尽管现在的EDA工具很强大，但随着PCB尺寸要求越来越小，器件密度越来越高，PCB设计的难度并不小。如何实现PCB高的布通率以及缩短设计时间呢?本文介绍PCB规划、布局和布线的设计技巧和要点。 现在PCB设计的时间越来越短，越来越小的电路板空间，越来越高的器件密度，极其苛刻的布局规则和大尺寸的组件使得设计师的工作更加困难。为了解决设计上的困难，加快产品的上市，现在很多厂家倾向于采用专用EDA工具来实现PCB的设计。但专用的EDA工具并不能产生理想的结果，也不能达到100%的布通率，而且很乱，通常还需花很多时间完成余下的工作。

　　现在市面上流行的EDA工具软件很多，但除了使用的术语和功能键的位置不一样外都大同小异，如何用这些工具更好地实现PCB的设计呢?在开始布线之前对设计进行认真的分析以及对工具软件进行认真的设置将使设计更加符合要求。下面是一般的设计过程和步骤。

　　1、确定PCB的层数

　　电路板尺寸和布线层数需要在设计初期确定。如果设计要求使用高密度球栅数组(BGA)组件，就必须考虑这些器件布线所需要的最少布线层数。布线层的数量以及层叠(stack-up)方式会直接影响到印制线的布线和阻抗。板的大小有助于确定层叠方式和印制线宽度，实现期望的设计效果。

　　多年来，人们总是认为电路板层数越少成本就越低，但是影响电路板的制造成本还有许多其它因素。近几年来，多层板之间的成本差别已经大大减小。在开始设计时最好采用较多的电路层并使敷铜均匀分布，以避免在设计临近结束时才发现有少量信号不符合已定义的规则以及空间要求，从而被迫添加新层。在设计之前认真的规划将减少布线中很多的麻烦。

　　2、设计规则和限制

　　自动布线工具本身并不知道应该做些什幺。为完成布线任务，布线工具需要在正确的规则和限制条件下工作。不同的信号线有不同的布线要求，要对所有特殊要求的信号线进行分类，不同的设计分类也不一样。每个信号类都应该有优先级，优先级越高，规则也越严格。规则涉及印制线宽度、过孔的最大数量、平行度、信号线之间的相互影响以及层的限制，这些规则对布线工具的性能有很大影响。认真考虑设计要求是成功布线的重要一步。

　　3、组件的布局

　　为最优化装配过程，可制造性设计(DFM)规则会对组件布局产生限制。如果装配部门允许组件移动，可以对电路适当优化，更便于自动布线。所定义的规则和约束条件会影响布局设计。

　　在布局时需考虑布线路径(routing channel)和过孔区域。这些路径和区域对设计人员而言是显而易见的，但自动布线工具一次只会考虑一个信号，通过设置布线约束条件以及设定可布信号线的层，可以使布线工具能像设计师所设想的那样完成布线。

　　4、扇出设计

　　在扇出设计阶段，要使自动布线工具能对组件引脚进行连接，表面贴装器件的每一个引脚至少应有一个过孔，以便在需要更多的连接时，电路板能够进行内层连接、在线测试(ICT)和电路再处理。

　　为了使自动布线工具效率最高，一定要尽可能使用最大的过孔尺寸和印制线，间隔设置为50mil较为理想。要采用使布线路径数最大的过孔类型。进行扇出设计时，要考虑到电路在线测试问题。测试夹具可能很昂贵，而且通常是在即将投入全面生产时才会订购，如果这时候才考虑添加节点以实现100%可测试性就太晚了。

　　经过慎重考虑和预测，电路在线测试的设计可在设计初期进行，在生产过程后期实现，根据布线路径和电路在线测试来确定过孔扇出类型，电源和接地也会影响到布线和扇出设计。为降低滤波电容器连接线产生的感抗，过孔应尽可能靠近表面贴装器件的引脚，必要时可采用手动布线，这可能会对原来设想的布线路径产生影响，甚至可能会导致你重新考虑使用哪种过孔，因此必须考虑过孔和引脚感抗间的关系并设定过孔规格的优先级。

　　5、手动布线以及关键信号的处理

　　尽管本文主要论述自动布线问题，但手动布线在现在和将来都是印刷电路板设计的一个重要过程。采用手动布线有助于自动布线工具完成布线工作。如图2a和图2b所示，通过对挑选出的网络(net)进行手动布线并加以固定，可以形成自动布线时可依据的路径。

