PCB電路板設(shè)計(jì)的基本流程講解

最終，幾乎每個EE都必須設(shè)計(jì)PCB，這不是在學(xué)校教的東西。然而，工程師，技術(shù)人員甚至是PCB的新手設(shè)計(jì)師都可以為任何目的創(chuàng)建高質(zhì)量的PCB，并確信結(jié)果將達(dá)到或超過目標(biāo)。

實(shí)際上，每個電子產(chǎn)品都由一個或多個印刷電路板（PCB）構(gòu)成。PCB固定IC和其他組件，并實(shí)現(xiàn)它們之間的互連。PCB大量用于便攜式電子設(shè)備，計(jì)算機(jī)和娛樂設(shè)備。它們還用于測試設(shè)備，制造和航天器。

最終，幾乎每個EE都必須設(shè)計(jì)PCB，這不是在學(xué)校教的東西。然而，工程師，技術(shù)人員甚至是PCB的新手設(shè)計(jì)師都可以為任何目的創(chuàng)建高質(zhì)量的PCB，并確信結(jié)果將達(dá)到或超過目標(biāo)。同樣，這些設(shè)計(jì)可以在滿足設(shè)計(jì)要求的同時按計(jì)劃并在預(yù)算內(nèi)完成。設(shè)計(jì)人員只需要考慮必要的文檔，設(shè)計(jì)步驟和策略以及最終檢查。

基本設(shè)計(jì)流程

理想的PCB設(shè)計(jì)始于發(fā)現(xiàn)需要PCB的發(fā)現(xiàn)，并貫穿最終的生產(chǎn)電路板（圖1）。在確定了為什么需要PCB之后，應(yīng)確定產(chǎn)品的最終概念。該概念包括設(shè)計(jì)的功能，PCB必須具有和執(zhí)行的功能，與其他電路的互連，布局以及近似的最終尺寸。

1.理想的PCB設(shè)計(jì)流程始于設(shè)計(jì)人員認(rèn)識到必須滿足的需求，并且直到測試驗(yàn)證設(shè)計(jì)可以滿足這些需求時才結(jié)束。

應(yīng)解決環(huán)境溫度范圍和與操作環(huán)境有關(guān)的問題，并用于指定為PCB選擇的材料。必須選擇組件和PCB材料，以保證在其使用壽命期間可能遭受的所有預(yù)期和潛在的脅迫形式下運(yùn)行。

根據(jù)該原理圖繪制電路原理圖。此詳細(xì)圖顯示了PCB每種功能的電氣實(shí)現(xiàn)方式。繪制原理圖后，應(yīng)完成最終PCB尺寸的逼真圖，并為每個電路的原理圖塊（由于電氣原因或約束而緊密連接的組件組）指定區(qū)域。

材料清單

在創(chuàng)建原理圖的同時，應(yīng)生成物料清單（BOM）。在考慮公差標(biāo)準(zhǔn)的同時，應(yīng)通過分析電路每個節(jié)點(diǎn)的最大工作電壓和電流水平來選擇電路中的組件。選擇了令人滿意的電氣組件后，應(yīng)根據(jù)可用性，預(yù)算和尺寸重新考慮每個組件。

BOM必須始終與原理圖保持最新。BOM需要每個組件的數(shù)量，參考代號，值（歐姆，法拉等的數(shù)值），制造商零件號和PCB占地面積。

這五個要求很關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兌x了每個零件需要多少，在準(zhǔn)確描述用于購買和替換的每個電路元件的同時解釋標(biāo)識和電路位置，并解釋用于面積估算的每個零件的尺寸。可能會添加其他描述，但它應(yīng)該是描述每個電路元件的簡明清單，并且過多的信息可能會使庫的開發(fā)和管理過于復(fù)雜。

PCB文檔

PCB的文檔應(yīng)包括硬件尺寸圖，原理圖，BOM，布局文件，組件放置文件，裝配圖和說明以及Gerber文件集。用戶指南也很有用，但不是必需的。Gerber文件集是PCB術(shù)語，用于PCB制造商用來創(chuàng)建PCB的布局輸出文件。完整的Gerber文件包括從電路板布局文件生成的輸出文件：

