從面包板上的原型電路，到設(shè)計我們自己的印刷電路板（PCB），就像脫離訓(xùn)練輪一樣。關(guān)于此過程有很多要了解的內(nèi)容，所以讓我們開始吧。 PCB設(shè)計在電氣工程（EE）流程中進(jìn)行。EE創(chuàng)建了設(shè)備工作方式的“大腦”。沒有電子設(shè)備，您手中幾乎就只有一堆金屬和塑料。

開始PCB設(shè)計之前要了解的事項： 1. PCB尺寸-這取決于您的產(chǎn)品尺寸（或外殼尺寸）。產(chǎn)品尺寸是在電子工程設(shè)計過程中定義的。您可以在此處觀看有關(guān)它的視頻。 2. PCB層-層數(shù)越多，PCB的制造越復(fù)雜。（注意：即使單層PCB也可能是一個復(fù)雜的PCB，但在這里我們談?wù)摰氖侵圃霵CB的復(fù)雜性。PCB的層數(shù)越多，制造成本就越高。）

2層通常用于簡單的玩具產(chǎn)品

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品通常為4層

通常用于智能手機(jī)或智能手表的6到8層。

3.您的PCB制造商要求。在開始設(shè)計之前，請確保已閱讀有關(guān)節(jié)奏，跡線大小，電源隔離和文件命名的準(zhǔn)則。

您需要提供給PCB制造商的信息：

層數(shù)（例如2、4、6等）

材料（FR-2（酚醛棉紙），F(xiàn)R-3（棉紙和環(huán)氧樹脂），F(xiàn)R-4（玻璃纖維和環(huán)氧樹脂……等）

厚度（0.5毫米，1.0毫米…等）

顏色（紅色，黑色，綠色……等）

表面處理（ENIG（化學(xué)鎳/浸金），DIG（直接浸金），OSP（有機(jī)可焊性防腐劑等）

銅重量（1盎司（35微米），2盎司（70微米），0.5盎司（18微米）…等）

Gerber文件

PCB設(shè)計過程：

電路設(shè)計

對于此步驟，您需要創(chuàng)建原理圖。這是一個文檔，就像一個藍(lán)圖，它描述了組件之間如何相互關(guān)聯(lián)以及如何協(xié)同工作。要創(chuàng)建原理圖文件，您將需要一個軟件工具。我們喜歡Quadcept，因?yàn)樗?jīng)過優(yōu)化，可用于設(shè)計制造用的PCB（例如，您可以直接從工具中導(dǎo)出物料清單（BoM））），并且基于云，因此可以方便地在任何地方使用。（他們還為制造商和學(xué)生提供了該工具的免費(fèi)社區(qū)版本）。

您還可以選擇許多其他選項：

Altium

ExpressPCB

升頻器

KiCad

Cadence快板

墊

計算機(jī)輔助設(shè)計

DipTrace

安裝所選工具后，需要獲取每個所選組件的組件規(guī)格。通常可以在供應(yīng)商的網(wǎng)站上找到它們。模型文件將幫助您繪制原理圖。當(dāng)您將模型上傳到軟件工具時，該組件將在數(shù)據(jù)庫中可用。然后，您要做的就是遵循數(shù)據(jù)手冊，將線路連接到組件中的每個引腳。（注意：設(shè)計過程的細(xì)節(jié)將取決于所選擇的軟件工具）。

每個原理圖符號都需要具有相關(guān)的PCB占位面積，以定義組件的物理尺寸以及銅焊盤或PCB上的通孔的位置。您應(yīng)該已經(jīng)選擇了組件（或現(xiàn)在選擇它們），并且我們在EE設(shè)計流程視頻（請參閱視頻）中介紹了此過程。

示例示意圖

好的原理圖確實(shí)很重要，在進(jìn)行調(diào)試時它將用作參考文件，并且是與其他工程師的很好的通訊工具。此外，制造商可以通過本文檔上的測試點(diǎn)來測試設(shè)備。

PCB布局+ Gerber文件

要設(shè)計PCB布局并創(chuàng)建Gerber文件，您可以使用我們在電路設(shè)計中提到的相同軟件工具。與原理圖不同，PCB布局是將實(shí)際組件分配到PCB上的確切位置，并顯示將PCB層之間的每個組件連接在一起的軌跡。如本文開頭所述，層數(shù)越多，所需的制造越復(fù)雜，成本也就越高。

根據(jù)功能（例如電源，音頻輸出等）將PCB分成邏輯部分。然后，確保將每個部分的組件分組到同一區(qū)域。這樣，您可以使導(dǎo)電跡線短，并減少噪聲和干擾。

