如何為制造和組裝做好最好的PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

在本文中，MacroFab 的首席 EE 和聯(lián)合創(chuàng)始人 Parker Dillman 介紹了如何為制造和組裝做好最好的 PCB 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。

這是一種常見的情況：您是一名硬件開發(fā)人員，并且您的下一個(gè)產(chǎn)品的最后期限迫在眉睫。一個(gè)糟糕的原型 PCB 將使項(xiàng)目延遲數(shù)周，您需要降低這種風(fēng)險(xiǎn)。第一次正確組裝PCB、快速且沒有問題是至關(guān)重要的。

為了盡量減少這些潛在問題，我編制了一些提示列表，以幫助您準(zhǔn)備下一個(gè)原型以進(jìn)行制造。

仔細(xì)檢查足跡和包裝

確保封裝與組件的封裝相匹配是避免制造掛起的第一種方法?？紤]到一些組件已經(jīng)變得多么小，以及像 BGA 組件這樣的封裝觸點(diǎn)，現(xiàn)在以 1:1 的比例在紙上打印出你的 PCB，然后覆蓋你的部件的老式方法只到現(xiàn)在為止。

仔細(xì)檢查封裝上的尺寸是否與您的設(shè)計(jì)單位（mm 或 mil）相匹配。

一些元件制造商不友善，將元件的機(jī)械布局繪制成從底部看透明的PCB。請(qǐng)務(wù)必注意這一點(diǎn)。

圖 1. 采用 QFN20 封裝的 Silicon Labs EFM8UB10F8G。將 EDA 工具中繪制的布局與數(shù)據(jù)表中的著陸模式進(jìn)行比較。

如果您的 EDA 工具可以繪制投影線和尺寸線，則可能值得以與組件數(shù)據(jù)表中的機(jī)械圖相匹配的方式測(cè)量您的足跡。驗(yàn)證數(shù)據(jù)表的測(cè)量單位和您的足跡。

這也是檢查原理圖符號(hào)和組件封裝之間映射的好時(shí)機(jī)。穩(wěn)壓器引出線、分立 MOSFET 和晶體管通常很容易翻轉(zhuǎn)。

具有極性的組件應(yīng)檢查其封裝，以確保清楚地標(biāo)記極性標(biāo)記。這包括 IC 引腳一標(biāo)記、二極管陰極標(biāo)記和極化電容器標(biāo)記。

圖 2. CREE LED 上引腳 1 的標(biāo)記。

選擇大量經(jīng)過測(cè)試的零件替代品

當(dāng)關(guān)鍵部件不可用且沒有經(jīng)過預(yù)先測(cè)試和批準(zhǔn)的替代品時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)延遲。如果某個(gè)部件具有可行的替代品，但處于電路或產(chǎn)品的關(guān)鍵路徑中，我強(qiáng)烈建議您在投入生產(chǎn)之前構(gòu)建原型并測(cè)試每個(gè)替代品。這降低了將來切換到替代部件時(shí)所涉及的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 3. Mouser 上標(biāo)記為 NRND 或不推薦用于新設(shè)計(jì)的壽命終止部件

如果您有沒有任何直接替代品的獨(dú)特零件（微控制器、專用傳感器等），請(qǐng)檢查零件制造時(shí)的零件壽命。制造商會(huì)將計(jì)劃停產(chǎn)的組件標(biāo)記為“不推薦用于新設(shè)計(jì)”。

通常，制造商保證制造零件的固定壽命，并在零件壽命終止 （EoL） 時(shí)通知用戶。確保您需要的零件在產(chǎn)品的生產(chǎn)壽命結(jié)束之前都可用，以幫助防止成本高昂的產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)。

利用預(yù)先認(rèn)證的無線電模塊

如果您的產(chǎn)品使用藍(lán)牙或 WiFi，請(qǐng)考慮使用預(yù)先認(rèn)證的無線電模塊。這些模塊是預(yù)先設(shè)計(jì)和封裝的系統(tǒng)，保證可以使用相關(guān)的 FCC 識(shí)別號(hào)正確運(yùn)行。使用預(yù)先認(rèn)證的無線電模塊增加了正常運(yùn)行的無線系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，也將減少未能通過 FCC 和 CE 無線電發(fā)射合規(guī)性測(cè)試的可能性。