? 絲印上下

? 阻焊膜頂部和底部

? 所有金屬層

? 粘貼面膜頂部和底部

? 組件圖（XY坐標(biāo)）

? 裝配圖的頂部和底部

? 鉆取文件

? 鉆傳奇

? FAB大綱（尺寸，特殊功能）

? 網(wǎng)表文件

? FAB輪廓中包含的特殊功能包括但不限于：凹口，切口，斜角，回填焊盤（用于BGA型IC封裝，該器件在器件下方具有多個引腳），盲孔/埋孔通孔，表面光潔度和流平度，孔公差，層數(shù)等。

原理圖細(xì)節(jié)

原理圖控制著項(xiàng)目，因此準(zhǔn)確性和完整性對于成功至關(guān)重要。它們包括電路正確運(yùn)行所必需的信息。原理圖應(yīng)包含足夠的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如引腳號，名稱，組件值和額定值（圖2）

2.正確的原理圖，例如IDTP9021R無線電源接收器的降壓穩(wěn)壓器模塊的原理圖，包括引腳號，名稱，組件值，額定值和其他重要細(xì)節(jié)。

每個原理圖符號中嵌入的是制造商零件號，用于確定價(jià)格和規(guī)格。封裝規(guī)格確定每個組件的封裝尺寸。第一步應(yīng)根據(jù)可用面積和焊接方法，確保每個引腳的裸露銅都放置在正確的位置，并且比組件引腳略大（3至20密耳）。

設(shè)計(jì)封裝時，請考慮組裝，并遵循制造商建議的PCB封裝。有些組件采用微觀封裝，因此沒有多余的銅空間。即使在這些情況下，也應(yīng)在板上的每個引腳之間施加2.5至3密耳的阻焊條。

遵循10的規(guī)則。小通孔的最終孔徑為10密耳，另外還有10密耳的焊盤環(huán)。跡線應(yīng)距板邊緣10密耳或更長。線跡間距為10密耳（氣隙為5密耳，線跡寬度為5密耳，銅線為1盎司）。直徑為40mil或更大的通孔應(yīng)增加焊盤環(huán)以提高可靠性。對于從平面到引腳的外層銅平面，應(yīng)設(shè)置超出設(shè)計(jì)規(guī)則的15至25密耳的額外間隙。這降低了在所有焊點(diǎn)上橋接的風(fēng)險(xiǎn)。

元件放置

下一步將放置組件，并根據(jù)熱管理，功能和電氣噪聲因素確定組件位置。在指定了組件的輪廓和互連位置之后，便開始了第一遍組件放置步驟。放置各個組件后，應(yīng)立即進(jìn)行放置審查并進(jìn)行調(diào)整，以方便布線和優(yōu)化性能。

通常會重新考慮布局和包裝尺寸，并在此時根據(jù)尺寸和成本進(jìn)行更改。吸收超過10mW或傳導(dǎo)超過10mA電流的組件應(yīng)被視為功能強(qiáng)大，足以考慮其他熱和電因素。敏感信號應(yīng)與平面的噪聲源隔離開，并保持阻抗受控。。

電源管理組件應(yīng)利用接地平面或電源平面進(jìn)行熱流。根據(jù)可接受的連接電壓降進(jìn)行大電流連接。高電流路徑的層轉(zhuǎn)換應(yīng)在每個層轉(zhuǎn)換處使用兩個至四個通孔進(jìn)行，在層轉(zhuǎn)換處放置多個通孔以提高可靠性，減少電阻和電感損耗并提高熱導(dǎo)率。

散熱問題

IC產(chǎn)生的熱量從器件傳遞到PCB的銅層（圖3）。理想的散熱設(shè)計(jì)將使整個電路板溫度相同。銅的厚度，層數(shù)，熱路徑的連續(xù)性和電路板面積將直接影響組件的工作溫度。

3.IC的熱傳導(dǎo)可以通過使用熱過孔和銅平面來實(shí)現(xiàn)。

為了輕松降低工作溫度，請使用多層直接連接到帶有多個過孔的熱源的實(shí)心接地層或電源層。建立有效的熱量和大電流路徑將通過對流優(yōu)化熱量傳遞。通過使用于向大氣傳遞熱量的面積最大化，使用導(dǎo)熱平面均勻地散布熱量可以顯著降低溫度（圖4）。

