PCB设计培训(内部绝密)

2015.06.301目录汇总确认影响PCB设计因素PCB设计项目团队PCB设计评审PCB制作和SMT工程测试和可靠性测试PCB设计总结2汇总确认影响PCB设计因素PCB设计是整个产品开发过程中的一个重要环节，要做好PCB的设计，首先要熟悉整个产品的开发过程，因为在PCB设计过程中并不是简单按照原理图做出相应的Layout，而是一个瞻前顾后、贯穿整个开发过程的工作内容。PCB设计之前要汇总并确认影响PCB设计的因素。硬件开发流程。原理图设计确认。元器件选型。PCB板的结构确认。特殊功能设计要求。PCB设计技术准备汇总。汇总确认影响PCB设计因素3硬件开发流程产品硬件的开发，首先要明确产品的硬件需求，如CPU处理能力、存储容量及速度、电路的功耗要求、整体性能要求的标准等。其次，根据需求分析制定硬件总体设计方案，寻求关键物料的技术资料，要充分的考虑技术可能性、可靠性和成本控制，关键器件索取样品。总体方案确定后，做硬件和单板软件的详细设计，包括绘制硬件原理图、单板软件框图及编码、PCB布线同时完成开发物料清单及其他技术文档。PCB制作完成后，在生产端进行SMT或手焊操作，然后硬件工程师做单板调试或整机调试，对设计中的各种功能进行测试，这个过程需要软件硬件联调，不同的产品可能会需要射频工程师、光学工程师或声学工程师的配合调试，另外可靠性测试也是非常重要的测试内容。待所有测试汇总，作总结，为下一轮试产变出变更设计清单。一般经过调试和测试后，原理图和PCB布线都会有变更。按照项目的进度，多次试产，硬件设计完成开发过程。硬件开发流程4在整个硬件设计的开发过程中，PCB板是整个产品的载体，PCB板有问题，所有的其他工作都无法正常开展，同样，任何一个环节都可能会对PCB的设计产生变更要求，所以PCB设计是一个整体性的工作，需要设计人员有丰富的项目经验。硬件开发流程5原理图设计确认PCB的设计基于硬件原理图，项目开发前期，设计出初版的硬件原理图，根据之前的项目经验，完成初稿后，一定要详细的自审，在没有连接错误的前提下，检查确认是否有逻辑性设计错误，对每个器件的每个引脚都要按照其规格书做准确的配置，特别是BGA封装的器件，如果某个引脚连接错误，不能手动跳线纠正，可能会直接导致整个试产的失败。自审无误后，要组织项目团队的评审，这个过程非常重要，可以借鉴其他工程师的设计经验，团队讨论，更改后，确定原理图版本。原理图设计确认6元器件选型。这项工作和原理图的设计同步交叉进行。可以分为几类器件。主芯片，如CPU、DSP、专用IC等。功率器件，如LDO、DCDC、变压器等。保护类元器件，如ESD、保险丝、PMU器件、OCPOVP器件等。定制元器件，如一些特殊尺寸的接插件、电池、铜箔等。常规RCL器件。元器件选型7一般在进行元器件选型时，会遵循一定的原则。普遍性原则：所选的元器件是被广泛使用验证过的，尽量少使用冷门、偏门芯片，减少开发风险。高性价比原则：在功能、性能、使用率都相近的情况下，尽量选择价格比较好的元器件，降低成本。采购方便原则：尽量选择容易买到、供货周期短的元器件。持续发展原则：尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件,不要选用停产的器件,优选生命周期处于成长期、成熟期的器件。可替代原则：尽量选择兼容芯片品牌比较多的元器件。向上兼容原则：尽量选择以前老产品用过的元器件。资源节约原则：尽量用上元器件的全部功能和管脚。便于生产原则：在满足产品功能和性能的条件下，选择封装复杂度低的型号，降低生产难度，提高生产效率。元器件选型8PCB板的结构确认PCB设计之前，要同结构设计师确认PCB板的结构参数。PCB的外形板框和板厚。异形尺寸的PCB可能会对布线造成一定的困难，这需要EE和ME的相互配合，双方可能需要做一定的设计变更和妥协。PCB的板材。一般可简单分为刚性板和柔性板。FR-4为主流的刚性板，FPC为主流的柔性板。另外还有纸基板、铝基板、复合基板等。禁步区域和局部区域限高。