掌握PCB设计基础艺术

2021-09-02

掌握PCB设计基础艺术

要成为一名熟练的设计师，了解 PCB设计的基础知识至关重要。适当的组件选择、原理图检查以及最终 QC 的知识对于成功的设计至关重要。 

PCB设计简述

印刷电路板设计从创建概念框图开始。使用 CAD 软件将此框图转换为原理图设计。示意图是元件符号和它们之间的网络连接的表示。网是板上的痕迹。 

预布局是在设计过程中，其中的下一个阶段BOM（物料清单）从原理验证长期前置时间分量的和过时的组件。验证涉及验证制造商部件号 (MPN) 和供应商部件号 (VPN)。此外，此阶段包括堆叠设计。

接下来是PCB布局阶段。它涉及设置电路板参数、确定其轮廓、布置组件以及生成生产文档。 

电路板示意图

PCB设计基础

在设计新的 PCB时，必须坚持 设计基础。如果忽视，就会导致电路板设计不佳，制造起来非常困难。因此，需要注意以下几个概念：

PCB设计的基本考虑

选择合适的组件和封装尺寸

作为电路板设计师，您应该彻底研究 BOM 并检查设计中的零件。当板上有足够的空间时，您可以为电阻器和电容器选择更大的组件。使用 0603 或 0805 尺寸的电容器/电阻器代替 0402/0201 是有益的。如果您有间距问题，请选择组件的较小封装版本。此外，根据所需的电流、电压和频率选择合适的组件和封装。

较小的组件由不同的供应商制造。它允许设计人员在不修改原理图或布局的情况下选择替代部件，为没有库存的组件提供及时的解决方案。

此外，在 PCB设计阶段确定合适的封装尺寸至关重要。建议仅在必要时选择较小的封装；否则，请选择更大的包裹。使用过多的小元件封装会在电路板组装过程中产生问题，从而导致清洁和返工过程中的困难。  

一旦确定了理想的封装尺寸，您就可以选择相同密度类别的组件。

PCB上的小尺寸元件

 避免提前期过长的组件

组件的不可用会导致相当大的延迟。因此，最好在确认组件间距的同时检查可用性。如果您的组件有很长的交货期，请立即订购。具有相同占用空间的替代组件可能是有益的。组装供应商还可以采购广泛可用的零件，以便在组装电路板时可以随时使用每个组件。

原理图检查

原理图是结构良好的电路图，表示各种电子元件之间的电气连接。

PCB原理图示例

原理图设计基础知识经常被忽视。确保您验证以下内容：

验证元件符号中的引脚编号和标签

所有极化组件的极性检查

重叠标签和图钉

根据原理图符号、数据表和封装封装确保基极、集电极和发射极引脚

验证组件值、位置和参考标志

原理图符号说明

页外连接器

检查工作表间参考

根据信号类型（模拟、数字、信号、接地）检查所有 IC 的去耦电容器、接地引脚分离

网表检查设计正确性和错误连接

为所有重要信号添加测试点

需要测试点来检查电路板的导电性。有必要为所有重要信号添加测试点，以方便电气测试（E-test）和在线测试（ICT）。请注意以下事项：

板面：如果可能，所有测试点应位于板的同一侧，以方便测试。 

最小测试点距离：测试点之间的最小距离为 0.100 英寸。它最大限度地提高了测试效率。 

测试点分布：将测试点均匀分布在电路板上，使用多个探针可以更轻松地进行测试。

较高组件的区域：指定较高组件的区域可以简化测试。

制造公差：确保在设计布局以容纳测试点空间时考虑制造公差。

在设计时确保您的BOM是最新的

一个BOM 是所有生产产品所需的所有组件的详细列表。在设计时保持BOM是最新的，如果您对设计进行任何更改，请确保您也在材料清单中实施了这些更改。例如，如果您更改原理图中的零件编号，则也要更新BOM。 

在验证BOM文件之前，请确保其中包含所有活动零件。应根据以下字段验证部件： 

序列号

部分说明

与原理图匹配的代号

零件数量

MPN 

虚拟专用网 

DNI（不安装）组件

物料清单示例

PCB设计中的叠层准备

堆叠是 PCB设计基础中的一个重要属性。它以顺序方式定义了多层电路板的结构。Stack- up提供有关材料厚度和铜重量的信息，这些信息对于电路板制造至关重要。当电路板被精确堆叠时，电磁辐射和串扰会减少，信号完整性也会得到改善。

