印刷电路板导论
现代世界充斥着电子设备。无论是无声监控重要数据的设备，还是拥有源源不断通知的智能手机，它们的设计核心都包含PCB电路板。多年来，印刷电路板制造一直在持续增长，以跟上更新、更快和更复杂电子电路不断增长的需求。关于设计和设计PCB电路板过程的讨论可以填满一个库，但在这里我们将提供基础知识的表面介绍。
什么是印刷电路板?
印刷电路板是一种刚性结构，它包含由嵌入的金属表面(称为迹线)和更大面积的金属表面(称为平面)组成的电路。组件焊接到板上的金属垫片上，金属垫片连接到板电路。这允许组件相互连接。电路板可以由一层、两层或多层电路组成。
电路板是用导电性能较差的介电芯材料制成的，以确保纯粹的电路传输，并根据需要与额外的金属和介电层相互间隔。用于电路板的标准介电材料是由玻璃纤维布和环氧树脂编织而成的阻燃复合材料，称为FR-4，而电路的金属线和平面通常由铜组成。
板类
印刷电路板有多种用途。多氯联苯的一个显著特征是它们的类别——1、2或3。PCB的等级表明了它的整体可靠性和设计质量。
第1类板指定一个消费电子产品。
第2类板存在于高可靠性很重要但不是至关重要的设备中。这些设备试图将故障最小化。
第3类板代表了PCB最严格的制造标准。简单地说，如果三级板失效，生命就会立即受到威胁——例如，飞机上的板。
印刷电路板的种类
一般来说，板可以分为三类:刚性板、柔性板或金属芯板。
刚性板通常是设计师会遇到的绝大多数板，其中板的布局包含在刚性基板中，由高温和高压层压工艺创建。这些板的常用材料是FR-4，但根据设计的特殊需要，可以进行修改，以强调或以其他方式改善板的某些特性。
灵活的董事会是由刚性较弱的材料组成的，允许更大的挠度。这种材料在触感上让人联想到薄膜卷，而且板的厚度通常远小于标准的刚性板。虽然它们已经看到了一些应用，但人们希望柔性板将引领可穿戴技术的下一步，并消除目前刚性板设备固有的平面限制。
金属芯多氯联苯是刚性板设计的一个分支，增加了散热能力，使整个板保护敏感电路。这种风格可以作为大电流设计的一种选择，以防止热磨损和故障。
只要有受控电磁存在，印刷电路板就构成了维护电磁的基础设施。当然，电路板不是凭空产生的——它们的设计和制造本身就是一项巨大的工程工程。
印刷电路板设计的过程
在制造印刷电路板之前，必须进行设计。这是利用PCB电路板设计CAD工具完成的。PCB设计分为两大类:原理图捕获，在图中创建电路连接，然后PCB布局，设计实际的物理电路板。
开发图书馆CAD零件
第一步是开发设计所需的库CAD部件。这将包括原理图符号，仿真模型，PCB布局的脚印，以及3D印刷电路板显示的步进模型。一旦库准备好了，下一步就是在原理图上创建电路的逻辑表示。CAD工具用于将符号放在原理图上，然后将它们连接在一起形成电路。
同时，电路模拟运行，以验证设计将工作的电气方式，它的意图。一旦这些任务完成，原理图工具将把它们的连接数据发送到布局工具。
布局
在PCB设计的布局方面，原理图连接被接收并处理为连接两个或多个组件引脚的网。在屏幕上有了预期板形状的轮廓后，布局设计人员将把组件布局放置在正确的位置。一旦这些组件得到了最佳组织，下一步就是通过绘制引脚之间的轨迹和平面将网连接到引脚。CAD工具将有内建的设计规则，以防止一个网的痕迹接触到另一个网，以及管理许多其他宽度和空间需要一个完整的设计。一旦布线完成，将再次使用设计工具创建制造图纸和制造商将用于构建电路板的输出文件。
电路板的设计和制造是一个循序渐进的过程:原理图的创建和模拟，设置PCB设计网格和drc，组件的放置，PCB布线，电源平面，最后组装BOM和建造电路板。下一阶段的设计将着重于这些步骤。
如何制作印刷电路板
虽然PCB的设计和制造可以概括为原理图捕获、PCB布局和电路板制造和组装，但每一步的细节都非常复杂。我们将在这里查看这些步骤的一些更具体的方面。
创建原理图
在CAD工具内开始板的设计之前，有必要确保库的部分设计已经完成。对于原理图，这意味着为将要实现的部分创建逻辑符号;电阻，电容，电感，连接器和集成电路(ICs)。
