动布线器重布

d. 如果有混合电源层，应该将该层定义为Split/mixed Plane，在布线之前将其分割，布完线之后，使用Pour Manager的Plane Connect进行覆铜

e. 将所有的器件管脚设置为热焊盘方式，做法是将Filter设为Pins，选中所有的管脚，修改属性，在Thermal选项前打勾

f. 手动布线时把DRC选项打开，使用动态布线（Dynamic Route）

1.5 检查

检查的项目有间距（Clearance）、连接性（Connectivity）、高速规则（High Speed）和电源层（Plane），这些项目可以选择Tools->Verify Design进行。如果设置了高速规则，必须检查，否则可以跳过这一项。检查出错误，必须修改布局和布线。

注意：

有些错误可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。

　　1.6 复查

复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置；还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。复查不合格，设计者要修改布局和布线，合格之后，复查者和设计者分别签字。

1.7 设计输出

PCB设计可以输出到打印机或输出光绘文件。打印机可以把PCB分层打印，便于设计者和复查者检查；光绘文件交给制板厂家，生产印制板。光绘文件的输出十分重要，关系到这次设计的成败，下面将着重说明输出光绘文件的注意事项。

a. 需要输出的层有布线层（包括顶层、底层、中间布线层）、电源层（包括VCC层和GND层）、丝印层（包括顶层丝印、底层丝印）、阻焊层（包括顶层阻焊和底层阻焊），另外还要生成钻孔文件（NC Drill）

b. 如果电源层设置为Split/Mixed，那么在Add Document窗口的Document项选择Routing，并且每次输出光绘文件之前，都要对PCB图使用Pour Manager的Plane Connect进行覆铜；如果设置为CAM Plane，则选择Plane，在设置Layer项的时候，要把Layer25加上，在Layer25层中选择Pads和Vias

c. 在设备设置窗口（按Device Setup），将Aperture的值改为199

d. 在设置每层的Layer时，将Board Outline选上

e. 设置丝印层的Layer时，不要选择Part Type，选择顶层（底层）和丝印层的Outline、Text、Line

f. 设置阻焊层的Layer时，选择过孔表示过孔上不加阻焊，不选过孔表示家阻焊，视具体情况确定

g. 生成钻孔文件时，使用PowerPCB的缺省设置，不要作任何改动。

h. 所有光绘文件输出以后，用CAM350打开并打印，由设计者和复查者根据“PCB检查表”检查。

二、过孔

过孔（via）是多层PCB的重要组成部分之一，钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。简单的说来，PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。从作用上看，过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接；二是用作器件的固定或定位。如果从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。

盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。

埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。

第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以绝大部分印刷电路板均使用它，而不用另外两种过孔。以下所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。

从设计的角度来看，一个过孔主要由两个部分组成，一是中间的钻孔（drill hole）,二是钻孔周围的焊盘区，见下图。这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。很显然，在高速,高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔(drill)和电镀（plating）等工艺技术的限制：孔越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置；且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。比如，现在正常的一块6层PCB板的厚度（通孔深度）为50Mil左右，所以PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。

1、过孔的寄生电容

过孔本身存在着对地的寄生电容，如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：

C=1.41εTD1/(D2-D1)

过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用内径为10Mil，焊盘直径为20Mil的过孔，焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，这部分电容引起的上升时间变化量为：

T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 。从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，设计者还是要慎重考虑的。

2、过孔的寄生电感

同样，过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：

L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。

如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。

3、高速PCB中的过孔设计

通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：

1、从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存模块PCB设计来说，选用10/20Mil（钻孔/焊盘）的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18Mil的过孔。目前技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。

2、上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄生参数。

3、PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。

4、电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。

5、在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。当然，在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况，也有的时候，我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。特别是在过孔密度非常大的情况下，可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽，解决这样的问题除了移动过孔的位置，我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。

三、常见错误

1.原理图常见错误：

（1）ERC报告管脚没有接入信号：

a. 创建封装时给管脚定义了I/O属性；

b.创建元件或放置元件时修改了不一致的grid属性，管脚与线没有连上；

c. 创建元件时pin方向反向，必须非pin name端连线。

（2）元件跑到图纸界外：没有在元件库图表纸中心创建元件。

（3）创建的工程文件网络表只能部分调入pcb：生成netlist时没有选择为global。

（4）当使用自己创建的多部分组成的元件时，千万不要使用annotate.

2.PCB中常见错误：

（1）网络载入时报告NODE没有找到：

a. 原理图中的元件使用了pcb库中没有的封装；