高品质PCB设计

2020-03-16

实际上，每个電(diàn)子产品都由一个或多(duō)个印刷電(diàn)路板（pcb）构成。pcb固定IC和其他(tā)组件，并实现它们之间的互连。大量创建了用(yòng)于便携式電(diàn)子设备，计算机和娱乐设备的pcb。它们还用(yòng)于测试设备，制造和航天器。最终，几乎每个EE都必须设计pcb，这不是在學(xué)校教的东西。然而，工程师，技术人员甚至是pcb的新(xīn)手设计师都可(kě)以為(wèi)任何目的创建高品质PCB设计，并确信结果将达到或超过目标。同样，可(kě)以在满足设计要求的同时按计划并在预算内完成这些设计。设计人员需要考虑必要的文(wén)档，pcb设计步骤和策略以及最终检查。

基本设计流程

理(lǐ)想的pcb设计始于需求分(fēn)析，并一直持续到最终的交付（图1）。在拿(ná)到了项目之后，应确定pcb需求分(fēn)析，该需求包pcb括设计的功能(néng)，pcb必须具有(yǒu)和执行的功能(néng)，与其他(tā)電(diàn)路的互连，布局以及近似的最终尺寸。应解决环境温度范围和与工作环境有(yǒu)关的问题，并用(yòng)于指定為(wèi)pcb选择的材料。选择组件和pcb材料时应注意所有(yǒu)可(kě)预期和潜在形式的威胁，保证pcb能(néng)在使用(yòng)寿命期间内能(néng)正常工作。根据该原理(lǐ)图绘制了電(diàn)路原理(lǐ)图。此详细图显示了pcb每种功能(néng)的電(diàn)气实现方式。绘制原理(lǐ)图后，应完成最终pcb布局，并為(wèi)每个電(diàn)路的原理(lǐ)图块指定區(qū)域。

（图1）

材料清单

在创建原理(lǐ)图的同时，应生成物(wù)料清单（BOM）。在考虑公差标准的同时，应通过分(fēn)析電(diàn)路每个节点的极限工作電(diàn)压和電(diàn)流水平来选择電(diàn)路中的组件。选择電(diàn)气上令人满意的组件后，应根据可(kě)用(yòng)性，预算和尺寸重新(xīn)考虑每个组件。BOM必须始终与原理(lǐ)图保持同步。BOM需要每个组件的数量，参考代号，值（欧姆，法拉等的数值），制造商(shāng)零件号和pcb占地面积。这五个要求很(hěn)关键，因為(wèi)它们定义了每个零件需要多(duō)少，在准确描述用(yòng)于購(gòu)买和替换的每个電(diàn)路元件的同时解释标识和電(diàn)路位置，并解释用(yòng)于面积估计的每个零件的尺寸。它应该是描述每个電(diàn)路元件的简明清单，并且过多(duō)的信息可(kě)能(néng)会使库的开发和管理(lǐ)过于复杂。

pcb文(wén)件

pcb的文(wén)件应包括硬件尺寸图，原理(lǐ)图，BOM，布局文(wén)件，组件放置文(wén)件，装配图和说明以及Gerber文(wén)件集。Gerber文(wén)件集是pcb术语，用(yòng)于pcb制造商(shāng)用(yòng)来创建pcb的布局输出文(wén)件。完整的Gerber文(wén)件包括从電(diàn)路板布局文(wén)件生成的输出文(wén)件：丝印上下、阻焊层顶部和底部、所有(yǒu)金属层、锡膏top和bottom、组件图（XY坐(zuò)标）、装配图的顶部和底部、钻取文(wén)件、转孔图、FAB大纲（尺寸，特殊功能(néng)）、网表文(wén)件。FAB轮廓中包含的特殊功能(néng)包括但不限于：凹口，切口，斜角，回填焊盘（用(yòng)于BGA型IC封装，其下有(yǒu)多(duō)个引脚），盲孔/埋孔通孔，表面光洁度和流平度，孔公差，层数等。

原理(lǐ)图细节

原理(lǐ)图控制着项目，因此准确性和完整性对于成功至关重要。它们包括電(diàn)路正确运行所必需的信息。原理(lǐ)图应包括足够的设计细节，例如引脚号，名称，组件值和额定值（图2）。

 

（图1）

每个原理(lǐ)图符号中都有(yǒu)用(yòng)于确定价格和规格的制造商(shāng)零件号。封装规格确定每个组件的封装尺寸。第一步应根据可(kě)用(yòng)面积和焊接方法，确保每个引脚的裸露铜都放置在正确的位置，并且比组件引脚稍大（3至20mil）。pcb设计封装时，请考虑组装，并遵循制造商(shāng)建议的pcb封装。有(yǒu)些组件采用(yòng)微观封装，因此没有(yǒu)多(duō)余的铜余量。即使在这些情况下，也应在板上的每个引脚之间施加2.5至3mil的阻焊条。遵循10的规则。小(xiǎo)通孔的最终孔径為(wèi)10mil，另外还有(yǒu)10mil的焊盘环。走線(xiàn)应距板边缘10mil或更長(cháng)。走線(xiàn)间距為(wèi)10mil（5mil气隙，5mil走線(xiàn)宽度，1盎司铜）。直径為(wèi)40 mil或更大的通孔应增加焊盘环以提高可(kě)靠性。对于从平面到引脚的外层铜平面，应设置超出设计规则的15至25mil的额外间隙。这降低了在所有(yǒu)焊点上桥接的风险。

