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技術(shù)專題
高品質(zhì)PCB設(shè)計(jì)
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。大量創(chuàng)建了用于便攜式電子設(shè)備，計(jì)算機(jī)和娛樂設(shè)備的pcb。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)建高品質(zhì)PCB設(shè)計(jì)，并確信結(jié)果將達(dá)到或超過目標(biāo)。同樣，可以在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)按計(jì)劃并在預(yù)算內(nèi)完成這些設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員需要考慮必要的文檔，pcb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)始于需求分析，并一直持續(xù)到最終的交付（圖1）。在拿到了項(xiàng)目之后，應(yīng)確定pcb需求分析，該需求包pcb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。應(yīng)解決環(huán)境溫度范圍和與工作環(huán)境有關(guān)的問題，并用于指定為pcb選擇的材料。選擇組件和pcb材料時(shí)應(yīng)注意所有可預(yù)期和潛在形式的威脅，保證pcb能在使用壽命期間內(nèi)能正常工作。根據(jù)該原理圖繪制了電路原理圖。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布局，并為每個電路的原理圖塊指定區(qū)域。
（圖1）
材料清單
在創(chuàng)建原理圖的同時(shí)，應(yīng)生成物料清單（BOM）。在考慮公差標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，應(yīng)通過分析電路每個節(jié)點(diǎn)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(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同步。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(shí)解釋標(biāo)識和電路位置，并解釋用于面積估計(jì)的每個零件的尺寸。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文件
pcb的文件應(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。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、阻焊層頂部和底部、所有金屬層、錫膏top和bottom、組件圖（XY坐標(biāo)）、裝配圖的頂部和底部、鉆取文件、轉(zhuǎn)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（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(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)包括足夠的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如引腳號，名稱，組件值和額定值（圖2）。
（圖1）
每個原理圖符號中都有用于確定價(jià)格和規(guī)格的制造商零件號。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，并且比組件引腳稍大（3至20mil）。pcb設(shè)計(jì)封裝時(shí)，請考慮組裝，并遵循制造商建議的pcb封裝。有些組件采用微觀封裝，因此沒有多余的銅余量。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3mil的阻焊條。遵循10的規(guī)則。小通孔的最終孔徑為10mil，另外還有10mil的焊盤環(huán)。走線應(yīng)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(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25mil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(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(shí)根據(jù)尺寸和成本進(jìn)行更改。吸收超過10 mW或傳導(dǎo)超過10 mA電流的組件應(yīng)被視為功率強(qiáng)大，足以考慮其他熱和電因素。敏感信號應(yīng)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(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。大電流路徑的層轉(zhuǎn)換應(yīng)在每個層轉(zhuǎn)換處使用兩個到四個通孔，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。
（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(shí)心接地層或電源層。有效的熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(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
元件應(yīng)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(jù)功率級別、噪聲敏感性或產(chǎn)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(jié)點(diǎn)一起布線時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮高頻（大于3 MHz）和快速變化的信號。
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。成對的添加層，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(shí)，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)師在審閱過程中遇到的任何問題，并根據(jù)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(yàn)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(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)涵蓋封裝之間的間距，未連接的網(wǎng)絡(luò)（標(biāo)識電路中每個節(jié)點(diǎn)的名稱），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5mil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(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(shí)間都增加了總成本。
pcb設(shè)計(jì)開始時(shí)應(yīng)了解制造商的能力。在設(shè)計(jì)可制造性pcb時(shí)，通常會就功能和降低成本的技術(shù)定期與IC公司聯(lián)系。
總結(jié)
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。