為什么元器件擺放那么重要

PCB設(shè)計(jì)，既是科學(xué)也是藝術(shù)。其中有非常多關(guān)于布線線寬、布線疊層、原理圖等等相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，但當(dāng)你涉及到PCB設(shè)計(jì)中具有藝術(shù)特質(zhì)元器件布局問(wèn)題時(shí)，問(wèn)題就變得有趣起來(lái)了。

事實(shí)上，關(guān)于元器件擺放限制很少，也沒(méi)有“絕對(duì)正確”的規(guī)范要求，這也使得初學(xué)者電子工程師在擺布電路板上元器件時(shí)，就像個(gè)十足的“中二”，向往著個(gè)人抱負(fù)和創(chuàng)造性，如何擺放完全依賴于你和設(shè)計(jì)思路。

但這并不意味著你可以為所欲為，計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)最終還是需要降落凡塵，形成具體可用之物，因此下面十條PCB元器件擺放小建議可以指導(dǎo)電子初學(xué)者完成平穩(wěn)走過(guò)電子設(shè)計(jì)初始階段。

為什么元器件擺放那么重要？

有一句老話（不知誰(shuí)說(shuō)的）PCB設(shè)計(jì)90%在器件布局，10%在布線，這的確是一句大實(shí)話。開(kāi)始費(fèi)盡心思精細(xì)擺放器件可以起到事半功倍的效果，也可以提高PCB的電氣特性。如果你只是將元器件隨意任性在電路板上胡亂擺放，那會(huì)發(fā)生什么？

時(shí)間被打水漂：很大可能性你在布線的過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)有些地方根本沒(méi)有足夠空間走線，甚至整個(gè)布線需要推倒重來(lái)。

電路板不工作：你本以為將器件放置好，并將所有的引線布完就萬(wàn)事大吉了。將設(shè)計(jì)文件發(fā)送給電路板制造商，等幾天接到嶄新的電路板。正準(zhǔn)備興高采烈焊接電路的時(shí)候就被現(xiàn)實(shí)猛烈打臉，發(fā)現(xiàn)有些器件根本無(wú)法焊接（要么封裝不對(duì)，要么相互有沖突

美學(xué)碎了一地：我們必須承認(rèn)，即使我們只是謙卑的工程師，在對(duì)美學(xué)的追求上還是認(rèn)同對(duì)稱(chēng)、細(xì)致。那種一開(kāi)始被缺少愛(ài)和不走心的人進(jìn)行元器件擺放的電路板，在后期焊接和調(diào)試過(guò)程會(huì)給讓人感到更加的堵心，涌入眼簾的只有葛優(yōu)癱。

如果你碰上一個(gè)杠精，會(huì)跟你辯論，元器件的擺放哪里什么條條框框，同一個(gè)電路圖，100個(gè)電子工程師會(huì)有1000種布線方案。這也就是為什么說(shuō)設(shè)計(jì)電路板更多被看成是藝術(shù)創(chuàng)作過(guò)程。

如果你遇事總想弄清對(duì)和錯(cuò)，下面倒是有一個(gè)小技巧幫你判斷是否你的電路板元器件擺放是否合適。在器件擺放完之后，使用電路板設(shè)計(jì)軟件中的自動(dòng)布線（比如 Autodesk EAGLE中提供的）進(jìn)行布線，如果最終電路不通率低于85%，這就說(shuō)明你需要多花些時(shí)間優(yōu)化元器件的擺放了。

下面就讓我們少“逼逼”，多說(shuō)些關(guān)于器件擺放的干貨吧。

技巧1：弄清電路板物理限制

擺放元器件之前，首先需要確切知道電路板的安裝孔、邊緣接插件的位置以及電路板的機(jī)械尺寸限制。

為啥呀？

因?yàn)檫@些因素影響你的電路板的尺寸和外形。曾見(jiàn)過(guò)某位設(shè)計(jì)的電路板無(wú)法裝進(jìn)電路板固定區(qū)域，只好重新設(shè)計(jì)。

為了避免犯傻，可以有意對(duì)那些機(jī)械限制（安裝孔、電路外輪廓）設(shè)置一個(gè)清空區(qū)，這樣你就可以放心在允許范圍內(nèi)進(jìn)行創(chuàng)作了。

技巧2：弄清電路板制作工藝

同樣，在放置電路元器件之前，你最好從電路生產(chǎn)商那兒弄清幾個(gè)關(guān)鍵信息：

電路的組裝工藝和測(cè)試流程；

是否需要對(duì)PCB V型切槽預(yù)留空間；

元器件焊接工藝：是波峰焊、分區(qū)焊接還是手工焊接？

咋的啦？

電路板制作工藝將會(huì)影響元器件之間空隙大小需求。還有，如果你的電路板將來(lái)會(huì)在流水線上被焊接，你就需要在電路板邊緣額外留出空間（大于20mil）用于電路板固定在傳送帶上。電路板上額外的固定板，它在電路板焊接完之后被掰掉。

技巧3：給集成芯片留下喘氣空間

注意，這里所說(shuō)的“喘氣”不是空氣，至于是什么，看完下面你就清楚了 。

在布置任何元器件的時(shí)候，都需要盡可能在它們之間留下至少350mil的距離，對(duì)于引腳多的芯片，留的空間需要更大。

為何？

現(xiàn)在的芯片引腳原來(lái)越多，越來(lái)越密。如果集成芯片相距過(guò)于親密，就會(huì)有很大可能無(wú)法將它們的引線輕松的引出布線。往往是越到后來(lái)布線越難，有的時(shí)候費(fèi)心布通一根線就要消耗掉你100根頭發(fā)，甚至到了叫天天不應(yīng)，叫地地不靈的困境。（早知如此，何必當(dāng)初）