考慮您的無線天線布局

如果您認(rèn)為在 PCB 上滾動(dòng)無線連接所節(jié)省的成本是值得的，那么天線的 PCB 布局至關(guān)重要。對(duì)于大多數(shù)無線連接部件（收發(fā)器），制造商的數(shù)據(jù)表中會(huì)有推薦的布局。遵循推薦的布局很可能是您通往成功的最快途徑。

在進(jìn)行 PCB 布局時(shí)需要注意一些事項(xiàng)。首先，收發(fā)器和天線之間的阻抗必須匹配。其次，收發(fā)器的數(shù)據(jù)表應(yīng)該包含更多關(guān)于選擇合適的天線、設(shè)計(jì)調(diào)諧濾波器以及實(shí)現(xiàn)最佳性能所需的正確阻抗的詳細(xì)信息。

如果您設(shè)計(jì)自己的無線連接，我強(qiáng)烈建議您對(duì)您的產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)一致性測(cè)試。預(yù)合規(guī)性測(cè)試有望發(fā)現(xiàn)您的設(shè)計(jì)中存在的任何明顯問題。在時(shí)鐘、振蕩器和傳輸頻譜中尋找目標(biāo)范圍內(nèi)的頻率諧波。

不要忘記去耦電容

電氣元件需要穩(wěn)定的電壓源，并且應(yīng)該在 PCB 上靠近每個(gè)有源元件的地方安裝去耦電容器。去耦電容在盡可能靠近組件的電源引腳時(shí)效果最佳。

對(duì)于具有多個(gè)電源引腳的較大組件，您可能需要在每個(gè)電源引腳處使用去耦電容器。傳感器、ADC 和 FPGA 等功率敏感部件可能還需要包括接地引腳的去耦電容。去耦電容應(yīng)與電源和組件串聯(lián)，因?yàn)檫@樣可以提高電容的性能。

使用適當(dāng)?shù)淖呔€寬度和間距保護(hù)您的電路板

大電流走線的尺寸必須適當(dāng)，以確保它們不會(huì)燒壞您的 PCB。我建議使用在線走線寬度計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算。電路板外部的走線可以處理比內(nèi)部更多的電流，因?yàn)橥獠孔呔€更容易散發(fā)產(chǎn)生的熱量。為了降低熱量，請(qǐng)嘗試將走線寬度計(jì)算器上的溫升指定為 10C。但是，如果您沒有足夠的空間放置這么寬的跡線，那么對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，20oC 的溫升應(yīng)該沒問題。

如果您無法將走線布線得足夠?qū)?，則可能需要使用更厚的銅重量，這將增加電流容量。但是，增加銅的重量厚度可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 （DRC） 出現(xiàn)最小的走線寬度和間距問題，因此請(qǐng)務(wù)必考慮到這一點(diǎn)。通常隨著銅重量的增加而變厚將需要更大的走線寬度和空間，并增加每 PCB 單價(jià)的價(jià)格。

一個(gè)經(jīng)常被忽視的問題是確保高壓跡線彼此充分隔離。如果您的產(chǎn)品連接到電源電壓，您需要確保電壓不會(huì)跨越氣隙并短路。

選擇正確的電源穩(wěn)壓器路由

嵌入式系統(tǒng)中的穩(wěn)壓器主要有兩種類型：線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。每種類型都有不同的 PCB 布局和布線指南。

使用線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器吸收多余的電壓并將其轉(zhuǎn)換為廢熱。這是低效的，但線性穩(wěn)壓器通常只需要外部電容器即可正常運(yùn)行，并且噪聲低于開關(guān)穩(wěn)壓器。有兩件事要確保正確使用線性穩(wěn)壓器：

