正确定义 PCB 走线宽度的方法

这里我们回到 PCB 设计中的一个基础工程问题，而且对新手设计师来说，这个问题看起来确实相当基本。这个问题就是：我们如何确定在特定叠层中应使用哪些走线宽度？

采用内/外层 0.5 oz / 1 oz 铜厚的简单设计，通常会直接选用常见的 8 mil/0.2 mm 线宽，然后继续布线。有时，这些板子为了阻抗控制需要调整线宽，但通常我们可以选定一个线宽并始终使用它。

但在许多其他情况下，例如包含高密度底部端接器件、高层数、多种阻抗配置以及更重铜厚的设计中，我们可能会发现，原来常用的 8 mil/0.2 mm 线宽已经不再适用。本文将介绍所有需要根据叠层设计和制造商能力来确定走线宽度约束的情况。

始终从 PCB 叠层开始

PCB 叠层无论从字面意义还是实际意义上，都是电路板设计的基础。它当然承载了可装配到设计中的元件，但它也会对完成布线时可使用的走线宽度形成约束。布线中所用线宽的约束可能来自设计的多个方面，而设计师有责任判断哪些约束适用于特定布局或产品。

事实上，许多新设计师常常没有意识到，大多数制造商网站上提供的标准叠层并不会给出这些约束。标准叠层是为简单设计准备的，在这类设计中，线宽和间距通常没有严格限制。而真实产品往往需要设计师亲自负责叠层设计以及相关约束的确定。如果你正面临这种情况，请特别注意下面这些方面，它们将帮助你把线宽和间距约束到合适的数值。

制造商能力与铜厚

最终的最小线宽限制由你的 PCB 制造厂能力决定，但这并不是你能从网站上直接获得的一个固定数值。很多新设计师，尤其是计划从事电力电子设计的人，往往没有意识到一个重要事实：铜厚会带来最小线宽约束。这是因为较厚的铜需要更长的蚀刻时间，而厚铜上的窄线在较长蚀刻时间下可能无法稳定重复地制造出来。因此，制造厂只能根据铜厚保证某个最小线宽值。

下表比较了一家制造厂针对三种铜厚、以及内层和外层所提供的典型线宽和间距数值。

你可能还注意到，表格将线宽数值区分为内层和外层。其中一个原因是，内层铜不需要进行通孔成品电镀，因此其允许的线宽和间距可以比外层更小。请注意，这里给出的铜厚数值是成品铜厚，即电镀后的铜厚。

细间距底部端接器件

这一类器件虽然包括大型 BGA 封装，但并不局限于 BGA。许多 QFN、LGA，甚至一些带引脚器件，也可能具有较小的引脚间距，这会限制布线进入这些器件时应使用的线宽。无论所需阻抗值或铜厚如何，这一约束都可能适用。

细间距 QFN 或 LGA 的引脚间距可能低至 0.5 mm，也就是 20 mil。在这种引脚间距下，通常你最多只能得到 8 mil 或 10 mil 左右的线宽余量。换句话说，布线进入该器件时，线宽下限会受到铜厚约束，而上线则会受到器件封装焊盘物理尺寸的限制。

关于这类器件，需要理解的一个重要点是：当需要进行阻抗控制时，你能够布入器件焊盘之间的允许线宽会反过来影响叠层设计。例如，如果你需要一条 50 欧姆、10 mil 宽的微带线接入一个细间距 QFN 封装，那么外层介质厚度就不能超过大约 5 mil。

高引脚数 BGA 封装

BGA 封装可能会使你无法在引脚或焊盘之间布线，尤其是在引脚间距较小时。这类 BGA 以及其扇出所使用的过孔阵列，有时仍允许在焊盘之间布线，但最终球间距会小到你无法在过孔之间或 BGA 焊盘之间布线而不违反线宽和间距限制。这就为你可使用的线宽设定了一个上限，至少在 BGA 区域是如此。

大多数设计师会把这个线宽值推广到整块板上使用。部分原因是这样设置设计规则和约束更方便，并且在布线进入 BGA 封装时，你也无需专门创建缩颈规则。

许多设计师会采用由 BGA 封装 限定的这一本最大线宽，并在整块板上统一使用，另一个原因是：板上很可能还存在其他细间距器件，也同样适合使用这一线宽。这也是为什么在设计规则中直接设置一个全局首选线宽并全板统一使用，是个不错的做法。当然，也有例外，例如受控阻抗或信号完整性要求，但这些问题通常也可以通过在 PCB 叠层中选择合适的介质厚度来解决。

