IC 電路板設計：PCB 佈局技術指南

為什麼 PCB 佈線 對 IC 板設計如此重要？PCB 佈線是將理論優雅的 線路圖 轉化為可 可靠運作且可製造的硬體 的關鍵時刻。對於任何搭載複雜 積體電路（IC） 的複雜電路板，例如 微控制器、像 FPGA 這樣的加速器，或敏感的 RF 收發器，我們不僅僅是將一個點連接到另一個點。PCB 佈線是一項工程專業，對 PCB 和積體電路系統的效能、訊號完整性和整體熱穩定性有巨大影響。這是學習任何 IC 板設計成功的基本 PCB 佈線指南和 PCB 設計最佳實踐的終極指南。

IC 板的演進

IC 板的歷史是一段持續微型化的故事。早期的 PCB 是簡單的 單層 設計，用於容納間距寬鬆的大型通孔元件。佈線是一個相對簡單的二維拼圖。然而，隨著 IC 從簡單的邏輯閘演變為具有數百個引腳的球柵陣列（BGA）封裝的 系統單晶片（SoC），設計 PCB 的複雜性呈爆炸性增長。這種轉變將佈線設計師的角色從製圖員轉變為必須掌握高頻電子物理學的多學科工程師。

現代電路板設計工作

在當今的環境中，最重要的 電路板設計工作 需要強健的多專業技能組合。負責 複雜 IC 板 的佈線工程師將是以下領域的專家：

● 訊號完整性（SI）： 控制高速訊號（例如 DDR 記憶體匯流排），合理控制訊號失真，並考慮阻抗、反射和串擾。

● 電源完整性（PI）： 設計穩定且乾淨的電源傳輸網路（PDN），以避免為 IC 供電時出現故障（電源完整性問題通常也會影響 IC 所連接電路的效能）。策略性地放置去耦電容器和高電流路徑（同時優化壓降）是電源完整性學科的一部分。

● 熱管理： 為高功率 IC 設置銅箔和散熱過孔以最大化散熱，防止熱節流，最終防止熱“災難性”故障。

● 可製造性設計（DFM）： 了解 PCB 製造和組裝的物理限制，以確保設計能夠以高良率可靠地製造。

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PCB 佈線指南

專業佈線是根據明確的 PCB 佈線規則有序完成的。

佈線流程

1.準備是關鍵： 在佈線之前，線路圖必須完成，材料清單（BOM）必須完成，且機殼的任何機械限制都應明確。

2.元件擺放： 這是最重要的一步。正確擺放 IC 及其相關元件（例如去耦電容器和晶振）可縮短走線長度並簡化佈線。

3.電源與接地分配： 一旦定義了疊構和電源與接地層，您就踏上了良好的 PI 和 SI 之路。

4.關鍵訊號佈線： 首先佈線最敏感的高速走線（時鐘、差分對）。

5.一般佈線與最終確定： 佈線剩餘連接，添加絲網印刷，並執行最終設計規則檢查（DRC）。

核心 PCB 設計規則

每個印刷電路板（PCB）佈線都受基本 PCB 設計規則 的約束，以確保製造。製造商提供的這些規則反映其製程的物理限制。

● 走線寬度與電流容量： 電源走線必須根據其所承載的電流負載進行尺寸調整，以避免過熱，並遵循 IPC-2221 等標準。對電源走線使用與訊號走線相同的寬度是服務期間的常見故障模式，導致壓降和最終損壞。

