目錄

1、電路是什么？PCB/PCBA是什么？

2、為什么要有PCB

3、PCB的結構和組成

4、PCB/PCBA的生產流程

5、PCB/PCBA的設計流程

6、炫酷的PCB小技巧

正文

上次寫了PCB和PCBA的生產流程，這次來講一講PCB和PCBA的設計流程。

利用PCB的EDA軟件，可以較為輕松的在電腦上進行電路的設計和光繪文件生成，但由于PCB本身的結構復雜，實際的步驟還是比較繁瑣的。

這篇文章，不會涉及什么功能應該用什么電路來實現，只是展示PCB的設計過程，包括：封裝繪制、原理圖繪制、PCB繪制、光繪文件導出等，既有大致的流程，也有細節的描述，以此幫助大家了解PCB的設計過程，并將設計過程中的每一步和實際生產的每一步對應起來。

第1步，選擇合適的EDA工具。

我所知的使用人數較多的PCB的EDA工具有三款，Altium Designer、Mentor PADS和Cadence（包含OrCAD和Allegro），我還接觸過EAGLE、Protel、立創EDA等。

對于初學者，推薦使用Altium Designer，對于可能成為專業人士的人，推薦使用Cadence。

學習PCB設計，入門的一大部分都在學習EDA軟件的使用，等你熟悉了軟件的使用，學習內容就變成了電路設計和電路生產工藝，再往后，學習內容就是協議、軟件等內容，或者高速信號、EMC等，此時的EDA就只是工具了，不再是學習的目標。

第2步，確定電路原理圖。

用之前文章中的內容來舉例，一個手電筒的電路原理圖，可以長成下面的樣子。

2個紐扣電池座、一個開關、一個限流電阻、一個LED燈，這樣就組成了一個非常簡單的原理圖。

如果是復雜一些的功能電路，比如之前舉例中的SPI網口芯片KSZ8851SNL的demo板，如下圖所示，就會需要幾十種、幾百個元器件和幾百根連接線。

這樣的原理圖如何才能知道該畫成什么樣呢？

這個問題，真的不是一篇文章能說的明白的，這里只給大家科普一下PCB的設計流程。

第3步，繪制封裝。

在上面的原理圖繪制之前，會分別繪制各個元器件的封裝，封裝完成后，再將元器件一個一個放到原理圖中。

之所以要進行封裝繪制，而不是直接在原理圖中進行元器件的繪制，是因為使用同一種元器件時，不會每個元器件都畫一遍，而是直接擺放已經畫好的元器件封裝，這樣極大的避免重復勞動。

如果能把所有元器件的封裝都分享出來的話，大家就能省去繪制元器件的原理圖封裝這一步。

上面手電筒的原理圖是抽象出來的4種元器件，每種元器件用不同的圖標來繪制，根據需要連接的引線數量，加上對應數量的引腳，再給每個引腳寫上名稱，這樣就完成了一個器件的封裝的繪制。

在demo板的原理圖中，電阻、電容的封裝被重復的利用了幾十次，這也是為什么EDA軟件會把封裝和原理圖分成2步的直觀原因。

對于電容、電阻、電感等常見的簡單器件，大多EDA軟件都會給出示例的圖標，可以從官方的封裝庫中取出來，保存在自己的封裝庫中。

一個電容在庫里的封裝

對于一些不常見的器件，比如芯片、連接器等，大多時候則需要自己按照芯片的手冊進行繪制。

比如下圖，下圖是安川公司的Mechatrolink的協議芯片，這個芯片只有安川生產，但他們只提供了芯片的手冊，并沒有針對市面上所有的EDA軟件提供對應的封裝，因此，我也只好將其100個引腳一個一個的按序列擺上、輸入名字和序號。

再過分一些，比如ZYNQ的芯片，XC7Z010-1CLG400I，這是一片400個引腳的BGA封裝的SOC芯片，它的實物引腳長成下圖這樣。

想象一下，你得自己畫原理圖封裝，擺放400個引腳，再給它們輸入序號和名稱，想想這個工作量是不是很酸爽。

這種時候，最好不要自己畫原理圖封裝，大廠的通用芯片，基本是一定會在官網上提供可以下載的芯片封裝的，對于流行的EDA軟件基本都有適配的格式。

下面的鏈接，就是Xilinx官方提供的ZYNQ芯片的原理圖的封裝引腳列表，可以利用EDA軟件的工具導入引腳的信息，從而創建原理圖封裝，而不需要手動的輸入400個引腳的信息。

對于很多常見一些的芯片，大多也可以通過網上下載的方式獲取到封裝，可以參考我下面的回答里提供的方法。

第4步，創建工程、創建頁面、擺放器件

第5步，連接器件

第6步，導出/導入網表（netlist）

原理圖表示了一個電路中所有器件引腳以及相互之間的連接關系，完成原理圖設計后，即可開始相應的PCB繪制。

對于PADS和Cadence而言，原理圖繪制和PCB繪制使用的是不同的軟件，因此需要從原理圖軟件中導出所有元器件的引腳及其連接關系，再將其導入PCB軟件，中間生成的文件，一般稱其為網絡表格（netlist），但對于Altium Designer而言，其原理圖設計軟件和PCB設計軟件統一在同一個界面內了，因此只需要一個按鍵即可完成PCB的網表導入，并不需要先導出再導入。

