印制电路板的可靠性和可制造性设计

主要内容：1.印制电路板的特点和通用设计规则2.印制板设计如何选择基材3.印制板的结构设计和布线层确定4.印制板电性能设计和电磁兼容考虑5.布局和布线6.印制板的热设计和可制造性设计7.PCB的相关标准8.印制板的发展趋势1.印制电路板的特点和通用设计规则1.1概述

印制电路板简称印制板（缩写PCB），它是实现电子产品小型化、轻量化、装配机械化和自动化的重要基础部件，在电子工业中有广泛应用。计算机、通信设备、军用电子设备和航空航天电子产品以及家用电子产品等都离不开印制板。印制板的质量和可靠性对电子产品的性能和可靠性有重要影响，同时也影响电子产品的成本。印制板的固有特性是由板的设计决定，印制板设计是由电路设计与印制板制造与安装技术的集成。电子元器件的发展和电子产品的小型化、数字化和高可靠要求，以及表面安装元器件的广泛的应用，对印制板的设计有更高的要求。尤其是数字电路和大规模集成电路的广泛应用，使印

制板向薄型化、小型化和多层板发展，电路向高速化和高频的方向发展，常规的印制板设计已满足不了电路技术发展的需要。数字电路的应用使电路信号的传输速度越来越快，高速电路中的电磁兼容考虑对保持信号的完整性十分重要；表面安装元器件的广泛应用，使印制板的布线密度越来越高，布线层数也急剧增多，导线和间距越来越细，层间互联的过孔孔径也日趋小孔径，设计必须考虑其可制造性，从而保证产品设计和制造的质量和可靠性。因此，从事印制板设计和使用的人员，熟悉印制板设计标准、设计的规则，掌握印制电路特性和可制造性要求，对提高印制板设计水平和效率，确保印制板的质量，进而保证电子产品的质量和可靠性是非常必要的。1.1.1印制板的定义和分类

1）按国际电工委员会标准（IEC-60196）的术语定义：印制电路是指“在绝缘基材上，按预定的设计，用印制的方法得到的导电图形，它包括印制线路和印制元件或两者结合而成的电路。”“完成了印制电路和印制线路工艺加工的板子通称为印制电路板。”也有人把只有导电图形的印制板称为印制线路板。印制电路板简称为印制板，它的英文名称为PrintedCircuitBoard，缩写为PCB。2）印制板的分类和用途(1)分类：由于电子产品的不同需要，印制板也有许多不同种类，其分类方法在国内外采用最多的是按PCB的结构和基材分类。按结构分类能反映出PCB的特点和功能，按基材分类能反映出PCB的主要性能。按结构通常分类如下：

印制板

刚性印制板

挠性印制板

刚挠结合印制板

多层板多层板

单面板

无金属化孔的单面板有金属化孔的单面板

双面板单面板

双面板无金属化孔的双面板有金属化孔的双面板银（碳）贯孔双面板四层六层N层HDI板特殊板齐平板陶瓷板金属芯板1型有或无增强板2型有镀覆孔有或无增强板3型多层挠性有镀覆孔4型多层刚挠结合有镀覆孔5型两层以上挠性或刚挠结合无镀覆孔（2）印制板的用途和功能a.在电子产品中为电子元器件的组装提供安装、固定和支撑的基板；b.实现各种电子元器件的电气连接和绝缘。c.印有阻焊膜和字符的板，能在印制板组装件焊接时限定焊料焊接的位置，保护非焊接部分不被焊料润湿。d.提供安装、检验和维修的识别标志和字符。e.在一些特殊电路中的印制电路板，还可以提供某些电气特性如：特性阻抗、电磁屏蔽等性能。

f.预置电阻、电容或芯片直接封装的印制板，能提供一定的电路功能，并简化安装程序。

3）印制板生产的典型工艺流程印制板的制造方法有：减成法、加成法和半加成法。目前应用最广泛、最成熟的生产技术是减成法，该法是在覆铜箔基材上有选择性地去除不需要的铜箔形成需要的电路图形。所以又称减法或铜箔蚀刻法。随着印制板的结构不同，铜箔蚀刻法的工艺流程也有所不同，以下以常用的有金属化孔多层印制板的典型减成法制造工艺流程为例，简单介绍印制板的基本加工流程，其他类型印制板的加工流程是在此基础上减少或增加某些工序。有金属化孔的多层印制板制造工艺流程

注：1）防氧化处理是指在裸铜焊盘上涂覆防氧化保焊剂（OSP），不需要进行热风整平。

2）孔金属化、制作导电图形和图形电镀等工序，又分为许多详细工序，此处不再一一列出。

3）对于挠性板，在印阻焊工序改为热压覆盖膜（预先已开好了焊盘窗口），其余工序相同。制外层导电图形光绘或照相底版CAD数据或原图CNC钻孔孔金属化孔镀铜加厚图形电镀插头镀金/镍退除金属保护层蚀刻退除保护膜下料印阻焊、字符防氧化处理热风整平铣切外形检验电测包装成品内层覆铜箔板冲钻定位孔清洗、干燥检验（AOI）层压制内层图形去膜定位、叠层蚀刻清洗、干燥导电图形氧化处理去毛刺清洗下料、钻定位孔凹蚀外层覆铜板、粘结片

1.2印制板的通用设计规则印制板的设计决定印制板的固有特性，在一定程度上也决定了印制板的制造、安装和维修的难易程度，同时也影响印制板及其组装件的可靠性和成本。所以，设计时应综合考虑印制板各项要素和可制造性要求，才能取得较好的设计效果，对于任何类型的印制板设计通用规则是：1.2.1通用设计规则（1）电气连接准确性：布局、布线时，印制导线的连接和网络关系应与电路图的逻辑关系相一致，如因机械、电气性能要求不宜在板上布线时，应在印制板装配图上注明连接关系和要求。

（2）可靠性：印制板的结构、基材的选择、布局、布线、孔互连结构、印制导线的宽度与间距以及制造和安装工艺等因素，都会影响印制板的可靠性。设计时必须综合考虑以上因素合理选择印制板的结构（布线层数、互连方式、孔结构和焊盘图形等）合理布局、布线。在高频、高速电路设计时，必须考虑导线阻抗的匹配和电磁兼容问题。一般讲布线层数少、布线密度低的板可靠性高。但是在一些特殊电路中，由于电气性能的要求，特别是在高速电路设计时，采用多层板可能会比单面和双面布线取得更好的可靠性，容易调节信号线特性阻抗的匹配问题，有利于保持电路信号的完整性。

（3）工艺性：

工艺性又称可制造性（DFM），广义上还包括可测试性和可维修性，通称为“DFX”，是PCB设计必须考虑的因素。设计时确定印制板的结构、布局、布线和导线宽度、间距以及孔径大小和互连结构、焊盘图形设计等要素，应与印制板当前的制造和装联工艺水平相适应，尽可能有力于制造、安装和维修。一般来说布线密度越高、层次越多、导线宽度和间距越小、孔径越小其制造的难度增加。设计时应考虑印制板制造和安装两方面制造技术的可制造性。

