启云方EDA-PCB扇孔

在PCB设计中，过孔的扇出很重要。扇孔的方式会影响信号完整性、平面完整性、布线的难度，以至于影响生产的成本。

扇孔的直观目的主要有以下两个。

（1）缩短回流路径。例如，对于GND孔，就近扇孔可以达到缩短回流路径的目的。

（2）打孔占位。预先打孔是为了防止在布线很密集时无法打孔导致绕很长距离才连接一条线，这样会形成很长的回流路径。这种情况在进行高速PCB设计及多层PCB设计时会经常遇到。预先打孔在后面删除很方便，反之，等布线完了再想加一个过孔却很难。这时通常的想法就是随便找条线连上，而不考虑信号完整性，这种做法不符合规范。

1 扇孔的推荐做法

从图4-1中可以看出，扇孔的推荐做法是在内层两孔之间过线，参考平面不会被割裂；反之，不推荐做法增加了布线难度，参考平面被割裂，破坏了平面完整性。

图4-1  扇孔做法对比

同样，这样的元件扇孔方式也适用于打孔换层的情景，如图4-2所示。

图4-2  打孔换层

2 PCB过孔添加与设置

在进行PCB设计时，都会用过孔对布线进行换层处理。在布线打过孔之前，必须先添加过孔，这样在PCB布线时才可以使用过孔，具体操作步骤如下。

（1）使用Pad Designer制作过孔，这个在前面的PCB封装库中已经详细讲述过，这里不再赘述。在PCB中常用的过孔如图4-3所示。

过孔制作完成之后，在PCB中将制作好的过孔的路径指定在封装库路径下，这样才可以在后面调用已经制作好的过孔。

图4-3  常用过孔

（2）执行“Tools”→“Constraints Editor”命令，进入规则模型管理器，在左侧选择“Physical”→“Default”选项，在右侧的“Via Assignments”列中双击空白处，如图4-4所示。

图4-4  添加过孔一

（3）双击左侧的过孔添加到右侧的过孔列表中，如图4-5所示，单击“OK”按钮，过孔就添加成功了。

图4-5  添加过孔二

（4）回到规则模型管理器，在“Via Assignments”列中可以看到刚才选择的过孔已经成功添加，这样在PCB布线中双击鼠标左键就可以打孔换层了。

3 BGA器件扇孔

对于BGA器件扇孔，过孔同样不宜打在焊盘上，推荐打在两个焊盘的中间位置。很多工程师为了出线方便，随意挪动BGA中过孔的位置，甚至打在焊盘上，如图4-6所示，从而导致BGA区域过孔不规则，易造成后期虚焊的问题，同时可能破坏平面完整性。

对于BGA器件扇孔，启云方PCB设计软件提供了快捷的自动扇出功能。

（1）在对BGA器件扇孔之前，根据BGA的Pitch间距（BGA两个焊盘的中心间距）和9.2节内容对整体的间距规则、线宽规则及过孔规则进行设置。

（2）执行“Route”→“Fanout”→“Create Fanout”命令，对其扇出控制规则进行设置，如图4-7和图4-8所示。

图4-6  焊盘中的过孔示例

图4-7  设置扇出控制规则一

图4-8  设置扇出控制规则二

选择好需要配置的选项，各选项释义如下。

Include Unassigned Pins：扇出时，将没有网络的引脚也扇出，一般不勾选，空网络的引脚不用扇出。

Include All Same Net Pins：当单独对某一个引脚进行扇出时，将与这个引脚网络一致的引脚也扇出，一般不勾选。

Via：选择扇出所需的过孔，过孔首先需要在物理规则中添加好，不然这里没有可以选择的过孔。

Pattern：过孔的模式，一般选择“BGA Quadrant Style”选项，给BGA器件留出十字通道，方便散热。

Pin-Via Space：过孔到焊盘的间距，一般选择中心间距，将过孔扇出在周围4个焊盘的中心处。

（3）设置完成之后，即激活扇孔命令，单击需要进行扇孔的BGA器件，启云方PCB设计软件会自动完成扇孔，BGA器件扇孔示意图如图4-9所示。

图4-9  BGA器件扇孔示意图

4 QFN封装扇孔

QFN封装（方形扁平无引脚封装）如图4-10所示，其具有良好的电和热性能，体积小，质量轻，应用正在快速增加。采用微型引线框架的QFN封装称为MLF封装（微引线框架）。QFN封装和CSP封装（芯片尺寸封装）有些相似，但器件底部没有焊球，与PCB的电气和机械连接是通过PCB焊盘上印刷焊膏、过回流焊形成的焊点来实现的。