原理圖的設計和PCB的設計并不是必須使用同一套軟件，netlist的表示方法和標準，也是很多軟件共享的，可以實現很多不同原理圖軟件和PCB軟件之間相互的導出導入。

Cadence所包含的OrCAD和Allegro以前其實是2家公司的2套軟件，被同一家公司收購之后才合并為了Cadence。

第7步，繪制PCB封裝

跟原理圖封裝一樣，每個器件都需要一個PCB封裝。

PCB封裝是什么呢？PCB封裝就是一個器件在PCB上的焊盤、絲印、占據空間等元素組成的合集，直觀的說，就跟下面的圖片一樣。

芯片的實物外形長這樣。

芯片的引腳定義和順序長這樣。

有了上面的兩張圖，就可以繪制芯片的電路原理圖封裝了。

芯片的實物雖然從照片中可以看出來，但繪制PCB封裝的話，還需要下面這張圖。

根據上圖詳細的尺寸，就可以知道對應的PCB封裝應該如何繪制了，一般而言，焊盤要比引腳大一些，焊盤的阻焊層要再大一些，鋼網層跟焊盤一樣大，如果是直插引腳，還需要指定內層的連接層負片的圖樣，不過，對于Altium Designer而言，阻焊、鋼網和負片層都是不需要設置的，只需要設置焊盤的外形和尺寸即可。

封裝里的絲印一般要表示芯片的輪廓，但有伸出引腳的側面一般不把絲印畫在最外面，絲印也需要表示出芯片的方向和第一引腳的位置。

SO14的PCB封裝在Altium里大概長這樣。

但其實對于這種常見的封裝，比如74HC08芯片的SO14封裝，完全可以從已經繪制好的PCB封裝中復制過來使用，因為芯片大多使用標準封裝，很少會有芯片使用市面上罕見的PCB封裝的。

關于封裝的常見分類，大家可以看看下面的鏈接，里邊有好多我都沒見過的封裝。

如果非常不幸，你需要使用不太常見的器件，比如連接器、電源模塊、功能模塊等，你就需要自己對照著datasheet中的封裝圖進行PCB封裝繪制了。

第8步，設置PCB板的基礎參數

完成了網表的導出和導入后，如果沒有修改或錯漏的彌補，原理圖的流程即不再需要了，之后就開始在PCB設計軟件中進行PCB的設計。

PCB板的基礎參數設置包括板厚、層數和層間距，雖然這3項是最基礎的設計，但除了層數，另外兩項并不能自然的被表示在設計輸出文檔中，因此一般都是直接用文字告知PCB生產廠家。

除了層數，疊層設計也是很重要的，哪些層走線、哪些層鋪平面、哪些層混合平面和走線。

單層板不需要這個設置，雙層板一般雙面走線，空余的地方敷銅并設置為GND或VCC，多層板的話則會有所要求的，4層板一般2和3層設置為GND和VCC，表層和底層走線，VCC層也可以適當走線，6層板的話，如果對地平面要求高一些，則將2/5層設為GND，3或4層設置為VCC，其它層都用來走線。8層板、10層板或更高層數，就比較靈活了，就不在這里闡述了。

第9步，繪制外框

第10步，放置器件

在PCB中防止器件的前提是所有器件的PCB封裝都已經繪制好，并能被軟件正常調用，如果有個別器件的PCB封裝因為沒拿到實物而不敢確定的話，也可以先把其他的器件放好，繼續后續的設計工作，等那個器件確定之后，再修改封裝，放入設計中。

第11步，設置過孔、線寬、線距等常用參數和規則

所有的PCB設計，都需要指定默認的線寬、線距以及過孔的大小，在布線時會默認使用此參數，如果需要布特殊的線或過孔再進行臨時調整。

第12步，設置高級規則

如果涉及到高速信號，就需要根據需求設置相應的規則，從而便于布線時利用規則自動或輔助實現布線約束。

高級規則包括：差分線（線寬、線距、不耦合長度等）、等長線（等長誤差等）、焊盤線預收縮（Neck）、間隙（線、孔、塊、焊盤等各種元素之間的最小距離）。

舉例來說，對于DDR3的信號，地址線、時鐘線、命令線等需要保持相等的長度，數據線、DQS、DQM則需要保持相等的長度，如果等長保持的不好，很有可能使得某位數據或地址不滿足時序要求，使得讀寫DDR的數據出現不穩定，不得不降低DDR的運行速率。

