印制電路板設計成功的七大技術要素分享

　　本文將討論新手和老手都適用的七個基本（而且重要的）技巧和策略。只要在設計過程中對這些技巧多加注意，就能減少設計回爐次數(shù)、設計時間和總體診斷難點。

　　技巧一：注重研究制造方法和代工廠化學處理過程

　　在這個無工廠IC公司時代，有許多工程師真的不知道從他們的設計文件生成PCB所涉及的步驟和化學處理過程，這點其實也不奇怪。這種實用知識的缺少經(jīng)常導致設計新手做出沒有必要的較為復雜的設計選擇。舉例來說，新手易犯的一種常見錯誤是用特別的尺寸設計電路板版圖，也就是使用關聯(lián)在緊密柵格上的正交導線，發(fā)現(xiàn)并不是每家電路板加工廠能夠生產(chǎn)出在現(xiàn)場使用壽命期間能夠保持足夠可靠性的設計來。

　　具有這些能力的工廠可能無法提供經(jīng)濟的PCB價格。設計真的需要那么復雜嗎？可以在更大的柵格上設計電路板版圖，從而降低電路板成本并提高可靠性嗎？設計新手遇到的其它誤區(qū)還有太小的過孔尺寸以及盲孔和埋孔。這些先進的過孔結構是PCB設計師工具箱中強大工具的產(chǎn)物，但其有效性與具體情形高度相關。只是因為它們存在于工具箱中并不意味著應該用它們。

　　Bert Simonovich的“設計筆記”博客關于此事就說到了過孔的截面縱橫比：“一個縱橫比為6:1的過孔能夠很好地保證你的電路板可以在任何地方制造?！睂τ诖蠖鄶?shù)設計來說，只要稍加思考和規(guī)劃，這些HDI特征就能完全避免，從而再次節(jié)省成本，提高設計的可制造性。對這些超小型或單口過孔進行鍍銅所要求的物理學和流體力學能力并不是所有PCB工廠都擅長的。記住，一個不好的過孔就能毀了整個電路板；如果你的設計中有20000個過孔，那么你就有20000次失敗的機會。將不必要的HDI過孔技術包含在內(nèi)，那么故障概率只會上升。

　　技巧二：相信飛線

　　有時候在設計一塊簡單電路板時畫原理圖似乎是在浪費時間，特別是當你做過一兩個設計之后。但對于初學的設計師來說，畫原理圖也可能是一個令人畏懼的工作。跳過原理圖是新手和熟練程度中等的人經(jīng)常采取的一種戰(zhàn)術。但一定要抵抗住這種強烈的欲望。從你可以用作參考的完整原理圖開始開發(fā)你的版圖有助于確保你的版圖連接得到全部完成。下面做些解釋。

　　首先，原理圖是電路的一種可視化描述，它可以在許多層次上交流信息。電路的子部分可以詳細繪制到好幾頁上，元器件可以安排在靠近它們功能塊的地方，而與它們終的物理布局無關。由于原理圖符號中顯示有每個元器件上的每個引腳，因此很容易檢查出未連線的引腳。換句話說，不管描述電路的正式規(guī)則是否被遵循，原理圖都有助于你快速可視化地確定這一事實。

　　在主題為堆棧溢出的一組討論中，一位發(fā)帖者這樣評論：“如果一個原理圖可能會誤導看它的人，那么它肯定是個不好的原理圖，不管終表明……事實上它是正確的原理圖。問題很清楚。技術上正確但比較混亂的原理圖仍然是一個不好的原理圖?！彪m然這個觀點大家很容易認同，但在CAD程序中，一個無法閱讀的原理圖仍然可以表達描述電路的連接信息，在版圖設計時仍然是有用的。

　　結論是：在設計PCB版圖時，有一個原理圖用作黃金參考可以使工作變得更加容易。用符號完成連接；在應對走線挑戰(zhàn)時不必同時思考連接。，發(fā)現(xiàn)版設計中你忘了做的導線連接可以節(jié)省重做的次數(shù)。

