高品質(zhì)的電路板是如何設(shè)計(jì)的？ 你知道嗎？

事實(shí)上，每一種電子產(chǎn)品都是由一塊或多塊印刷電路板（PCB）組成。 PCB固定IC和其他元件并實(shí)現(xiàn)它們之間的互連。 已經(jīng)為便攜式電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)和娛樂設(shè)備制造了大量的印刷電路板。 它們還用于測試設(shè)備、制造和航天器。 最后，幾乎每個(gè)EE都必須設(shè)計(jì)PCB，這不是學(xué)校教的東西。 然而，工程師、技術(shù)人員甚至新手 PCB 設(shè)計(jì)人員都可以為任何目的創(chuàng)建高質(zhì)量的 PCB 設(shè)計(jì)，并確信結(jié)果將達(dá)到或超過目標(biāo)。 同樣，這些設(shè)計(jì)可以在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)按計(jì)劃、在預(yù)算范圍內(nèi)完成。 設(shè)計(jì)人員需要考慮必要的文檔、PCB 設(shè)計(jì)步驟和策略以及最終檢查。

基本設(shè)計(jì)流程

理想的PCB設(shè)計(jì)從需求分析開始，一直持續(xù)到最終交付。 拿到項(xiàng)目后，需要確定PCB需求分析，其中包括設(shè)計(jì)的功能、PCB必須具有和執(zhí)行的功能、與其他電路的互連、布局和大致的最終尺寸。 應(yīng)解決環(huán)境溫度范圍和與工作環(huán)境相關(guān)的問題，并用于指定為 PCB 選擇的材料。 在選擇元件和PCB材料時(shí)，應(yīng)注意所有可預(yù)見的和潛在的威脅，以確保PCB在其使用壽命期間能夠正常工作。 根據(jù)原理圖繪制電路原理圖。 該詳細(xì)圖顯示了 PCB 各功能的電氣實(shí)現(xiàn)。 原理圖繪制完成后，應(yīng)完成最終的PCB布局，并為每個(gè)電路的原理圖塊指定區(qū)域。

PCB設(shè)計(jì)流程

材料清單

創(chuàng)建原理圖時(shí)應(yīng)同時(shí)生成物料清單 (BOM)。 在考慮容差標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，應(yīng)通過分析電路各節(jié)點(diǎn)的極限工作電壓和電流水平來選擇電路中的元件。 選擇電氣性能令人滿意的組件后，應(yīng)根據(jù)可用性、預(yù)算和尺寸重新考慮每個(gè)組件。 BOM 必須始終與原理圖同步。 BOM 需要每個(gè)組件的數(shù)量、參考代碼、值（歐姆、法拉等）、制造商零件號和 PCB 占地面積。 這五個(gè)要求至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兌x了每個(gè)部件需要多少，解釋了標(biāo)識和電路位置，同時(shí)準(zhǔn)確描述了用于購買和更換的每個(gè)電路元件，并解釋了用于面積估計(jì)的每個(gè)部件的尺寸。 它應(yīng)該是描述每個(gè)電路元件的簡潔列表，太多的信息可能會使庫的開發(fā)和管理過于復(fù)雜。

印刷電路板文件

PCB文件應(yīng)包括硬件尺寸圖、原理圖、BOM、布局文件、元件布局文件、裝配圖和描述以及Gerber文件集。 Gerber 文件集是 PCB 制造商用來創(chuàng)建 PCB 布局輸出文件的 PCB 術(shù)語。 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、焊膏頂部和底部、元件圖（XY坐標(biāo)）、頂部和底部 裝配圖、鉆孔文件、車削圖、FAB輪廓（尺寸、特殊功能）和網(wǎng)格文件。 FAB輪廓包含的特殊功能包括但不限于：缺口、凹口、斜角、回填焊盤（對于BGA型IC封裝，其下方有多個(gè)引腳）、盲孔/埋孔通孔、表面光潔度和 整平、孔公差、層數(shù)等

原理圖細(xì)節(jié)

原理圖控制著項(xiàng)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(yùn)行所需的信息。 原理圖應(yīng)包含足夠的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如引腳號、名稱、元件值和額定值。