考慮您的電容器選擇。請(qǐng)遵循制造商關(guān)于用于繞過穩(wěn)壓器的電容器的類型、值和位置的指南。通常，電容器應(yīng)盡可能靠近穩(wěn)壓器的輸入和輸出引腳。

照顧好熱量。一般來說，這意味著確保您為調(diào)節(jié)器選擇的封裝可以處理您將產(chǎn)生的熱量，并且您的布局可以支持它。銅澆注和通過縫合將成為您的朋友。如果銅澆注量不夠大，則需要散熱器。

使用開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器比線性穩(wěn)壓器更有效，但設(shè)計(jì)起來更復(fù)雜。通常，開關(guān)穩(wěn)壓器不會(huì)出現(xiàn)熱量問題，但您需要仔細(xì)選擇組件以確保開關(guān)穩(wěn)壓器正常工作。開關(guān)穩(wěn)壓器也更容易產(chǎn)生不需要的電磁場(chǎng) （EMF） 并導(dǎo)致產(chǎn)品在 FCC/CE 合規(guī)階段出現(xiàn)故障。

嚴(yán)格遵循 制造商推薦的布局。這些布局已經(jīng)過測(cè)試，可以正常工作。

保持切換器的反饋回路盡可能小。這將降低 EMF 和寄生電阻、電感和電容。

密切注意您的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電容器 ESR 和 ESL 額定值。在尋找組件時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表通常會(huì)告訴您在哪里設(shè)置值。

對(duì)于設(shè)計(jì)切換器，我喜歡使用Texas Instruments Webench。它為您所需的規(guī)格生成多種設(shè)計(jì)，并為您提供正確設(shè)計(jì)開關(guān)器所需的電感器和電容器的零件編號(hào)。

包括大型銅跡線和澆注的熱釋放

通過將焊盤連接到銅跡線或使用較小的窄跡線而不是直接連接來澆注，可以創(chuàng)建具有散熱功能的銅焊盤。熱釋放減少了將組件焊接到焊盤的熱負(fù)荷。由于銅散熱太快，這減少了冷焊點(diǎn)的機(jī)會(huì)。

您應(yīng)該注意通過散熱區(qū)域的電流負(fù)載。如果這些設(shè)計(jì)太窄，您最終可能會(huì)使用單向保險(xiǎn)絲。

優(yōu)化您的 SMT 裝配設(shè)計(jì)

當(dāng)您使用盡可能多的 SMT 組件時(shí)，生產(chǎn)成本和裝配時(shí)間都會(huì)受到積極影響。如果連接器僅在產(chǎn)品組裝期間進(jìn)行接口連接（例如在產(chǎn)品組裝期間連接內(nèi)部鋰電池），則可以創(chuàng)建 SMT 連接器。

有時(shí)需要通孔部件。與人接觸的連接器應(yīng)幾乎始終是通孔的，以防止在操作過程中強(qiáng)行移除部件。使用通孔零件時(shí)，請(qǐng)與您的合同制造商合作，了解您需要在零件周圍留出多少空間來優(yōu)化波峰焊或選擇性焊接。如果其他組件太靠近通孔觸點(diǎn)，合同制造商可能不得不手工焊接連接器，從而減慢您的組裝過程并增加成本。

仔細(xì)檢查您的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查

仔細(xì)檢查您的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查可能是此列表中最重要的項(xiàng)目。請(qǐng)與您的制造商核實(shí)他們的設(shè)計(jì)規(guī)則。大多數(shù)制造商都有不同級(jí)別的縮放設(shè)計(jì)規(guī)則。如果你能擺脫更大、更標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)則，你應(yīng)該這樣做。

在將您的設(shè)計(jì)文件發(fā)送給您的制造商之前，我建議您最后一次運(yùn)行您的 DRC 并檢查以下事項(xiàng)：

運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 （DRC）

檢查連接和路線

使用您的 EDA 工具的“airwires”或“rat lines”直觀地顯示信號(hào)網(wǎng)絡(luò)上哪些部件焊盤相互連接

更新日期代碼、PCB 版本控制或元數(shù)據(jù)的任何絲印文本