（4）经济性：不同结构类型（单面、双面和多层布线或挠性板）、不同基材、不同加工精度要求的印制板，以及不同的设计方法，其成本相差很大，一般来说多层板的成本要高于单面和双面板，高密度布线板成本高于低密度布线板。设计时应考虑成本最低的原则，在满足使用性能要求和安全、可靠的前提下力求经济适用，有较好的性价比。（5）环境适应性和环保性：根据印制板使用时的环境条件，合理选择印制板的基材和涂覆层，以满足使用环境的需要，提高印制板的可靠性，延长印制板的使用寿命。选用的材料和工艺力求对环境无污染或低污染。1.2.2设计的内容印制板设计是按电路设计的意图，根据网络表将电路原理图转换成印制板图、确定印制板结构、选择基材、考虑机械、电气和热性能，布局和布线，考虑可制造性并提出加工要求的全过程。主要设计内容应包括：1）选择基材；2）确定PCB结构、尺寸和精度；3）机械性能设计；4）电气性能设计（含电磁兼容考虑）；5）热学设计；6）印制板表面涂（镀）层的选择；7）导电和非导电图形设计（布局、布线、焊盘图形和阻焊图形设计等）；8)印制板验收标准和加工需要的其他技术文件。

1.2.3设计方法印制板的设计方法有：人工设计和计算机辅助设计（CAD）两类。1）人工设计：早期的印制板图设计是采用人工绘制或贴图的方式绘制，需要绘制成2：1或4：1的放大图，再经过照像制版形成1：1的底板图形，才能用于生产。该法工艺复杂又费时间，并且质量差，难于制作导线精细、图形复杂的多层印制板图。从上一世纪70年代出现计算机辅助设计系统，将CAD用于印制板设计后，此法逐渐被淘汰，但偶尔在简单的印制板图设计时也有采用。2）CAD法：计算机辅助设计（CAD）是电子设计（EAD）的重要工程内容。

印制电路的CAD包括电路设计和印制板图设计，CAD技术目前已广泛地应用于印制板设计。CAD法设计印制板速度快，可以按预定的设计规则自动布线，节省了人力、提高了质量，并且可以完成人工无法进行的复杂图形设计。CAD还可以直接为印制板制造提供加工数据，能实现CAD与CAM、CAT的一体化，减少了设计与生产图纸转换的误差，大大提高了印制板的加工质量和一致性，缩短设计和生产周期、降低成本，提高了印制板的研制、开发效率。此处介绍的印制板设计内容主要是指：印制板图形设计部分。1.2.3.1CAD设计的流程PCB设计用的软件种类很多，例如：Protel99SE、ProtelDXP、OrCAD、PADS、Mentro公司PowerPCB5.0及以色列的Valor（CAM）等，根据产品的复杂程度及掌握和应用软件的习惯，可以采用不同的设计软件，不同的设计软件其操作方法不同，在此不详细介绍，但其设计流程基本相同。典型的设计流程为：

设计准备网络表输入

设计规则设置元器件布局

布线DRC检查复查（人工干预）输出

（1）PCB设计准备1）标准元器件库的建立把物理元件视为电子元器件的封装尺寸在PCB上的平面投影，设计前应考虑布局布线与生产工艺可行性。建立逻辑元件的引脚与物理引脚尺寸之间的对应关系，以确定焊盘尺寸和位置。如果对双列直插式器件孔径设计过小，影响安装和焊接，孔径过大，会影响两焊盘间走线，会降低布线的布通率。2）特殊元件库的建立对于特殊元件尺寸，即非标准物理元件上的尺寸，必须查阅有关资料或实际测量电子元器件的尺寸（外形尺寸、焊盘大小、引脚排列序号等），必要时可以把常用的定型元器件单独建库，以供使用方便。3)具体的PCB设计文件的建立根据逻辑图（或网络表）、物理元件库和PCB的机械结构和外形阐述的描述，可以对某一具体印制板进行设计，但是设计中需要考虑各种设计规则的要求，往往需要多次修正，重复建立设计文件，直至达到正确、满意为止。（2）网络表输入网络表是自动布线的灵魂，也是原理图编辑软件与印制板图设计软件之间的接口和桥梁，在生成、并确认网络表（含有元件封装的说明）后，

将网络表导入设计系统，如果采用PowerPCB进行设计可采用两种方法：一种是使用PowerLogic的OLEPowerPCBConnection功能，选择SendNetlist，应用OLE功能，可以随时保持原理图与PCB图的一致，尽量减少出错的可能。另一种方法是直接在PowerPCB中装载网络表，选择FileImport命令，将原理图生成的网络表导入。如果采用Protel99-PCB可直接从设计文件夹“Documents”调出，导入PCB板设计编辑器。（3）规则设置按用户要求对元件的布置参数、板的层数、焊盘形状尺寸、过孔大小、布线参数等进行设置。如果在原理图设计阶段已经把PCB的设计规则设置好了，就不再重新设置，如果有修改，但逻辑关系必须保证原理图与PCB图的一致。（4）元器件布局输入网络表后，所有的元器件都会在工作区的零点重叠在一起，布局就是把这些元器件（元件的投影图形）分开，按规则整齐摆放在规定的位置，在摆放元件前，应设定板的外形（BoardOutline）和布局、布线区域。布局有两种方法：手工布局和自动布局。布局时应考虑保证布线的布通率、制造的工艺要求、电磁兼容等问题。关键的高速器件一般采用手工布局效果更好一些。自动布局效果往往不太理想，需要人工调整。（5）布线在布局的基础上按布线规则和逻辑要求布设导线，有两种方法布线，即手工布线和自动布线，通常两种方法配合使用，步骤是手工—自动—手工。手工布线是在自动布线前对导线宽度和间距、走线距离、屏蔽等有特殊要求的导线，如高频时钟、模拟小信号、主电源等导线，先用手工布线，其次是一些特殊的封装，如QFP/BGA类的器件走线。

自动布线是在手工布设完那些特殊导线后，其余的网络线由计算机自动布线，如果达到100%布通率，则再进行手工调整优化。如果不能100％布通，就要重新调整布局和手工布线，直至完全布通。自动布线往往难于完全符合布线规则，必需要进行手工调整。最后进行大面积铺铜，作为屏蔽层和平衡各层铜导体的面积（可在DRC后进行）。（6）检查按设计规则（DRC）和电原理图检查布线。检查项目应包括：连通性、导线宽度和间距、焊盘、过孔、高速规则、地电层等。（7）复查根据PCB检查表逐项检查布局布线的合理性和与设计规则的符合性，如果不合格，则需修改布局和布线，同时可以进行人工调整，直至符合要求。有的软件具有模拟仿真功能，进行仿真其效果更好。（8）设计输出PCB设计好以后，可以将设计输出光绘文件和打印文件。光绘软件交印制板生产厂商绘制生产底版；打印文件是应用打印机分层打印出各层导电图形、阻焊图、字符图和钻孔图，以便于设计检查、复查和生产方制造和检验使用。2.印制板设计如何选择基材