这个点需要特别的注意，因为如果双方沟通有误，可能会导致耗时耗力的设计返工。尤其是近几年发展较快可穿戴电子产品，产品的体积越来越小，但是功能越来越丰富，因此PCB设计和结构设计是一个非常大的挑战，器件选型和布局在PCB布线之前要有好的规划。PCB板的结构确认9特殊元器件的摆放区域，例如接插件、开关按键、天线、LED灯、焊线焊盘。这些元器件跟结构的组装和生产工艺密切相关，一定要让结构工程师给出准确的定位位置。结构方面的特殊要求，例如FPC的局部补强，定位孔、螺丝孔的摆放和大小。以上的结构影响因素，待PCB设计器件摆放完成之后，布线之前，如果条件允许，导出3D文件，让结构工程师用工具软件模拟组合装配，检查是否没有结构干涉。PCB板的结构确认10特殊功能设计要求射频设计。对于射频电路，信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计，可能造成交叉干扰；另外，系统电源自身还存在噪声干扰，所以在设计射频电路PCB时一定要综合考虑，合理布线。具体的布线需要射频工程师的协助。声学设计。注意板级干扰噪声、耦合噪声以及不合理布线造成的地环路噪声等。各种Sensor的设计。敏感信号的设计规划，要在布线之前有规划。11特殊功能设计要求PCB技术准备汇总完成上述的技术准备，下一步就可以进行布线。在实际的项目中，前期的工作准备的充分，会起到事半功倍的效果。一定不要急于为了尽快的完成PCB的制作，疏忽了前期的技术储备工作，如果由于失误造成二次投板，得不偿失。12PCB设计技术准备汇总13PCB设计PCB设计现在可以进行实际的PCB布线工作，这是一个复杂且繁琐的工作，不但需要设计人员要有丰富的专业知识，而且要有充分的耐心。因为设计一块好的板子，不是几天就可以完成的，复杂的板子，第一轮设计工作可能需要十几天，甚至几十天，期间要不断地评审和修改，如果第一轮设计工作做得好，只要设计不变，后期的PCB改动可能只是在第一版的基础之上小修小补，大大减轻后面的工作量，而且每一轮的试产都有传承性，设计的可控性会更好。14PCB设计优秀的PCB设计工程师，在PCB板的每个角落，都体现着他的丰富的理论知识和经验。PCB设计，有其技术上的设计规范，有技术层面的，有工艺层面的。PCB设计中的通用规范性要求。PCB设计中的EMC要求。PCB设计中的模数混合设计。信号完整性设计（SI）。电源完整性设计（PI）。高速PCB设计（布局布线）。叠层阻抗设计。15PCB设计中的通用规范性要求PCB设计中的通用规范性要求。在几乎所有的PCB的设计中，无论其复杂程度，一些简单的设计规范都可以通用。封装库的建立。元器件的布局规则。布线的通用规则。过孔的作用和影响。测试点的要求。铺铜的要求。拼版的设计要求。工艺要求。16封装库的建立封装库的建立元器件选型后，在布线之前要建立元器件的封装库。通用元器件尽量使用之前验证过的封装，降低风险。特殊的元器件，要严格遵循规格书上的推荐焊盘尺寸来制作PCB封装，如果有必要，要同生产端沟通确认，结合实际的生产工艺，来确认封装尺寸。尤其是BGA器件的封装，BGA的焊点不能用肉眼检测，只能采用X射线等装置检测。在PCB布线完成后，最好按照原理图仔细检查每个元器件的封装是否正确，根据之前的经验，在元器件较多的产品设计中，初版的PCB很容易出现由于设计疏忽造成的封装与元器件不匹配，尽量避免这种失误。17元器件的布局规则元器件的布局规则元器件布局要求较多的是从结构、散热、电磁干扰、将来布线的方便性等方面综合考虑。元器件布局的一般原则是：先布置与机械尺寸有关的器件并锁定这些器件，然后是占空间较大的器件和电路的核心器件，再就是外围器件。机械结构方面的要求：外部接插件、显示器件等放置要整齐，定位一定要准确。禁步和限高区域布局要求：与内部结构干涉的禁步和限高区域要提前避让。电源部分的布局要求：电源部分的布局，要考虑整个板级的供电路径，做到电源线路尽量短，避免出现绕线或环路等易产生干扰的路径。