了解电路板的机械限制，包括电路板厚度和组件高度。了解受控阻抗要求（包括差分对的数量）很重要，因为它会影响电路板的层数。电路板的布线密度也会影响层数。根据最快的上升时间选择PCB材料。

典型的多层PCB堆叠

使用我们的免费叠层规划器验证叠层的可制造性。规划器需要以下参数：

PCB材料（FR4、I-Speed、Rogers 等）取决于频率要求和环境。

层包括信号层和电源层。

阻抗要求，例如 50Ω 单端、90Ω 差分或 100Ω 差分

铜厚度（½ 或 1 或 2 盎司）

仔细检查您的足迹发展

原理图、完整的 BOM 和叠层是电路板的支柱。当某些组件采用标准化封装时，更容易为它们创建封装。在大多数情况下，标准包的封装在软件库（Altium Designer、Allegro 等）中可用。否则，您必须根据组件的数据表创建它。

确认库组件与数据表中提供的推荐焊盘图案匹配。设计完您的足迹后，请进行质量检查。标记您的组件方向。必须检查封装的顶视图和底视图、引脚间距和高度。根据焊盘图案确保封装的准确性将消除组装过程中的问题。

要识别正确的部件及其焊盘图案，必须准确使用数据表中的编号键。对数据表的错误解释将导致错误的封装，这可能需要对电路板进行整个重新设计和重新制造。

下图显示了编号键和各种封装的示例。

显示型号及其相关引脚的图表

组件的放置

一旦电路板的机制最终确定，接下来就是放置组件。在PCB上正确放置组件可带来更好的性能和信号质量。它从根据设计要求放置在指定位置的零件开始。这些组件通常由连接器及其相关部件组成。随后，CPU、内存和模拟电路等主要部件将被放置在适当的位置。第三步涉及放置辅助元件，例如晶体、去耦电容器和串联电阻。  

另请阅读，如何在 KiCad 中放置组件

注意：确保机械图纸包括安装孔的位置和关键位置和旋转的零件。检查图纸的顶部和底部是否有任何高度限制。

在 PCB上正确放置元件

PCB布线

布线始于为物理间距和阻抗规则设置设计规则。应根据不同电路的电流要求进行走线宽度计算。相应地为网络分配适当的规则。所有受控阻抗走线必须有一个连续的参考平面层。 

的过程中的路由涉及铺设铜迹线的节点之间。该导电路径由连接节点的走线、通孔和弧线的放置定义。布线后，建立电源/地平面连接。

PCB制作图

精心设计的制造图可以节省时间、降低成本并消除麻烦。制造图包含有关电路板制造和机械的信息。它包括叠层信息、制造说明、IPC 标准和阻抗说明。

Fab 图纸以 PDF 格式发送给制造商。晶圆厂图纸应包含制造电路板所需的所有必要细节。它应该主要包括：

电路板尺寸

董事会大纲

钻孔图

叠图

蚀刻公差和铜迹

制造图示例

板组装图

PCB装配图包含装配电路板所需的所有信息。此绘图可以是 .pdf 或 .jpg 格式，并且可以包括组件轮廓、表面贴装和通孔焊盘、极性标记、电路板轮廓和标题。

此外，装配图包括以下几个关键点：

组件轮廓：确保显示所有组件形状及其各自的焊接参考代号。它还包括要压入或与安装硬件连接的组件。

附加视图：双面板通常需要正面和背面的视图。如果 PCB 很小，两个视图都可以放在一张纸上，否则，您将需要包含额外的纸。

制造标签：使用指针识别制造标签，例如条形码或装配标签，并在注释中引用它们。

组装说明：这些是包含组装信息、行业标准和规范以及特殊功能位置的一组说明。

最终 QC 并导出正确的 Gerber 文件

一旦布局已经完成，最后的步骤是运行一组检查。在此步骤中，执行DFM（可制造性设计）以验证与设计相关的潜在问题。这些测试将消除制造过程中可能发生的问题。使用 Sierra Circuits更好的 DFM 工具，您可以验证设计的可制造性。分析您的设计文件（Gerber 格式），并显示有关设计规则中错误的详细信息。

最终的可交付成果集应包括所有gerber文件，包括制造和装配图、钻孔文件、IPC-356、ODB++和用于装配的 XY 放置文件。有了这些信息，您的制造厂就可以在电路板上执行制造设计 (DFM) 和装配设计(DFA) 检查。

如果您想了解更多相关的 PCB设计、制造和组装，请在评论部分告诉我们。我们很乐意为您提供帮助。