線路板設計介紹和基礎

2020-03-22

我們周圍都是電子設備。這些設備有些微妙，而另一些吸引了很多注意力。但是，無論該設備是用于靜默監視您的健康的設備，還是智能手機會不斷干擾您的煩惱，它們的核心都是某種印刷線路板設計。

自第二次世界大戰以來，印刷線路板設計被開發用于軍事用途。一旦將該技術發布用于商業用途，電子制造商便迅速采用了該技術，因為它提供了比傳統的點對點電子產品更具成本效益的解決方案。 

多年來，線路板設計制造不斷增長，以適應更新，更快，更復雜的電子電路的不斷增長的需求。如何創建PCB來完成所需的工作是可以填補一個庫的主題，但是我們將在此處為您提供設計印刷線路板設計的基本知識。

什么是印刷線路板設計？

印刷線路板設計是一種剛性結構，其中包含由稱為跡線的嵌入式金屬線和稱為平面的較大金屬區域組成的電路。將電子組件焊接到板的頂層，底層或兩層上的金屬焊盤上。這些焊盤連接到板電路，允許組件互連在一起。該板可以由單層電路，頂部和底部的電路或堆疊在一起的多層電路組成。 

線路板設計由導電性能差的介電芯材料制成，以使電路傳輸盡可能純凈，然后根據需要與其他金屬和介電層隔開。用于線路板設計的標準介電材料是玻璃纖維編織布和環氧樹脂的阻燃復合材料，稱為FR-4，而電路的金屬走線和平面通常由銅組成。

印刷線路板設計有多種用途。您可以在玩具或控制器中找到簡單的線路板設計，而在計算機和電信中則使用更高一級線路板設計。 

有些板是用撓性材料制成的，因此允許它們在需要它們圍繞設備其他功能部件彎曲的獨特情況和外殼中使用。有些板由于工作在高頻率下而用特殊的材料制成，而另一些板中則有厚厚的銅層，用于工業控制面板和其他類似應用中的高功率電路。 

有些板是為極端環境而設計的，例如地下傳感器或汽車的發動機艙。專用線路板設計用于航空，航天和軍事應用，對它們的制造和性能施加嚴格的公差。

盡管印刷線路板設計有許多不同的應用，但是它們通常是按照通用過程進行設計的。這就是我們接下來要研究的內容。 

印刷線路板設計設計過程

要構建物理線路板設計，您必須首先設計它，這是使用PCB設計CAD工具完成的。PCB設計分為兩個主要類別：原理圖捕獲以在圖中創建電路連接，然后PCB布局以設計實際的物理線路板設計。

第一步是開發設計所需的庫CAD零件。這將包括原理圖符號，仿真模型，PCB布局的占位面積以及3D印刷線路板設計顯示器的臺階模型。一旦庫準備就緒，下一步就是在原理圖上創建電路的邏輯表示。CAD工具用于將符號放置在原理圖圖紙上，然后將它們連接在一起以形成電路。 

同時，進行電路仿真以驗證設計是否可以按預期的方式進行電氣工作。完成這些任務后，原理圖工具會將其連接性數據發送到布局工具。

在PCB設計的布局方面，接收原理圖連通性并將其作為將兩個或多個組件引腳連接在一起的網絡進行處理。在屏幕上顯示出預期的線路板設計形狀輪廓后，布局設計人員會將組件的封裝放置在正確的位置。一旦對這些組件進行了更佳組織，下一步就是通過繪制引腳之間的走線和平面將網絡連接到引腳。CAD工具將具有內置的設計規則，這些規則可防止一個網的痕跡接觸另一個網，并控制完整設計所需的許多其他寬度和空間。布線完成后，設計工具將再次用于創建制造圖紙以及制造商將用于構建線路板設計的輸出文件。

線路板設計的設計和制造是一個逐步的過程：原理圖創建和仿真，設置PCB設計網格和DRC，組件放置，PCB布線，電源平面，最后組裝BOM和構建線路板設計。接下來，我們將在這些步驟中更深入地研究。 

如何逐步制作印刷線路板設計

盡管印刷線路板設計組件的設計和制造可以概括為原理圖捕獲，PCB布局以及線路板設計的制造和組裝，但每個步驟的細節都非常復雜。我們將在這里查看這些步驟中每個步驟的一些更具體方面。

使用原理圖符號識別電子元件的原理圖創建

在可以使用CAD工具進行線路板設計設計之前，必須確保首先具有要使用的庫零件。對于原理圖，這意味著為要使用的零件創建邏輯符號。電阻器，電容器，電感器，連接器和集成電路（IC）。這些零件準備就緒后，您就可以開始在CAD工具中的原理圖圖紙上進行組織。將零件粗略放置后，即可繪制原理圖符號引腳之間的連接線。這些線稱為網絡，它們可以表示單個網絡，或用于存儲器或數據電路的網絡組。在原理圖捕獲過程中，您可以根據需要移動零件和網絡以更好地創建所需的電路。如果您愿意，請閱讀本手冊以了解有關原理圖符號的更多信息。請在此處查看有關原理圖捕獲過程的更多信息