正确选择基材是印制板设计的重要内容，尤其是在高速电路的PCB设计中更为关键。基材影响印制板的基本性能（机械强度、绝缘电阻、耐电压、介电常数、介质损耗等电性能及耐热性能等）、制造工艺和成本，设计选用基材时应综合考虑以上因素。正确选择基材，就要熟悉基材。以减成法（铜箔蚀刻法）制造印制板所用的基材——覆铜箔层压板，简称覆箔板，它是目前国内外应用广泛，用量最大的PCB基材。2.1覆铜箔板的分类由于电子产品的需求不同，覆箔板又分为许多种类和规格，有刚性基材和挠性基材两大类。2.1.1刚性覆箔板：由树脂、增强材料和铜箔层压制成，按其基材中的增强材料不同，主要分为以下四类：1）纸基板：以浸渍纤维纸作为增强材料。2）玻璃布基板：以玻璃纤维纺织而成的布浸渍树脂作为增强材料(如：G10、FR-4/FR-5)。3）复合基板：采用两种或两种以上增强材料的基板称为复合基材，如表层和芯层采用了两种不同的增强材料的CEM-1/CEM-3基材。4）特殊材料基板：采用金属、陶瓷或耐热热塑性基板的材料。除此之外还有芳酰胺纤维布、玻璃纤维无纺布、石英纤维布等增强的材料。适合于制作高密度互连（HDI）印制板的覆树脂铜箔（RCC）等新型材料，主要有用于制造积层式多层印制板的感光性或热固性树脂及附树脂铜箔等。每类材料又以所用的树脂粘合剂与基材不同分为许多品种如：覆铜箔酚醛纸质层压板、覆铜箔环氧玻璃布层压板、覆铜箔聚酰亚胺玻璃布层压板等。阻燃性与非阻燃性基材：每种覆铜箔层压板根据其耐燃烧的程度，有阻燃型与非阻燃型之分。阻燃性是指印制板的基材抵抗着火燃烧与火焰蔓延的一种能力。

对能达到UL标准中规定的垂直燃烧法试验的燃烧性要求的V0级的板，称为阻燃型板（又称V0板），抗燃烧性能好，依次有V1、V2级等；达到UL标准HB级要求的板称为非阻燃型板。一般阻燃型板相当于美国NEMA标准中的FR2、FR3、FR4、FR5板，其内层印有红色商标标记。我国标准是按国际统一的命名法，在基材代号后面加“F”，如：CEPGC—32F。2.1.2挠性覆铜箔板由树脂薄膜与铜箔压制而成，基材可以弯曲。常用的薄膜材料有：聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚酰亚胺氟碳乙烯薄膜等。使用最多的是前两种。根据覆箔板的铜箔面数有单面板、双面板和用于制造多层板的薄型单面或双面板。按照覆箔板的厚度和铜箔的厚度不同又有多种规格。2.2常用基材的特性基材的特性直接影响印制板的基本特性，诸如印制板的介电常数、介质损耗正切值、耐热性、阻燃性、吸湿性和抗弯强度等主要取决于基材，印制板的耐电压、表面绝缘电阻和剥离强度等性能与基材有重要关系。常用的基材主要有：覆铜箔环氧纸质层压板（高可靠产品一般不用）

覆铜箔环氧玻璃布层压板（阻燃和非阻燃型）

覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板(高频微波板)覆铜箔聚酰亚胺玻璃布层压板覆铜箔聚酰亚胺芳酰胺布层压板挠性板主要有：覆铜箔聚酯薄膜和覆铜箔聚酰亚胺薄膜等。常用的基材特性及应用范围见表2.1。表2.1基材特性及应用范围

项目基材型号基材名称国家标准号相当于MIL和NEMA标准

基材特性

应用范围CPFCP-6F覆铜箔酚醛纸质层压板GB4723—FR-2有较好的电气性能和冷冲加工性，吸湿性差、工作温度较低收音机、收录机、黑白电视机等民用电子产品CEPCP-22F覆铜箔环氧纸质层压板GB4724PXFR-3机电性能优于酚醛板，吸湿性较小但价格略高，有阻燃性工作环境较好的电子仪器、彩电等民用电子产品CEPGC-31覆铜箔环氧玻璃布层压板GB4725GEG10机电性能良好、吸湿性小工作温度在120℃以下，无阻燃性能计算机、通讯设备及一般航空、航天电子产品CEPGC-32F阻燃型覆铜箔环氧玻璃布层压板GB4725GFFR-4机电性能优良，工作温度较高有阻燃性，Tg135~210℃系列计算机、通讯设备、高级家电产品及军用、航空航天产品CPI挠性覆铜聚酰亚胺薄膜GB13555PI良好的可挠性，尺寸稳定性、耐热性好，可在200℃下连续工作工作空间小、温度较高、有弯折要求的电子产品CUP挠性覆铜薄聚酯薄膜GB13556PET可挠性、介电性好，吸湿性小成本低，熔点低工作温度在105℃以下工作空间小、温度不高，需要弯折的民用产品及带状电缆CTFGC覆铜薄聚四氟乙烯玻璃布层压板GTεr和tg小、化学稳定性好、工作范围宽，但刚性稍差、成本高微波、高频电路的电子产品CPIGC覆铜箔聚酰亚胺玻璃布层压板GB/T16317GIGPY机电性能好、耐热、工作温度高，阻燃性好但成本高工作环境温度高或高可靠性电子产品2.3基材的选择选择基材的根据：1）PCB的电路特性和使用条件及机械、电气性能要求，选择材料的类型和规格。同一产品不同的部位可以采用不同类型的基材。采用无铅焊料及SMT板，应采用无卤素和尺寸稳定性好的基材。例如：耐高温覆铜箔环氧玻璃布层（一般FR4的Tg为135～145℃

，无铅焊基材的Tg高于150℃的FR-4或FR5

）或覆铜箔BT树脂玻璃布板、PI、CE（是耐温度较高、热膨胀率较低的高性能基材）。（无铅焊接需要的Tg高。）

2）根据印制板结构确定基材的覆铜箔面数（单面、双面或多层板用薄板）；

3）根据印制导线的宽度和精度要求以及工艺

方法选择铜箔的厚度(有5μm、、9μm、18μm、35μm、70μm、105μm等)。4）根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件重量和产品使用的力学应力环境，确定基材板的厚度。

5）根据产品使用环境的温度和元器件安装焊接方式，选择Tg、Td、t288(或t260)性能好、CTE相匹配的基材。6）布线密度高、导线间距小（≤0.15mm）的板还应考虑CAF特性（耐离子迁移性）。7）对于无铅焊接的板应选Tg较高和耐焊时间为t288

的基材。但Tg过高难以机械加工（硬度大）。8）高频和高速电路应选择tanδ和εr较低和能与阻抗要求相匹配的材料。

9）基材厚度考虑：多层板的内层应根据电气性能要求和印制板总厚度匹配的需要和特性阻抗匹配要求，选择不同规格的薄片型覆箔材料，层间的粘结片（半固化片）应与覆箔材料是同一种类型的树脂材料。不同类型材料的成本相差很大，应根据印制板的使用范围、性能要求和成本综合考虑。总的选用基材的原则是：满足使用要求，切勿宁高勿低，也不能以低代高；在特殊情况下（需要代料时），应以高代低；尽量选用标准尺寸系列中的基材。3.印制板的结构设计和布线层确定3.1印制板的结构设计印制板的结构是根据电路特性、布线密度要求，整机给予印制板的空间尺寸和电气性能要求所决定。根据需要可以选择单面板、双面板、多层板、挠性板和刚挠结合板。在双面板布线密度很高的情况下，与其采用高密度的双面板还不如采用布线密度较低的多层板。因为低层次、低密度的多层板的可靠性和可制造性优于高密度的双面板。

当电路的工作频率大于5MHz或器件的上升、下降的边沿速率小于5ns时，应优先考虑将印制板设计为多层板（称5/5规则）。3.2外形尺寸PCB的外形原则上可以是任意的，但是考虑到美观和加工的难易，在满足整机空间布局要求的前提下，外形力求简单，一般为长、宽比例不太悬殊的长方形（长宽比≤4）。长宽比例较大或面积较大的板，容易产生翘曲变形，需要采取增加板的厚度或增加支撑点、边框加固等加固措施。PCB外形的最大和最小尺寸，应与制造时设备的极限加工尺寸相匹配。外形尺寸过小的，可以采用拼版技术，这样既有利于制造又能提高效率。3.3板的厚度