　　无论关键信号的数量有多少，首先对这些信号进行布线，手动布线或结合自动布线工具均可。关键信号通常必须通过精心的电路设计才能达到期望的性能。布线完成后，再由有关的工程人员来对这些信号布线进行检查，这个过程相对容易得多。检查通过后，将这些线固定，然后开始对其余信号进行自动布线。

　　6、自动布线

　　对关键信号的布线需要考虑在布线时控制一些电参数，比如减小分布电感和EMC等，对于其它信号的布线也类似。所有的EDA厂商都会提供一种方法来控制这些参数。在了解自动布线工具有哪些输入参数以及输入参数对布线的影响后，自动布线的质量在一定程度上可以得到保证。

　　应该采用通用规则来对信号进行自动布线。通过设置限制条件和禁止布线区来限定给定信号所使用的层以及所用到的过孔数量，布线工具就能按照工程师的设计思想来自动布线。如果对自动布线工具所用的层和所布过孔的数量不加限制，自动布线时将会使用到每一层，而且将会产生很多过孔。

　　在设置好约束条件和应用所创建的规则后，自动布线将会达到与预期相近的结果，当然可能还需要进行一些整理工作，同时还需要确保其它信号和网络布线的空间。在一部分设计完成以后，将其固定下来，以防止受到后边布线过程的影响。

　　采用相同的步骤对其余信号进行布线。布线次数取决于电路的复杂性和你所定义的通用规则的多少。每完成一类信号后，其余网络布线的约束条件就会减少。但随之而来的是很多信号布线需要手动干预。现在的自动布线工具功能非常强大，通常可完成100%的布线。但是当自动布线工具未完成全部信号布线时，就需对余下的信号进行手动布线。

　　7、自动布线的设计要点包括:

　　7.1 略微改变设置，试用多种路径布线;

　　7.2 保持基本规则不变，试用不同的布线层、不同的印制线和间隔宽度以及不同线宽、不同类型的过孔如盲孔、埋孔等，观察这些因素对设计结果有何影响;

　　7.3让布线工具对那些默认的网络根据需要进行处理;

　　7.4信号越不重要，自动布线工具对其布线的自由度就越大。

　　8、布线的整理

　　如果你所使用的EDA工具软件能够列出信号的布线长度，检查这些数据，你可能会发现一些约束条件很少的信号布线的长度很长。这个问题比较容易处理，通过手动编辑可以缩短信号布线长度和减少过孔数量。在整理过程中，你需要判断出哪些布线合理，哪些布线不合理。同手动布线设计一样，自动布线设计也能在检查过程中进行整理和编辑。

　　9、电路板的外观

　　以前的设计常常注意电路板的视觉效果，现在不一样了。自动设计的电路板不比手动设计的美观，但在电子特性上能满足规定的要求，而且设计的完整性能得到保证。

　　PCB设计流程之组装技术与环境保护

　　在电子产品中，随着小型、轻型、薄型和高性能元器件使用量的剧增，组装技术的地位正日臻重要，组装材料与环境保护的关系也日益密切。

　　从1995年起，组装衬底材料专用的清洗剂氟里昂和三氯乙醚会破坏地球的臭氧层，国际上就实行禁用。另外，在组装工艺中焊接用的铅(Pb)和挥发性有机物(VOC)、树脂系列布线板等组装材料都面临环境保护问题。某种意义上说，在组装材料与环境保护具体选择的实施过程中，环保在企业管理中的措施，会增加企业负担，因此带有一定的强制性。以Sn-Pb焊接为基础形成的细间距QFP为例，它的一次性回流(re-flow)技术是组装工程技术人员几经努力完成的。现要将它改换成无Pb焊接时，对新的焊接材料的组成与评价、工艺及可靠性等许多工作则需要从头开始。

　　与无铅化焊接相对应的对策包括以下二个方面：

　　1)替代焊接剂即无铅焊接的开发;

　　2)替代焊接剂的新的组装技术即无铅焊接工艺与设备的开发。

　　这一切意味着重新评价原有的连接技术，开发新的连接技术。

　　新的组装材料与技术的开发

　　1.全面废除使用氟里昂

　　组装用的布线板的清洗剂CFC(氟里昂)和三氯乙醚，均会造成对臭氧层的破坏，引起地球变暖。国际社会从1989年起限制使用，在1995年禁止使用。《蒙持利尔公约CFC协议条款》规定发展中国家必须在2005年之前全部完成CFC的淘汰工作，届时凡使用CFC作清洁溶剂的电子产品，一律禁止使用或出口。美国还对含CFC或用CFC处理过的电子产品进口征收特别关税。组装技术中全面废除使用氟里昂，从改变清洗方式和免清洗二个思路展开。