將SPICE與演示電路和網表一起使用以模擬電路

在原理圖上組織好零件和電路網之后，下一步就是驗證繪制的電路是否可以按照您打算的方式工作。為了驗證這一點，您將在帶有集成電路增強功能的仿真程序中對電路進行仿真，該工具也稱為SPICE。這些工具使PCB工程師可以在構建實際硬件之前測試其設計的電路。這樣，他們可以節省時間和金錢，使這些工具成為PCB設計過程中必不可少的部分。 PCB設計網格，用于布線驗證程序的DRC和其他CAD工具設置

PCB設計人員使用的設計工具具有許多不同的功能。其中包括建立設計規則和約束的能力，這些規則和約束將使您避免接觸不應該連接的網絡，并保持距不同對象的正確距離。您還可以使用其他許多輔助工具，例如設計網格，可以幫助您以整齊有序的方式放置組件和布線。  

精確的元件放置布局以實現好的性能

正確設置設計數據庫，并且已從原理圖導入網絡連接信息，就可以開始線路板設計的物理布局了。此處的第一步是將組件占位面積放置在CAD系統的線路板設計輪廓內。每個封裝都會將網絡連接顯示為“橡皮筋”圖像，以向您顯示它們所連接的部分。您需要考慮這些零件的連接，過熱和電噪聲的區域以及其他物理障礙物（例如連接器，電纜和安裝硬件）的影響，以使其達到更好性能。您還需要放置組件，以便制造商更好地組裝它們。

正確的PCB布線角度將使您的電路連接在一起

放置好組件后（盡管可以根據需要移動它們），是時候將網絡連接在一起了。這可以通過將橡皮筋網連接轉換為繪制的跡線和平面來完成。您的CAD工具將具有許多使您能夠做到這一點的功能，其中包括一些可以節省大量時間的自動路由功能。但是，在布線時必須格外小心，以確保網對于它們傳導的信號而言正確的長度，并確保它們不會穿過過多的噪聲區域。這可能會導致串擾或其他信號完整性問題，從而降低內置板的性能。

 電源和地平面，良好的PCB返回電流路徑的重要性

通常，板上的每個有源組件（IC和其他相關組件）都需要連接到電源和接地網絡。這可以通過用實心平面淹沒這些組件可以進入的區域或層來輕松實現。但是設計電源平面和接地平面并不像看起來那樣簡單。這些平面在返回由走線路由的信號方面也起著重要的作用。如果這些平面上有太多孔，切口或裂口，則可能導致這些返回路徑產生大量噪聲并降低PCB的性能。

 使用工具進行制造成本估算以及制造和裝配圖創建

完成組件放置，走線布線以及電源和接地平面后，您的PCB設計幾乎完成。下一步是對其進行最終規則檢查，并設置將在外部圖層上進行絲網印刷的不同文本和標記。這將幫助其他人找到組件，并在板子上貼上名稱，日期和版權信息。同時，您將創建在制造期間將用于制造和裝配最終板的工程圖。PCB設計人員還將使用他們的工具來估算構建線路板設計的成本，這樣以后就不會感到驚訝了。

 

有關準備用于制造的PCB設計的更多信息，您可以在此處閱讀有關制造成本估算和生成制造圖的步驟。

構建線路板設計：多層PCB制造工藝和PCB焊接工藝

至此，該板已準備就緒，第一步是將輸出數據文件發送到制造設施。此過程包括將所有跡線和平面蝕刻到不同的金屬層上，然后將它們全部壓縮在一起，從而形成可以組裝的裸板。在組裝工廠，線路板設計上裝有所需的組件，然后根據所用組件的類型進行不同的焊接過程。此后，將對線路板設計進行檢查和測試，然后將最終產品運送回給您。

它采用更高質量的PCB設計工具來創建高質量的PCB設計

印刷線路板設計的制造和組裝過程是精確且苛刻的。要構建線路板設計以使其電路提供所需的性能，就意味著制造商需要精確的設計數據來進行工作。您使用的PCB設計工具不僅需要這種復雜性和精確度，而且還必須具有創建復雜設計所需的特性和功能。這包括幫助您路由高速電路的復雜走線的特殊功能，以及可以輕松設置用于特定區域間隙的設計規則。它還包括擁有可用的仿真工具，以簡化原理圖捕獲過程，并提供大量可使用的庫部件。

好消息是，當今市場上已經有您可以使用的PCB設計工具可以處理我們一直在談論的這種級別的設計專業知識。具有Cadence 的PCB設計系統的示例具有我們在此討論的所有特性和功能。OrCAD PCB Designer具有工具和功能，可以將您的設計從概念到最終制造文件，都可以為您提供專業的幫助。使用CAD，您可以訪問庫，原理圖捕獲和SPICE工具以及所需的所有PCB布局功能。

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