高质量PCB设计工程师指南

最终，几乎每个EE都必须设计PCB，这不是在学校教的东西。然而，工程师，技术人员甚至是PCB的新手设计师都可以为任何目的创建高质量的PCB，并确信结果将达到或超过目标。
实际上，每个电子产品都由一个或多个印刷电路板（PCB）构成。PCB固定IC和其他组件，并实现它们之间的互连。PCB大量用于便携式电子设备，计算机和娱乐设备。它们还用于测试设备，制造和航天器。
最终，几乎每个EE都必须设计PCB，这不是在学校教的东西。然而，工程师，技术人员甚至是PCB的新手设计师都可以为任何目的创建高质量的PCB，并确信结果将达到或超过目标。同样，这些设计可以在满足设计要求的同时按计划并在预算内完成。设计人员只需要考虑必要的文档，设计步骤和策略以及最终检查。
基本设计流程
理想的PCB设计始于发现需要PCB的发现，并贯穿最终的生产电路板（图1）。在确定了为什么需要PCB之后，应确定产品的最终概念。该概念包括设计的功能，PCB必须具有和执行的功能，与其他电路的互连，布局以及近似的最终尺寸。

1.理想的PCB设计流程始于设计人员认识到必须满足的需求，并且直到测试验证设计可以满足这些需求时才结束。
应解决环境温度范围和与操作环境有关的问题，并用于指定为PCB选择的材料。必须选择组件和PCB材料，以保证在其使用寿命期间可能遭受的所有预期和潜在的胁迫形式下运行。
根据该原理图绘制电路原理图。此详细图显示了PCB每种功能的电气实现方式。绘制原理图后，应完成最终PCB尺寸的逼真图，并为每个电路的原理图块（由于电气原因或约束而紧密连接的组件组）指定区域。
材料清单
在创建原理图的同时，应生成物料清单（BOM）。在考虑公差标准的同时，应通过分析电路每个节点的最大工作电压和电流水平来选择电路中的组件。选择了令人满意的电气组件后，应根据可用性，预算和尺寸重新考虑每个组件。
BOM必须始终与原理图保持最新。BOM需要每个组件的数量，参考代号，值（欧姆，法拉等的数值），制造商零件号和PCB占地面积。
这五个要求很关键，因为它们定义了每个零件需要多少，在准确描述用于购买和替换的每个电路元件的同时解释标识和电路位置，并解释用于面积估算的每个零件的尺寸。可能会添加其他描述，但它应该是描述每个电路元件的简明清单，并且过多的信息可能会使库的开发和管理过于复杂。
PCB文档
PCB的文档应包括硬件尺寸图，原理图，BOM，布局文件，组件放置文件，装配图和说明以及Gerber文件集。用户指南也很有用，但不是必需的。Gerber文件集是PCB术语，用于PCB制造商用来创建PCB的布局输出文件。完整的Gerber文件包括从电路板布局文件生成的输出文件：
丝印上下
阻焊膜顶部和底部
所有金属层
粘贴面膜顶部和底部
组件图（XY坐标）
装配图的顶部和底部
钻取文件
钻传奇
FAB大纲（尺寸，特殊功能）
网表文件
FAB轮廓中包含的特殊功能包括但不限于：凹口，切口，斜角，回填焊盘（用于BGA型IC封装，该器件在器件下方具有多个引脚），盲孔/埋孔通孔，表面光洁度和流平度，孔公差，层数等。1个
原理图细节
原理图控制着项目，因此准确性和完整性对于成功至关重要。它们包括电路正确运行所必需的信息。原理图应包含足够的设计细节，例如引脚号，名称，组件值和额定值（图2）

2.正确的原理图，例如IDTP9021R无线电源接收器的降压稳压器模块的原理图，包括引脚号，名称，组件值，额定值和其他重要细节。
每个原理图符号中嵌入的是制造商零件号，用于确定价格和规格。封装规格确定每个组件的封装尺寸。第一步应根据可用面积和焊接方法，确保每个引脚的裸露铜都放置在正确的位置，并且比组件引脚略大（3至20密耳）。
设计封装时，请考虑组装，并遵循制造商建议的PCB封装。有些组件采用微观封装，因此没有多余的铜空间。即使在这些情况下，也应在板上的每个引脚之间施加2.5至3密耳的阻焊条。
遵循10的规则。小通孔的最终孔径为10密耳，另外还有10密耳的焊盘环。迹线应距板边缘10密耳或更长。线迹间距为10密耳（气隙为5密耳，线迹宽度为5密耳，铜线为1盎司）。直径为40mil或更大的通孔应增加焊盘环以提高可靠性。对于从平面到引脚的外层铜平面，应设置超出设计规则的15至25密耳的额外间隙。这降低了在所有焊点上桥接的风险。
元件放置
下一步将放置组件，并根据热管理，功能和电气噪声因素确定组件位置。在指定了组件的轮廓和互连位置之后，便开始了第一遍组件放置步骤。放置各个组件后，应立即进行放置审查并进行调整，以方便布线和优化性能。
通常会重新考虑布局和包装尺寸，并在此时根据尺寸和成本进行更改。吸收超过10mW或传导超过10mA电流的组件应被视为功能强大，足以考虑其他热和电因素。敏感信号应与平面的噪声源隔离开，并保持阻抗受控。。
电源管理组件应利用接地平面或电源平面进行热流。根据可接受的连接电压降进行大电流连接。高电流路径的层转换应在每个层转换处使用两个至四个通孔进行，在层转换处放置多个通孔以提高可靠性，减少电阻和电感损耗并提高热导率。
散热问题
IC产生的热量从器件传递到PCB的铜层（图3）。理想的散热设计将使整个电路板温度相同。铜的厚度，层数，热路径的连续性和电路板面积将直接影响组件的工作温度。