　　发达国家在PCB等相关行业实施的CFC替代方案中，目前的代用试剂为HCFC(协议规定的过渡化合物)、HFC(氢氟碳化合物)、PFC(全氟甲硼烷)、IPA(异丙醇)、丙醇和乙酸已脂等。按照国际公约规定，HCFC可用至2020年，这意味着原用CFC的清洗设备还可使用相当一段时期。然而，新的研究又表明，PCFC和HFC虽对臭氧层破坏较小，但都有温室效应，尤其PCFC为CO2的1000倍。1997年底在日本召开的防止地球变暖的国际会议上又对它们提出质疑，因此目前它们的再替代产品即第三代CFC又在迅速开发中。

　　2.无铅焊接提上日程

　　电子组装除清洗剂带来的污染外，还有铅、铜、锡等重金属带来的污染。众所周知，Sn-Pb瞬时易焊性好且质量有保证。容易满足元器件的电、机械持性和可靠性要求。从射流焊转为回流焊，工艺更为简便。但由于锡、铅均为重金属，迫切需要对这一焊接的重新评价。在欧美国家，对电子工业焊接用Pb的限制及用量相关征税已经启动。日本在1994年就出台重新分析和评价河流的水质标准，强调Pb含量要控制在0.01mg/l以下。日本汽车工业协会提出到2000年汽车的排铅量要降至目前的一半。在这一背景下，世界各国的无铅焊接和无焊剂连接技术的开发十分活跃。

　　人们希望开发能采用原有的设备与工艺的新的无铅焊接技术。它的具体要求是：1)材料成本低;2)具有与Sn-Pb共晶相近的融点;3)电特性、机械特性和化学特性优良;4)与现有的工艺与设备相兼容;5)适用于目前的组装焊接;6)可适用于精细图形。但遗憾的是至今还没有找到能完全满足以上要求的无铅替代品。

　　目前对以Sn为基础加Ag(银)、Cu(铜)、Bi(铋)、Zn(锌)等合金的开发十分活跃。Sn-Ag合金中融点和成本偏高，但耐热且可靠性高，已在欧洲的移动电话和日本的电视机、办公自动化设备中开始试用。而Sn-Zn，由于Zn易氧化，回流须在N2气氛中，要在大气中实用化还有一段过程。总而言之，在减少铅污染的同时，还要考虑组装对窄间距的要求，又要避免使用CFC等。无论材料与技术上都还有许多问题需要解决。

　　3、无焊剂连接技术的开发

　　由于元器件日趋小型化和窄间距化，熔化焊接的极限已摆在面前。而为了维护人类的生存环境，焊接的无铅化十分迫切。在这些因素的推动下，无焊剂连接技术的开发被提上日程。

　　其实，IC芯片的引线键合就是一种无焊剂的连接技术，如超声键合(利用铝的塑性和超声振动劈刀，将铝引线键压于芯片和管壳的焊盘上)和热压焊(利用高温熔化并加压的焊接方法，将金丝引线键压于芯片和管壳的焊盘上)等。原来，它们只限于特殊部件的组装，但现在已开发出将IC连接到面线板的电极上的各种超微连接方法。

　　采用导电胶(Ag、Cu等)可将带有镀金焊点或金丝焊球的IC芯片直接连接到基板电极上，在元件与基板之间填充绝缘树脂，以缓和二者的膨胀系数不同所产生热应力。保证组装的可靠性。这一技术已在液晶显示器和移动电话的IC芯片组装中使用。最近报道，小于50mm的细间距连接也已实用化。这些方法的今后课题是降低接触电阻的扩大组装的适用范围。在环境保护向电子组装业的严峻挑战前，无焊剂连接因不需要清洗并使工艺简化而越来越受到重视。

　　4.控制VOC的使用与排放

　　控制VOC的使用与排放的总对策分为以下几个方面：使VOC的使用在封闭或可回收的系统中进行;开发水熔性焊剂，焊胶和无熔剂树脂等、减少VOC的用量;采用界面活性剂代替有机溶剂等等。总的来说，由于VOC品种多样、性能各异，对它的控制研究还在开始阶段。