初學(xué)者指南：設(shè)計(jì)和布局PCB時(shí)應(yīng)考慮的事項(xiàng)

為避免日后浪費(fèi)時(shí)間或降低成本，您必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)PCB設(shè)計(jì)和布局。功能和可靠性問(wèn)題很容易在早期階段引起，并拖延整個(gè)項(xiàng)目/設(shè)備。這一部分旨在幫助您使項(xiàng)目按預(yù)期工作。

基于PCB的設(shè)備的核心旨在解決問(wèn)題。電子系統(tǒng)生成電壓波形。這些波形包含信息，電路隨后將這些信息用于執(zhí)行任務(wù)。創(chuàng)建設(shè)備背后的想法涉及使用波形成功完成任務(wù)，而不會(huì)受到噪聲或信號(hào)的干擾。了解基礎(chǔ)知識(shí)會(huì)有所幫助-但您需要做更多工作以確保電路成功。PCB設(shè)計(jì)錯(cuò)誤可能會(huì)引起很多麻煩。

幾乎每個(gè)電子設(shè)備都由印刷電路板組成。設(shè)計(jì)PCB時(shí)需要考慮許多不同的元素，尤其是在性能是關(guān)鍵因素時(shí)。有關(guān)PCB的常見問(wèn)題包括您對(duì)設(shè)計(jì)的期望，通孔類型和電容。在設(shè)計(jì)高速或復(fù)雜的PCB時(shí)，這三個(gè)問(wèn)題的重要性被放大。這將是一些較常見問(wèn)題的初學(xué)者指南。

進(jìn)行可行的設(shè)計(jì)

印刷電路板由許多不同的零件和設(shè)備組成。一個(gè)共同的主題是這些部分并不完美。即使在完全相同的最終產(chǎn)品中，從輸入到輸出也存在延遲。電線或傳輸線的每一端都存在時(shí)間延遲。配電系統(tǒng)固有地具有損害性能的缺陷。電容器具有寄生電容，將在后面進(jìn)行討論。這些問(wèn)題使電路設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。需要將這些誤差范圍最小化，以使設(shè)計(jì)完全發(fā)揮預(yù)期的作用。了解造成這些變化的原因意味著，總體上出錯(cuò)的可能性將降低。在設(shè)計(jì)的初始階段，請(qǐng)牢記所有這些。

銅跡線的定徑

銅跡線的電阻水平不同，取決于電阻率乘以長(zhǎng)度除以厚度乘以寬度所得的結(jié)果。改變?cè)O(shè)計(jì)的最佳方法是著眼于調(diào)整跡線大小，因?yàn)槠渌矫媸遣豢煽刂频摹Ｄ梢酝ㄟ^(guò)更改長(zhǎng)度，厚度和寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

循環(huán)大小

電路板上的所有環(huán)路應(yīng)盡可能小。這樣可以使電感和電阻保持較低。這樣可以減少可能發(fā)生的噪聲或高頻電壓尖峰。

將數(shù)字跡線和噪聲跡線與模擬跡線分開

噪聲和高頻走線必須與模擬走線分開。將它們保持在一起可以將它們的信號(hào)組合在一起。

材料清單

這對(duì)于在流程的早期產(chǎn)生至關(guān)重要。電路中的組件應(yīng)基于對(duì)工作電壓，公差和電氣上令人滿意的組件的分析來(lái)選擇。還需要考慮較少的技術(shù)要素，例如可用性，預(yù)算和規(guī)模。確保在創(chuàng)建物料清單時(shí)了解制造商如何處理零件。例如，PCB Train可容納1000多個(gè)完全免費(fèi)的不同零件。請(qǐng)記住，難以采購(gòu)的零件可能會(huì)很昂貴或耗時(shí)，并且可能會(huì)延遲組裝。通過(guò)說(shuō)明制造商的名稱和零件號(hào)在BOM表中指定組件。

通孔類型

通孔提供從一層到另一層的電氣通路-它們是在PCB上鉆孔的孔。它們可以從一層更改為下一層-或通過(guò)通孔或表面安裝技術(shù)用作組件引腳。然后在相關(guān)孔上鍍銅以提供必要的連接。從根本上講，共有三種類型的過(guò)孔：通孔過(guò)孔，盲孔和埋孔。

