内容摘要
PCB 设计遵循清晰的流程：创建原理图 → 分配封装 → 放置元件 → 布线 → 运行 DRC → 导出 Gerber 文件 → 订购电路板。简单项目使用双面板即可。使用 45° 走线角度，电源线宽度 0.5mm 以上，始终包含接地层。订购前务必验证封装与元件匹配。总成本：5 块原型板约 2-10 美元。
简介
印刷电路板（PCB）是现代电子设备的基础。从您口袋里的智能手机到环绕地球的卫星，每个电子设备都依赖 PCB 连接元件并使电路工作。
学习设计自己的 PCB 将开启无限可能。您可以构建定制电子产品、原型发明，并将想法转化为实体产品。得益于经济实惠的制造服务，获得专业电路板的成本比一杯咖啡还便宜。
本指南涵盖了设计第一块 PCB 所需的一切知识——从理解基础知识到制造并将电路板送达您手中。
您将学到：
- PCB 基础知识和术语
- 选择合适的设计工具
- 完整的 PCB 设计流程
- 层叠结构及其使用场景
- 走线布线最佳实践
- 常见错误及避免方法
- 制造和订购电路板
什么是 PCB？
印刷电路板（PCB）是由绝缘材料制成的平板，表面蚀刻或印制有导电路径。这些路径（称为走线）连接电阻、电容和集成电路（IC）等电子元件，形成完整电路。
在 PCB 出现之前，电路使用点对点布线或面包板构建——这些方法缓慢、容易出错且无法批量生产。PCB 通过实现一致、可靠和可扩展的制造，彻底改变了电子行业。
PCB 结构解析
在开始设计之前，了解 PCB 结构至关重要。以下是关键组成部分：
PCB 组成部分详解
- 基材（FR4）
- 基础材料，通常为玻璃纤维增强环氧树脂。标准厚度为 1.6mm。FR4 具有阻燃性（"FR" 即阻燃的意思）并提供结构支撑。
- 铜层
- 薄铜箔（通常为 1oz 或 35μm 厚）层压在基材上。这些形成导电路径。PCB 可以有 1、2、4 层或更多铜层。
- 走线
- 连接元件的铜路径。宽度根据电流需求而变化——更宽的走线可以承载更大电流而不会过热。
- 焊盘
- 焊接元件的裸露铜区域。通孔焊盘有孔；SMD 焊盘是用于表面贴装元件的平面。
- 过孔
- 连接不同层走线的电镀孔。对于多层板至关重要，用于在顶层和底层（或内层）之间布线信号。
- 阻焊层
- 彩色涂层（通常为绿色），保护铜免于氧化并防止焊锡桥接。有多种颜色可选：绿色、蓝色、红色、黑色、白色。
- 丝印层
- 印在电路板表面的文字和符号。包括元件标识符（R1、C1、U1）、极性标记、徽标和组装信息。
PCB 类型
根据层数和结构，PCB 有几种类型：
| 类型 | 层数 | 使用场景 | 成本 |
|---|---|---|---|
| 单面板 | 1 | 简单电路、电源供应器 | 最低 |
| 双面板 | 2 | 大多数爱好项目、Arduino 扩展板 | 低 |
| 多层板 | 4+ | 复杂设计、高速、RF | 中高 |
| 柔性板 | 1-6 | 可穿戴设备、狭小空间 | 高 |
| 刚柔结合板 | 4+ | 折叠设备、航空航天 | 最高 |
对于初学者，双层（双面）PCB 提供了能力与成本的最佳平衡。您可以在两面布线并添加接地层，这满足了大多数爱好者的需求。
PCB 设计工具
您需要电子设计自动化（EDA）软件来创建 PCB。这些工具让您绘制原理图、布局电路板并生成制造文件。以下是 2025 年的最佳选择：
工具比较
EasyEDA（推荐初学者）
免费的浏览器工具，集成了 JLCPCB 订购功能。庞大的元件库。零学习曲线。
- ✓ 100% 免费，无限制
- ✓ 适用于任何平台