　　技巧三：使用自動布線器，但不要完全依賴自動布線器

　　大多數(shù)級的PCB CAD工具都有自動布線器。但除非你設計PCB很，自動布線器才會完成布線；對PCB連線來說自動布線器并不是點擊就能完成的解決方案。你仍然應該知道如何進行手工布線。

　　自動布線器是一種高度可配置的工具。為了充分發(fā)揮它們的作用，每次任務都要對布線器參數(shù)進行仔細、周到的設置，甚至對單塊PCB設計中的各個模塊都要單獨設置，不存在適合任何場合的基本通用默認設置。

　　當你問一個經(jīng)驗豐富的設計師“的自動布線器是什么”時，他們通常的回答是“你兩只耳朵間的東西（眼睛）”，這可不是玩笑話，他們是認真的。布線作為一種工藝，與算法一樣有藝術性；布線本身就是啟發(fā)式的，因此非常類似于傳統(tǒng)的回溯算法。對于受約束的路徑選擇應用（比如迷宮和拼圖）來說，回溯算法很適合用來尋找答案，但在開放的、不受約束的場合，比如預先布放好了元器件的印制電路板，回溯算法就并不擅長于找到解決方案。除非自動布線器的約束條件得到了設計師高度細致的調(diào)整，否則自動布線器結果仍需要人工去檢查回溯算法結果中的薄弱環(huán)節(jié)。

　　導線尺寸是另一個難點。自動布線器不能可靠地確定一條導線上會流過多大的電流，因此它不能幫你確定要用多寬的導線。結果是，大多數(shù)自動布線器布出來的導線寬度不符合要求。許多自動布線器可以讓你規(guī)定參考導線約束條件。在stackexchange.com網(wǎng)站上的一篇論壇帖子中，作者Martin Thompson這樣寫道，“我做的每塊板都用過自動布線器（不好意思，是一種很高端的布線器……）。如果你的約束條件類似是這樣的：只在這個層上，這兩個信號形成差分對，這些網(wǎng)絡必須匹配長度，那么你必須將這些條件告訴自動布線器。”當你想要使用自動布線器時，你要問問你自己：“當我為電路板設置好自動布線器的約束條件，甚至也許在原理圖中對每根導線設置了約束條件，有這工夫會完成多少手工布線？”

　　經(jīng)驗豐富的設計師把很多精力放在初的元件布局上，幾乎整個設計時間的一半都用來優(yōu)化元件的布局：

　　布線簡化——盡量減少飛線的交叉等等；

　　器件靠近——更短的路由意味著更佳的布線；

　　信號時序考慮。

　　在Sunstone Circuits公司的用戶論壇上，一個帖子這樣寫道，“對元件布局多加注意。以更加容易布線的方式進行元件布局。元件布局占整個工作量的70%。在開始布根線之前要放好所有的元件……使用飛線（這些線指示了還沒有完成布線的連接關系）作為布線復雜性的粗略指南。”

　　老前輩們經(jīng)常使用混合方法進行布線——手工布一些重要的關鍵線，布好后鎖定這些線。然后用自動布線器處理非關鍵的導線，并幫助管理布線算法中的“逃逸狀態(tài)”。這種方法有時是受控的手工布線和快速的自動布線之間的一個很好折衷。

　　技巧四：電路板幾何尺寸和電流

　　大多數(shù)從事電子設計的人都知道，就像沿河道走的河流一樣，電子可能會遇到咽喉點和瓶頸。這一點在汽車熔絲的設計中得到了直接應用。通過控制導線的厚度和形狀（U型彎曲、V型彎曲、S形等），在過載時經(jīng)過校準的熔絲會在咽喉點熔斷。問題是，PCB設計師在他們的PCB設計中偶然會產(chǎn)生類似的電氣咽喉點。舉例來說：在可以使用兩個快速45s形成角度的地方使用90度彎角；彎曲度大于90度，形成之字形狀。在的情況下，這些導線會降低信號傳播的速度；在糟糕的情況下，它們就像汽車熔絲一樣，會在電阻點熔斷。