PCB的厚度包括基材和铜箔的厚度，应根据产品的使用环境对板的机械强度要求和与之相匹配的连接器的规格尺寸，以及PCB单位面积可承受的元器件重量，从相关基材的厚度标准尺寸系列中，选取合适厚度的基材。一般不要选非标准厚度的基材，非标准基材会提高成本。在能满足安全使用的前提下，不要选择过厚的基材，因为这将会提高成本和增加产品的重量。多层板中间层的绝缘材料厚度，应根据其电气性能要求（耐压、绝缘电阻、特性阻抗等）来决定；在两相邻导电层之间，至少应有0.09mm厚的绝缘层，并且其粘结片不少于两片，在所有的粘结层中最好使用同一种材料和厚度的粘结片。微波电路用的多层板，其层间介质层的厚度应根据电路需要和特性阻抗要求严格计算而确定。

有板边缘连接器的板（如印制插头），应根据与连接器匹配的要求确定板的厚度和公差，过厚的板既影响连接器的插拔，又能使连接器的簧片弹性下降，长时间使用会造成接触不良；过薄的板，当厚度等于或小于两相对簧片的最小间距时，会引起接触不良和不可靠。对弹性簧片接触式的连接器应保证接触压力适中，板的厚度一般要大于相对应的簧片最小间距0.1～0.2mm，并对插接部位板的翘曲度应有严格要求，如果翘曲超标同样会造成接触不良。插座簧片PCB挠性板当使用附加镀（涂）覆层、覆盖层或胶粘剂时，因为基材较薄，板的总厚度会大于挠性覆铜箔基材的厚度，所以对挠性板厚度尺寸公差应尽可能宽松，不要过严的公差，能满足挠曲性要求即可。3.4坐标网格和参考基准确定印制板上孔和导电图形的位置，应采用GB1360（印制电路坐标网格）规定的网格系统，基本格子为2.54mm，辅助格子为1.27mm和0.635mm或更小的网格(节距小于0.635mm时，采用公制即：0.5mm、0.4mm·····）。公制尺寸元器件用2.5mm格子。因为IC器件的引脚（接线端子）、数控钻孔、自动插装或贴装

和自动检测设备等都是采用此种网格系统，有利于印制板的制造和元器件的安装。为在制造和检查导电图形时定位用，建议使用参考基准。它是两条正交的基准直线，交点为坐标原点，在同一块板上有几个图形时，所有的图形都应使用相同的参考基准。参考基准设置在板内或板外由设计者决定，并且标出印制板的边缘到基准线的尺寸和公差。对于SMT用印制板，若在具有自动光学定位系统的高精度表面安装设备上安装时，应在印制板元件面的两角或三个角上各设置一个Ф1.6mm的圆形或边长为2.0mm的方形光学定位标志作为基准，在大尺寸或细节距的IC的焊盘图形的对角线或中心位置上各设置一个基准标志，标志上面不允许有阻焊膜覆盖（见4.1）。在有空间位置时允许用文字表明引脚位置。

图4.1板和元器件（SMD）安装定位基准图中：Pointoforigin－坐标原点

Globalfiducials－整个板的定位基准

Localfiducials－IC的放置基准

Component－细节距SMD3.5导线宽度和间距

3.5.1印制导线宽度印制导线的宽度由导线的负载电流、允许的温升和铜箔的附着力决定。在高速电路中影响导线的特性阻抗。导线的宽度还影响布线密度。1）印制导线宽度：对0.2mm宽、厚度为35µm以上，其负载电流在0.6A时，温升不超过10℃。对于SMT印制板和高密度板的信号导线宽度可不小于0.13mm(5mil)，导线越细其加工难度越大，负载电流能力也小。所以在布线空间允许的条件下，应适当选择宽一些的导线，一般接地线和电源线应设计得较宽，这样即有利于降低导线的温升又有利于制造和提高可靠性。但对高可靠产品仍要求最小导线宽度不小于0.10mm，外层不小于0.13mm。2）导线的尺寸精度：导线尺寸精度取决于导电图形的设计精度、生产底版的精度、制造工艺（成像、镀覆、蚀刻的方法和质量）及导体厚度和均匀性等因素。为了保证印制板上的导线实际宽度接近标称宽度，应考虑印制板生产过程中不同的工艺方法、不同的铜箔厚度，在电镀和蚀刻等工艺中不可避免地会使导线增宽或由于侧蚀而使导线宽度减小这一因素造成的公差（IPC标准规定高可靠产品线宽公差不大于标称宽度的20％、工业产品为25％、一般民用产品为30％）。高速和微波电路的传输线，应根据工作频率的高低，其导线宽度的误差，应按特性阻抗匹配的要求，另外注明公差要求,一般10～15％或更小。在设计高精度印制导线时应参照表3.2给以补偿。导线宽度主要受印制板的蚀刻特性影响：

蚀刻系数＝－（一般≥2）（

）微波电路的导线宽度还与特性阻抗有关，所以对其导线宽度及公差应有更严格要求，一般公差取＋0.03～0.08mm，－0.05mm。或者采用线宽的5％或10％，由阻抗要求而定。WXvx层压板侧蚀抗蚀层去除抗蚀层线宽度vV铜箔厚度（mm）工艺方法抗蚀剂直接蚀刻孔化、镀锡铅后蚀刻孔化、镀金/镍后蚀刻0.018全板电镀图形电镀丝印油墨液体感光干膜丝印油墨液体感光干膜＋0.025＋0.018＋0.013——————＋0.038＋0.038＋0.050－0.025－0.025－0.025＋0.038＋0.038＋0.050－0.102－0.076－0.0510.035全板电镀图形电镀丝印油墨液体感光干膜丝印油墨液体感光干膜＋0.038＋0.038＋0.038——————＋0.050＋0.050＋0.063－0.076－0.050－0.050＋0.076＋0.064＋0.089－0.076－0.051－0.0380.070全板电镀图形电镀丝印油墨液体感光干膜丝印油墨液体感光干膜＋0.102＋0.067＋0.063——————＋0.076＋0.076＋0.086－0.051－0.038－0.020＋0.076＋0.076＋0.114－0.051－0.038－0.020

表3.2导体宽度接近标称值的设计补偿量

从上表可以看出不同工艺方法和不同的掩膜及抗蚀层对导线的精度有影响，若制作精度高和较细的印制导线，需要选择较薄的铜箔和图形电镀法工艺；这一般由工艺人员根据拟将采用的工艺方法与设计人员共同商量，以确定具体的导线宽度的设计补偿量。3.5.2印制导线间距印制导线的间距由导线之间的绝缘电阻和耐电压要求以及基材的特性决定。印制板表面层导线间的绝缘电阻是由导线间距、相邻导线平行段的长度、绝缘介质（包括基材和空气），印制板的加工工艺质量、温度、湿度和表面的污染等因素所决定。一般来说绝缘电阻和耐电压要求越高，其导线间距就应适当加宽。负载电流量较大，导线间距小不利于散热，印制板的温升比导线间距大的板高。从可制造性考虑，目前小于0.10mm的导线间距也难以加工，所以设计时对负载电流较大的导线，在布线空间允许的条件下，应适当加大导线间距，过小的导线间距可能引起高速信号的串扰。一般地线、电源线的导线宽度和间距都应大于信号线的宽度和间距。3.6孔与连接盘（焊盘）