- ✓ 100 万+ 带封装的元件
- ✓ 直接集成 JLCPCB
KiCad
免费、开源的专业工具。学习曲线较陡但功能更强大。
- ✓ 免费开源
- ✓ 专业级功能
- ✓ 庞大的社区
- ✓ 无供应商锁定
Altium Designer
专业人士的行业标准。价格昂贵但功能完整。学习曲线陡峭。
- ✓ 行业标准
- ✓ 高级功能
- ✗ 约 5000 美元/年许可证
- ✗ 仅支持 Windows
Autodesk EAGLE
流行的爱好者选择，现由 Autodesk 拥有。免费版有板尺寸限制。
- ✓ 大型用户社区
- ✓ 丰富的教程资源
- ✗ 免费版限制为 2 层
- ✗ 80cm² 板尺寸限制（免费版）
我们的建议：如果您是 PCB 设计新手，请从 EasyEDA 开始。它的学习曲线最平缓，您可以在一个下午内从原理图到订购电路板。当您需要更高级的功能或想要离线工具时，再转向 KiCad。
PCB 设计流程
无论使用哪种工具，每个 PCB 设计都遵循相同的基本流程。理解这个过程有助于您高效工作并避免代价高昂的错误。
步骤 1：原理图设计
一切始于原理图——显示元件如何电气连接的符号图。原理图是您的"真理来源"，在进入布局之前应该是正确的。
原理图设计的关键实践：
- 使用层次化设计——将复杂电路分解为功能模块
- 添加电源符号（VCC、GND）而不是到处画线
- 标记所有网络使用有意义的名称——有助于调试
- 在每个 IC 电源引脚附近包含旁路电容（通常为 100nF）
- 运行 ERC（电气规则检查）以捕获连接错误
步骤 2：分配封装
每个原理图符号需要相应的封装——用于焊接的物理焊盘布局。这是许多初学者犯关键错误的地方。
重要警告：错误的封装是导致 PCB 无法使用的首要原因。始终根据元件数据手册验证封装尺寸。0603 电阻封装无法接受 0805 电阻——元件根本装不上。
SMD 元件的常见封装尺寸（括号内为公制名称）：
- 0402（1005）：微小，需要回流焊接
- 0603（1608）：小型，练习后可手工焊接
- 0805（2012）：容易手工焊接，推荐初学者使用
- 1206（3216）：大型，非常容易手工焊接
步骤 3：元件放置
良好的放置使布线更容易并提高性能。考虑信号流向并将相关元件放在一起。
放置指南
- 1.首先放置连接器在板边缘以确保机械配合
- 2.定位 IC并在其周围排列支持元件
- 3.将旁路电容放置在 IC 电源引脚 3mm 范围内
- 4.分离模拟和数字部分以减少噪声
- 5.在元件之间留出布线空间
- 6.考虑功率元件的热管理
步骤 4：走线布线
布线用铜走线连接元件焊盘。这是神奇发生的地方——您的原理图变成了物理电路。
大多数设计按此优先顺序布线：关键信号 → 电源 → 其他所有信号。我们将在下文详细介绍布线最佳实践。
步骤 5：设计规则检查（DRC）
DRC 验证您的设计是否满足制造约束。常见规则包括：
- 最小走线宽度：0.15mm（6 mil）标准
- 最小间距：走线之间 0.15mm
- 最小钻孔尺寸：过孔 0.3mm
- 环形环：孔周围的铜
永远不要跳过 DRC。制造后修复错误代价高昂——在软件中修复是免费的。
步骤 6：生成 Gerber 文件
Gerber 文件是 PCB 制造的行业标准格式。您的 EDA 工具导出的 ZIP 包含：
- 铜层（GTL、GBL 用于顶层/底层）
- 阻焊层（GTS、GBS）
- 丝印层（GTO、GBO）
- 板外形（GKO）
- 钻孔文件（DRL）
将此 ZIP 上传到制造商的网站，配置选项（颜色、厚度、数量）并订购。