　　技巧五：哦，碎片！

　　碎片是一種制造問題，可以通過正確的電路板設計得到的管理（圖1）。為了理解碎片問題，首先需要回顧一下化學蝕刻工藝?；瘜W蝕刻工藝的目的是要溶解掉不需要的銅。但如果有特別長、薄、條狀的碎片需要腐蝕，這些碎片有時會在完全溶解之前整塊脫離。這種條塊隨后飄浮在化學溶液中，有可能隨機落在另一塊電路板上。

　　同樣具有風險的情況是當碎片仍然留在電路板上之時。如果碎片足夠窄，酸液池可以腐蝕掉下方足夠多的銅，使碎片部分剝離?，F(xiàn)在碎片到處游走，像旗子一樣附在電路板上。終它會落到你自己的電路板上，引起其它導線的短路。

　　那么你去哪里尋找潛在的碎片以及如何避免這些碎片呢？在設計PCB版圖時，避免留下非常窄的銅片區(qū)域（圖2）。這種區(qū)域通常是在導線和焊盤間隙交叉點敷銅時造成的（圖3）。將銅片的寬度設置為超過制造商允許的值，你的設計應該就沒有這方面的問題了。針對蝕刻的標準寬度是0.006英寸。

　　圖1 在這個例子中，導線之間很窄的屏蔽圖案在電路板基板上顯得很牢固。

　　圖2：一個非常狹窄的片狀區(qū)域，比如原始設計文件中的這個例子，在制造時可能不受控制地剝離，從而產(chǎn)生短路和良率問題。

　　技巧六：關注DRC

　　雖然設置自動布線器通常是專門針對具體設計功能進行的，但設計規(guī)則檢查（DRC）一般被用來輸入制造商的設計約束。雖然這種設置很乏味，但并沒有像自動布線器那么糟糕。大多數(shù)設計團隊終都會建立一整套設計規(guī)則，旨在：標準化裸板構建成本，化良率；盡可能一致地進行組裝、檢查和測試。除了設計好處外，這些設計規(guī)則——將設計保持在預定義的制造極限之內(nèi)——也有助于在采購部門建立更好的一致性。如果電路板制造的價格是一致的，則采購經(jīng)常能減少需要維護的PCB制造協(xié)議數(shù)量。

　　圖3：在這個例子中，化學蝕刻會改變狹窄條狀填充的形狀/尺寸。碎片剝離時會產(chǎn)生意料不到的鱗片和皮瓣。

　　為了幫助解決所有這些問題，許多PCB設計工具都內(nèi)置有DRC檢查器（一些工具稱它們?yōu)椤凹s束管理器”），當你在編輯時DRC檢查器會交互式地標記出設計規(guī)則違例。一旦你針對所選的制造商設置好DRC規(guī)則，就要認真嚴肅地對待出現(xiàn)的錯誤。DRC工具一般都是比較保守的。它們會有意可能的錯誤，讓你來做出決定。篩選幾百個“可能的”問題是很乏味的事，但不管怎樣都要去做。在這份問題清單中可能深藏著次生產(chǎn)注定要失敗的原因。除此之外，如果你的設計生成了大量的可能錯誤，你應該警覺你的走線方式可能需要改進。