通孔過(guò)孔

最常見的通孔類型是通孔通孔。它們通常是通過(guò)機(jī)械鉆孔和電鍍來(lái)創(chuàng)建的。對(duì)于這種通孔，需要考慮長(zhǎng)度與直徑的比率。這也稱為縱橫比。大批量生產(chǎn)的長(zhǎng)寬比應(yīng)低于6：1。如有必要，高性能PCB可以擴(kuò)展為8：1。10：1是絕對(duì)限制，需要特殊的過(guò)程控制。

盲孔

位于PCB一側(cè)但未一直貫穿到另一側(cè)的過(guò)孔稱為盲孔。它們也稱為微通孔-定義為直徑小于8密耳的通孔，無(wú)論其是否通過(guò)PCB。創(chuàng)建盲孔的主要方法有四種?？刂粕疃茹@孔，激光鉆孔，順序?qū)訅汉驼掌上?。如果將非常精確的鉆孔機(jī)編程為僅通過(guò)PCB進(jìn)行部分鉆孔，則稱為受控深度鉆孔。當(dāng)然，此方法依賴于通孔下方?jīng)]有導(dǎo)體的區(qū)域，以提供鉆頭過(guò)沖的公差。激光鉆孔涉及使用高功率激光束鉆孔，以先穿過(guò)銅，再穿過(guò)電介質(zhì)的第一層。然后，它停在銅焊盤上，該銅焊盤用作到第二層的連接。然后，這需要使用墊來(lái)阻止激光束。光束必須足夠強(qiáng)以去除所有樹脂和玻璃，但不足以去除內(nèi)層墊。這使得該技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜。通過(guò)使用類似掩模的光敏材料，可以使成像的通孔成型。面板需要經(jīng)過(guò)內(nèi)部n-1層的常規(guī)層壓工藝，包括在其上刻蝕的跡線。然后將其暴露并顯影，以形成形成盲孔的開口。然后用CO2激光（不會(huì)切穿銅線）將孔向下打到掩埋層。然后將外層鍍銅以使其與內(nèi)層墊接觸。這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，但可用于在PCB上批量形成盲孔。大多數(shù)HDI激光鉆孔電路都是使用CO2激光鉆孔的。

使用紫外線激光

但是，對(duì)于小批量的PCB制造，UV激光器是合適的。UV激光打孔的速度比CO2激光慢，但是通過(guò)燒蝕可以切割銅，玻璃和樹脂，并且可以通過(guò)控制光束的焦點(diǎn)來(lái)高度控制切割深度。此方法僅適用于直徑最大為200微米，深度為200微米的孔，因此非常適用于微孔。

順序盲孔

通過(guò)僅從第一層和第二層形成雙面PCB來(lái)創(chuàng)建順序盲孔。像層壓兩層一樣，鉆，鍍和蝕刻該薄層層壓板。然后將其與所有其他內(nèi)部層組合在一起。然后像對(duì)任何多層PCB一樣進(jìn)行層壓，鉆孔和電鍍。但是，這是一個(gè)微妙而昂貴的過(guò)程。

埋孔

埋入的通孔位于至少兩個(gè)內(nèi)層之間，但未到達(dá)任何層的表面。這些過(guò)程與順序盲孔非常相似。結(jié)果，帶有掩埋通孔的PCB成本更高。請(qǐng)注意，由于成本高，這些通孔不經(jīng)常用于商業(yè)應(yīng)用。

電容

印刷電路板可能對(duì)您來(lái)說(shuō)很熟悉-它們的布局對(duì)于電路的正確運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)于新來(lái)者和對(duì)此主題感到有些生銹的人，有許多方面需要考慮。電路性能的關(guān)鍵是電容。我們希望通過(guò)向您展示方法和原因來(lái)使您擁有這篇文章的能力，以便您充分了解它以做出自己的決定。通常，寄生蟲或寄生蟲會(huì)損害您的電路-對(duì)于高速電路尤其如此。在這些情況下，變化會(huì)更容易引起不穩(wěn)定和振蕩。通常的原因是電源和信號(hào)走線之間的間距差。但是，需要考慮它們的程度確實(shí)取決于單個(gè)電路。