过孔钻孔孔径与线宽

这种约束设置相对少见，但它是一种很有用的方法，可防止来自过孔焊盘的钻孔破环切断已连接的走线。你可能会在低成本消费类产品或一次性设备中采用这种做法，因为这类产品不需要达到商业级或军工级可靠性标准或工艺要求。

钻孔过程中产生的破环如下图所示。根据 IPC 产品等级：

• 非关键产品仍可允许破环（Class 1）
• 破环受到限制（Class 2）
• 禁止破环（Class 3）

这些 6 mil 走线连接到钻孔孔径为 8 mil、且环宽低于 Class 2 要求的过孔，可能导致破环。将线宽增大到 10 mil，或增加泪滴焊盘，都有助于在钻孔偏移较大时确保走线不会断开。

从图中可以很清楚地看出，如果过孔焊盘较小，走线连接处附近发生的破环可能会完全切断走线，从而导致 PCB 必须报废。不过，除了使用更大的过孔焊盘之外，还可以采用另一种方法：使用宽于钻孔直径的走线，这样即使发生破环，也不会把走线与过孔焊盘完全切断。

目标阻抗

决定线宽约束的最后一个因素，同时也是叠层设计直接带来的结果，就是为达到目标阻抗所需的线宽。如果你使用制造厂提供的标准叠层，其中有些叠层会直接给出 50 欧姆阻抗所需的线宽，然后对差分对采用受控阻抗的方法。

Altium Designer 用户还可以使用 Layer Stack Manager 中的阻抗求解器，对单端走线或差分对进行高精度阻抗计算。该功能位于 Impedance 选项卡，使用内置电磁场求解引擎来计算无损阻抗。

Altium Designer 中的 Layer Stack Manager 包含一个无损阻抗计算器。

随后，在布线过程中，可以将该数值作为设计规则在你的 PcbDoc 文件中强制执行。阻抗值可以分配给单独的网络或网络类，并可针对特定层启用或禁用。

电源走线尺寸设计

上面列出的一些情况，主要是在寻找并设定最大线宽，或为细小走线确定最小线宽。那么对于电力电子中的走线或电源轨又该怎么办呢？

电源轨可以像普通走线一样通过设计规则进行定义和设置，但它们通常需要比普通走线更大的间距和更宽的线宽。这些间距和电源轨尺寸取决于相关电源轨上的电压和电流，IPC 也提供了关于电源轨尺寸设计的指导，以避免电源轨上出现过大的 IR 压降。

为了确定走线（或覆铜）宽度，以防止过大的压降并将电源轨温升控制在一定水平以下，IPC-2152 标准对铜导体所需的截面积提供了一些指导。这些指导见下表。

这些表格显示了温升限制与电流之间如何通过截面积相关联：在允许温升一定的情况下，更大的截面积可承载更高的电流。这很容易理解，因为更大的截面积会降低电流密度，从而减小 IR 压降。

那么电压和间距呢？间距值只有在高电压时才会起主要作用，这部分内容由另一个标准（IPC-2221）规定。针对给定直流电压/交流峰值电压所需的间距，可以通过计算或查表确定。我们还在另一篇文章中开发了一个用于此任务的计算器：

• 使用 IPC-2221 PCB 间距计算器进行高压设计

用于强制执行 PCB 线宽规则的最佳 PCB 布线软件

如果您希望确保在整个设计过程中始终保持正确的走线宽度，包括 PCB 布局中不同层以及不同区域采用不同的数值，那么您需要一款具备强大且高度可配置 PCB 设计规则引擎的 PCB 设计软件。这些走线宽度限制可以通过约束矩阵的格式来定义，也可以通过为不同类别的 PCB 设计规则设置限制来定义。无论您偏好以何种方式设置走线宽度约束，Altium Designer 的 PCB 设计规则引擎都能提供在整个设计中全面控制走线宽度所需的能力与灵活性。

按层设置走线宽度约束

Altium Designer 中的 PCB 设计规则系统允许用户创建自定义查询，以指定设计规则适用于哪些位置以及适用于哪些对象。要控制特定层或一组层上的走线，可使用 OnLayer 查询来选择特定层上的走线。您还可以创建一组层，称为 Layer Class，并使用 InLayerClass 查询来指定该组中任意层上的走线。

