PCB 設計指引 101：佈局與佈線

歡迎閱讀我們PCB設計指南系列的第二篇文章。在本文中，我們將探討實現最佳PCB設計效能和功能的關鍵PCB設計指南。無論您是電子愛好者、業餘愛好者、工程師、學生還是該領域的專業人士，了解這些指南都能幫助您創建高品質的PCB設計。在本文中，我們將探討設計印刷電路板 (PCB) 的基本原則和最佳實務。這些指南有助於確保PCB功能正常、易於製造並符合所需的性能標準。讓我們與JLCPCB一起深入了解細節！

1. 元件放置：

PCB設計中的製作部分：

PCB 上的數位部分和類比部分應保持分離，以避免訊號相互幹擾。將相關元件組合在一起不僅可以簡化佈線，還能透過最大限度地降低不相關電路之間串擾的風險來增強訊號完整性。例如，在類比放大器設計中，電源部分應遠離主放大 IC，以避免訊號中出現雜訊。

製作耐熱設計：

諸如電源調節器或大電流設備之類的發熱組件應放置在氣流充足的區域或靠近PCB邊緣，以促進有效散熱。組件之間適當的間距對於便於組裝和維護至關重要，同時也能確保自動焊接流程能夠順利進行，而不會造成橋接或其他缺陷。

高速設計考量：

高速組件（例如處理器和記憶體模組）應靠近其相關連接器放置，以最大程度地縮短走線長度，有助於減少訊號延遲和潛在幹擾。總而言之，周到的組件佈局對於優化最終 PCB 設計的性能和耐用性至關重要。

2. 追蹤路由：

走線（連接不同組件的導電通路）的佈線必須精心規劃，以最大程度地減少干擾、訊號損失以及串擾等潛在問題。正確的走線佈線對於訊號完整性、EMI/EMC 合規性和阻抗控制至關重要。

基本路由技術：

為了保持訊號完整性，遵循正確的走線佈線技術來最大限度地減少訊號反射至關重要。當傳輸線阻抗發生突變時，可能會發生訊號反射，導致訊號部分反射。這可能會導致訊號衰減和時序錯誤。此外，避免走線中出現銳角 90 度有助於減少訊號反射並保持更平穩的電流流動。

高速設計佈線：

高速訊號需要特別注意，因為它們對走線長度和阻抗變化非常敏感。在高速設計中，串擾是另一個重要的考慮因素。串擾是指相鄰走線之間不必要的訊號耦合，這會導致訊號幹擾和衰減。為了減輕串擾，可以採用一些技術，例如適當增加走線間距、對高速訊號使用差分對以及採用屏蔽技術。

電源軌道佈線：

正確的佈線還包括保持走線之間足夠的間距以防止短路，並確保電源和接地走線足夠寬，以處理所需電流而不會產生過大的壓力降。此外，使用多條並行走線有助於更均勻地分配電流並降低總電阻。電源走線也應盡可能短，以減少壓力降並確保向關鍵組件穩定供電。

訊號和接地路徑佈線：

接地層通常位於訊號線下方，以提供低阻抗返迴路徑，從而進一步增強訊號穩定性。在複雜的設計中，通常需要多層佈線，將訊號層夾在接地層和電源層之間，以最大限度地降低雜訊和乾擾。總而言之，有效的走線佈線對於實現既符合電氣性能要求又符合製造標準的 PCB 設計至關重要。

天線阻抗匹配佈線：

阻抗控制對於維持訊號完整性至關重要，尤其是在射頻設計中。阻抗不匹配會導致訊號反射和性能下降。為了確保阻抗控制，使用合適的走線寬度、介電材料和層疊配置至關重要。可以利用設計指南和模擬工具來計算和驗證阻抗值，從而實現高效的訊號傳輸。

3. 層堆疊策略：

PCB 設計中的層堆疊是指印刷電路板內不同層的排列與配置。正確的堆疊對於優化電路板的電氣性能、機械穩定性和可製造性至關重要。

根據設計需求選擇層堆疊，可以將雜訊降至最低。例如，如果訊號路徑位於接地層上方，訊號傳播速度會更快。透過在堆疊中加入電源層，可以減少走線數量，從而允許使用過孔來提供 VCC 或 5V 電壓。

具有 EMI/EMC 考慮的 6 層 PCB：

• 訊號層
• 接地平面
• 訊號層
• 電源平面
• 接地平面
• 訊號層

針對音訊應用考慮EMI/EMC的4層PCB：

• 訊號層
• 接地平面
• 接地平面
• 訊號層

專為嵌入式解決方案設計的 4 層 PCB：

• 訊號層
• 接地平面
• 電源平面
• 訊號層

設計規則：

設計規則是一組準則，定義了 PCB 佈局各個方面的最低要求，以確保可製造性和可靠性。設計規則檢查 (DRC) 是一種自動化工具，用於驗證設計是否符合這些規則，從而防止製造和組裝過程中出現潛在問題。

最小軌道間距和軌道寬度：

最小走線寬度和間距是影響訊號完整性、阻抗控制和可製造性的關鍵設計規則。窄走線會導致高電阻和訊號損耗，而走線間距不足則會導致串擾和短路。遵守適當的走線寬度和間距要求可以最大限度地減少這些問題，並確保可靠的 PCB 效能。

通孔鑽孔尺寸和環形環：

過孔設計規則規定了過孔的尺寸和位置，以確保各層之間的有效連接並避免製造缺陷。環形環尺寸是另一個重要的設計規則，尤其適用於過孔和焊盤。它定義了鑽孔周圍的銅環，並影響連接的機械強度和可靠性。環形環尺寸不足會導致焊點脆弱和潛在故障。採用合適的環形環尺寸進行設計可確保穩固的連接和可靠的PCB操作。

阻焊層和網版印刷：

阻焊層間隙是指銅特徵與阻焊層之間的距離。為了防止阻焊層侵占焊盤和走線，避免組裝過程中出現焊接問題，必須留出足夠的間隙。適當的阻焊層間隙設計規則可確保可靠的可焊性，並避免阻焊層相關的缺陷。網版印刷設計規則可確保標記、文字和符號在 PCB 表面清晰有效地佈局。

需要注意的是，不同 PCB 製造商或特定製造流程的設計規則可能有所不同。您可以熟悉製造商提供的設計規則，並參考行業標準（例如 IPC 標準），以確保合規性並優化 PCB 設計的可製造性。

結論：

在本文中，我們探討了實現最佳效能的基本 PCB 設計指南。我們討論了元件佈局、走線佈線和層堆疊在確保訊號完整性、EMI/EMC 合規性和熱管理方面的重要性。我們也強調了設計規則的重要性，並深入分析了走線寬度和間距、環形環尺寸和阻焊層間隙等關鍵考慮因素。遵循這些指南，您將能夠創建符合行業標準的高品質 PCB 佈局，並確保您的電子專案成功。了解 JLCPCB 工廠如何製造 PCB。

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