什么是電容

電容定義為一組導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的屬性，當(dāng)它們之間存在電壓差時(shí)，這些電荷會(huì)導(dǎo)致電荷存儲(chǔ)在它們之間。以早期研究電磁效應(yīng)的人邁克爾·法拉第（Michael Faraday）的名字命名-電容的基本單位是法拉。它的定義是電容器的電容，其中一個(gè)庫(kù)侖電荷在其端子之間產(chǎn)生一伏的電位差。必須對(duì)存在于傳輸線或?qū)Ь€與周圍結(jié)構(gòu)（可能是PCB的平面）之間的電容進(jìn)行充電，以將傳輸線上的電壓從邏輯零更改為邏輯一。電磁波可以做到這一點(diǎn)。然后，這種“寄生”電容會(huì)阻止傳輸線信號(hào)電壓的變化。

值得注意的是，隨著時(shí)間的流逝，電流實(shí)際上會(huì)提高電容器兩端的電壓。如果電容器較大，則隨時(shí)間流過(guò)的電流或提高端子電壓所需的電荷也會(huì)更高。如果電路的寄生電容很大，則執(zhí)行給定的邏輯運(yùn)算將需要更多的功率。對(duì)于給定的功耗，提高邏輯電路速度的主要方法是減小電路每個(gè)元件的寄生電容。越來(lái)越小的IC晶體管和導(dǎo)線使其成為可能。

實(shí)際傳輸線上存在的寄生元件的相對(duì)電容可以皮法拉法或納米法拉來(lái)測(cè)量。影響最大的地方是為了改變邏輯狀態(tài)而必須充電和放電的傳輸線上?？梢栽陔娙萜鲀啥耸┘诱也ǎ员憩F(xiàn)出對(duì)通過(guò)它的低電流的阻抗，因此可以對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

警惕寄生

寄生元件的阻抗取決于頻率。在低頻下，在電磁場(chǎng)部分中存在的任何寄生電容都沒有可檢測(cè)到的影響，可以忽略不計(jì)。結(jié)果，只要頻率低，它們對(duì)性能幾乎沒有影響。當(dāng)頻率接近GHz時(shí)，來(lái)自諸如鍍通孔，示波器探頭之類的結(jié)構(gòu)的寄生電容以及每個(gè)負(fù)載的輸入電容會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。通常出現(xiàn)在信號(hào)路徑中的寄生電容元件具有可檢測(cè)到的低阻抗，并且會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生不利影響。

電容最佳實(shí)踐

電容可以以有益的方式使用。這些方式中的兩種被稱為電荷存儲(chǔ)設(shè)備，通常稱為去耦電容器或旁路電容器。耦合電容器還可用于在阻止直流信號(hào)的同時(shí)傳遞交流信號(hào)。電容的另一個(gè)有益用途是將一個(gè)DC電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)DC電壓時(shí)以存儲(chǔ)電荷的形式作為開關(guān)電源的一部分。當(dāng)電容器的電抗剛好等于電感的電抗時(shí)，這被稱為低阻抗。當(dāng)達(dá)到頻率Fr（網(wǎng)絡(luò)的自諧振頻率）時(shí)，兩個(gè)電抗分量會(huì)相互抵消。超過(guò)該頻率，阻抗會(huì)回升。這是由于寄生電感引起的–這使電容器的行為更像電感器而不是電容器。

選擇PCB供應(yīng)商

此過(guò)程的關(guān)鍵部分在于選擇能夠提供PCB中使用的原型和生產(chǎn)數(shù)量的PCB的PCB供應(yīng)商或制造商。制造是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，需要高水平的技能。該過(guò)程的重要部分是查看整體情況。初次使用的客戶經(jīng)常根據(jù)PCB的價(jià)格進(jìn)行選擇。必須考慮的其他領(lǐng)域是測(cè)試，維修，更換（如有必要）和其他雜項(xiàng)費(fèi)用。制造商必須考慮將失敗的原型和生產(chǎn)PCB降至最低的想法。確保查看測(cè)試策略以及關(guān)于所選公司的所有內(nèi)容。幸運(yùn)的是，一旦找到了好的產(chǎn)品，就可以放心使用，因?yàn)槟梢栽俅问褂盟鼈儭?/span>