了解PCB原型和制造工藝事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)用于原型的PCB時(shí)，缺乏信息會(huì)成為很大的問(wèn)題。例如，不知道與合同制造商（CM）的設(shè)備功能相符的制造設(shè)計(jì)（DFM）規(guī)則和準(zhǔn)則可能會(huì)導(dǎo)致來(lái)回?zé)o休止地實(shí)現(xiàn)可制造的設(shè)計(jì)并獲得準(zhǔn)確的報(bào)價(jià)。相反，了解板的構(gòu)造方式使你可以進(jìn)行設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)化制造過(guò)程。讓我們看一下可用的PCB原型和制造工藝選項(xiàng)，以及如何設(shè)計(jì)以促進(jìn)其成功執(zhí)行。

為什么PCB原型制作很重要？

首先清楚地定義電路板開發(fā)過(guò)程，就可以最好地理解PCB原型的本質(zhì)。電路板通常是周期性的，并且包含許多迭代。每次迭代都包括設(shè)計(jì)，構(gòu)建和測(cè)試階段，旨在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。不斷修改電路板，直到糾正所有錯(cuò)誤并獲得所需質(zhì)量的技術(shù)稱為PCB原型設(shè)計(jì)。

制造在PCB原型制作中的作用

開發(fā)的構(gòu)建階段是構(gòu)建設(shè)計(jì)的物理體現(xiàn)的階段。在原型設(shè)計(jì)周期的每次迭代中，一個(gè)新的板被建立或制造，然后被測(cè)試。在原型設(shè)計(jì)期間，測(cè)試主要是為了驗(yàn)證功能和操作。

如上所示，該制造過(guò)程將產(chǎn)生PCB或裸板，其中未連接任何元件。雖然，電子元件放置或覆蓋區(qū)的位置以及相應(yīng)的焊盤被布置了。隨后，使用通孔焊接，表面貼裝技術(shù)（SMT）或兩者的組合將組件連接到板上，以生產(chǎn)最終的PCB組件（PCBA），準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)電路板的復(fù)雜程度和CM的制造情況，此過(guò)程可能需要數(shù)天甚至數(shù)周才能生成原型。

為了提高總體開發(fā)速度，出現(xiàn)了采用增材制造的快速成型技術(shù)。這些增材制造工藝可以在不到一天的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建原型。而且，有許多可供選擇的PCB原型。

使用增材制造方法構(gòu)建PCB原型

增材制造通常與3D打印互換使用，3D打印是一種通過(guò)連續(xù)添加材料層來(lái)制造對(duì)象的方法。這種方法為工程師和電路板設(shè)計(jì)師提供了在他們的辦公桌上制造單個(gè)或少量PCB原型的便利。讓我們看一下一些用于PCB原型制作和制造的增材制造技術(shù)。

顧名思義，熔融沉積建模（FDM）通過(guò)堆疊圖層并將它們?nèi)诤显谝黄饋?lái)創(chuàng)建對(duì)象。每層通常由可通過(guò)加熱和冷卻過(guò)程熔合的熱塑性塑料組成，例如以下所列：

FDM材料

l丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）

l聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）

l聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PETG）

l熱塑性聚氨酯（TPU）

通過(guò)將FDM與立體光刻（SLA），激光直接寫入（LDW）和其他工藝相結(jié)合以添加導(dǎo)電材料和嵌入式組件，可以創(chuàng)建PCB原型。

PCB原型構(gòu)建的SLS技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)（SLS）是動(dòng)力床融合技術(shù)之一，它使用激光制造尼龍或聚酰胺零件。該過(guò)程從粉末狀物質(zhì)開始，然后將其加熱以形成不同的形狀而不會(huì)液化。

全自動(dòng)附加PCB原型制作

快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是使制造所需的設(shè)備或機(jī)械最少。通常，僅需要一臺(tái)機(jī)器（例如3D打印機(jī)），而不需要用于常規(guī)PCB制造的工具設(shè)備（例如車床或鉆頭）。表現(xiàn)出這種缺乏工具以及計(jì)算機(jī)模型和最終產(chǎn)品之間沒(méi)有人工干預(yù)的過(guò)程就是固態(tài)自由形式制造或SFF的示例。