3.IC的热传导可以通过使用热过孔和铜平面来实现。
为了轻松降低工作温度，请使用多层直接连接到带有多个过孔的热源的实心接地层或电源层。建立有效的热量和大电流路径将通过对流优化热量传递。通过使用于向大气传递热量的面积最大化，使用导热平面均匀地散布热量可以显着降低温度（图4）。

4.有效的散热可以将热量从热源均匀地分布到PCB的所有裸露表面。
在热量分布均匀的情况下，可以使用以下公式估算表面温度：
P=（热对流）x面积x（ΔT）
哪里：
P=电路板上的功耗
面积=木板（X轴xY轴）
ΔT=表面温度–环境温度
热对流=基于环境条件的对流常数
微调元件放置
组件应按以下顺序放置：连接器，电源电路，敏感和精密电路，关键电路组件，然后其余部分。原理图围绕PCB上的每个零件构建，并完全互连。根据功率水平，噪声敏感性或生成和路由能力选择电路的路由优先级。
通常，走线宽度为10到20密耳，用于承载10到20mA的走线，走线宽度为5到8mil，用于承载小于10mA的电流。与高阻抗节点一起路由时，应仔细考虑高频（大于3MHz）和快速变化的信号。
首席工程师/设计人员应检查布局，并应迭代地调整物理位置和布线路径，直到针对所有设计约束对电路进行优化为止。层数取决于功率水平和复杂性。成对添加层，因为以这种方式制作了铜包层。电源信号和平面的布线，接地方案以及电路板按预期使用的能力都会影响操作。
最终检查应包括验证敏感节点和电路是否正确屏蔽了噪声源，引脚和过孔之间是否存在阻焊层以及丝印是否清晰简洁。确定层堆叠时，请使用组件侧下方的第一内层作为接地，并将电源平面分配给其他层。以使电路板相对于Z轴中点平衡的方式创建堆栈。
考虑PCB设计人员在审阅过程中遇到的任何问题，并根据审阅生成的反馈对PCB进行校正。在每次审核迭代期间创建并验证更改列表，直到最终确定董事会为止。在布局的所有阶段中，请使用设计规则检查器（DRC）保持设计错误无误。
DRC只能捕获已编程监控的错误，并且DRC规则集通常会根据个别设计而更改。至少，设计规则检查应涵盖封装间的间距，未连接的网络（标识电路每个节点的唯一名称），短路的网络，是否存在气隙，如果过孔离焊盘太近，如果过孔彼此之间的距离太近，并且违反了垂直间隙。
可以设置许多其他重要的DRC规则以确保稳健的设计，并且应该对其进行研究和理解。例如，将间隙保持在5密耳或以上。通孔不应位于表面贴装焊盘内（除非回填）。并且，阻焊层应位于所有焊点之间。
成本通常是PCB设计背后的驱动因素，因此最好了解PCB制造中的成本增加因素。一个典型的板是两到四层，没有直径小于10密耳的钻孔，最小气隙和走线宽度为5密耳。标准FR-4的厚度也应为0.062英寸，铜箔的重量应为1盎司。额外的层，超厚或薄板，焊盘中的过孔，回填过孔（由于导电性限制和热膨胀差异而优选不导电），盲孔/埋孔和交货时间都在实质上增加了总成本。
PCB设计开始时应了解制造商的能力。在设计可制造性PCB时，通常会就功能和降低成本的技术定期与PCB晶圆厂联系。
摘要
PCB设计可能很复杂，但是通过一些技巧和实践就可以设计出优质的电路板。使用这些指南并在需要时添加研究，经验丰富的退伍军人可能会继续磨练自己的技能，而新手设计师可能会学会创建超出预期的高质量PCB。

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