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高品質(zhì)PCB設(shè)計

技術(shù)專題

高品質(zhì)PCB設(shè)計


實際上,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,計算機和娛樂設(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)計師都可以為任何目的創(chuàng)建高品質(zhì)PCB設(shè)計,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)計要求的同時按計劃并在預(yù)算內(nèi)完成這些設(shè)計。設(shè)計人員需要考慮必要的文檔,pcb設(shè)計步驟和策略以及最終檢查。

基本設(shè)計流程

理想的pcb設(shè)計始于需求分析,并一直持續(xù)到最終的交付(圖1)。在拿到了項目之后,應(yīng)確定pcb需求分析,該需求包pcb括設(shè)計的功能,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。

pcb設(shè)計流程

(圖1)

材料清單

在創(chuàng)建原理圖的同時,應(yīng)生成物料清單(BOM)。在考慮公差標(biāo)準(zhǔn)的同時,應(yīng)通過分析電路每個節(jié)點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,因為它們定義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解釋標(biāo)識和電路位置,并解釋用于面積估計的每個零件的尺寸。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topbottom、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行所必需的信息。原理圖應(yīng)包括足夠的設(shè)計細(xì)節(jié),例如引腳號,名稱,組件值和額定值(圖2)。

 pcb設(shè)計原理圖

(圖1)

每個原理圖符號中都有用于確定價格和規(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(320mil)。pcb設(shè)計封裝時,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)計規(guī)則的15至25mil的額外間隙。這降低了在所有焊點上橋接的風(fēng)險。

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。 

pcb設(shè)計散熱

(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。

 pcb熱傳導(dǎo)

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xΔT     

解釋:

P =電路板上的功耗

面積=電路板(Xx 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1020mil,用于承載1020 mA的走線,走線寬度為58 mil,用于承載小于10 mA的電流。與高阻抗節(jié)點一起布線時,應(yīng)仔細(xì)考慮高頻(大于3 MHz)和快速變化的信號。

設(shè)計人員應(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,因為以這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)包括驗證敏感節(jié)點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,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軸中點平衡的方式創(chuàng)建堆棧。

考慮pcb設(shè)計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)計規(guī)則檢查器(DRC)保持設(shè)計錯誤無誤。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)計而更改。至少,設(shè)計規(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,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)位于所有焊點之間。

成本通常是pcb設(shè)計背后的驅(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/埋孔和交貨時間都增加了總成本。

pcb設(shè)計開始時應(yīng)了解制造商的能力。在設(shè)計可制造性pcb時,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)計可能很復(fù)雜,但是通過一些技巧和實踐就可以設(shè)計出優(yōu)質(zhì)的電路板。

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