高品質PCB設計

2020-03-16

實際上，每個電子產品都由一個或多個印刷電路板（pcb）構成。pcb固定IC和其他組件，并實現它們之間的互連。大量創建了用于便攜式電子設備，計算機和娛樂設備的pcb。它們還用于測試設備，制造和航天器。最終，幾乎每個EE都必須設計pcb，這不是在學校教的東西。然而，工程師，技術人員甚至是pcb的新手設計師都可以為任何目的創建高品質PCB設計，并確信結果將達到或超過目標。同樣，可以在滿足設計要求的同時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。應解決環境溫度范圍和與工作環境有關的問題，并用于指定為pcb選擇的材料。選擇組件和pcb材料時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每種功能的電氣實現方式。繪制原理圖后，應完成最終pcb布局，并為每個電路的原理圖塊指定區域。

（圖1）

材料清單

在創建原理圖的同時，應生成物料清單（BOM）。在考慮公差標準的同時，應通過分析電路每個節點的極限工作電壓和電流水平來選擇電路中的組件。選擇電氣上令人滿意的組件后，應根據可用性，預算和尺寸重新考慮每個組件。BOM必須始終與原理圖保持同步。BOM需要每個組件的數量，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。這五個要求很關鍵，因為它們定義了每個零件需要多少，在準確描述用于購買和替換的每個電路元件的同時解釋標識和電路位置，并解釋用于面積估計的每個零件的尺寸。它應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和管理過于復雜。

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，裝配圖和說明以及Gerber文件集。Gerber文件集是pcb術語，用于pcb制造商用來創建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，其下有多個引腳），盲孔/埋孔通孔，表面光潔度和流平度，孔公差，層數等。

原理圖細節

原理圖控制著項目，因此準確性和完整性對于成功至關重要。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，組件值和額定值（圖2）。

 

（圖1）

每個原理圖符號中都有用于確定價格和規格的制造商零件號。封裝規格確定每個組件的封裝尺寸。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，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，因此沒有多余的銅余量。即使在這些情況下，也應在板上的每個引腳之間施加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的焊盤環。走線應距板邊緣10mil或更長。走線間距為10mil（5mil氣隙，5mil走線寬度，1盎司銅）。直徑為40 mil或更大的通孔應增加焊盤環以提高可靠性。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上橋接的風險。

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，便開始了第一遍元件放置步驟。放置各個組件后，應立即進行放置審查并進行調整，以方便布線和優化性能。通常會重新考慮布局和包裝尺寸，并在此時根據尺寸和成本進行更改。吸收超過10 mW或傳導超過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。敏感信號應通過平面與噪聲源隔離開，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行熱流。根據可接受的連接電壓降進行大電流連接。大電流路徑的層轉換應在每個層轉換處使用兩個到四個通孔，在層轉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率。

散熱問題

IC產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過孔的熱源的實心接地層或電源層。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）     

解釋：

P =電路板上的功耗

面積=電路板（X軸x Y軸）

ΔT=表面溫度–環境溫度

熱對流 =基于環境條件的對流常數

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、關鍵電路元件，然后依次排列。原理圖是圍繞pcb上的每個部分建立的，并且是完全互連的。電路的路由優先級是根據功率級別、噪聲敏感性或產生和布線能力來選擇的。

通常，走線寬度為10到20mil，用于承載10到20 mA的走線，走線寬度為5到8 mil，用于承載小于10 mA的電流。與高阻抗節點一起布線時，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路徑，直到針對所有設計約束對電路進行優化為止。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，接地方案以及電路板按預期使用的能力都會影響操作。

最終檢查應包括驗證敏感節點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軸中點平衡的方式創建堆棧。

考慮pcb設計師在審閱過程中遇到的任何問題，并根據審閱產生的反饋對pcb進行校正。在每次審核迭代期間創建并驗證更改列表，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）保持設計錯誤無誤。DRC只能捕獲已編程監控的錯誤，并且DRC規則集通常會根據個別設計而更改。至少，設計規則檢查應涵蓋封裝之間的間距，未連接的網絡（標識電路中每個節點的名稱），短路的網絡，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內（除非回填）。并且，阻焊層應位于所有焊點之間。

成本通常是pcb設計背后的驅動因素，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，沒有直徑小于10mil的鉆孔，最小氣隙和走線寬度為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，焊盤中的過孔，回填過孔（由于導電性限制和熱膨脹差異而優選不導電），盲孔/埋孔和交貨時間都增加了總成本。

pcb設計開始時應了解制造商的能力。在設計可制造性pcb時，通常會就功能和降低成本的技術定期與IC公司聯系。

總結

pcb設計可能很復雜，但是通過一些技巧和實踐就可以設計出優質的電路板。