掌握PCB設計基礎藝術

2021-09-02

掌握PCB設計基礎藝術

要成為一名熟練的設計師，了解 PCB設計的基礎知識至關重要。適當的組件選擇、原理圖檢查以及最終 QC 的知識對于成功的設計至關重要。 

PCB設計簡述

印刷電路板設計從創建概念框圖開始。使用 CAD 軟件將此框圖轉換為原理圖設計。示意圖是元件符號和它們之間的網絡連接的表示。網是板上的痕跡。 

預布局是在設計過程中，其中的下一個階段BOM（物料清單）從原理驗證長期前置時間分量的和過時的組件。驗證涉及驗證制造商部件號 (MPN) 和供應商部件號 (VPN)。此外，此階段包括堆疊設計。

接下來是PCB布局階段。它涉及設置電路板參數、確定其輪廓、布置組件以及生成生產文檔。 

電路板示意圖

PCB設計基礎

在設計新的 PCB時，必須堅持 設計基礎。如果忽視，就會導致電路板設計不佳，制造起來非常困難。因此，需要注意以下幾個概念：

PCB設計的基本考慮

選擇合適的組件和封裝尺寸

作為電路板設計師，您應該徹底研究 BOM 并檢查設計中的零件。當板上有足夠的空間時，您可以為電阻器和電容器選擇更大的組件。使用 0603 或 0805 尺寸的電容器/電阻器代替 0402/0201 是有益的。如果您有間距問題，請選擇組件的較小封裝版本。此外，根據所需的電流、電壓和頻率選擇合適的組件和封裝。

較小的組件由不同的供應商制造。它允許設計人員在不修改原理圖或布局的情況下選擇替代部件，為沒有庫存的組件提供及時的解決方案。

此外，在 PCB設計階段確定合適的封裝尺寸至關重要。建議僅在必要時選擇較小的封裝；否則，請選擇更大的包裹。使用過多的小元件封裝會在電路板組裝過程中產生問題，從而導致清潔和返工過程中的困難。  

一旦確定了理想的封裝尺寸，您就可以選擇相同密度類別的組件。

PCB上的小尺寸元件

 避免提前期過長的組件

組件的不可用會導致相當大的延遲。因此，最好在確認組件間距的同時檢查可用性。如果您的組件有很長的交貨期，請立即訂購。具有相同占用空間的替代組件可能是有益的。組裝供應商還可以采購廣泛可用的零件，以便在組裝電路板時可以隨時使用每個組件。

原理圖檢查

原理圖是結構良好的電路圖，表示各種電子元件之間的電氣連接。

PCB原理圖示例

原理圖設計基礎知識經常被忽視。確保您驗證以下內容：

驗證元件符號中的引腳編號和標簽

所有極化組件的極性檢查

重疊標簽和圖釘

根據原理圖符號、數據表和封裝封裝確?；鶚O、集電極和發射極引腳

驗證組件值、位置和參考標志

原理圖符號說明

頁外連接器

檢查工作表間參考

根據信號類型（模擬、數字、信號、接地）檢查所有 IC 的去耦電容器、接地引腳分離

網表檢查設計正確性和錯誤連接

為所有重要信號添加測試點

需要測試點來檢查電路板的導電性。有必要為所有重要信號添加測試點，以方便電氣測試（E-test）和在線測試（ICT）。請注意以下事項：

板面：如果可能，所有測試點應位于板的同一側，以方便測試。 

最小測試點距離：測試點之間的最小距離為 0.100 英寸。它最大限度地提高了測試效率。 

測試點分布：將測試點均勻分布在電路板上，使用多個探針可以更輕松地進行測試。

較高組件的區域：指定較高組件的區域可以簡化測試。

制造公差：確保在設計布局以容納測試點空間時考慮制造公差。

在設計時確保您的BOM是最新的

一個BOM 是所有生產產品所需的所有組件的詳細列表。在設計時保持BOM是最新的，如果您對設計進行任何更改，請確保您也在材料清單中實施了這些更改。例如，如果您更改原理圖中的零件編號，則也要更新BOM。 

在驗證BOM文件之前，請確保其中包含所有活動零件。應根據以下字段驗證部件： 

序列號

部分說明

與原理圖匹配的代號

零件數量

MPN 

虛擬專用網 

DNI（不安裝）組件

物料清單示例

PCB設計中的疊層準備

堆疊是 PCB設計基礎中的一個重要屬性。它以順序方式定義了多層電路板的結構。Stack- up提供有關材料厚度和銅重量的信息，這些信息對于電路板制造至關重要。當電路板被精確堆疊時，電磁輻射和串擾會減少，信號完整性也會得到改善。