每個(gè)原理圖符號都有一個(gè)制造商的零件號，用于確定價(jià)格和規(guī)格。 封裝規(guī)格決定了每個(gè)元件的封裝尺寸。 第一步，根據(jù)可用面積和焊接方法，確保每個(gè)引腳的裸銅放置在正確的位置并略大于組裝引腳（3至20mil）。 設(shè)計(jì) PCB 封裝時(shí)，請考慮組裝并遵循制造商推薦的 PCB 封裝。 有些元件是微封裝的，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(gè)引腳之間應(yīng)用 2.5 至 3mil 的電極。 遵循10規(guī)則。小通孔的最終孔徑為10mil，還有10mil的焊盤環(huán)。 布線應(yīng)距板邊緣10mil或以上。 線間距為 10mil（5mil 氣隙，5mil 線寬，1oz 銅）。 直徑40mil以上的通孔應(yīng)加墊環(huán)，以提高可靠性。 對于外銅平面從平面到引腳，應(yīng)設(shè)置超出設(shè)計(jì)規(guī)則15至25密耳的額外間隙。 這降低了所有焊點(diǎn)上橋接的風(fēng)險(xiǎn)。

元件放置

下一步是放置組件并根據(jù)熱管理、功能和電氣噪聲因素來定位它們。 指定元件的輪廓和互連位置后，第一個(gè)元件放置步驟開始。 放置每個(gè)組件后，應(yīng)立即進(jìn)行放置檢查并進(jìn)行調(diào)整，以促進(jìn)布線并優(yōu)化性能。 此時(shí)通常會根據(jù)尺寸和成本重新考慮和更改布局和包裝尺寸。 吸收超過 10 mW 或傳導(dǎo)超過 10 mA 電流的組件應(yīng)被視為足夠強(qiáng)大，以考慮其他熱和電因素。 敏感信號應(yīng)與噪聲源通過平面隔離，并控制阻抗。 電源管理組件應(yīng)利用接地層或電源層進(jìn)行熱流動。 根據(jù)可接受的連接電壓降進(jìn)行高電流連接。 對于大電流路徑的層轉(zhuǎn)換，每層轉(zhuǎn)換處應(yīng)使用2至4個(gè)過孔，層轉(zhuǎn)換處應(yīng)放置多個(gè)過孔，以提高可靠性，減少電阻和電感損耗，提高導(dǎo)熱性能。

散熱問題

IC 產(chǎn)生的熱量從器件轉(zhuǎn)移到 PCB 的銅層。 理想的散熱設(shè)計(jì)將使整個(gè)電路板的溫度相同。 銅的厚度、層數(shù)、熱路徑的連續(xù)性以及電路板面積將直接影響元件的工作溫度。

PCB設(shè)計(jì)散熱

為了輕松降低工作溫度，請使用堅(jiān)固的接地層或多層電源層，通過多個(gè)過孔直接連接到熱源。 有效的熱傳導(dǎo)可以使熱量從熱源均勻分布到整個(gè)PCB板，從而顯著降低溫度。

PCB熱傳導(dǎo)

（有效的導(dǎo)熱可以使熱量從熱源均勻分布到PCB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（ Δ T）

解釋：

P=板上功耗

面積=電路板（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)

修剪器放置

元件排列順序?yàn)椋哼B接器、電源電路、敏感電路和精密電路、關(guān)鍵電路元件，然后按順序排列。 原理圖是圍繞PCB的各個(gè)部分構(gòu)建的，并且完全互連。 電路的布線優(yōu)先級根據(jù)功率水平、噪聲敏感度或生成和布線能力來選擇。

一般布線寬度為10～20mil，用于承載10～20mA的布線，布線寬度為5～8mil，用于承載10mA以下的電流。 當(dāng)使用高阻抗節(jié)點(diǎn)布線時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮高頻（大于 3 MHz）和快速變化的信號。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)檢查布局，并迭代調(diào)整物理位置和布線路徑，直到電路針對所有設(shè)計(jì)約束進(jìn)行優(yōu)化。 層數(shù)取決于功率水平和復(fù)雜性。 由于銅包層是通過這種方式制成的，因此添加了成對的層。 電源信號。