理解层叠结构
层叠结构决定了 PCB 中铜层和基材的排列方式。这个选择显著影响成本、布线难度和电气性能。
双层板 vs 四层板：何时使用
选择双层板的情况：
- ✓ 元件较少的简单电路
- ✓ 低频设计（<10MHz 信号）
- ✓ 预算是主要考虑因素
- ✓ 学习 PCB 设计
- ✓ LED 项目、简单传感器、基本 Arduino 扩展板
成本：在 JLCPCB 约 2 美元可购买 5 块板
选择四层板的情况：
- ✓ 双层板无法完成布线
- ✓ 高速信号（USB 2.0+、SPI >20MHz、DDR 内存）
- ✓ 需要专用电源和接地层
- ✓ 需要 EMI/EMC 合规性
- ✓ RF 电路或敏感模拟电路
成本：在 JLCPCB 约 20-30 美元可购买 5 块板
经验法则：从双层板开始。如果无法完成所有布线或出现信号完整性问题，再转向四层板。大多数爱好项目在双层板上运行良好。
走线布线最佳实践
良好的布线将正常工作的电路板与问题电路板区分开来。遵循这些指南以创建可靠、可制造的设计。
走线宽度指南
走线宽度决定了走线在不过热的情况下可以承载多少电流。这种关系遵循 IPC-2221 标准：
| 走线类型 | 宽度 | 最大电流（约） |
|---|---|---|
| 信号走线 | 0.15-0.25mm | ~0.5A |
| 电源走线（低） | 0.5mm | ~1A |
| 电源走线（中） | 1.0mm | ~2A |
| 大电流 | 2.0mm+ | ~4A+ |
对于精确计算，请使用 PCB 走线宽度计算器，它考虑了铜重量、温升以及走线是内层还是外层。
布线规则
使用 45° 角度
以 45° 角度布线而不是 90°。尖角会在制造过程中导致酸陷阱，并在高频时引起信号反射。大多数 EDA 工具默认为 45° 布线。
保持走线短
较短的走线具有较低的电阻和电感。优化放置以最小化走线长度，特别是对于高频信号和电源。
避免交叉敏感信号
不要让模拟和数字信号平行布线或交叉，除非它们之间有接地层。串扰会导致神秘的干扰。
使用热风焊盘
连接到大铜平面的焊盘应该有热风焊盘（辐条图案），这样可以在不让平面充当散热器的情况下进行焊接。
接地层：为什么重要
接地层是连接到 GND 的大面积铜平面。每个认真的 PCB 都应该有一个。好处包括：
- 更低的噪声：信号有直接的返回路径
- 更好的 EMI：平面屏蔽辐射
- 更低的阻抗：改善电源传输
- 热扩散：铜散发热量
对于双层板，主要将底层用作接地层。对于四层板，第 2 层通常是实心接地层。
初学者常见错误
从他人的错误中学习。以下是最常见的破坏 PCB 项目的错误：
1. 错误的封装
最常见的错误。始终根据实际元件数据手册验证封装尺寸。不要盲目信任库默认值。通过 1:1 打印并将元件放在纸上进行测试。
2. 没有接地层
将 GND 作为单独走线布线会导致噪声、EMI 问题和不可靠的操作。始终在至少一层上使用接地层。
3. 电源走线过细
电源走线承载大电流，必须适当调整尺寸。走线过细会发热、增加电阻并可能失效。电源使用最小 0.5mm。
4. 缺少去耦电容
每个 IC 都需要 100nF 陶瓷电容，尽可能靠近电源引脚放置。缺少它们会导致噪声、不稳定和随机故障。
5. 忽略 DRC 错误
"可能没问题"永远不是真的。间距违规导致短路。未连接的网络意味着缺少连接。在订购前修复每个错误。
6. 不检查丝印
焊盘上的丝印文字在制造过程中会被移除。元件标识符有助于组装和调试——确保它们清晰可读且位置正确。
7. 元件离板边缘太近
