最終，幾乎每個EE都必須設(shè)計PCB，這不是在學校教的東西。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)建高質(zhì)量的PCB，并確信結(jié)果將達到或超過目標。

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。PCB大量用于便攜式電子設(shè)備，計算機和娛樂設(shè)備。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)建高質(zhì)量的PCB，并確信結(jié)果將達到或超過目標。同樣，這些設(shè)計可以在滿足設(shè)計要求的同時按計劃并在預算內(nèi)完成。設(shè)計人員只需要考慮必要的文檔，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)計始于發(fā)現(xiàn)需要PCB的發(fā)現(xiàn)，并貫穿最終的生產(chǎn)電路板（圖1）。在確定了為什么需要PCB之后，應確定產(chǎn)品的最終概念。該概念包括設(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。

1.理想的PCB設(shè)計流程始于設(shè)計人員認識到必須滿足的需求，并且直到測試驗證設(shè)計可以滿足這些需求時才結(jié)束。

應解決環(huán)境溫度范圍和與操作環(huán)境有關(guān)的問題，并用于指定為PCB選擇的材料。必須選擇組件和PCB材料，以保證在其使用壽命期間可能遭受的所有預期和潛在的脅迫形式下運行。

根據(jù)該原理圖繪制電路原理圖。此詳細圖顯示了PCB每種功能的電氣實現(xiàn)方式。繪制原理圖后，應完成最終PCB尺寸的逼真圖，并為每個電路的原理圖塊（由于電氣原因或約束而緊密連接的組件組）指定區(qū)域。

材料清單

在創(chuàng)建原理圖的同時，應生成物料清單（BOM）。在考慮公差標準的同時，應通過分析電路每個節(jié)點的最大工作電壓和電流水平來選擇電路中的組件。選擇了令人滿意的電氣組件后，應根據(jù)可用性，預算和尺寸重新考慮每個組件。

BOM必須始終與原理圖保持最新。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，在準確描述用于購買和替換的每個電路元件的同時解釋標識和電路位置，并解釋用于面積估算的每個零件的尺寸。可能會添加其他描述，但它應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)和管理過于復雜。

PCB文檔

PCB的文檔應包括硬件尺寸圖，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。用戶指南也很有用，但不是必需的。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

? 阻焊膜頂部和底部

? 所有金屬層

? 粘貼面膜頂部和底部

? 組件圖（XY坐標）

? 裝配圖的頂部和底部

? 鉆取文件

? 鉆傳奇

? 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，該器件在器件下方具有多個引腳），盲孔/埋孔通孔，表面光潔度和流平度，孔公差，層數(shù)等。

原理圖細節(jié)

原理圖控制著項目，因此準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。原理圖應包含足夠的設(shè)計細節(jié)，例如引腳號，名稱，組件值和額定值（圖2）

2.正確的原理圖，例如IDTP9021R無線電源接收器的降壓穩(wěn)壓器模塊的原理圖，包括引腳號，名稱，組件值，額定值和其他重要細節(jié)。

每個原理圖符號中嵌入的是制造商零件號，用于確定價格和規(guī)格。封裝規(guī)格確定每個組件的封裝尺寸。第一步應根據(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，并且比組件引腳略大（3至20密耳）。

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，因此沒有多余的銅空間。即使在這些情況下，也應在板上的每個引腳之間施加2.5至3密耳的阻焊條。

遵循10的規(guī)則。小通孔的最終孔徑為10密耳，另外還有10密耳的焊盤環(huán)。跡線應距板邊緣10密耳或更長。線跡間距為10密耳（氣隙為5密耳，線跡寬度為5密耳，銅線為1盎司）。直徑為40mil或更大的通孔應增加焊盤環(huán)以提高可靠性。對于從平面到引腳的外層銅平面，應設(shè)置超出設(shè)計規(guī)則的15至25密耳的額外間隙。這降低了在所有焊點上橋接的風險。

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。在指定了組件的輪廓和互連位置之后，便開始了第一遍組件放置步驟。放置各個組件后，應立即進行放置審查并進行調(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)尺寸和成本進行更改。吸收超過10mW或傳導超過10mA電流的組件應被視為功能強大，足以考慮其他熱和電因素。敏感信號應與平面的噪聲源隔離開，并保持阻抗受控。。

電源管理組件應利用接地平面或電源平面進行熱流。根據(jù)可接受的連接電壓降進行大電流連接。高電流路徑的層轉(zhuǎn)換應在每個層轉(zhuǎn)換處使用兩個至四個通孔進行，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。

3.IC的熱傳導可以通過使用熱過孔和銅平面來實現(xiàn)。

為了輕松降低工作溫度，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。建立有效的熱量和大電流路徑將通過對流優(yōu)化熱量傳遞。通過使用于向大氣傳遞熱量的面積最大化，使用導熱平面均勻地散布熱量可以顯著降低溫度（圖4）。

4.有效的散熱可以將熱量從熱源均勻地分布到PCB的所有裸露表面。

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）

哪里：

P=電路板上的功耗

面積=木板（X軸xY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

組件應按以下順序放置：連接器，電源電路，敏感和精密電路，關(guān)鍵電路組件，然后其余部分。原理圖圍繞PCB上的每個零件構(gòu)建，并完全互連。根據(jù)功率水平，噪聲敏感性或生成和路由能力選擇電路的路由優(yōu)先級。

通常，走線寬度為10到20密耳，用于承載10到20mA的走線，走線寬度為5到8mil，用于承載小于10mA的電流。與高阻抗節(jié)點一起路由時，應仔細考慮高頻（大于3MHz）和快速變化的信號。

首席工程師/設(shè)計人員應檢查布局，并應迭代地調(diào)整物理位置和布線路徑，直到針對所有設(shè)計約束對電路進行優(yōu)化為止。層數(shù)取決于功率水平和復雜性。成對添加層，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期使用的能力都會影響操作。

最終檢查應包括驗證敏感節(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)計人員在審閱過程中遇到的任何問題，并根據(jù)審閱生成的反饋對PCB進行校正。在每次審核迭代期間創(chuàng)建并驗證更改列表，直到最終確定董事會為止。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)則檢查應涵蓋封裝間的間距，未連接的網(wǎng)絡(luò)（標識電路每個節(jié)點的唯一名稱），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，并且應該對其進行研究和理解。例如，將間隙保持在5密耳或以上。通孔不應位于表面貼裝焊盤內(nèi)（除非回填）。并且，阻焊層應位于所有焊點之間。

成本通常是PCB設(shè)計背后的驅(qū)動因素，因此最好了解PCB制造中的成本增加因素。一個典型的板是兩到四層，沒有直徑小于10密耳的鉆孔，最小氣隙和走線寬度為5密耳。標準FR-4的厚度也應為0.062英寸，銅箔的重量應為1盎司。額外的層，超厚或薄板，焊盤中的過孔，回填過孔（由于導電性限制和熱膨脹差異而優(yōu)選不導電），盲孔/埋孔和交貨時間都在實質(zhì)上增加了總成本。

PCB設(shè)計開始時應了解制造商的能力。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PCB晶圓廠聯(lián)系。

PCB設(shè)計可能很復雜，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。使用這些指南并在需要時添加研究，經(jīng)驗豐富的退伍軍人可能會繼續(xù)磨練自己的技能，而新手設(shè)計師可能會學會創(chuàng)建超出預期的高質(zhì)量PCB。
責任編輯:tzh