在这些部件准备好使用后，开始在CAD工具的原理图上组织它们。一旦零件被粗略地放置，电线可以被画，代表连接的引脚之间原理图符号．这些线被称为网，它们可以表示内存或数据电路的单个网或组网。在原理图捕获，工艺部件必须根据需要移动，以创建清晰易读的示意图。
模拟电路
在原理图上组织好部件和网络后，下一步是验证电路是否能以预期的方式工作。为了验证这一点，使用集成电路强调工具在仿真程序中进行电路模拟，也被称为SPICE．这些工具允许PCB工程师在构建实际硬件之前测试他们正在设计的电路。因此，它们可以节省时间和金钱，使这些工具成为PCB设计过程中必不可少的一部分。
CAD工具设置
PCB设计人员使用的设计工具有许多不同的功能，包括设置的能力设计规则还有一些限制，可以防止不同的网重叠，同时保持与不同物体的正确距离。设计人员可以使用多种附加辅助工具，例如设计网格这有助于以整齐有序的方式放置组件和路由跟踪。
使用OrCAD Capture创建的示意图示例
布局组件
正确设置设计数据库并从原理图导入网络连接信息后，物理电路板布局是下一个任务。第一步是在CAD系统的板轮廓内放置组件足迹。每个足迹的网络连接将显示为“鬼线”图像，向设计师显示它们连接的部分。放置这些部件以获得最佳性能，同时要注意连接性、过热和电气噪声的区域，以及其他物理障碍，如连接器、电缆和安装硬件，这是一项需要设计师积累经验的任务。电路本身的需求并不是唯一的限制因素:设计师必须考虑如何放置元件，以便制造商能够最好地组装它们。
路由PCB
放置好组件后(尽管它们可以根据需要移动)，是时候将网连接在一起了。这是通过将橡皮筋网连接转换为绘制的轨迹和平面来实现的。CAD工具包含许多特性，使设计人员能够做到这一点，包括一些节省大量时间的自动路由特性。伟大的布线时必须小心为了确保这些网的长度对于它们所传输的信号是正确的，同时也确保它们不会穿过噪音过大的区域。这可能会导致串扰或其他信号完整性问题，可能会降低内置板的性能。
确保PCB返回电流路径清晰
通常情况下，单板上的每个有源器件(ic和相关器件)都需要接入电源和地网。这很容易通过浸水区域或层的固体平面，这些组件可以进入。但是,设计动力和地面飞机并不像看上去那么简单。这些平面还承担着返回带有痕迹的信号的重要工作。如果平面上有太多的孔，切割，或分裂，它会导致这些返回路径产生大量的噪声，并降低PCB的性能。
最终规则检查
完成组件放置、跟踪路由以及电源和接地平面之后，PCB设计就差不多完成了。下一步是运行最后的规则检查，并设置不同的文本和标记，将在外层丝印。这将帮助其他人找到组件和标签板的名称，日期，和版权信息。同时，图纸将需要输出，将在制造过程中使用制作和组装最终的板。PCB设计师也将使用他们的工具来提出成本估算，以建造电路板。
下面是一个用OrCAD PCB Designer创建的印刷电路板的例子
制作板子
此时，板已经准备好构建了，第一步是将输出数据文件发送到设备进行制造。这个过程包括将所有的痕迹和平面蚀刻到不同的金属层上，并将它们压缩在一起，产生一个裸板准备组装．
在组装设施中，根据所使用的组件类型，板上装载所需的组件，并经过不同的焊接过程。然后对电路板进行检查和测试，最终产品就准备好装运了。
使用PCB工具进行高质量的设计
印刷电路板的制造和装配过程是精确和苛刻的。为了使电路板的电路达到所要求的性能，制造商需要精确的设计数据作为工作依据。
PCB电路板设计工具必须具有创建复杂设计所需的特性和功能。这包括专门的功能，帮助高速电路布线复杂的轨迹和设计规则，可以轻松设置特定的区域间隙。它还包括提供最好的模拟工具来简化示意图捕获过程，以及提供大量的库部件。好消息是，已经有PCB设计工具可供你使用，可以处理我们一直在谈论的设计专业水平。考虑到PCB设计系统从Cadence为您的所有设计工具需求。
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