在設(shè)計PCB時，用戶界面（UI）也需要牢記。需要調(diào)整組件的位置，例如音頻插孔，連接器，LED等，以實(shí)現(xiàn)最佳的用戶體驗(yàn)。

完成布局設(shè)計后，將生成一個Gerber文件。您的PCBA制造商將使用此文件。有許多公司提供這些服務(wù)，并且從HWTrek的專家?guī)熘形覀兺扑]Kingbrother，NexPCB和HQPCB。

示例Gerber文件

元件在PCB上的放置非常重要。某些組件可能會相互干擾并導(dǎo)致意外行為。例如，如果您同時擁有藍(lán)牙和Wi-Fi模塊，則它們具有相同的2.4 GHz帶寬，如果放置不正確，則會相互干擾。

PCB制作

當(dāng)您將Gerber文件發(fā)送給PCB制造商時，他們可以打印出電路板。這將是進(jìn)一步建立基礎(chǔ)，將組件添加到PCB并制造PCBA（印刷電路板組件）的基礎(chǔ)。

未組裝的PCB

PCBA（組裝）

材料準(zhǔn)備

此時，在EE設(shè)計中，您應(yīng)該已經(jīng)選擇了組件。您可以要求PCBA制造商為您訂購所需的組件，或者如果您選擇了供應(yīng)商，則可以自己完成。注意事項：

交貨時間：由于這些組件來自不同的供應(yīng)商，因此請記住交貨時間。對于某些組件，最長可能需要8-16周。

包裝：訂購用于SMT機(jī)器自動拾取的卷軸中的組件，而不是單獨(dú)包裝。

最小訂購量：檢查組件的最小起訂量。如果您購買的數(shù)量少于最低數(shù)量，請確保所選組件有庫存。對于小批量（最多50個），您可以從DigiKey或Mouser在線訂購。如需更多數(shù)量，請向您的制造商尋求建議。

損失：多訂購10％以彌補(bǔ)損失（不適用于昂貴的組件）

在PCB上安裝組件

將元件放置在PCB表面上的主要方法有兩種：

通孔（通孔）是將帶有導(dǎo)線的組件裝配到PCB表面上的孔中的手動方法。它通常也稱為DIP或雙列直插式包裝過程。（請參見此視頻中正在進(jìn)行的SMT）

SMT（表面貼裝技術(shù)）方法是批量生產(chǎn)中使用最廣泛的方法。它由快速，精確的SMT機(jī)器完成，可節(jié)省您的時間，金錢并避免人為錯誤。

要記住的事情：

您的組件類型編號不得超過制造商的SMT機(jī)器可以支持的卷軸數(shù)量。

優(yōu)化和整合您的組件，以便只運(yùn)行一個SMT。

檢查制造商支持的腳印墊尺寸。否則，SMT機(jī)器將無法正確安裝組件。

一些較大的組件無法由機(jī)器安裝，仍然需要手動通孔工作。因此，這兩種技術(shù)都可以在同一板上使用。

您需要通過通孔方法手動添加的任何組件都會增加制造成本。

回流焊

回流焊接是使組件“粘”在PCB上的過程。PCBA通過回流爐或紅外燈加熱電路板，直到焊料熔化，從而將組件永久連接到電路板上。

這里最棘手的部分是不會使組件過熱或損壞，因?yàn)槊總€封裝的熱特性都不同。可靠的PCBA制造商將負(fù)責(zé)此過程，您所需要做的就是向他們提供組件規(guī)格。

回流工藝。

其他焊接方法：

波峰焊主要用于通過通孔方法手動添加的組件。在這種情況下，您的PCBA將首先通過回流焊爐，然后手動添加其他組件后，將通過波峰焊機(jī)。

鐵焊接可用于特定情況，但不適用于批量生產(chǎn)。

測試與質(zhì)量檢查

在此步驟中，將對PCBA樣品進(jìn)行測試以確保質(zhì)量。常見的錯誤是：未連接的組件，未對齊的組件和連接不應(yīng)連接的電路部分的短路。最常見的測試：

ICT（在線測試）。設(shè)計PCB時，通常會保留一些測試點(diǎn)用于調(diào)試，編程和其他目的。ICT機(jī)器將使用這些測試點(diǎn)進(jìn)行開路/短路測試，并檢查無源組件（電阻器，電感器，電容器）的值是否在規(guī)格范圍內(nèi)。

AOI（自動光學(xué)檢查）。制造商使用“黃金樣本”（參考PCBA）與其他樣本進(jìn)行比較。對于此測試，硬件創(chuàng)建者將需要向制造商提供規(guī)格和公差以設(shè)置參數(shù)。

X射線。PCBA制造商將使用X射線檢查BGA（球柵陣列）組件的焊接條件。觀看此視頻中進(jìn)行的X射線測試。

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