除了上述討論的加成工藝外，還有用于PCB原型制造的加減法制造技術(shù)。

PCB制造的加減法制造工藝

與增材制造相反的是減法制造，其中通過(guò)從較大的固體中去除或切掉多余的物料來(lái)創(chuàng)建對(duì)象或產(chǎn)品。當(dāng)同時(shí)需要這兩種技術(shù)時(shí)，該過(guò)程需減去加法，也可用于制造PCB原型

通過(guò)層壓物體制造構(gòu)造PCB層

另一種快速成型技術(shù)是層壓制品制造（LOM）。LOM過(guò)程與上一節(jié)中討論的方法類似，因?yàn)閷?duì)象構(gòu)造包括添加連續(xù)圖層的自底向上過(guò)程。但是，通常是紙，塑料或什至是金屬的這些層通常被粘在一起，并且通過(guò)使用刀或激光工具切掉多余的材料來(lái)形成最終產(chǎn)品。

如何優(yōu)化PCB疊層和布局制作

盡管快速原型技術(shù)的使用正在擴(kuò)展，但到目前為止，大多數(shù)PCB都是采用加減法工藝制造的。PCB疊層的示例如下所示，是通過(guò)添加連續(xù)的層并使用粘合劑固定它們來(lái)構(gòu)建的，就像LOM一樣。

由于存在多個(gè)導(dǎo)體層。除非導(dǎo)體層是固體平面，否則必須將多余的銅蝕刻掉，以形成表面的走線路徑和組件焊盤。去除銅，再加上未填充的孔（例如通孔和安裝孔），是一種減法制造工藝。

其他PCB原型設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在幾乎所有的情況下，制造產(chǎn)生一個(gè)PCB沒(méi)有組件。因此，完成原型需要裝配或裝配部件。正如前面所討論的，對(duì)于快速原型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，嵌入組件存在一些問(wèn)題。

另外，已經(jīng)開發(fā)了一種新的增材制造制造技術(shù)，其中可以在制造期間嵌入某些類型的組件。盡管不廣泛，但該技術(shù)和其他技術(shù)正在逐漸普及。減法制造示例是flex（CIF）組件，該組件試圖通過(guò)將組件嵌入內(nèi)部層來(lái)最大程度地利用內(nèi)部板空間。

所有這些PCB原型制造方法的共同點(diǎn)是，它們要求您擁有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)工具，以實(shí)現(xiàn)最佳的工藝簡(jiǎn)化。

PCB原型設(shè)計(jì)和制造的設(shè)計(jì)工具

并非所有PCB設(shè)計(jì)軟件都具有促進(jìn)增材制造工藝使用的功能。例如，這些方法要求您設(shè)計(jì)一個(gè)3D模型，如下所示，并以制造設(shè)備可以使用的格式將其導(dǎo)出。

與當(dāng)代的PCBA原型制造工藝相反，在組裝過(guò)程中可以進(jìn)行返工以糾正錯(cuò)誤，而3D打印電子產(chǎn)品則不適合維修。因此，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中糾正消除可能導(dǎo)致制造錯(cuò)誤的潛在問(wèn)題的能力。如果您具有以下設(shè)計(jì)工具，這將是最好的實(shí)現(xiàn)。

PCB原型制作設(shè)計(jì)工具：

設(shè)計(jì)中分析

設(shè)計(jì)時(shí)檢查并進(jìn)行更正的能力是主要優(yōu)勢(shì)。與CM的規(guī)則和準(zhǔn)則結(jié)合使用時(shí)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)制造設(shè)計(jì)（DFM）驗(yàn)證，從而可以加快設(shè)計(jì)速度并減少或消除制造延遲和后續(xù)的重新設(shè)計(jì)。

綜合約束管理

大多數(shù)PCB設(shè)計(jì)軟件包都包含一定程度的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）。但是，對(duì)于快速的PCB原型制作，規(guī)格和尺寸的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。并且，強(qiáng)大的約束管理是必要的。

設(shè)計(jì)可制造性

PCB原型制作過(guò)程的最終度量標(biāo)準(zhǔn)是它是否支持和輔助可制造性。這包括3D文件格式導(dǎo)出和設(shè)計(jì)簽核等功能，以與CM的規(guī)格進(jìn)行比較。