　　Dave Baker是Sunstone Circuits公司的一位PCB設計師，擁有20多年的豐富設計經(jīng)驗，他的建議是這樣的?！盎c時間理解并正確地設置版圖工具提供的約束系統(tǒng)?；c時間審查所有級別的約束。約束工具可能很強大，也很靈活，但也會令人困惑和帶來危險。錯誤的約束很容易導致有缺陷的或無法制造的電路板。約束設置中的錯誤很可能限制DRC檢查或使其無法使用。有可能會發(fā)生這樣的情形：每次DRC都通過了，但電路板仍然無法制造或不能正常工作。以前我見過這種情形。設計團隊都很高興，因為電路板通過了DRC檢查，但首件產(chǎn)品上測試臺卻冒煙了。跟蹤這種故障會將團隊帶回到CAD工具的約束管理器。約束管理器沒有設計意識；它會讓你做任何事，而不管事情有多么糟糕?！?/p>

　　比如在Sunstone Circuits公司，幾乎每天都會收到很容易制造的電路板設計的報價要求，但也有關鍵區(qū)域的設計容差和間隙太小的時候。這種情況使PCB代工廠（比如Sunstone）不得不告知壞消息：要么我們根本無法制造電路板，因為容差超出了我們的能力范圍，要么我們能夠制造電路板，但價格要提高，并且良率可能較低。這些客戶如果在設計時就考慮到特定制造商的能力就好了。

　　Baker補充道：“如果你的版圖軟件允許你擱置DRC違例，那么使用這個功能時一定要小心。因為輕易地擱置DRC，想把它留到后面再處理，結果往往是很輕易地就忘了。記住在將你的設計發(fā)送出去制造前一定要檢查所有擱置的DRC錯誤。”

　　Bob Tise是目前正在Sunstone Circuits公司上班的經(jīng)驗豐富的PCB設計師，他的認為：“你一定要抵抗住完全擱置DRC錯誤的誘惑，并遵循一開始就設定好的規(guī)則?！?/p>

　　技巧七：了解你在使用的代工廠

　　在討論過DRC設置之后，這個技巧幾乎——但并不完全——是多余的。除了幫助你正確地建立DRC規(guī)則之外，了解你的電路板將發(fā)往哪家代工廠也能提供額外的一些預制造幫助。一家好的代工廠會在你下訂單前提供一些有益的幫助和建議，包括如何改進你的設計以減少設計反復、減少終在測試臺上調(diào)試時遇到的問題，并提高電路板的良率。

　　卡耐基梅隆大學的一位博士生Hugo在博客中這樣評價對制造商的了解：

　　“每家制造商都有自己的規(guī)范，比如導線寬度、間距、層數(shù)等。在開始設計之前，你應該考慮好你自己的要求，然后找到一家能夠滿足你要求的制造商。你的要求還包括PCB材料等級。PCB材料等級從FR-1（紙-酚醛樹脂混合物）一直到FR-5（玻璃纖維和環(huán)氧樹脂）。大多數(shù)PCB原型制造商使用FR-4，但FR-2也經(jīng)常用于大批量的消費類應用。材料類型會影響到電路板的強度、耐用性、吸濕性和阻燃性（FR）?！?/p>

　　理解印制電路板的制造工藝，了解你的制造商會采用哪種工藝和方法，可以幫助你做出更好的設計決策。去拜訪一下你選中的供應商，親自了解一下制造過程。在將你的設計提交給制造之前好好利用DFM（可制造性設計）工具吧。

　　本文小結

　　如果你在思考這些基本的技巧和技術，說明你已經(jīng)走在通往快速、可靠、質(zhì)量的PCB道路上了。理解制造工藝；使用DRC和DFM幫助你捕捉疏忽的可能增加代工成本和/或降低良率的設計功能。然后仔細規(guī)劃元器件的布局，消除昂貴的設計功能。明智地使用CAD工具提供的所有設計工具，包括自動布局和自動布線，但對自動布線器的設置一定有要耐心和周密，這樣才能取得良好的自動布線結果。

　　不要依賴自動布線器做布線以外的事情；需要時手工調(diào)整導線尺寸，以確保設計中承載正確的電流。不管怎樣一定要相信飛線，直到所有飛線100%消失，你的電路板設計才算完成。