● 走線與銅箔間距（間隙）： 此規則指示銅特徵之間的最小距離，以防止製造期間短路。對於高壓設計，銅特徵之間的間隙必須正確調整尺寸，以避免導體之間產生電弧。

● 過孔規格與環形圈： 製造商至少會規定過孔的鑽孔尺寸和“環形圈”，即過孔周圍的銅墊。環形圈必須足夠大以確保可靠性，並允許鑽孔時少量偏移。

● 防焊與絲網印刷間隙： 元件焊盤之間應有一個“防焊壩”，以幫助避免組裝期間的焊錫橋接。絲網印刷不應印在焊盤上，因為它會影響焊點可靠性。

如需完整列表，請查看： PCB 製造與組裝能力 - JLCPCB。

選擇您的 EDA 軟體：工程師的工具箱

選擇合適的 EDA（電子設計自動化）軟體對於設計 PCB 至關重要。最好的 PCB 設計軟體並非一體適用；它取決於專案的複雜性、所需的分析工具和工程師的工作流程。格局通常分為幾個關鍵層級。

EasyEDA

EasyEDA 的最大優勢在於其與 JLCPCB 製造生態系統的無與倫比的整合，具有巨大的庫存元件。它以其免費的基於網路、易於使用的介面而聞名。EasyEDA 允許工程師在單一工作流程中從線路圖到完整報價的製造和組裝訂單。這種直接連結使 EasyEDA 成為將實體電路板快速高效地送到您手中的最快、最有效的方法之一，對於快速原型製作和迭代設計具有巨大優勢。

IC 板佈線：真實場景中的 PCB 設計最佳實踐

讓我們探討一個真實場景：為具有快速 USB 介面和開關電源的嵌入式系統創建一塊板。

特性與功能

該板必須為 IC 提供乾淨的電源，允許 USB 資料線在 480 Mbps 下正確工作，並將熱量從電壓調節器散開，以避免調節器關閉。

難點：立即平衡 SI、PI 和熱問題

SI 問題：USB 差分對需要 90 歐姆的受控阻抗。如果走線寬度或間距錯誤，將會產生反射，資料將會損壞。熱挑戰：開關調節器會變熱。如果沒有適當的散熱路徑，它會過熱、效率降低，最終失效。

成功秘訣

1. 擺放： 將 去耦電容器 緊鄰微控制器的 VCC 和 GND 引腳放置，並用 過孔 直接連接到接地層。將 USB 連接器和串聯終端電阻盡可能靠近 IC 本身放置，以 最小化走線長度。

2. 佈線： 將 USB D+ 和 D- 走線作為緊密耦合的 差分對 佈線，長度匹配。利用 阻抗計算器 計算 PCB 疊構的精確走線寬度和間距，最終匹配 90 歐姆目標。

3. 熱管理： 在頂層創建一個 大銅箔區域，連接到電壓調節器的散熱焊盤。用一系列散熱過孔將此區域縫合到內部接地層，有效地將整個電路板用作 散熱器。

應用

這種程度的設計關注在現代高科技領域是標準，其中性能和可靠性是不可協商的。關鍵應用領域包括：

● 消費電子產品： 在智慧型手機和穿戴式裝置等裝置中，專業的 IC 板佈線對於將巨大功能封裝到微小空間至關重要。

● 汽車系統： 現代車輛是複雜的電子系統。部署在引擎控制單元（ECU）和高級駕駛輔助系統（ADAS）中的 IC 板需要穩固的佈線。

● AI 與高效能運算： 幫助運行現代世界的資料中心和 AI 加速器需要非常複雜的多層 PCB。這些設計將測試訊號完整性的極限。

● 電信： 5G 基地台和高速網路交換器以極高頻率運作。

專業 PCB 佈線服務

對於一個相對簡單的專案，前面討論的最佳實踐可能是可以實現的。但是，當 PCB 包含 DDR4 記憶體介面、 十層板 和 五個不同的開關調節器 時，您的設計是什麼樣子？該專案將進入一個新的複雜性層級。在這種複雜性層級上，使用專業 PCB 佈線服務 不僅是一種便利，而且是風險緩解的必要條件。在這種複雜性層級上，單一的佈線問題可能會導致數週的調試和數千美元的製造成本浪費。

從簡單的微控制器板到高速數位系統的複雜性跳躍不是漸進的。它引入了需要深入、專業知識的挑戰。

即使您有 HDI 設計經驗，在沒有適當的合格 HDI 經驗的情況下嘗試這樣做就像玩彩票，風險非常高，回報非常低。您可能會產生高昂的製造成本和延誤，或者至少，可能會毀壞需要全部移除或需要修正 GPS 的電路板。

