高品質(zhì)PCB設計

2020-03-16

實(shí)際上，每個(gè)電子產(chǎn)品都由一個(gè)或多個(gè)印刷電路板（pcb）構成。pcb固定IC和其他組件，并實(shí)現它們之間的互連。大量創(chuàng )建了用于便攜式電子設備，計算機和娛樂(lè )設備的pcb。它們還用于測試設備，制造和航天器。最終，幾乎每個(gè)EE都必須設計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的新手設計師都可以為任何目的創(chuàng )建高品質(zhì)PCB設計，并確信結果將達到或超過(guò)目標。同樣，可以在滿(mǎn)足設計要求的同時(shí)按計劃并在預算內完成這些設計。設計人員需要考慮必要的文檔，pcb設計步驟和策略以及最終檢查。

基本設計流程

理想的pcb設計始于需求分析，并一直持續到最終的交付（圖1）。在拿到了項目之后，應確定pcb需求分析，該需求包pcb括設計的功能，pcb必須具有和執行的功能，與其他電路的互連，布局以及近似的最終尺寸。應解決環(huán)境溫度范圍和與工作環(huán)境有關(guān)的問(wèn)題，并用于指定為pcb選擇的材料。選擇組件和pcb材料時(shí)應注意所有可預期和潛在形式的威脅，保證pcb能在使用壽命期間內能正常工作。根據該原理圖繪制了電路原理圖。此詳細圖顯示了pcb每種功能的電氣實(shí)現方式。繪制原理圖后，應完成最終pcb布局，并為每個(gè)電路的原理圖塊指定區域。

（圖1）

材料清單

在創(chuàng )建原理圖的同時(shí)，應生成物料清單（BOM）。在考慮公差標準的同時(shí)，應通過(guò)分析電路每個(gè)節點(diǎn)的極限工作電壓和電流水平來(lái)選擇電路中的組件。選擇電氣上令人滿(mǎn)意的組件后，應根據可用性，預算和尺寸重新考慮每個(gè)組件。BOM必須始終與原理圖保持同步。BOM需要每個(gè)組件的數量，參考代號，值（歐姆，法拉等的數值），制造商零件號和pcb占地面積。這五個(gè)要求很關(guān)鍵，因為它們定義了每個(gè)零件需要多少，在準確描述用于購買(mǎi)和替換的每個(gè)電路元件的同時(shí)解釋標識和電路位置，并解釋用于面積估計的每個(gè)零件的尺寸。它應該是描述每個(gè)電路元件的簡(jiǎn)明清單，并且過(guò)多的信息可能會(huì )使庫的開(kāi)發(fā)和管理過(guò)于復雜。

pcb文件

pcb的文件應包括硬件尺寸圖，原理圖，BOM，布局文件，組件放置文件，裝配圖和說(shuō)明以及Gerber文件集。Gerber文件集是pcb術(shù)語(yǔ)，用于pcb制造商用來(lái)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、阻焊層頂部和底部、所有金屬層、錫膏top和bottom、組件圖（XY坐標）、裝配圖的頂部和底部、鉆取文件、轉孔圖、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(pán)（用于BGA型IC封裝，其下有多個(gè)引腳），盲孔/埋孔通孔，表面光潔度和流平度，孔公差，層數等。

原理圖細節

原理圖控制著(zhù)項目，因此準確性和完整性對于成功至關(guān)重要。它們包括電路正確運行所必需的信息。原理圖應包括足夠的設計細節，例如引腳號，名稱(chēng)，組件值和額定值（圖2）。

 

（圖1）

每個(gè)原理圖符號中都有用于確定價(jià)格和規格的制造商零件號。封裝規格確定每個(gè)組件的封裝尺寸。第一步應根據可用面積和焊接方法，確保每個(gè)引腳的裸露銅都放置在正確的位置，并且比組件引腳稍大（3至20mil）。pcb設計封裝時(shí)，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(guān)封裝，因此沒(méi)有多余的銅余量。即使在這些情況下，也應在板上的每個(gè)引腳之間施加2.5至3mil的阻焊條。遵循10的規則。小通孔的最終孔徑為10mil，另外還有10mil的焊盤(pán)環(huán)。走線(xiàn)應距板邊緣10mil或更長(cháng)。走線(xiàn)間距為10mil（5mil氣隙，5mil走線(xiàn)寬度，1盎司銅）。直徑為40 mil或更大的通孔應增加焊盤(pán)環(huán)以提高可靠性。對于從平面到引腳的外層銅平面，應設置超出設計規則的15至25mil的額外間隙。這降低了在所有焊點(diǎn)上橋接的風(fēng)險。