元件放置

下一步将放置组件，并根据热管理(lǐ)，功能(néng)和電(diàn)气噪声因素确定组件位置。在分(fēn)配了元件的轮廓和互连位置之后，便开始了第一遍元件放置步骤。放置各个组件后，应立即进行放置审查并进行调整，以方便布線(xiàn)和优化性能(néng)。通常会重新(xīn)考虑布局和包装尺寸，并在此时根据尺寸和成本进行更改。吸收超过10 mW或传导超过10 mA電(diàn)流的组件应被视為(wèi)功率强大，足以考虑其他(tā)热和電(diàn)因素。敏感信号应通过平面与噪声源隔离开，并保持阻抗受控。  電(diàn)源管理(lǐ)组件应利用(yòng)接地平面或電(diàn)源平面进行热流。根据可(kě)接受的连接電(diàn)压降进行大電(diàn)流连接。大電(diàn)流路径的层转换应在每个层转换处使用(yòng)两个到四个通孔，在层转换处放置多(duō)个通孔以提高可(kě)靠性，减少電(diàn)阻和電(diàn)感损耗并提高热导率。

散热问题

IC产生的热量从器件传递到pcb的铜层（图3）。理(lǐ)想的散热设计将使整个電(diàn)路板温度相同。铜的厚度，层数，热路径的连续性和電(diàn)路板面积将直接影响组件的工作温度。 

（图3）

為(wèi)轻松降低工作温度，请使用(yòng)多(duō)层直接连接到带有(yǒu)多(duō)个过孔的热源的实心接地层或電(diàn)源层。有(yǒu)效的热传导可(kě)以使热均匀地从热源分(fēn)布到整个PCB板上，从而明显降低温度。

 

（有(yǒu)效的热传导可(kě)以使热从热源均匀地分(fēn)布到PCB板表面）

在热量分(fēn)布均匀的情况下，可(kě)以使用(yòng)以下公式估算表面温度：

P =（热对流）x面积x（ΔT）     

解释：

P =電(diàn)路板上的功耗

面积=電(diàn)路板（X轴x Y轴）

ΔT=表面温度–环境温度

热对流 =基于环境条件的对流常数

微调元件放置

元件应按以下顺序排列:连接器、電(diàn)源電(diàn)路、敏感電(diàn)路和精密電(diàn)路、关键電(diàn)路元件，然后依次排列。原理(lǐ)图是围绕pcb上的每个部分(fēn)建立的，并且是完全互连的。電(diàn)路的路由优先级是根据功率级别、噪声敏感性或产生和布線(xiàn)能(néng)力来选择的。

通常，走線(xiàn)宽度為(wèi)10到20mil，用(yòng)于承载10到20 mA的走線(xiàn)，走線(xiàn)宽度為(wèi)5到8 mil，用(yòng)于承载小(xiǎo)于10 mA的電(diàn)流。与高阻抗节点一起布線(xiàn)时，应仔细考虑高频（大于3 MHz）和快速变化的信号。

设计人员应检查布局，并应迭代地调整物(wù)理(lǐ)位置和布線(xiàn)路径，直到针对所有(yǒu)设计约束对電(diàn)路进行优化為(wèi)止。层数取决于功率水平和复杂性。成对的添加层，因為(wèi)以这种方式制作了铜包层。電(diàn)源信号和平面的布線(xiàn)，接地方案以及電(diàn)路板按预期使用(yòng)的能(néng)力都会影响操作。

最终检查应包括验证敏感节点和電(diàn)路是否正确屏蔽了噪声源，引脚和过孔之间是否存在阻焊层以及丝印是否清晰简洁。确定层堆叠时，请使用(yòng)组件侧下方的第一内层作為(wèi)接地，并将電(diàn)源平面分(fēn)配给其他(tā)层。以使電(diàn)路板相对于Z轴中点平衡的方式创建堆栈。

考虑pcb设计师在审阅过程中遇到的任何问题，并根据审阅产生的反馈对pcb进行校正。在每次审核迭代期间创建并验证更改列表，直到最终确定電(diàn)路板為(wèi)止。在布局的所有(yǒu)阶段中，请使用(yòng)设计规则检查器（DRC）保持设计错误无误。DRC只能(néng)捕获已编程监控的错误，并且DRC规则集通常会根据个别设计而更改。至少，设计规则检查应涵盖封装之间的间距，未连接的网络（标识電(diàn)路中每个节点的名称），短路的网络，是否存在气隙，如果过孔离焊盘太近，如果过孔彼此之间的距离太近，并且违反了垂直间隙。

可(kě)以设置许多(duō)其他(tā)重要的DRC规则以确保稳健的设计，并且应该对其进行研究和理(lǐ)解。例如，将间隙保持在5mil或以上。通孔不应位于表面贴装焊盘内（除非回填）。并且，阻焊层应位于所有(yǒu)焊点之间。

成本通常是pcb设计背后的驱动因素，因此要了解pcb制造中的成本增加因素。典型的pcb板為(wèi)两到四层，没有(yǒu)直径小(xiǎo)于10mil的钻孔，最小(xiǎo)气隙和走線(xiàn)宽度為(wèi)5mil。标准FR-4的厚度也应為(wèi)0.062英寸，铜箔的重量应為(wèi)1盎司。额外的层，超厚或薄板，焊盘中的过孔，回填过孔（由于导電(diàn)性限制和热膨胀差异而优选不导電(diàn)），盲孔/埋孔和交货时间都增加了总成本。

pcb设计开始时应了解制造商(shāng)的能(néng)力。在设计可(kě)制造性pcb时，通常会就功能(néng)和降低成本的技术定期与IC公司联系。

总结

pcb设计可(kě)能(néng)很(hěn)复杂，但是通过一些技巧和实践就可(kě)以设计出优质的電(diàn)路板。