技巧4：相同器件方向一致

對(duì)于相同的器件盡可能讓他們排好隊(duì)，保持一致的隊(duì)形。

你有強(qiáng)迫癥？

這樣做主要為了便于后期電路板的組裝、檢查和測(cè)試，尤其對(duì)表面封裝的器件在波峰焊接過(guò)程中，電路板勻速經(jīng)過(guò)融化焊錫波峰。均勻擺放的器件加熱過(guò)程均勻，可以保證焊點(diǎn)一致性高。

下面這個(gè)例子顯示了均勻擺放器件適合勻速波峰焊接工藝。

如果按照下面這樣凌亂的擺放，波峰焊接對(duì)于不同器件的焊盤(pán)質(zhì)量會(huì)有差異，特別當(dāng)有些小型器件恰好位于大型器件之間時(shí)，就會(huì)形成“陰影”效應(yīng)，小器件可能就會(huì)焊接不良。

技巧5：減少引線交叉

通過(guò)調(diào)整器件位置和方向，減少引線交叉。

咋弄？

現(xiàn)在很多PCB設(shè)計(jì)軟件都會(huì)提供一種功能，顯示沒(méi)有布通管腳對(duì)之間的連接關(guān)系。比如下圖就顯示了原理圖中所有器件管腳之間的連接關(guān)系，通過(guò)圖中細(xì)的灰色直線表示（這種線被稱(chēng)為ratsnest:y飛線，預(yù)拉線

通過(guò)改變器件的位置和方向，盡量減少器件之間引線交叉，可以為后面布線節(jié)省大量的精力。

技巧6：先擺放電路邊緣器件

對(duì)于因受機(jī)械限制而無(wú)法任意移動(dòng)的器件要先進(jìn)行擺放，比如電路板上的外部接插件、開(kāi)關(guān)、USB端口等等。

為什么？

這些器件往往是有系統(tǒng)整體機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)就確定下的位置，不容更改。在擺放完這些器件之后，也就使得你在后面器件安排有了一個(gè)光榮的起點(diǎn)。搞定電路板邊緣器件，剩下就是你發(fā)揮自己想象力和創(chuàng)造力的高光時(shí)刻了。

▲ 計(jì)算機(jī)主板上的外圍接口器件位置是與機(jī)箱設(shè)計(jì)緊密相關(guān)的，它們的位置需要預(yù)先確定下來(lái)

技巧7：避免器件之間沖突

絕對(duì)避免為了在小的電路板中布線而將器件的焊盤(pán)重疊共用，或使得器件邊緣重疊。最好在所有器件之間保持40mil（1mm）的距離。

你有密集恐懼癥？

最重要原因是為了避免在之后電路制作過(guò)程中在焊盤(pán)之間產(chǎn)生短路故障。別忘了，緊密擺放也會(huì)使得布線變得更加的困難。

同樣，在放置過(guò)孔的時(shí)候也要避免過(guò)于密集。這些小圓孔將來(lái)也可能裸露出銅皮，造成電路的短路。

技巧8：將器件盡量放在同一面

如果你設(shè)計(jì)兩層電路板，最常見(jiàn)的建議就是將器件擺放在同一面。

為什么呀？

如果不將器件放在電路板的同一面，就會(huì)使得后期電路板制作費(fèi)事費(fèi)力。下面告訴你原因，通常情況下，電路板上的器件是通過(guò)自動(dòng)器件擺放機(jī)器完成，器件只在一面，生產(chǎn)PCB過(guò)程只需要一遍即可。否則，就需要兩次器件擺放。浪費(fèi)了生產(chǎn)時(shí)間，就是浪費(fèi)金錢(qián)和生命。

技巧9：保持芯片管腳和器件極性一致

每個(gè)集成芯片都有標(biāo)志給出管腳1的起始位置。對(duì)于芯片的管腳1所在的方位，或者有極性的器件（電機(jī)電容、二極管、三極管、LED等等）方向保持一致，也會(huì)給電路板制作帶來(lái)方便。

有這必要嗎？

如果你親自焊接或者調(diào)試過(guò)電路板，你就不會(huì)懷疑這一點(diǎn)。想想看，當(dāng)你焊接電路板上的元器件的極性和方向非常凌亂，是不是對(duì)于成功焊接電路板你心里也沒(méi)有底？

技巧10：器件位置與原理圖上相似

在擺放元器件時(shí)，腦子里按照你的原理圖上的位置關(guān)系進(jìn)行擺放。

原因何在？

實(shí)際上，你在設(shè)計(jì)原理圖的時(shí)候就已經(jīng)優(yōu)化了器件之間的位置關(guān)系（連線最短、交叉最少），所以呢，按照原理圖上器件位置來(lái)直到PCB器件的擺放有天然的合理性。特別是，在后期手工布線的時(shí)候，腦子里的原理圖也會(huì)暗地里幫你選擇合理的短路徑來(lái)布線。

約束下的創(chuàng)作

最好的PCB設(shè)計(jì)起源于器件非凡的布局，不要輕易糊弄過(guò)去。你要一直堅(jiān)持把精力放在器件的合理擺放，這個(gè)過(guò)程所有的努力都是值得的，這也許是你在PCB設(shè)計(jì)中最值得全力以赴的過(guò)程。當(dāng)你看到設(shè)計(jì)PCB變成電路板成品時(shí)，將是品嘗勞動(dòng)果實(shí)的幸福時(shí)光。

審核編輯：何安