4.有效的散熱可以將熱量從熱源均勻地分布到PCB的所有裸露表面。

在熱量分布均勻的情況下，可以使用以下公式估算表面溫度：

P=（熱對流）x面積x（ΔT）

哪里：

P=電路板上的功耗

面積=木板（X軸xY軸）

ΔT=表面溫度–環(huán)境溫度

熱對流=基于環(huán)境條件的對流常數(shù)

微調(diào)元件放置

組件應(yīng)按以下順序放置：連接器，電源電路，敏感和精密電路，關(guān)鍵電路組件，然后其余部分。原理圖圍繞PCB上的每個零件構(gòu)建，并完全互連。根據(jù)功率水平，噪聲敏感性或生成和路由能力選擇電路的路由優(yōu)先級。

通常，走線寬度為10到20密耳，用于承載10到20mA的走線，走線寬度為5到8mil，用于承載小于10mA的電流。與高阻抗節(jié)點(diǎn)一起路由時，應(yīng)仔細(xì)考慮高頻（大于3MHz）和快速變化的信號。

首席工程師/設(shè)計(jì)人員應(yīng)檢查布局，并應(yīng)迭代地調(diào)整物理位置和布線路徑，直到針對所有設(shè)計(jì)約束對電路進(jìn)行優(yōu)化為止。層數(shù)取決于功率水平和復(fù)雜性。成對添加層，因?yàn)橐赃@種方式制作了銅包層。電源信號和平面的布線，接地方案以及電路板按預(yù)期使用的能力都會影響操作。

最終檢查應(yīng)包括驗(yàn)證敏感節(jié)點(diǎn)和電路是否正確屏蔽了噪聲源，引腳和過孔之間是否存在阻焊層以及絲印是否清晰簡潔。確定層堆疊時，請使用組件側(cè)下方的第一內(nèi)層作為接地，并將電源平面分配給其他層。以使電路板相對于Z軸中點(diǎn)平衡的方式創(chuàng)建堆棧。

考慮PCB設(shè)計(jì)人員在審閱過程中遇到的任何問題，并根據(jù)審閱生成的反饋對PCB進(jìn)行校正。在每次審核迭代期間創(chuàng)建并驗(yàn)證更改列表，直到最終確定董事會為止。在布局的所有階段中，請使用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器（DRC）保持設(shè)計(jì)錯誤無誤。

DRC只能捕獲已編程監(jiān)控的錯誤，并且DRC規(guī)則集通常會根據(jù)個別設(shè)計(jì)而更改。至少，設(shè)計(jì)規(guī)則檢查應(yīng)涵蓋封裝間的間距，未連接的網(wǎng)絡(luò)（標(biāo)識電路每個節(jié)點(diǎn)的唯一名稱），短路的網(wǎng)絡(luò)，是否存在氣隙，如果過孔離焊盤太近，如果過孔彼此之間的距離太近，并且違反了垂直間隙。

可以設(shè)置許多其他重要的DRC規(guī)則以確保穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，并且應(yīng)該對其進(jìn)行研究和理解。例如，將間隙保持在5密耳或以上。通孔不應(yīng)位于表面貼裝焊盤內(nèi)（除非回填）。并且，阻焊層應(yīng)位于所有焊點(diǎn)之間。

成本通常是PCB設(shè)計(jì)背后的驅(qū)動因素，因此最好了解PCB制造中的成本增加因素。一個典型的板是兩到四層，沒有直徑小于10密耳的鉆孔，最小氣隙和走線寬度為5密耳。標(biāo)準(zhǔn)FR-4的厚度也應(yīng)為0.062英寸，銅箔的重量應(yīng)為1盎司。額外的層，超厚或薄板，焊盤中的過孔，回填過孔（由于導(dǎo)電性限制和熱膨脹差異而優(yōu)選不導(dǎo)電），盲孔/埋孔和交貨時間都在實(shí)質(zhì)上增加了總成本。

PCB設(shè)計(jì)開始時應(yīng)了解制造商的能力。在設(shè)計(jì)可制造性PCB時，通常會就功能和降低成本的技術(shù)定期與PCB晶圓廠聯(lián)系。

PCB設(shè)計(jì)可能很復(fù)雜，但是通過一些技巧和實(shí)踐就可以設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的電路板。使用這些指南并在需要時添加研究，經(jīng)驗(yàn)豐富的退伍軍人可能會繼續(xù)磨練自己的技能，而新手設(shè)計(jì)師可能會學(xué)會創(chuàng)建超出預(yù)期的高質(zhì)量PCB。
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