对于QFN封装，通常需要手动扇孔。

（1）根据9.2节内容对整体的间距规则、线宽规则及过孔规则进行设置。

（2）执行“Route”→“Trace”命令，如图4-11所示，进行布线，双击鼠标左键进行打孔。

图4-10  QFN封装

图4-11  “Trace”选项

（3）QFN封装扇孔示意图如图4-12所示。在相邻两个引脚间扇出的过孔之间需要留出能通过一根布线的间距，从而使其他层的布线能从过孔间穿过进行连接。

图4-12  QFN封装扇孔示意图

5 SOP类器件扇孔

SOP封装是一种元件封装形式，如图4-13所示，常见的封装材料有塑料、陶瓷、玻璃、金属等，现在基本采用塑料封装，主要用在各种IC中。SOP封装的应用范围很广，而且逐渐派生出SOJ封装（J形引脚小外形封装）、TSOP封装（薄小外形封装）、VSOP封装（甚小外形封装）、SSOP封装（缩小型SOP封装）、TSSOP封装（薄的缩小型SOP封装）、SOT封装（小外形晶体管封装）、SOIC封装（小外形集成电路封装）等，这些封装在IC中都起到了举足轻重的作用。SOP类器件的扇孔方式与QFN封装的扇孔方式类似。

（1）根据9.2节内容对整体的间距规则、线宽规则及过孔规则进行设置。

（2）执行“Route”→“Trace”命令，进行布线，双击鼠标左键进行打孔。

（3）根据引脚之间的间距，有3种扇孔方式。

① 直接从焊盘引脚扇出，过孔之间能通过一根布线且不引起DRC报错，如图4-14所示。

图4-13  SOP封装

图4-14  SOP类器件扇孔示意图一

② 直接从焊盘引脚扇出，过孔间无法通过一根布线，需要相邻两个引脚的孔扇出在同一条线上，且过孔间留有通过一根布线的距离，如图4-15所示。

③ 相邻引脚从不同方向扇出，如图4-16所示。

图4-15  SOP类器件扇孔示意图二

图4-16  SOP类器件扇孔示意图三

6 扇孔的拉线

因为扇孔不仅要打孔，还要进行短线的拉线处理，所以有必要对扇孔拉线的一些要求进行说明。

（1）为满足国内制板厂的生产工艺能力要求，常规扇孔拉线线宽大于或等于4mil（0.1016mm）（特殊情况可用3.5mil，即0.0889mm）。

（2）不推荐任意角度布线，推荐45°或135°布线。任意角度布线和135°布线如图4-17所示。

图4-17  任意角度布线和135°布线

（3）如图4-18所示，同一网络不宜出现直角或锐角布线。直角或锐角布线一般是PCB布线中要尽量避免的情况，这也几乎成为衡量布线好坏的标准之一。直角布线会使传输线的线宽发生变化，造成阻抗不连续，引起信号的反射，尖端还会产生EMI，影响线路。

（4）设计的焊盘形状一般都是规则的，如BGA的焊盘是圆形的、QFP的焊盘是椭圆形的、CHIP的焊盘是矩形的等。但实际做出的PCB的焊盘却不规则，可以说奇形怪状。以0402R电阻封装的焊盘为例，如图4-19所示，由于生产时存在工艺偏差，设计的焊盘出线之后，实际焊盘是在原矩形焊盘的基础上加一个小矩形焊盘组成的，不规则，出现了异形焊盘。

图4-18  不宜出现直角或锐角布线

（a）设计的焊盘（b）出线之后的实际焊盘

图4-19  0402R电阻封装的焊盘

如果在0402R电阻封装的两个焊盘对角分别布线，加上PCB生产精度造成的阻焊偏差（阻焊窗单边比焊盘大0.1mm），就会形成图4-20（a）所示的焊盘。在这种情况下，电阻焊接时由于焊锡表面张力的作用，会出现图4-20（b）所示的不良旋转。

图4-20  不良出线造成元件不良旋转

（a）（b）

（5）采用合理的布线方式，焊盘连线采用长轴对称的扇孔方式，这样可以有效地减小CHIP元件贴装后的不良旋转；如果焊盘扇孔的线短轴对称，那么还可以减小CHIP元件贴装后的漂移，如图4-21所示。

图4-21  元件的出线

（6）相邻焊盘是同网络的，不能直接连接，需要先连接外焊盘，再进行连接，如图4-22所示，直接连接容易在手工焊接时造成连焊。

（7）连接器引脚拉线需要先从焊盘中心拉出再往外走，不可出现其他角度，避免在连接器拔插的时候把线撕裂，如图4-23所示。

图4-22  相邻焊盘的连接方式

图4-23  连接器的出线