成功设计PCB的七个基本技巧

time : 2019-08-29 09:21       作者:凡亿pcb

如果这七个基本PCB设计技巧你都掌握了,代表你已经走在实现快速、可靠、专业品质PCB的道路上。
 
本文将探讨印刷电路板(PCB)设计新手和老手都适用的七个基本(而且关键的)技巧和策略,只要在设计过程中对这些技巧多加注意,就能为你与你的团队减少重新设计次数、缩短设计时间以及减轻整体设计结果诊断的任务;以下让我们一一看来。
 
1、熟悉PCB工厂制造流程
在这个无晶圆厂IC业者当道的时代,许多工程师其实不清楚根据他们的设计档案制造之PCB生产步骤与化学处理制程;这并不令人惊讶。不过这种实作知识的缺乏,往往导致新手工程师做出不必要的较复杂设计决策。
 
设计真的需要那么复杂吗?难道不能用更大的网格来进行布线,从而降低电路板成本并提高可靠性?设计新手容易犯的其他错误,还有不必要的过小通孔尺寸以及盲孔(blind via)和埋孔(buried via)。那些先进的通孔结构是PCB设计师的利器,但其有效性高度情境化(effectiveness),它们虽然是可用的工具,但并不表示一定要使用。
 
PCB设计专家Bert Simonovich的一篇部落格文章就谈到了通孔尺寸比例的问题:「长宽比6:1的通孔,能确保你的电路板可以在任何地方生产。」对于大多数设计来说,只要稍加思考和规划,就可以避免那些高密度(HDI)特徵并再次节省成本、提高设计的可制造性。
 
那些超小尺寸或单端(dead-ended)通孔进行镀铜所要求的物理学和流体力学能力,并不是所有PCB代工厂都擅长的。记住,只要有一个不良通孔就可以毁掉整片电路板;如果你的设计里有2万个通孔,那么你就有2万次失败的机会。不必要地使用HDI通孔,失败率立刻飙升。
 
2、电路图能简化设计任务
有时候只是设计一片简单电路板,画电路图(schematic)似乎是在浪费时间;特别是如果你已经有过完成一、两个设计的经验。但对于初次设计PCB的人来说,画电路图也会是个艰钜任务。跳过电路图是新手和具备中等程度经验的设计工程师经常采取的一种战略,但请从一个可以做为参考的完整电路图为起点来发展你的布线,有助于确保你的布线连结能全部完成;以下是其理由。
 
首先,电路图是PCB电路的视觉呈现,能传达多个层次的资讯;电路的子区域分好几页详细绘制,功能相对应的零组件能安排在邻近的位置,无论其最终实体布局为何。其次,由于电路图符号会标示每个零组件的每一支接脚,很容易检查出未连线的接脚;换句话说,无论描述电路的正式规则是否被遵循,电路图有助于你快速以视觉判定,确保电路的完整。
 
在设计PCB时如果有一个电路图可做为基础范本,能简化布线任务。利用电路图符号来完成连结,同时你就在不需要反覆思索那些连结的前提下克服了走线挑战;最后你会因为抓到了在第一次修订时遗漏的走线连结而节省了设计重做。
 
3、使用自动布线器但勿依赖
大多数专业级PCB CAD工具都有自动布线器,不过除非你设计PCB很专业,自动布线器充其量只能被用来让设计初步过关;对PCB电路连结来说,自动布线器并非一次点击就能完成的解决方案,你仍然应该要知道如何以手工布线。
 
自动布线器是一种高度可配置的工具,为充分发挥它们的作用,每次任务都要对布线器参数进行仔细、考虑周全的设置,甚至对单片PCB上的各个模组都要个别考量,总之就是没有任何恰当的基本通用预设值。
 
当你问一个经验丰富的设计工程师:「哪种自动布线器最好用?」他们会回答:「两边耳朵中间的的东西(眼睛);」而且他们是认真的。布线这个过程如同演算法一般更像是一种艺术,本身就是启发式(heuristic)的,因此很类似传统的回溯演算法(backtracking algorithm)。
 
回溯演算法很适合用来寻找解决方案,特别是迷宫或拼图等路径选择受限的场合;但在一个开放、不受限制的场合,例如预先放置了零组件的PCB,回溯演算法就无法发挥寻找最佳化解决方案的强项。除非自动布线器的约束条件经过工程师仔细微调,其布线成品还是需要人工检查回溯演算法结果中的弱点。
 
走线尺寸是另一个问题点,自动布线器无法百分之百确定你打算在一条走线上通过多大的电流,所以也不能帮你确定要用多宽的走线;结果是大多数自动布线器产生的走线宽度不符规格。
 
当你考虑使用自动布线器时,先问问自己:「在我为板子设置好自动布线器约束条件、甚至为电路图上的每条走线都设置了约束条件之后,还有多少时间让我用手工布线?」设计工程师老手会把大部份精力放在最初的零件布局上,几乎整个设计时间的一半都致力于从以下三个方面最佳化元件布局:
 
布线简化—尽量减少飞线(rat's nest,或译鼠线、鼠迹网)的交叉等等。‘元件的近接—绕线越短越好。’讯号时序(signal timing)考量。
 
老前辈们经常使用混合方法来布线—用手工进行关键布线,固定它们的位置,然后以自动布线器处理非关键走线;设计中的自动布线区域有助于管理在布线演算法中的「失控(runaway)状态」,这种方法有时能在手工布线的可掌控性与自动布线的速度之间取得良好折衷。
 
4、考量电路板尺寸和电流
大多数从事电子设计的人都知道,就像沿着河道走的河流,流动的电子也可能会遇到咽喉点和瓶颈;这一点被直接应用在车用保险丝(automotive fuse)的设计中。透过控制走线的厚度和形状(U型弯曲、V型弯曲、S形等),保险丝可以经过校淮,在电流超载时熔断于咽喉点。
 
问题是,设计工程师偶尔会在他们的PCB设计中遭遇类似的电气咽喉点;举例来说:在用两个陡峭45度也可以的地方,使用90度弯角;当弯曲度大于90度时,采用之字形状。充 其量那些导线只会让讯号传播速度变慢;最糟糕的情况是它们会像汽车保险丝一样在电阻点熔断。
 
5、避开裂片风险
裂片(sliver)是一种制造上的失误,可透过适当的电路板设计获得最佳管理(如图1);为了理解裂片问题,我们需要复习一下化学蚀刻制程。化学蚀刻是为了分解不需要的铜,但如果要蚀刻的部分特别长、薄、呈片状,那些形状有时候会在完全被分解之前整块剥离;这种裂片会飘浮在化学溶液中,有可能随机落在另一片电路板上。
 
同样有可能发生的风险是,裂片仍留在原来那片电路板上;如果裂片够窄,酸液池可能会腐蚀掉下方足够多的铜,使裂片部分剥离。于是裂片像旗子一样黏着电路板四处飘,最后还是免不了落到那片板子上导致其他走线短路。