個人佈線與 JLCPCB 佈線服務

雖然創建自己的電路板對於學習很有用，但對於複雜設計，專業服務的好處變得相當引人注目。

● 個人佈線： 這對於簡單設計非常有用。然而，對於複雜佈線，您可能沒有執行 SI/PI 分析的針對性知識，並且缺乏正確執行此操作所需的昂貴軟體工具，因此失敗風險很高。

● JLCPCB 佈線服務： 這是像 JLCPCB PCB 佈線服務 這樣的服務提供戰略優勢的地方。

○ 獲得專業知識： 我們的團隊由具有深厚設計和解決高密度、高頻電路板佈線問題經驗的專業工程師組成。他們了解如何解決設計的複雜性。

○ 與製造整合： 這是根本好處。他們的工程師在設計時深入了解 JLCPCB 的製造能力。他們了解將製造您電路板的工廠的公差和 DFM 規則。這是最直接的 DFM 形式，將大大提高首次成功的機會。

○ 速度與效率： 整合流程消除了設計公司和製造公司之間來回溝通的耗時過程，加快了產品上市時間。

DIY PCB 佈線與專業 JLCPCB 佈線服務的比較表。

結論

設計良好的 IC 板 是良好執行佈線的指標，可以定義為考慮電氣性能、熱性能和可製造性的複雜工程學科。每條走線、元件位置和電源層都有助於電子產品的性能和可靠性。雖然能夠佈線簡單電路板以獲得基本原理是很好的技能，但當專案變得複雜或關鍵時，投資 PCB 佈線服務 並讓專家管理專案的佈線是值得的。當您的專案由 PCB 佈線服務（如 JLCPCB）佈線時，您將利用我們的專業知識、先進工具和嚴格流程，確保您的新設計建立在堅固、可靠和可製造的基礎上，同時最大限度地降低風險並縮短上市時間。

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關於 PCB 佈線服務的常見問題

問：我需要為 PCB 佈線服務提供哪些檔案？

答： 為了提供準確的報價並開始佈線流程，您需要提交以下內容：

1. 線路圖檔案（最好已分配元件封裝）。

2. 還需要 線路圖的 PDF 版本 以供視覺驗證。

3. 任何非標準零件的元件 規格書 或封裝文件。

4. 材料清單（BOM），Excel 格式（可選但建議）。

5. DXF 機構圖，用於定義電路板形狀和限制（可選但建議）。

問：JLCPCB 的 PCB 佈線服務價格是多少？

答： 定價按每引腳計算，如果您還計劃使用整合的 JLCPCB 組裝服務，則更具成本效益。任何佈線專案的最低訂購金額為 100 美元。

使用 JLCPCB 組裝服務時：

● 標準 PCB：每引腳 0.46 美元

● 高階 PCB*：每引腳 0.55 美元

不使用 JLCPCB 組裝服務時：

● 標準 PCB：每引腳 0.64 美元

● 高階 PCB*：每引腳 0.73 美元

問：專業 PCB 佈線需要多長時間？

答： 預計交貨時間取決於設計的引腳數和複雜性。以下時間表提供了一般估計，但由於需求變更或延長溝通，可能會出現延遲。

問：如果我提供了錯誤的元件封裝，佈線服務可以修正嗎？

答： 這是一個常見問題。如果您提供元件規格書，我們的專業服務可以為您創建正確的封裝，但對於廣泛的資料庫工作可能會收取費用。最好事先驗證您的封裝，但將此作為備份服務是一個顯著的優勢。

問：JLCPCB 佈線服務支援哪些軟體？

答： 我們的服務主要使用 EasyEDA 以確保更快的交貨和最具競爭力的價格。然而， 我們支援主流檔案，例如 Altium、Allegro 和 KiCad