散热方面的要求：板上有发热较多的器件放置要考虑散热的问题，晶振等器件要远离热源。18元器件的布局规则电磁干扰方面的要求：元器件在电路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，原则之一是各元器件之间的引线要尽量短。在布局上。要把模拟信号、高速数字电路、噪声源（如时钟电路、大电流功耗电路、LED驱动电路）这三部分合理的分开，使相互之间的信号耦合最小。随着电路设计的频率越来越高，EMI对线路板的影响越来越突出。除了常规的磁环、滤波电容等措施，有的关键电路设置还要加金属屏蔽罩。布线方面要求：在元器件布局时，必须全局考虑电路板上的布线，一般的原则还是布线最短，有网络连接的元器件尽量放置在一起。整个布局在满足电气性能参数的前提下，应当做到元器件排列、分布合理美观。19布线的通用规则布线的通用规则从减小辐射干扰的角度出发，应尽量选用多层板，内层分别作为电源层、地线层，用以降低供电线路阻抗，抑制公共阻抗噪声，对信号线形成均匀的接地面，加大信号线和接地面间的分布电容，抑制向空间辐射的能力。电源线、地线、信号线对高频信号应保持低阻抗。在频率很高的情况下，电源线、地线或信号线都会成为接收与发射干扰的小天线。降低这种干扰的方法除了加滤波电容外，布线的合理性也同样重要，布线要减小电源线、地线及信号线本身的高频阻抗，走线要短、线条要均匀。电源线和信号线要减小与回线所形成的环路面积，降低接受外界干扰和向外界干扰的几率。20布线的通用规则晶振电路要尽量靠近用到时钟的器件，晶体外壳接地良好，时钟区附近要包地处理，走线尽量短而直。石英晶体和其他对噪声敏感的器件，附近和下面尽量不要放置其他元器件和布线。电源线、地线尽量粗。关键的信号线两边加上保护地。元件的引脚尽量短，尤其是去耦电容和滤波电容，首选贴片器件。对A/D类器件，数字部分和模拟部分的地要隔离。模拟电压输入线、参考电压要尽量远离数字电路信号线，特备是时钟。时钟线和高速信号线走线尽量不要平行于其他走线。任何信号都不要形成环路，如果不可避免，让环路尽量小。21过孔的作用和影响过孔的作用和影响过孔是多层PCB的重要组成部分之一，从作用上看，过孔可以分为两类：一是用作各层间的电气连接；二是用作器件的固定或定位。从工艺制程上讲，过孔一般分为三类，即盲孔、埋孔和通孔。通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以在能够满足设计的前提下，优先选择过孔。在高速、高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合高速电路。但是过孔的尺寸大小受到钻孔和电镀等工艺技术的限制，现在通用的工艺做到的最小尺寸为：盲孔4mil/12mil,通孔和埋孔8mil/16mil。22过孔的作用和影响孔本身存在着对地的寄生电容，如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T，板基材介电常数为ɛ，则过孔的寄生电容大小近似于：C=1.41ɛTD1/(D2-D1)，过孔的寄生电容对电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。尽管单个过孔的寄生电容的引起的上升延变缓的作用不是很明显，但是如果走线中有多个过孔，设计者还是要慎重考虑。同样，过孔也存在这寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波作用。如果已知过孔的长度为h，钻孔的直径为d，则过孔的寄生电感近似于：L=5.08h[ln(4h/d)+1]，从式中可以看出。过孔的直径对电感的影响较小，对电感影响最大的是过孔的长度。23过孔的作用和影响通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：1．从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。对于电