3.6.1孔孔的设置是重要的设计要素，印制板上的孔基本上可归为五类：机械安装孔、元件孔、隔离孔、导通孔和导热孔，各类孔的设计要求不同。1）机械安装孔：用机械的方法将其他零部件、器件（继电器、小型变压器等）安装到印制板上的一种孔。该孔应与机械安装件的位置尺寸、安装尺寸及位置公差相匹配。为了保证孔壁的强度，孔与孔的边缘及孔边缘到板边缘的距离应大于板的厚度。2）元件孔：又称为元件安装孔，用于把元器件的引线（包括导线、插针等）插入孔中焊接后实现电气连接到印制板上的一种孔。为了焊接时有利于焊料在孔中的润湿和爬升，以及便于自动化机械插装，其孔径应大于安装的元器件引线（或插针）直径0.2～0.3mm，（如果是矩形引线应大于引线的对角线）。孔中心的位置应在坐标网格（或辅助格）的交点上，并且与元器件引线（引脚）的位置相匹配，如果元器件的引线为非直线排列，则至少有一个点的孔中心位于网格的交点上。

此类孔的孔径是指金属化后的镀覆孔的直径。

3）隔离孔（余隙孔）：在导电图形上将多层板上部分导电图形与某个金属化孔进行电气隔离的一种孔，它与金属化孔位于同一轴线上，并不贯穿绝缘基材，其孔径应大于同轴的金属化孔壁的外径0.2～0.3mm（即大于最大钻孔直径0.2～0.3mm），在布线空间允许的条件下，应适当加大此类孔的直径，更有利于电气隔离，防止加工误差引起短路。

隔离孔通孔垂直剖面

内层俯视图0.10~0.15图3－1隔离孔对于高频电路或有小节距器件的导通孔在地线层和电源层上的隔离孔的设计，应防止绝缘隔离区过大而减少两隔离区之间的金属条的宽度，影响散热效果，因为发热量大的器件一般使通过导通孔和板的内层导体散热降温。隔离区之间的金属箔宽度太窄，会引起电磁辐射的问题；所以，在考虑隔离环之间金属箔宽度时，有条件应尽量加宽。

在微波或高频电路中更应避免隔离环相互交叠，形成大面积无铜箔的“沟槽”，这会造成特性阻抗的不连续性，引起电磁兼容问题。（实例见图3－2）小节距隔离环设计不推荐隔离环交叠。类似隔离孔的余隙孔：余隙孔是用于挠性板的覆盖层上焊盘部位的孔，为了露出焊盘，去掉部分覆盖层形成的孔（又称开窗口或通道孔）此孔的直径等于或略小于焊盘直径，但是应保持焊盘不小于规定的焊接面积，并使覆盖层能盖住焊盘的盘趾，可提高焊盘的附着力。

（隔离环大）

不推荐（隔离环交叠）盘趾阻焊膜隔离环图3－2隔离环设计焊盘导线隔离环过小加工后短路图3－3余隙孔余隙孔4）导通孔：

导通孔又称过孔，它是实现不同导电层之间的导线进行电气连接的一种孔。孔径的大小和孔的位置由布线空间的大小和布线的要求决定。在布线空间允许时，此孔直径还应适当加大，但孔径大会增加寄生电容，当布线空间较小时酌情调整，不作严格规定。根据孔连接的导电层分布的不同，按其结构又分为：通孔、埋孔和盲孔。

盲孔通孔埋孔图3－4导通孔分类

为了提高布线密度一般导通孔孔径设计得比元件孔小，但是板厚度与最小孔径的比（厚径比）一般不大于6：1，虽然现代的金属化孔加工技术可以做到更大的比例（≥9：1），但是过大的比例在孔金属化时，工艺难度加大、成本上升、可靠性下降。在布线空间允许的情况下，此孔一般不设计在元件体的下面，以便于检查和维修。在多层板上为了提高布线密度可以设计成高密度互连的盲孔和埋孔，其孔径≤Φ0.3mm，这类孔又称为微孔，也是导通孔的一种，用于层间互连。在HDI板中此类孔直径可以小于Φ0.1mm。小孔径的盲孔，板厚与孔径比一般小于1：1。5）散热孔：设置在大功率器件体（QFN）的下面，只供散热的孔。它能使焊接时的热量或器件工作时产生的热量，能通过孔和孔壁的铜层及时散发出去。3.6.2连接盘印制板上的连接盘一般为圆形，与孔同心环绕在孔周围，最小的环宽应≥0.1mm，在空间位置允许的条件下，应适当加宽连接盘的环宽，以提高连接盘的附着力和可制造性。用于焊接的连接盘又称为焊盘，其形状一般也是圆形的，也有采用切割圆形、正方形或卵圆形等，要根据布线的密度来确定。（见图3－5）

图3－5插装元器件的元件孔及焊盘图形焊盘面积的大小影响焊接的可靠性，在空间允许的条件下，应适当增加焊盘面积，但面积过大的焊盘，热容量大也影响焊接，同一器件的焊盘应保持大小一致。扁平封装和表面安装元器件的焊盘，一般为矩形或条状的，并与元器件的引脚位置相匹配，具体的形状、尺寸随元器件的型号不同而异。设计时应考虑元器件引脚的节距、尺寸及公差（查阅相关标准或产品说明）、印制板制造和安装的公差（一般为0.05mm）及合理的焊缝要求等因素设计，同一器件的焊盘也应保持大小一致，以防焊接时由于升温速度不同出现“立碑”现象。

焊盘大小不一致“立碑”BGA器件的焊盘的直径一般应小于器件引出端子锡球直径的10～20％，孔与连接盘的错位，不应使连接盘的环宽小于规定的最小环宽值（≥0.1mm）见图3－6。表面安装元器件焊盘上应无过孔，需要过孔时应从焊盘上引出导线设置过孔，图形如下：

焊盘BGAQFP图3—6表面安装元器件焊盘图形SOP/SOJ小于球半径10％SMC过孔3.7槽和缺口尺寸印制板上的槽和缺口的形状与尺寸，原则上可以是任意的，但是应满足加工工艺要求，并且尽量减少异形孔，以方便加工、降低成本。槽、口一般为矩形，不要求金属化；在无镀覆层的情况下，推荐的长度、宽度的偏差为±0.1mm。印制插头上的定位槽尺寸及公差要求很高，应按所用的插座的尺寸及公差进行设计。3.8接插区和印制插头（边缘连接器）印制板与相应的电连接器相连接的部位称为接插区，一般设置在板的边缘。接插区的尺寸应与

连接器的尺寸相匹配，以保证连接可靠。必要时在接插区的长度方向上对板的翘曲度单独提出要求。在采用插头座连接时，应考虑印制插头部位板的厚度及公差。印制插头应根据与其相配合的插座的相关尺寸及公差和装配要求进行设计，印制插头接触片的宽度一般为插座两相邻簧片中心距的0.55倍，印制接触片的插入端应设计成半圆形其圆弧的半径为接触片宽度的一半，接触片的长度应能保证插入插座后，簧片能完全接触，如图3－7。图3-7印制插头接触片插入端双面印制插头，正反两面接触片的相对位置，应与相匹配的插座的对应簧片位置及公差相一致。插头与插座的定位基准应保持一致。在每个接触片圆弧的顶端引出0.2mm宽的工艺导线，在靠近板的边线外侧用0.3mm的导线将其短路，作为汇总的工艺导线用作生产中插头簧片镀金时与电极连接使用，如图3－8所示。工艺导线工艺导线

