高品質的電路板是如何設計的？ 你知道嗎？

事實上，每一種電子產品都是由一塊或多塊印刷電路板（PCB）組成。 PCB固定IC和其他元件并實現它們之間的互連。 已經為便攜式電子設備、計算機和娛樂設備制造了大量的印刷電路板。 它們還用于測試設備、制造和航天器。 最后，幾乎每個EE都必須設計PCB，這不是學校教的東西。 然而，工程師、技術人員甚至新手 PCB 設計人員都可以為任何目的創建高質量的 PCB 設計，并確信結果將達到或超過目標。 同樣，這些設計可以在滿足設計要求的同時按計劃、在預算范圍內完成。 設計人員需要考慮必要的文檔、PCB 設計步驟和策略以及最終檢查。

基本設計流程

理想的PCB設計從需求分析開始，一直持續到最終交付。 拿到項目后，需要確定PCB需求分析，其中包括設計的功能、PCB必須具有和執行的功能、與其他電路的互連、布局和大致的最終尺寸。 應解決環境溫度范圍和與工作環境相關的問題，并用于指定為 PCB 選擇的材料。 在選擇元件和PCB材料時，應注意所有可預見的和潛在的威脅，以確保PCB在其使用壽命期間能夠正常工作。 根據原理圖繪制電路原理圖。 該詳細圖顯示了 PCB 各功能的電氣實現。 原理圖繪制完成后，應完成最終的PCB布局，并為每個電路的原理圖塊指定區域。

PCB設計流程

材料清單

創建原理圖時應同時生成物料清單 (BOM)。 在考慮容差標準的同時，應通過分析電路各節點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，應根據可用性、預算和尺寸重新考慮每個組件。 BOM 必須始終與原理圖同步。 BOM 需要每個組件的數量、參考代碼、值（歐姆、法拉等）、制造商零件號和 PCB 占地面積。 這五個要求至關重要，因為它們定義了每個部件需要多少，解釋了標識和電路位置，同時準確描述了用于購買和更換的每個電路元件，并解釋了用于面積估計的每個部件的尺寸。 它應該是描述每個電路元件的簡潔列表，太多的信息可能會使庫的開發和管理過于復雜。

印刷電路板文件

PCB文件應包括硬件尺寸圖、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 制造商用來創建 PCB 布局輸出文件的 PCB 術語。 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）、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，其下方有多個引腳）、盲孔/埋孔通孔、表面光潔度和 整平、孔公差、層數等

原理圖細節

原理圖控制著項目，因此準確性和完整性對于成功至關重要。 它們包括電路正確運行所需的信息。 原理圖應包含足夠的設計細節，例如引腳號、名稱、元件值和額定值。

每個原理圖符號都有一個制造商的零件號，用于確定價格和規格。 封裝規格決定了每個元件的封裝尺寸。 第一步，根據可用面積和焊接方法，確保每個引腳的裸銅放置在正確的位置并略大于組裝引腳（3至20mil）。 設計 PCB 封裝時，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，也應在板上的每個引腳之間應用 2.5 至 3mil 的電極。 遵循10規則。小通孔的最終孔徑為10mil，還有10mil的焊盤環。 布線應距板邊緣10mil或以上。 線間距為 10mil（5mil 氣隙，5mil 線寬，1oz 銅）。 直徑40mil以上的通孔應加墊環，以提高可靠性。 對于外銅平面從平面到引腳，應設置超出設計規則15至25密耳的額外間隙。 這降低了所有焊點上橋接的風險。

元件放置

下一步是放置組件并根據熱管理、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，第一個元件放置步驟開始。 放置每個組件后，應立即進行放置檢查并進行調整，以促進布線并優化性能。 此時通常會根據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 或傳導超過 10 mA 電流的組件應被視為足夠強大，以考慮其他熱和電因素。 敏感信號應與噪聲源通過平面隔離，并控制阻抗。 電源管理組件應利用接地層或電源層進行熱流動。 根據可接受的連接電壓降進行高電流連接。 對于大電流路徑的層轉換，每層轉換處應使用2至4個過孔，層轉換處應放置多個過孔，以提高可靠性，減少電阻和電感損耗，提高導熱性能。

散熱問題

IC 產生的熱量從器件轉移到 PCB 的銅層。 理想的散熱設計將使整個電路板的溫度相同。 銅的厚度、層數、熱路徑的連續性以及電路板面積將直接影響元件的工作溫度。

PCB設計散熱

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

PCB熱傳導

（有效的導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-環境溫度

熱對流=基于環境條件的對流常數

修剪器放置

元件排列順序為：連接器、電源電路、敏感電路和精密電路、關鍵電路元件，然后按順序排列。 原理圖是圍繞PCB的各個部分構建的，并且完全互連。 電路的布線優先級根據功率水平、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。 當使用高阻抗節點布線時，應仔細考慮高頻（大于 3 MHz）和快速變化的信號。

設計人員應檢查布局，并迭代調整物理位置和布線路徑，直到電路針對所有設計約束進行優化。 層數取決于功率水平和復雜性。 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。