谈谈PCB的设计美学思想

琳琅满目的电子产品世界里，无论其面目是多么的丰富多彩，任何一个都少不了印制电路板（PCB）。假如你有机会打开我们身边的电器，比如计算机，电视机，电话机，等等，看到里面的印制电路板，你一定会有一个很直观的印象，就是这个产品的里面是不是很整齐，干净利落。如果里面印制电路板看起来粗制滥造，元器件凌乱不堪，人们都自然会很通俗地认为“这个东西工艺很差！” 其实我们开发生产的通信设备也不例外，单板PCB的外观评价很容易给见多识广的用户或局方专业人士留下深刻的第一印象，粗劣的PCB外观将使得产品的整体得分大打折扣。前些年业内人士总爱拿国外电器的印制板来和国产的比较，感叹差距太大。那时有设计手段落后的客观原因。而现在工具方面我们跟国外已经没有大的距离了，而我们国内的整体设计水平相比之下却还是有实实在在的差距。没有一流的PCB设计能做出一流的电子产品那是难于想象的事，而一流的PCB设计没有一流的外观更是不可思议。 PCB的外观除了有“生产制造”一方面的因素之外，更主要最根本的因素是“设计”。要提高PCB的外观质量，首先要从设计阶段开始把关，从电路原理图到PCB物理实现的开始阶段设计人员就要有“美学”概念，指导设计布局布线的全过程。很多时候这种概念是在人们的潜意识里或多或少地存在，并在自己的工作当中自然地流露出来。就好比书法艺术，绘画艺术，建筑装饰设计艺术等艺术创作一样，每件作品各有风格。每个专业人员的审美观不同，美术方面的修养不同，同样的电路每一个人设计出来的PCB也各有千秋。在PCB设计专业领域里，有一些区别于一般艺术的专业特点。结合本人早年在接触国内外电器产品的维修过程中所得到的感性认识，及多年的PCB设计亲身经历，所见所得，本文归纳提出了一些比较系统的概念和方法，但愿对相关人士有所启发，希望能够让人们把“PCB设计外观中的美学”提高到一个新的认识层次。 下面先按传统的美学观点结合我们公司通信设备上的多层PCB单板设计的特点，总结了五项基本准则，即“平衡”，“一致”，“比例”，“对齐”，“对称”。 （一）平衡 A）轻重器件合理分布（在不影响电气性能要求的前提下），避免给人头重脚轻的感觉，也可以防止板面在温变时因张力不均产生翘曲形变。 B）高低错落有致，层次分明。要对使用的每个元件的实际外形尺寸如高度有所估计，想象二维的元件封装的实物立体形象，考虑元件安装后的立体效果，不仅美观还要在需要时便于观察，测量，操作。比如不要把极不起眼的薄片小元件紧挨着高个大块头的金属外壳器件放置；或把片状元件包围在较高的元件如插装电解电容器，模块中间。有散热器的大功率器件，要考虑好固定方法和表面温度均衡。 C）板面紧凑，疏密均匀分布，泾渭分明，浑然一体。切忌元件在板面上稀稀拉拉,也要尽量避免元件在板面的局部过于集中。布线时一组平行的总线要充分利用周围的空白，使得线间距适当宽松且均匀。有些局部一片较集中的无规律的过孔如果空间允许的话在最后优化时应该适当拉开分布均匀。 D）主次分明。比如允许的话可以把全部的片状阻容元件都放在焊接面，其他芯片及分立器件放在元件面，则整个板面看起来会干净利落。 E）颜 {MOD}和谐。PCB上涂敷或丝印的绿油，白油，黑油在特殊需要时可以与PCB加工厂家协商调整。个别颜 {MOD}反差特别大的元件避免出现在细密的局部如黄 {MOD}的片状坦电容如果贴装在焊接面，就会特别刺眼。 （二）一致 A）同一产品的各个项目的或一个系统的各个单板的外形尺寸，相关安装孔径（包括金属盘的外径），包围单板四周的保护地铜箔形状，指定的共同的非布线区域的形状及表面涂敷材料的颜 {MOD}等都要统一。 B）一块单板一定区域内的所有同类封装芯片的方向统一，使得安装维护人员可以从尽可能少的方向一目了然地读取元件名称信息。比如所有QFP器件的起始脚方向一致，同一区域放成一排中心对齐的SOP器件或DIP器件的缺口方向尽量统一，全板不要超过两种方向。 C）有极性的分立元件如电解电容，二极管，三极管，发光二极管等极性标识方向最好全板一致，放在同一区域的必须一致，且同种元件按中心对齐排列。 D）两面贴装设计时，尽量把体积小重量轻的片状阻容元件安排在焊接面而且要按照波峰焊接工艺所要求的方向统一按一种方向放置，尽可能横向纵向都对齐。 E）同一项目的各个单板的标注字符的大小，放置位置，方向统一。 F）同一块单板内元件封装的丝印外形和线宽粗细，同类型的标号字符大小要尽量统一。 G）元件标号字符的最好只有一个放置方向；放置位置要有一定规律，比如所有芯片的标号字符一律放在起始管脚附近。 