将元件保持在距板边缘至少 3mm 的位置。制造商在生产过程中需要这个间隙来处理。边缘安装连接器例外。
制造您的 PCB
得益于中国制造商，获得专业 PCB 从未如此便宜和容易。您可以在 1-2 周内以几美元的价格将电路板送到您的桌面。
选择制造商
| 制造商 | 价格（5 块） | 交付时间 | 最适合 |
|---|---|---|---|
| JLCPCB | $2 + 运费 | 7-14 天 | 最佳性价比，集成 EasyEDA |
| PCBWay | $5 + 运费 | 7-14 天 | 质量好，提供组装服务 |
| OSH Park | $5/平方英寸 | 2-3 周 | 美国本土，紫色板 |
| Seeed Fusion | $5 + 运费 | 7-14 天 | PCBA，柔性 PCB |
制造规格
订购时，您需要指定这些参数：
初学者推荐规格
- 层数
- 2（从这里开始）
- 厚度
- 1.6mm（标准）
- 铜重量
- 1oz（35μm）
- 阻焊层
- 绿色（最便宜）
- 表面处理
- HASL 无铅（手工焊接）
- 丝印
- 白色
- 数量
- 5（大多数制造商的最小值）
专业提示：大多数制造商在生产前会预览您的 Gerber 文件。务必仔细查看此预览——它显示了您将收到的确切内容。
常见问题
初学者设计 PCB 需要多长时间？
一个简单的电路板（LED 电路、分线板）一旦您了解流程后需要 1-4 小时。带 MCU 的复杂电路板可能需要一天或更长时间。您的第一块板会花费更长时间，因为您正在学习——预计 4-8 小时，包括教程时间。
我可以在 Mac/Linux/Chromebook 上设计 PCB 吗？
可以！EasyEDA 在任何现代浏览器中运行，因此它适用于任何平台。KiCad 有原生 Mac 和 Linux 版本。Altium 需要 Windows。
最小订购数量是多少？
大多数中国制造商（JLCPCB、PCBWay）的最小订购量为 5 块板，价格为 2-5 美元。OSH Park 没有最小订购量——您按平方英寸付费。对于原型设计，5 块板实际上很好：您可能会犯错误，需要备用板进行测试。
我应该使用通孔还是 SMD 元件？
SMD（表面贴装）是现代标准——更小、更便宜，可用的元件更多。0805 尺寸（2mm x 1.2mm）使用细尖烙铁很容易手工焊接。对于连接器和需要机械强度的元件使用通孔。
如何知道我的设计是否有效？
首先，如果可能的话在面包板上制作原型。然后：验证原理图正确，运行 ERC 和 DRC 且零错误，根据数据手册仔细检查所有封装，并让其他人审查您的设计。对于关键项目，以 1:1 在纸上打印电路板并将实际元件放在上面。
如果我犯了错误怎么办？
每个人都会犯错误——这就是为什么原型板便宜的原因。小错误通常可以用飞线修复。错误的封装或缺少连接需要新版本。在软件中修复（$0）与在硬件中修复（$20+ 和时间）的成本差异是为什么审查如此重要的原因。
下一步
您现在已经掌握了 PCB 设计的坚实基础。以下是继续学习的方法：
- 设计您的第一块板——从简单的项目开始，如 LED 闪烁器或分线板
- 遵循我们的 EasyEDA 教程——完整 EasyEDA 教程 2025 逐步讲解实际项目
- 订购您的电路板——没有什么比拿着自己的 PCB 更有成就感
- 从错误中学习——您的第一块板可能不会完美，这没关系
- 迭代和改进——每个设计都会教会您新东西
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