图3－8电镀金用工艺导线

4.印制板电气性能设计电气性能是印制板的关键性能之一，应根据不同的电路特性认真分析，通盘考虑，防止电磁干扰，合理设计。主要的电气性能有：导线电阻、互连电阻、导线电流负载能力、绝缘电阻、耐电压及特性阻抗、电感、电容、衰减与损耗等特殊性能。4.1导线电阻：印制导线的电阻很小，一般电路不需考虑，在微波和高速等特殊电路中，导线呈现阻抗特性，并且随着频率的升高而增大，需要考虑导线阻抗时，应从有关标准或资料中查找基材的相关特性参数，根据不同的传输导线形式需要计算出印制导线的设计宽度、厚度和长度，以满足导线的阻抗值要求。当导线表面有金属镀层时，应考虑镀层对导线电阻的影响。对于锡铅合金、镍等电阻率较大的镀层，对导线的电阻影响不大；较厚的铜和金镀层，因其电阻率与基体铜箔相同或相近，会使导线电阻变小。对微波电路，由于微波信号传输的趋肤效应，电流趋于导线的表面，印制板表面导线应选择电阻率小的导电材料（如铜、金等）。4.2互连电阻：互连电阻是指多层印制板上，相关联的两个金属化孔与内层导线连接的界面电阻和导线电阻的总和（相当于网络电阻）。互连电阻的大小对高速电路的设计参数有影响，同时也能反映出金属化孔的加工质量和工艺水平，尤其是印制板受热冲击后，互连电阻的变化率是反映多层板可靠性的重要指标。对FR4基材，合格的互连电阻在经过高温125℃、低温－65℃各放置15min，经100次循环的冲击后，其变化率应不大于10%。对印制板成品进行电路通断测试时，反映不了互连电阻的大小，测试互连电阻需要采用有四端接线法的毫欧表或微欧表，用两只可移动探头进行测量，自动测试可选用四端接线飞针测试。如果要求具体的互连电阻值，则设计应给出指定导线网络的标称阻值。为了确保内层导线与金属化孔连接的可靠性，设计时可以强调生产中必须要求凹蚀的深度（最佳0.013mm）以保证内层呈三维连接。4.3导线电流负载能力：导线电流负载能力是指：在印制板使用的环境条件下，一定宽度和厚度的导线，在规定的导线温升内，导线所能承受的最大负载电流。设计时根据电路的电流大小及导线电流负载能力，用来确定印制导线的宽度和厚度。印制板上的阻焊膜和敷形涂层会影响导线的散热，在同样温升的情况下，导线的负载电流能力略有下降，设计时应考虑这一因素，对导线宽度给以补偿。导线的间距小和设备的散热条件差，都会影响导线的有效电流负载能力，设计时应综合考虑。有关标准（GB4588.3、GJB362B和QJ3103等）给出了一定厚度和不同宽度的铜导线的电流负载能力。

图4.1导线负载电流与导线温升的关系。

可用此图来选择印制导线的宽度和厚度，但是考虑允许的导线的温升，不能超过覆铜箔基材的安全使用温度与环境温度之差。然而，考虑到制作工艺、铜箔厚度、导线宽度在允许范围内的变化，该图所示的曲线已比实际测得的数值降低了10％，如果采用的板材总厚度较薄（≤1.5mm）或者应用了表面涂覆层，或者导线间距小于导线宽度时，应再降低15％。多层板的内层导线，由于内层的散热不如表层散热好，防止内层导线过热而降低多层板的层间结合力，建议设计时按图中的示值降额一半使用或采用多层板内层导线的温升曲线来确定导线宽度和厚度。

导线电流过载能使温升迅速提高，并产生大量的热量，会使导线与基材的结合力下降，甚至会引起基板的损坏。过载电流引起的温升与电流的大小和持续时间有关，对于以环氧玻璃布为基材的印制板，一般在100ms的时间内可以承受大于5倍之内的理论值的电流。所以，在设计导线宽度时，对容易产生过载电流的导线应适当加大宽度。通常地线最宽(除接地面外为20~80mil)、电源线设计得较宽(除电源层外为20~50mil)，信号线较窄(5~10mil)。对于负载电流较大的导线，设计时应考虑选择较厚铜箔的基材（70/105μm

），尽量不要将大电流的导线与较细的信号线设计在同一块板中。4.4绝缘电阻印制板的绝缘电阻分为表面绝缘电阻、内层绝缘电阻和层间绝缘电阻（体积电阻）。板的表面绝缘电阻由导电图形、绝缘介质（印制板基材和空气）、导线间距、板的加工工艺、环境的温度、湿度和板表面的污染等因素决定。两相邻导线间距较小而平行走线较长时，会使导线间绝缘电阻下降。当两相邻导线间的绝缘电阻要求严格时，可采用下列公式来估算：

Ris＝160Rmat［W/L］式中：

Ris—导线之间预计的最小绝缘电阻MΩ；

Rmat—定规温度下基材的最小绝缘电阻，MΩ；

W—导线间距，mm；

L—导线平行段长度，mm。实际上导线的间距设计可能是不均匀的，此时W/L的平均值按下式计算：

式中：

W1

，W2，…Wn

各平行段导线的标称间距；

L1，L2…..Ln各平行段导线的长度

W/L＝W1/L1

＋W2/L2

＋······＋Wn/LnL1W1W3W2L3L2内层绝缘电阻也可以用以上公式估算；层间绝缘电阻是绝缘层的体积电阻，它没有表面污染，一般大于表面绝缘电阻。对环氧玻璃布层压板基材，其表面绝缘电阻≥1010Ω。印制板表面的离子污染（汗渍、盐雾等）和空气中的湿度高都会降低表面绝缘电阻。4.5耐电压印制导线之间的耐电压值，与印制板基材的绝缘介质种类、导线间距、导线边缘的齐整性、表面污染程度、表面涂覆层、布线情况和周围环境条件等因素有关。印制导线之间的局部放电电压很高，对以环氧玻璃布为基材的印制板，在正常大气条件下，导线间的耐电压值大于1200V/mm；在低气压条件下（0.133～2.66KPa），其耐电压值要下降2/3左右，在设计低气压条件下工作的印制板时，应注意这一特性。为了安全起见，在设计导线的间距时，一般取最大耐电压值（局部放电电压）的9％～40％作为允许工作电压，见图4.2，对可靠性要求较高的产品设计时，可参照表4.1。图4.2电压与导线间距的关系

表4－1IPC标准中规定的导线电气最小间距

导线间电压DC或AC峰值

光板B1的最B2小线B3间距B4组A5装A6件A70～150.1（0.004）0.64（0.025）0.64（0.025）0.13（0.005）0.13（0.005）0.13（0.005）0.13（0.005）16～300.1（0.04）0.64（0.025）0.64（0.025）0.13（0.005）0.13（0.005）0.25（0.010）0.13（0.005）31～500.1（0.004）0.64（0.025）0.64（0.025）0.13（0.005）0.13（0.005）0.38（0.015）0.13（0.005）51～1000.1（004）0.64（0.025）1.50（0.060）0.13（0.005）0.13（0.005）0.50（0.020）0.13（0.005）101～1500.2（0.008）0.64（0.025）3.18（0.125）0.38（0.015）0.38（0.015）0.75（0.030）0.38（0.015）151～1700.2（0.008）1.27（0.050）3.18（0.125）0.38（0.015）0.38（0.015）0.75（0.030）0.38（0.015）171～2500.2（0.008）1.27（0.050）6.4（0.250）0.38（0.015）0.38（0.01500.75（0.030）0.38（0.015）251～3000.2（0.008）1.27（0.050）12.7（0.500）0.38（0.015）.038（0.015）0.75（0.030）0.38（0.015）301～500>500每伏增加间距（mm/v）0.25（0.010）0.00252.54（0.10）0.00512.7（0.500）0.02540.75.（0.030）0.003050.75（0.030）0.003051.50（0.050）0.003050.75（0.030）0.00305