H）单板采用多个弹性引脚间距的元件比如插装 {MOD}环电阻，电感，塑封或玻封二极管，金属跳线等两端元件，同种元件封装的引脚间距最好设计成同一种通用尺寸，或尽可能地减少尺寸种类，忌五花八门。 （三）比例 A）板的外形长宽比适当，比如按“黄金分割”比例，可以给人带来舒适的整体视觉效果，而且不易发生形变。 B）体积外形尺寸比例反差很大的元件尽量不要放置太近，比如板的焊接面全部都是0805 或0603 的薄片贴装元件，如果在上面再放又厚又粗的元件如贴装的钽电解电容器，肯定不会美观。 C）标注字符的大小与单板的面积大小比例协调；元件标号字符大小与元件的封装大小比例协调。大板大元件用大号字，小板小元件用小号字。字符线宽粗细与字符高宽比例相协调，避免字体臃肿或过于瘦弱，含混不清。 D）元件封装的外形要充分考虑元器件实际安装时的占地面积，并留有余地，避免拥挤；但切忌过分放大造成相邻元件的丝印外形互相重叠。特别是象0805，0603以下的细小元件的外形丝印线条宽度一定要细，如6mil，这样片状元件密集排列整齐放置时才会看起来比较精致，美观，避免给人五大三粗的感觉。 E）通孔焊盘的大小形状要与元件引脚安装孔径及外形成比例。 F）走线的线形美观，也要讲究一点比例匀称，特别是走圆弧形，弧度走得比例恰当可以营造出很好的曲线美，否则可能会极难看。45°倒角走线时一根直线两端的倒角深度也要注意比例的恰当。 （四）对齐 A）大芯片中心对齐。相同器件或类似封装的一组芯片，按几何中心为基准对齐，并把一些较大的元件中心定位在较大的栅格点上。 B）片状小元件对齐。特别是采取两面贴装工艺时，在焊接面放置的片状阻容小元件封装中心对齐。 C）插装的两端元件焊盘对齐。如 {MOD}环电阻，二极管等在板面同一区域应该对齐焊盘，按同一间距整齐码放。 D）布线过孔的对齐。对很多总线上的过孔可按横向对齐，纵向对齐，45°直线对齐，45°交错对齐，这样可以构成板面上的隐形图案，衬托局部的视觉效果。 E）在小元件密集的地方如果标号字符没有足够的放置空间，可以通通放在附近合适的位置按顺序排列整齐后用箭头指向相关元件。 F）无论是元件的对齐还是字符的对齐，都可以借助EDA工具的“对齐”功能，或者最方便实用的方法是在放置操作时把放置栅格设置大一些比如100mil，50mil，25mil，根据元件的大小和位置的疏密随时选择切换相应的栅格大小，可以轻松地对齐，强调板面的直线效果。 （五）对称 A）左右对称, 上下对称, 前后对称。一个单板上相同的电路，相同的元件封装，根据电路结构，运用几何平面坐标，可以准确按左右对称，上下对称进行布局，构成整个板面上主要元件分布的对称美。 B）片状阻容元件封装的参考原点一定要设在几何中心，使得封装的焊盘和丝印都左右上下对称，这样才能保证放置一排此类元件时无论怎么旋转镜像，其丝印和焊盘都能够与周围元件对齐。 PCB的整体外观与板上每个元器件封装的外形及焊盘的平面图形有最直接的关系，特别是有的非标准元件的封装设计。因此有必要对此单独做一个说明。 要灵活充分地发挥各种EDA工具的有限的绘图功能，突出元件的外形特征，简洁明快地勾勒出元器件的外形轮廓，根据元件大小按比例适当加大，稍有余地，避免拥挤。表示元件引脚顺序标志或极性标志的绘制要简单明了，线条粗细比例协调，线形标准规范，横平竖直，方圆规矩，接口严密，没有多余的线头。又要避免过于繁复，画蛇添足。通孔焊盘的设计要与元件引脚安装孔径成比例，大元件粗管脚的焊盘要足够大，否则显得单薄不牢靠；精密细微元件的封装焊盘一定要尽可能地细密紧凑，尤其在微小元件密集的设计中如移动终端手持设备，布局空间紧张，更有必要通过细化元件封装甚至可以删剪局部丝印或焊盘的图形以淡化拥挤的视觉效果。 另外，单板上与显示操作有关的部件如指示灯，按钮，开关，测试端口等，它们的位置和方向设计要符合人的视觉和行为习惯，给人舒适便利的感觉。 把PCB设计看作一门艺术一点儿也不过分，我们可以从很多艺术形式中领会到很多可供借鉴的美学精神。比如中国传统建筑设计艺术中的直线美和对称美，方块字的书法艺术的平衡美，人体的曲线美与和谐美等等。其实，强调PCB的外观并不仅仅是视觉感官的需要，很多时候也是工艺的需要和性能的要求，如“整齐”可带来布线的便利，可以提高生产加工的效率；“对称”可以优化电路信号网络的拓扑，线间距的“均匀”分布有利于改善信号完整性。 总之，有意识地在PCB设计过程中强化“美学”概念，在满足电气性能要求的同时，尽可能地让“作品”看起来更加漂亮。