回到設置規則這一步，有一些規則是需要先完成布線，再進行規則設置，最后根據規則所產生的提示調整布線，從而滿足規則。

第12步，布線和繪制塊狀網絡（shape）

布線就是實現電路原理圖中各個引腳的連接，通過設置好線寬和線距的銅線，在EDA軟件中實現互聯。

繪制PCB的大部分時間都花在布線上了，雖然各個軟件都提供自動布線功能，但遇到多層板和交叉走線時，自動布線的結果大都難以接受，不過也有大牛能夠設置好規則，非常好的利用自動布線的技巧。

對于有些電流需求較大的連接，一般要求非常粗的線，但也可以直接繪制一塊區域的銅層，通過設置焊盤與區域銅層的連接，實現塊狀網絡的連接。

PCB的布線有很多需要注意的事項，線寬、線距、角度、方向等等，這些注意事項就以后再寫吧。

第13步，調整絲印

調整絲印的大小、位置、方向，使得絲印能夠準確的表示各個器件的位號，便于焊接、測試和替換。

PCB的生產廠家一般會在空白處印上自家的logo，以及生產日期相關的信息，設計者也可以自己留下標明PCB設計信息相關的內容。

第14步，導出鉆孔文件（drill）和光繪文件（gerber）

PCB完成了器件布局、布線和絲印調整之后，基本就完成了主要的工作，沒有特殊要求的話，就可以導出生產相關的文件了。

如果使用Altium Designer的話，很多國內的廠家都接受發送工程文件作為生產文件，但對于PADS和Cadence，都必須要導出鉆孔文件和光繪文件。

導出鉆孔文件的時候還需要注意，如果有不是圓形的孔，還需要額外的銑刀路徑相關的文件。

第15步，指定PCB的加工技術參數和工藝要求

通過PCB的生產文件，并不能了解所有相關的技術參數和工藝要求，這些無法在設計文件中表達的內容，都需要通過文本的方式傳遞給生產廠家。

大家可以去在線投板的PCB板廠官網看看，有很多需要指定的內容。

我知道的PCB板廠有：嘉立創、華強北PCB、捷配PCB、迅捷興、興森快捷、立創等。

下圖是嘉立創的參數，其實還有一些下面看不到的參數在復雜一些的PCB中也需要指定，不過在線做的PCB一般都是打樣的，所以很少會涉及。

第16步，給定阻抗要求，調整疊層設計

對于某些高速信號的PCB，需要指定其某些信號線的特性阻抗，在給PCB板廠加工時，需要先自己設計疊層，根據疊層計算出指定特性阻抗的線寬、線距等參數，使用自己計算出的參數進行布線，完成布線后，將指定的參數和設計文檔一起給PCB廠商。

廠商會根據你給出的設計文檔和阻抗要求，按照他們的能力和當前合適的板材，計算出你的疊層、線寬、線距是否合適，如何調整，然后將他們調整后的結果和預期的特性阻抗誤差告訴你，這樣一來一回，就能確認你的特性阻抗要求是否能滿足了。

如果你沒有提前自己計算好阻抗，隨意的指定了疊層和線寬、線距，很有可能最后無法調整出合適的參數，實現要求的特性阻抗，或者實現了特性阻抗，但線寬、線距又不滿足防止串擾的要求。

第17步，PCBA焊接

完整的PCB設計流程到交付鉆孔和光繪文件就完成了，等PCB加工完成，就要開始PCBA的生產了，也就是PCBA的焊接。

對于批量生產的PCBA，必定是需要使用貼片焊接生產線進行自動化焊接的，但對于小批量的打樣，除了BGA封裝、地焊盤封裝和特別小的0201封裝，大部分貼片芯片都是可以使用手焊來完成的。

目前國內的手工焊接價格，如果是10片以內的小面積樣板，相比于上貼片機的流水線，成本和時間上還是有優勢的。

PCBA的焊接并不需要設計額外的東西，但需要將PCB設計中的一些東西導出發送給焊接商，包括：BOM（物料清單）、器件坐標和方向列表、鋼網的光繪文件（由pastemask層生成）。將這些材料和所有的物料標記好名稱或料號，即可等待PCBA焊接完成了。

結尾

以上的內容就是這一節的全部內容了。

PCB/PCBA的設計其實是非常復雜的，流程說起來只有這十幾步，但每一步都需要學習和練習好幾次才能慢慢的熟悉和掌握。

具體的學習過程，EDA軟件的操作占了一大部分，等軟件操作熟悉后，才開始真正學習電路設計，學習哪些電路能實現哪些功能。

針對PCB的EDA軟件的學習，推薦1本書給大家，《Cadence高速電路板設計與仿真——原理圖與PCB設計》。

我學習和使用過Altium Designer、PADS、Eagle和Cadence，只有Cadence是完整的閱讀了一本書籍，這幾年一直在持續的使用Cadence，感覺這本書還是很詳盡的。

其實網上也能找到很多相關的資料和視頻教程，大家也可以找來看看，我當年第一次學習Altium Designer，也是從“郭天祥”那份不太優質的視頻開始的，不過Altium每年都推出新版本，如果愿意的話，從20版本開始也不錯，推薦初學者看看。

終于寫完了，歡迎大家吐槽~