表中：B1－内层导线

B2－高度不超过海拔3050米未涂覆的外层导线

B3－高度超过海拔3050米未涂覆的外层导线

B4－涂覆永久性聚合物涂层的外层导线（任意海拔高度）

A5－涂覆敷形涂层的印制板组装件外层导线（任意海拔高度）

A6－未涂覆敷形涂层的元件引线/接线端子

A7－涂覆敷型涂层的元件引线/接线端子

在航天标准中规定有永久性涂覆层的外层导线设计间距的允许工作电压见下表：表4.2最外层导线间距的允许工作电压

印制导线间距(mm)0.130.20.51.01.5每增加0.003mm允许工作电压(V)102050150300增加1V

从表中可以看出航天标准规定的设计间距都比IPC标准中相应导线间距（B4）规定的最小电气间距更宽，也就是安全系数更大一些。原因是航天飞行器上的电子产品需要在低气压和太空的高真空环境下工作，而在低气压条件下导线间的耐电压会大大下降（见图4.3），为了安全使用所以导线间距设计要求宽一些。在大气压不是很低的环境使用的印制板，其导线间距可以适当小一些或参照表4.2－1设计。但是在布线密度允许的情况下，较宽的导线间距有利于制造。航空、航天产品或高原上使用的电子产品应考虑低气压条件下的耐电压值，以保证产品的安全性。

图4－3低气压条件下电压与导线间距的关系

海拔高度与大气压对比

海拔高度（Km）04.010.422.131.290

大气压强KPa101.32561.525410.2(Pa)

9000V5000300020001000500400

00.03990.1330.2660.6651.332.666.6513.326.693.1KPa1.905mm1.27mm4.6电磁兼容性能在微波电路和高速脉冲电路中，印制导线作为传输线时，必须考虑印制板的电磁兼容问题。它是印制板的一种特殊电气性能，主要表现在导线的特性阻抗、有效相对电容率、传输延迟及信号的损耗与衰减等特性。这些特性除了与导线的宽度、厚度和电路工作频率有关以外，还与介质层的厚度和介电常数及介质损耗有关，所以应选择介电常数合适和介质损耗角正切值（tanδ）小的基材，典型的微波电路用材料有覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板、填充陶瓷聚四氟乙烯覆箔层压板等。高速和微波电路常用的传输媒质为带状线（位于两层接地面之间的介质层内的印制导线）和微带线（用介质材料将接地面与传输线隔开），对其电气特性的计算应查阅相关标准和基材的有关参数。微带和带状线结构见图4－4。传输导线的形式：带状线的特性阻抗由印制导线的厚度、宽度、电介质层的介电常数以及导两接地平面的距离有关，对称的带状线，当W/h≤2时，特性阻抗Zo可用下式计算：

htWhtw(a)(b)

图4－4传输线的导线断面图中（a）带状线；（b）微带状线（简称微带线）

式中：Zo—特性阻抗，Ω；

w—印制导线宽度，mm；

h—两接地平面之间距离，mm；

t—印制导线厚度，mm；

εr—相对介电常数。微带线是用电介质将导线与地平面隔开的传输线，其特性阻抗由印制导线的厚度、宽度和基材厚度以及电介质的介电常数决定。当w/t在0.1～3.0之间、介电常数在1～5之间时，特性阻抗Zo可用下式计算：式中：Zo—特性阻抗，Ω；

w—印制导线宽度，mm；

h—导线与接地平面之间的介质层厚度，mm；

t—印制导线厚度，mm；

εr—相对介电常数。采用以上两个公式时应注意使用条件（导线宽度、厚度、介质层厚度等），不同的条件下使用的公式是有区别的。4.6.1印制板的电磁干扰及抑制设计

随着科学技术的发展，各种各类的电气、电子设备的数量不断增加，尤其是各类无线电通讯设备的迅速增加，使空间的电磁环境日益复杂，为了保证电子设备的正常工作，减少相互之间的电磁骚扰，以及恶劣的电磁环境对人类及生态环境产生不利的影响，对电子产品的电磁兼容设计，是现代电子设计不可忽视的问题，引起了电子行业的广泛关注。一个好的电子产品必须考虑电磁骚扰问题。电磁干扰是电磁骚扰引起的后果，它会使电子设备、传输通道、系统和印制板组装件的性能下降或信号失真。由于电子元器件的发展，数字电路

的广泛用应，逻辑器件的运行速度越来越快，印制板自身的电磁兼容问题日益突出，印制板的布局、布线对高速电路信号完整性的影响十分明显，所以在设计印制板时必须关注自身的电磁兼容问题。电子产品的电磁兼容性（EMC）包括两个方面：电磁辐射性和抗电磁干扰性（即电磁敏感性）设计优良的电子产品必须考虑电磁兼容问题，既不能有电磁辐射而干扰其他电子设备，又要有较低的电磁敏感度，能抵抗规定的电磁干扰。印制板设计的电磁兼容性考虑，就是要考虑印制b板内高速、高频信号的传输效应，保持信号的完整性并控制印制板输出输入端的电磁干扰问题。1.印制板电磁兼容设计的理论基础电磁兼容设计的理论基础是麦克斯韦第3、第4方程描述的磁场和电场能够相互转换关系，根据麦克斯韦方程（电磁感应方程）：▽×E＝－δB/δt

和▽×H＝J+δD/δt

即：在封闭体系中，变化的磁场产生电场，变化的电场又产生磁场，随时间变化的电流（时变电流）既产生电场又产生磁场。在任何电路中都存在电流，电路工作时就有随时间变化的电流（称为时变电流），在信号通路导线上和返回通路导线上，产生方向相反的差模（DM）电流，从理论上讲这种差模电流应该是大小相等、方向相反，产生的磁场可以相互抵消，消除磁场影响。然而实际上这是做不到的，其原因是：1）信号输入和返回通路的印制导线不可能绝对平行，因而产生的磁场也不可能全部抵消。2）印制导线的宽度、厚度的不均匀性，有意外的导线缺陷等造成输入和返回线路导线的阻抗不可能完全匹配，产生的磁场也就不平衡。3）因为共地或共电源或几个信号有公共返回区引起的干扰等，都可以造成两条通路的不平衡，使磁场不能完全抵消。这部分抵消不了的磁场就会引起相位相同的共模（CM）电流。所以印制板上总是难免有共模电流存在，共模电流是引起电磁辐射的主要源泉。相邻的信号导线如果电流方向相同，则会直接产生共模干扰，而CM和DM电流的大小决定了传播射频（RF）能量的大小，RF能量(一般是从10KHz～100GHz)随频率增高而增强，其电磁辐射强弱是引起电磁干扰的主要因素，这就是印制板上高速电路和高频电路中产生电磁兼容问题的理论基础。2.印制板组装件上引起电磁干扰的主要原因a.来自外部其他电子设备发射的或空间的电磁波造成的辐射（电磁干扰就是利用这种辐射）。b.外电源或输入导线造成的传导干扰。c.印制板本身采用高频电路或高速器件，在布局、布线时不合理或元器件安装位置不当等因素造成的差模或共模干扰。d.多层印制板中接地层和电源层的分布及其结构设计不合理，造成电路中特性阻抗与器件内阻不匹配而引起电磁干扰。对于外部的电磁干扰，可通过整机的屏蔽措施和改进电路的抗干扰设计来解决。在印制板上引起电磁兼容问题根本原因，在于印制板上工作时有时变电流。高速、高频的数字电路和逻辑电路在印制板上的广泛应用，又大大增加了产生时变电流的程度，所以印制板自身电磁兼容性在布线、布局和确定接地层与电源层时必须认真考虑印制导线的特性阻抗的匹配问题，以提高印制板本身的电磁兼容性。