可以在 Altium Designer 中创建类，以便将设计规则应用于类中的对象组。

要为特定层定义走线宽度，请创建一条 Routing Width 规则，并使用其作用域查询选择所需的层或层类。这样，最小、首选和最大走线宽度仅会在相应查询结果为 true 的位置生效。

• 打开 PCB Rules and Constraints Editor，并找到 Routing - Width 规则类别。
• 为需要唯一走线宽度的层或层组创建一条新的 Width 规则。
• 为单个层输入 OnLayer 查询，例如 OnLayer('Top Layer')。
• 对于多个相关层，请创建一个 Layer Class，并使用 InLayerClass 查询将规则作用域限定到该组。
• 输入应应用于所选层的最小、首选和最大走线宽度值。
• 如果还有其他 Width 规则也可能应用于相同的布线对象，请适当设置规则优先级。
• 像平常一样进行布线或修改走线，让 Altium Designer 根据当前活动层强制执行适用的宽度限制。

按区域设置走线宽度约束

在 PCB 布局中按区域约束走线宽度并不常见，但通过 Altium Designer 内部的查询系统同样可以实现。Room 对象可用于定义需要应用不同宽度规则的物理区域，而 WithinRoom 查询则用于识别位于该区域内的布线对象。

• 在 PCB 中需要使用替代走线宽度的区域周围创建或放置一个 Room。
• 为该 Room 指定一个清晰明确的名称，以便在设计规则查询中引用。
• 在 PCB Rules and Constraints Editor 的 Routing - Width 下创建一条新规则。
• 使用诸如 WithinRoom('RoomName') 这样的查询，将 Width 规则的作用域限定到指定 Room 内的对象。
• 输入该区域的最小、首选和最大走线宽度值。
• 如果该区域规则与全局、特定网络或特定层的 Width 规则重叠，请调整规则优先级。
• 像平常一样穿过该 Room 进行布线，让区域 Width 规则控制允许的走线尺寸。

可以在 PCB 布局中定义 Rooms，以建立适用特定设计规则的区域。

让走线宽度控制更实用

PCB 设计规则可简化布线、制造和电气约束的管理，无需手动跟踪各种例外情况。与依赖僵化的约束系统或全局设置不同，Altium Designer 允许您基于实际 PCB 结构通过自定义查询来定义规则。您可以按网络、层、元件或物理区域来限定走线宽度约束，在保持简单全局规则的同时，于需要之处自动强制执行高优先级例外规则。

要进一步了解 Altium Designer 中的 PCB 设计规则系统，请观看下方视频。

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常见问题

铜厚如何影响 PCB 走线的最小宽度？

较厚的铜通常需要更大的最小走线宽度，因为较厚铜层的蚀刻时间更长。随着蚀刻时间增加，非常窄的走线会更难以稳定制造。因此，您的 PCB 制造商应根据成品铜厚来指定最小走线宽度和间距，而不是为每一层都提供同一个最小值。

对于给定电流，PCB 电源走线应有多宽？

PCB 电源走线宽度应根据电流、铜厚、允许的温升以及可接受的压降来选择。IPC-2152 提供了确定所需铜截面积的指导。更大的电流或更低的允许温升通常需要更大的截面积，这可以通过更宽的走线、更厚的铜，或两者兼用来实现。

PCB 走线宽度能否帮助防止过孔钻孔破裂失效？

可以。如果钻孔偏移在走线连接过孔焊盘的位置附近导致破裂，较窄的走线就有可能被切断。使用宽于过孔钻孔直径的走线，可在连接处提供更多铜，并降低破裂导致走线完全断开的可能性。Teardrops 也可以在过孔到走线的过渡处提供额外的铜。

如何在 Altium Designer 中为不同 PCB 层设置不同的走线宽度？

在 PCB Rules and Constraints Editor 中分别创建 Routing - Width 规则，并将每条规则的作用域限定到所需层。对于单层，使用 OnLayer 查询；对于多层，创建一个 Layer Class 并使用 InLayerClass。每条规则都可以定义各自的最小、首选和最大走线宽度，而当规则重叠时，由规则优先级决定应用哪项约束。

BGA 间距和过孔尺寸如何限制 PCB 走线宽度？

BGA 间距决定了焊盘与扇出过孔之间可用的布线空间。随着球间距减小，能够穿过 BGA 区域的最大走线宽度也会减小。当间距小到一定程度时，在焊盘或过孔之间布线可能无法在不违反走线宽度和间距限制的情况下实现，这时就需要更窄的走线、更小的过孔，或采用不同的扇出策略。