元件放置

下一步將放置組件，并根據熱管理，功能和電氣噪聲因素確定組件位置。在分配了元件的輪廓和互連位置之后，便開(kāi)始了第一遍元件放置步驟。放置各個(gè)組件后，應立即進(jìn)行放置審查并進(jìn)行調整，以方便布線(xiàn)和優(yōu)化性能。通常會(huì )重新考慮布局和包裝尺寸，并在此時(shí)根據尺寸和成本進(jìn)行更改。吸收超過(guò)10 mW或傳導超過(guò)10 mA電流的組件應被視為功率強大，足以考慮其他熱和電因素。敏感信號應通過(guò)平面與噪聲源隔離開(kāi)，并保持阻抗受控。  電源管理組件應利用接地平面或電源平面進(jìn)行熱流。根據可接受的連接電壓降進(jìn)行大電流連接。大電流路徑的層轉換應在每個(gè)層轉換處使用兩個(gè)到四個(gè)通孔，在層轉換處放置多個(gè)通孔以提高可靠性，減少電阻和電感損耗并提高熱導率。

散熱問(wèn)題

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

（圖3）

為輕松降低工作溫度，請使用多層直接連接到帶有多個(gè)過(guò)孔的熱源的實(shí)心接地層或電源層。有效的熱傳導可以使熱均勻地從熱源分布到整個(gè)PCB板上，從而明顯降低溫度。

 

（有效的熱傳導可以使熱從熱源均勻地分布到PCB板表面）

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）     

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P =電路板上的功耗

面積=電路板（X軸x Y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

微調元件放置

元件應按以下順序排列:連接器、電源電路、敏感電路和精密電路、關(guān)鍵電路元件，然后依次排列。原理圖是圍繞pcb上的每個(gè)部分建立的，并且是完全互連的。電路的路由優(yōu)先級是根據功率級別、噪聲敏感性或產(chǎn)生和布線(xiàn)能力來(lái)選擇的。

通常，走線(xiàn)寬度為10到20mil，用于承載10到20 mA的走線(xiàn)，走線(xiàn)寬度為5到8 mil，用于承載小于10 mA的電流。與高阻抗節點(diǎn)一起布線(xiàn)時(shí)，應仔細考慮高頻（大于3 MHz）和快速變化的信號。

設計人員應檢查布局，并應迭代地調整物理位置和布線(xiàn)路徑，直到針對所有設計約束對電路進(jìn)行優(yōu)化為止。層數取決于功率水平和復雜性。成對的添加層，因為以這種方式制作了銅包層。電源信號和平面的布線(xiàn)，接地方案以及電路板按預期使用的能力都會(huì )影響操作。

最終檢查應包括驗證敏感節點(diǎn)和電路是否正確屏蔽了噪聲源，引腳和過(guò)孔之間是否存在阻焊層以及絲印是否清晰簡(jiǎn)潔。確定層堆疊時(shí)，請使用組件側下方的第一內層作為接地，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設計師在審閱過(guò)程中遇到的任何問(wèn)題，并根據審閱產(chǎn)生的反饋對pcb進(jìn)行校正。在每次審核迭代期間創(chuàng )建并驗證更改列表，直到最終確定電路板為止。在布局的所有階段中，請使用設計規則檢查器（DRC）保持設計錯誤無(wú)誤。DRC只能捕獲已編程監控的錯誤，并且DRC規則集通常會(huì )根據個(gè)別設計而更改。至少，設計規則檢查應涵蓋封裝之間的間距，未連接的網(wǎng)絡(luò )（標識電路中每個(gè)節點(diǎn)的名稱(chēng)），短路的網(wǎng)絡(luò )，是否存在氣隙，如果過(guò)孔離焊盤(pán)太近，如果過(guò)孔彼此之間的距離太近，并且違反了垂直間隙。

可以設置許多其他重要的DRC規則以確保穩健的設計，并且應該對其進(jìn)行研究和理解。例如，將間隙保持在5mil或以上。通孔不應位于表面貼裝焊盤(pán)內（除非回填）。并且，阻焊層應位于所有焊點(diǎn)之間。

成本通常是pcb設計背后的驅動(dòng)因素，因此要了解pcb制造中的成本增加因素。典型的pcb板為兩到四層，沒(méi)有直徑小于10mil的鉆孔，最小氣隙和走線(xiàn)寬度為5mil。標準FR-4的厚度也應為0.062英寸，銅箔的重量應為1盎司。額外的層，超厚或薄板，焊盤(pán)中的過(guò)孔，回填過(guò)孔（由于導電性限制和熱膨脹差異而優(yōu)選不導電），盲孔/埋孔和交貨時(shí)間都增加了總成本。

pcb設計開(kāi)始時(shí)應了解制造商的能力。在設計可制造性pcb時(shí)，通常會(huì )就功能和降低成本的技術(shù)定期與IC公司聯(lián)系。

總結

pcb設計可能很復雜，但是通過(guò)一些技巧和實(shí)踐就可以設計出優(yōu)質(zhì)的電路板。