3.印制板电磁兼容设计与信号的完整性印制板设计时如果布局、布线及电源、接地设计得合理，在电路工作时电场、磁场就不会对电路的性能产生有害的影响；如果设计的不合理，就会加大磁场、电场对电路性能的影响，

使之成为电磁干扰源或对电磁敏感的电路，影响印制板组装件的正常工作，降低其性能，甚至会泄漏有用信息或干扰其他电路正常工作。电磁兼容设计合理与否，最明显的表现是对信号传输时信号的完整性影响。当电磁兼容性考虑得不好，电路工作时在某些高速信号回路上可能会产生传输效应。随着电子器件的发展，逻辑电路的集成度和工作频率越来越高，工作状态变换的边沿速率越来越快，使电子系统的设计复杂性、工作频率和集成度都大大提高，於是便产生了高速电路。高速电路的特性既有高频电路的特征又不同于高频电路。高频微波电路通常是指信号传输的频率300MHz以上（IPC－316标准指100MHz以上）。高速电路是相对于低频电路，信号传输的频率大于5MHz，小于100MHz。实际上高速电路的特征随工作频率的升高逐渐明显，并不是达到某一频率突然显现。通常高速电路含义是指：当数字逻辑电路的频率达到或超过45～50MHz时，将会产生传输效应和信号完整性的问题。如果电路中工作在这个频率及以上的部分，占整个电路系统的30％以上或主频率在120MHz以上的部分占20％的电路通常称为高速电路。实际上，器件工作状态的快速上升和下降时间，使信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高，它所引起的传输效应要比工作频率引起的更为普遍。在高速电路中信号从源端到接收端的传输，通过印制导线需要有一定的时间，称为延时，超过规定的时间称为延迟，将会引起电磁兼容和信号完整性的问题。传输延时的长短取决于器件特性的要求和导线的阻抗，阻抗能满足器件特性的要求，如果能够匹配，就不会引起传输延迟。所以，高速电路传输线又可以理解为信号在导线中传输延时大于1/2数字器件上升沿时间（指驱动端）时，则该导线为高速信号传输线。高速信号线超过一定比例则该电路为高速电路。目前数字高速电路的频率一般在40～50MHz以上，如果在高频、高速电路设计时，对导线的电抗考虑不周，信号传输线上的阻抗与器件不匹配，就会引起信号状态失真和影响信号的完整性。对不同的传输线模型，在电路上信号可能产生不同形式的传输效应，即：信号反射、延时或

或时序错误、过冲与下冲、串扰、地弹、多次跨越逻辑电平阈限错误（震荡）和电磁辐射等效应产生这些传输效应，与高频、高速传输时，印制导线的特性有关。印制导线（走线）作为电流和信号的传输线时，其阻抗特征在低频电路时呈电阻特性，因为电阻值很小，一般对电路影响不明显；但是在高频电路时呈电感特性，并且随频率变化的增高其电感特性越来越占主导地位，当导线上的信号电流频率在100KHz以上时，感抗（2πfL）将超过电阻成为导线阻抗的主要部分。这时印制导线的等效电路为：RcRL这时PCB走线的阻抗可以下用方程表示：

Zo=R+jxL+1/jxc阻抗与导线的宽度、厚度、长度及频率有关。譬如：宽度W＝1mm，厚度t＝0.03mm，长度L＝100mm的导线。频率为50Hz时，阻抗Zo＝57.4mΩ；频率为100KHz时，

Zo

＝92.5mΩ

频率为1MHz时，Zo＝727mΩ。在印制板设计时，如果不注意在高频和高速信号传输时印制导线的阻抗变化特性，就难于控制电路中信号传输的特性阻抗匹配，会产生上述的传输效应，从而影响了信号的完整性，即使导线连接的逻辑关系正确，电路也不能正常地工作。由此引起的设计问题时有发生。可通过以下案例分析：（1）案例1.信号之间的耦合案例不同频率或不同模式信号的导线，如果相邻走线相互靠得很近（距离小于线宽的2倍），则一根导线上的信号就可能被耦合到另一导线上干扰信号的正常性，称为“串扰”。串扰是高速和高频电路中，因为对相邻印制导线的间距设计不合理而经常出现的信号耦合的问题。例如：有个单位设计的“综合放大器”印制板，电路中既有数字信号又有模拟信号，在设计时考虑了数模分开，但是为了降低成本，采用了双面印制板的结构，布线密度高，有的数字信号导线与相邻的模拟信号导线距离留得太小，致使电路工作时产生信号串扰而无法正常工作，只好将该印制板报废，重新设计改为多层印制板，将相邻的数模信号导线之间距离加大，并用地线将其隔开，从而使电路能正常工作。所以，要避免信号的耦合和串扰，须将不同频率的信号导线之间的距离，设计为不小于导线宽度的2倍（2W原则）或用地线进行隔离。2W地线（2）案例2：信号线层之间的耦合双面和多层印制板中上、下相邻两层的信号线，由于中间的介质层薄，上、下层平行走线容易产生信号的耦合，特别是高速信号线如果产生耦合会引起信号的失真。所以相邻层应交叉走线可以大大减少信号的耦合。（3）案例3：数、模信号线混合走线对信号完整性的影响在同一块印制板上有数字电路和模拟电路时，上下层平行走线上下层交叉走线俯视图上下层交叉走线在布局和布线时应分开布设，否则电路工作时数字信号会影响模拟信号。尤其是在数模混合电路中，不但元器件布局要分开，布线也要分开。即布局时分区，不共用同一接地线（或接地面）工作时逻辑开关的噪声会干扰模拟器件；走线分开是指数模信号线分开布设，并且相邻的数模信号线中间有地线分隔或线间距大于1.27mm(4）案例4高速信号线的布线拓扑结构影响高速信号导线采用树枝式分叉（a），在分叉处导线宽度变化特性阻抗改变，容易引起信号失真。(a)树枝式结构(b)菊花链结构(c)星形结构通常在分支处应设置连接盘，保持线宽一致，对特性阻抗影响很小。分支布线方式可根据电路需要采取菊花链（适用于信号顺序到达接收端）或星形分支结构连接（适用于信号同时到达几个接收端）。（5）案例5：高速信号走线的特性阻抗控制不当在高速电路设计中往往注重用串并联电阻器做匹配终端，来调节电路的阻抗要求，高速信号走线的特性阻抗最容易被忽视。印制板安装完元器件加电工作时，由于导线的阻抗与电阻器的阻抗合并对电路起匹配作用会使总阻抗与器件不匹配，引起信号反射等传输效应使电路不能正常工作。只有当信号在导线上的传输延时的时间大于源端信号上升时间的1/2时，需要匹配终端。而信号的时延与基材的介电常数和信号导线的长度有关，其关系式为：