了解電路板的機械限制，包括電路板厚度和組件高度。了解受控阻抗要求（包括差分對的數量）很重要，因為它會影響電路板的層數。電路板的布線密度也會影響層數。根據最快的上升時間選擇PCB材料。

典型的多層PCB堆疊

使用我們的免費疊層規劃器驗證疊層的可制造性。規劃器需要以下參數：

PCB材料（FR4、I-Speed、Rogers 等）取決于頻率要求和環境。

層包括信號層和電源層。

阻抗要求，例如 50Ω 單端、90Ω 差分或 100Ω 差分

銅厚度（? 或 1 或 2 盎司）

仔細檢查您的足跡發展

原理圖、完整的 BOM 和疊層是電路板的支柱。當某些組件采用標準化封裝時，更容易為它們創建封裝。在大多數情況下，標準包的封裝在軟件庫（Altium Designer、Allegro 等）中可用。否則，您必須根據組件的數據表創建它。

確認庫組件與數據表中提供的推薦焊盤圖案匹配。設計完您的足跡后，請進行質量檢查。標記您的組件方向。必須檢查封裝的頂視圖和底視圖、引腳間距和高度。根據焊盤圖案確保封裝的準確性將消除組裝過程中的問題。

要識別正確的部件及其焊盤圖案，必須準確使用數據表中的編號鍵。對數據表的錯誤解釋將導致錯誤的封裝，這可能需要對電路板進行整個重新設計和重新制造。

下圖顯示了編號鍵和各種封裝的示例。

顯示型號及其相關引腳的圖表

組件的放置

一旦電路板的機制最終確定，接下來就是放置組件。在PCB上正確放置組件可帶來更好的性能和信號質量。它從根據設計要求放置在指定位置的零件開始。這些組件通常由連接器及其相關部件組成。隨后，CPU、內存和模擬電路等主要部件將被放置在適當的位置。第三步涉及放置輔助元件，例如晶體、去耦電容器和串聯電阻。  

另請閱讀，如何在 KiCad 中放置組件

注意：確保機械圖紙包括安裝孔的位置和關鍵位置和旋轉的零件。檢查圖紙的頂部和底部是否有任何高度限制。

在 PCB上正確放置元件

PCB布線

布線始于為物理間距和阻抗規則設置設計規則。應根據不同電路的電流要求進行走線寬度計算。相應地為網絡分配適當的規則。所有受控阻抗走線必須有一個連續的參考平面層。 

的過程中的路由涉及鋪設銅跡線的節點之間。該導電路徑由連接節點的走線、通孔和弧線的放置定義。布線后，建立電源/地平面連接。

PCB制作圖

精心設計的制造圖可以節省時間、降低成本并消除麻煩。制造圖包含有關電路板制造和機械的信息。它包括疊層信息、制造說明、IPC 標準和阻抗說明。

Fab 圖紙以 PDF 格式發送給制造商。晶圓廠圖紙應包含制造電路板所需的所有必要細節。它應該主要包括：

電路板尺寸

董事會大綱

鉆孔圖

疊圖

蝕刻公差和銅跡

制造圖示例

板組裝圖

PCB裝配圖包含裝配電路板所需的所有信息。此繪圖可以是 .pdf 或 .jpg 格式，并且可以包括組件輪廓、表面貼裝和通孔焊盤、極性標記、電路板輪廓和標題。

此外，裝配圖包括以下幾個關鍵點：

組件輪廓：確保顯示所有組件形狀及其各自的焊接參考代號。它還包括要壓入或與安裝硬件連接的組件。

附加視圖：雙面板通常需要正面和背面的視圖。如果 PCB 很小，兩個視圖都可以放在一張紙上，否則，您將需要包含額外的紙。

制造標簽：使用指針識別制造標簽，例如條形碼或裝配標簽，并在注釋中引用它們。

組裝說明：這些是包含組裝信息、行業標準和規范以及特殊功能位置的一組說明。

最終 QC 并導出正確的 Gerber 文件

一旦布局已經完成，最后的步驟是運行一組檢查。在此步驟中，執行DFM（可制造性設計）以驗證與設計相關的潛在問題。這些測試將消除制造過程中可能發生的問題。使用 Sierra Circuits更好的 DFM 工具，您可以驗證設計的可制造性。分析您的設計文件（Gerber 格式），并顯示有關設計規則中錯誤的詳細信息。

最終的可交付成果集應包括所有gerber文件，包括制造和裝配圖、鉆孔文件、IPC-356、ODB++和用于裝配的 XY 放置文件。有了這些信息，您的制造廠就可以在電路板上執行制造設計 (DFM) 和裝配設計(DFA) 檢查。

如果您想了解更多相關的 PCB設計、制造和組裝，請在評論部分告訴我們。我們很樂意為您提供幫助。