PCB线路板设计铜线布线过程详解

专业的PCB板制作过程相当复杂，首先制作的第一步是建立出零件间联机的布线。我们采用负片转印方式将工作底片表现在金属导体上。这项技巧是将整个表面铺上一层薄薄的铜箔，并且把多余的部份给消除。而追加式转印是另一种比较少人使用的方式，这是只在需要的地方敷上铜线的方法。

正光阻剂是由感光剂制成的，它在照明下会溶解。有很多方式可以处理铜表面的光阻剂，不过最普遍的方式，是将它加热，并在含有光阻剂的表面上滚动。它也可以用液态的方式喷在上头，不过干膜式提供比较高的分辨率，也可以制作出比较细的导线。

在PCB板上的光阻剂经过UV光曝光之前，覆盖在上面的遮光罩可以防止部份区域的光阻剂不被曝光。这些被光阻剂盖住的地方，将会变成布线。在光阻剂显影之后，要蚀刻的其它的裸铜部份。蚀刻过程可以将板子浸到蚀刻溶剂中，或是将溶剂喷在板子上。一般用作蚀刻溶剂使用三氯化铁等。蚀刻结束后将剩下的光阻剂去除掉。

1、布线宽度和电流

在PCB布线宽度设计中，一般宽度不宜小于0.2mm(8mil)，而且在高密度高精度的PCB上，间距和线宽一般0.3mm(12mil)。当铜箔的厚度在50um左右时，导线宽度为1～1.5mm (60mil) = 2A。公共地一般80mil,对于有微处理器的应用更要注意。

2、到底多高的频率才算高速板呢？

PCB线路板设计中，在当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时，即可认为是高速信号。而相对于数字电路，其关键是看信号的边沿陡峭程度，即信号的上升和下降的时间。

引用一本非常经典的书《High Speed Digtal Design》的理论，信号从10%上升到90%的时间小于6倍导线延时,就是高速信号!——即!即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线路论。

3、PCB板的堆叠与分层

就用PCB四层板的几种叠层来说明。注意：GND是地层，S1或SIG1是信号布线一层，S2或SIG2是信号布线二层，POWER是电源层。

第一种情况，叠层顺序是GND、S1+POWER、S2+POWER、GND，应当是四层板中最好的一种情况。因为外层是地层，对EMI有屏蔽作用，同时电源层同地层也可靠得很近，使得电源内阻较小，取得最佳郊果。但第一种情况不能用于当本板密度比较大的情况。因为这样一来，就不能保证第一层地的完整性，这样第二层信号会变得更差。另外，此种结构也不能用于全板功耗比较大的情况。

第二种情况，叠层顺序是SIG1、GND、POWER、SIG2，是我们平时最常用的一种方式。从板的结构上，也不适用于高速数字电路设计。因为在这种结构中，不易保持低电源阻抗。以一个板2毫米为例：要求Z0=50ohm. 以线宽为8mil.铜箔厚为35цm。这样信号一层与地层中间是0.14mm。而地层与电源层为1.58mm。这样就大大的增加了电源的内阻。在此种结构中,由于辐射是向空间的，需加屏蔽板，才能减少EMI。

第三种情况，叠层顺序是GND、S1、S2、POWER，S1层上信号线质量最好。S2次之。对EMI有屏蔽作用。但电源阻抗较大。此板能用于全板功耗大而该板是干扰源或者说紧临着干扰源的情况下。

4、阻抗匹配

PCB线路板中的反射电压信号的幅值由源端反射系数ρs和负载反射系数ρL 决定，其中ρL = (RL – Z0) / (RL + Z0) 和 ρS = (RS – Z0) / (RS + Z0)，在这个式中，若RL=Z0则负载反射系数ρL=0。若 RS=Z0源端反射系数ρS=0。

由于普通的传输线阻抗Z0通常应满足50Ω的要求50Ω左右，而负载阻抗通常在几千欧姆到几十千欧姆。因此，在负载端实现阻抗匹配比较困难。然而，由于信号源端(输出)阻抗通常比较小，大致为十几欧姆。因此在源端实现阻抗匹配要容易的多。如果在负载端并接电阻，电阻会吸收部分信号对传输不利(我的理解).当选择TTL/CMOS标准 24mA驱动电流时，其输出阻抗大致为13Ω。若传输线阻抗Z0=50Ω，那么应该加一个33Ω的源端匹配电阻。13Ω+33Ω=46Ω (近似于50Ω，弱的欠阻尼有助于信号的setup时间)。

当选择其他传输标准和驱动电流时，匹配阻抗会有差异。在高速的逻辑和电路设计时，对一些关键的信号，如时钟、控制信号等，我们建议可以加源端匹配电阻。这样接了信号还会从负载端反射回来，因为源端阻抗匹配，反射回来的信号不会再反射回去。

5、电源线和地线布局的注意事项

电源线尽量短，走直线，而且最好走树形、不要走环形。

地线环路问题：对于数字电路来说，地线环路造成的地线环流也就是几十毫伏级别的，而TTL的抗干扰门限是1.2V，CMOS电路更可以达到1/2电源电压，也就是说地线环流根本就不会对电路的工作造成不良影响。相反，如果地线不闭合，问题会更大，因为数字电路在工作的时候产生的脉冲电源电流会造成各点的地电位不平衡，比如本人实测74LS161在反转时地线电流1.2A(用2Gsps示波器测出，地电流脉冲宽度7ns)。

在大脉冲电流的冲击下，如果采用枝状地线(线宽25mil)分布，地线间各个点的电位差将会达到百毫伏级别。而采用地线环路之后，脉冲电流会散布到地线的各个点去，大大降低了干扰电路的可能。采用闭合地线，实测出各器件的地线最大瞬时电位差是不闭合地线的二分之一到五分之一。

当然不同密度不同速度的电路板实测数据差异很大，我上面所说，指的是大约相当于Protel 99SE所附带的Z80 Demo板的水平;对于低频模拟电路，我认为地线闭合后的工频干扰是从空间感应到的，这是无论如何也仿真和计算不出来的。据证实无一种机器在模拟部分采用地线环路。

6、印制电路板设计原则和抗干扰措施

PCB印制电路板是电子产品中电路元件和器件的支撑件.它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电于技术的飞速发展，PGB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大.因此，在进行PCB设计时.必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。