系列概述- PCB设计从开始到结束
这是返校系列PCB设计师和那些可能想知道更多关于它的介绍。
前言。
本系列适用于任何想要设计自己的印刷电路板或为他人进行设计的人。虽然不要求电子学学位，但初学者可以将基本的电子理论作为先决条件。每个部分都以研究生区结束，在那里讨论更先进的技术。初学者可能想要跳过这些部分，而那些有基础知识的人可能会跳过这些部分。
PCB设计处于机械和电气领域的十字路口。今天，你在处理几何尺寸和公差，第二天你就在计算功率平面上的温升。在这两个阵营之间，有大量印刷电路板特有的技术。
将执行同一功能的各种组件组合在一起，并将该功能与一个或多个其他功能集成在一起，这是PCB布局的核心。一个组件可以有两个引脚或两千引脚。它可以花费一分钱或数百美元。它可以从货架上购买，也可以定制，交货时间长达几个月。每个PCB都是一个自定义的载体，用于选择一些部件，希望能够做一些有用的事情。让我们从下面每个部分的摘要开始。
内容
第1节- PCB堆叠
的堆叠是PCB设计的基础．所选择的材料将驱动控制阻抗的几何形状，特别是外部和内部路由层的线宽。介电材料，特别是，有许多变化。
电介质的关键指标
- 玻璃化转变温度(Tg)是焊接的热上限。
- 介电常数(Er或Dk)影响阻抗计算。
- 损耗正切，这决定了高速连接的适用性。
第一节讨论了单层和多层堆叠以及保持平衡堆叠的重要性。最后，介绍了伸缩和刚性-伸缩堆栈。
第2节-部件
PCB的组件在原理图中被实例化，并通过逻辑网络列表转移到PCB布局中。PCB不能比底层占地更好。就像拼图游戏的碎片一样，单个碎片的几何形状和数据构成整体。元件由原理图中的符号和PCB布局上的印面表示。
组件分为两大类和两种技术。
- 无源组件通常是两脚器件，但也包括连接器。
- 有源元件的特点是集成电子器件的存在。
- 通孔组件是原始品种的部件，正如它所说的那样，利用通过PCB突出的引脚。
- 表面安装组件没有通孔销钉，而是使用鸥翼或j型引线，还包括球栅阵列和芯片组件。
第二节讨论了这些变化，以及一些数据，这些数据可能会被放入封装中，以方便制造、组装和测试。
第3节- PCB轮廓:板和面板
PCB轮廓通常在MCAD软件中生成，并通过几种不同的方法传输到ECAD工具。板的轮廓也可以有一个步骤和重复面板，是优化的组装。然后将组装子面板排列在较大的制造面板中。各种阵列通常由制造商与装配团队一起进行。如果这些工作不是在合同制造商的同一屋檐下完成，PCB设计师通常会协调这些工作。
PCB轮廓图包括:
- 尺寸和公差所有的主要特征，包括长度，宽度和厚度的PCB。
- 组件隔离带和/或高度限制区域。
- 由最终组件驱动的组件的位置，如连接器和指示灯。
- 描述最终产品所需的视图和细节。
第三节讨论了各种方法的去镶板，v评分，和路由出板轮廓与磨机或激光。添加工具孔和基准到面板的断裂区域时，实际板没有空间也包括在内。最后，我们看看生成不寻常的形状和控制严格的几何要求。
第4节-组件放置
接着第二部分，放置是组织组件以实现最佳路由的艺术。对于去耦电容器和晶体之类的东西，有一些经验法则，其中与其他物品的接近是关键。另外，有些组件类型希望与其他组件类型隔离。
稳健布局的考虑步骤:
- 逻辑验证:有时，网表会因为这样或那样的原因加载失败。在示意图的抽象世界中也可能会出现一些错误，这些错误在放置过程中变得很明显。
- 平面规划之于布局，就像方框图之于原理图;可以用作起点的细节的高级表示形式。
- 与组件放置相关的模拟板的独特要求和怪癖。
- 管理热性能。
- 考虑返工和测试需求。
第四部分是我们最接近原理图的部分。网名是关键网的标志，驱动位置。整个原理图中的说明可以阐明要求，例如哪些部件位于EMI屏蔽下或板的底部。规则可以基于原理图并通过网表传输，也可以在放置阶段在板级创建。
第五部分-扇出研究
Fanout是我们证明的位置，并为干净的路由铺平道路。当PCB必须具有高可靠性时，有一个设计规则要求为过孔提供更大的捕获垫。必须为所使用的技术类型分配空间。我们称其为一项研究，因为我们在尝试之前并不总是知道答案。
在扇出研究中做出的决定:
- 层数，包括用于隔离某些信号和从球栅阵列设备的内部区域逸出的规定。
- 根据需要为路由信号，电源和接地平面以及混合使用层分配层。
- PCB是否要求高密度互连技术．
第五节将前四部分联系在一起，涵盖了高速差动对中的扇出，以及包括板上芯片(COB)和微型bga在内的组件的小型化。我们结束与动力平面和努力，以确保其完整性通过早期模拟。
第6节-数字路由
当非电路板设计师想象PCB时，这就是他们想到的。这是一个由线条主导的图像，这些线条宽度相同，但几乎漫无目的地漫游。艺术观念并不遥远，但训练有素的眼睛总能看出。
数字路由在很大程度上依赖于差分对来扩展连接的范围，同时对抗串扰的影响。另一个标志是使用四个或更多信号的总线。
数字路由约束包括:
- 组内的行长度匹配。有一个典型的时钟网，所有其他的匹配组被衡量。
- 微分对的相位匹配，使互补迹沿其整个长度保持调谐。
- 考虑高速寄生、线路损耗、蒙皮效应、接地回路等。
第六节深入探讨了这些主题，提供了具体的例子和轶事，将低频声波与频谱的高端声波进行比较。
第7节-理解和优先排序总线
数字路由是一个非常广泛的主题，将在本节和下一节继续讨论。在这里，我们先分析一些不同的总线架构，然后再进入专门讨论内存路由的完整部分。
本节涉及的常见总线类型:
- 作为PCIe
- MIPI
- USB
- 以太网
- 萨塔
- HDMI等
第七部分将这些问题视为四维空间和时间难题。我们将剖析一个示例层，并讨论一些“研究生”技术，以便在事情变得有点棘手时使用。
第8节-内存路由
可能是最长的部分，它仍然只覆盖表面;内存路由是我们工作中最复杂的任务之一。从生成约束集到实际充实它以满足所有设计规则，这一直是一个高级主题。
内存路由的几个方面:
- 易失性与非易失性内存
- 只读存储器(ROM)
- 随机存取存储器
- 各种口味的RAM;SRAM、DRAM、DDR (Double Data Rate)、高带宽内存
第8节介绍了一些历史和词汇，在深入DDR之前提供一个概述。在这个节点上，列出了从开始到结束路由部分的十个步骤的详细列表。
第9节-模拟路由
对射频电路进行布局是一项艰巨的任务。你几乎必须翻转脚本，放下传输线，然后放置组件。目标是在不使用信号通孔的情况下实现高频连接。连续性和阻抗规则优先于其他所有规则。
模拟路由包括:
- 了解受害者和攻击者，把他们分开。
- 阻抗匹配
- 参考平面
- 印刷电路元件，如耦合器和滤波器在PCB本身
- 使用模块作为一种快捷方式/节省成本
- HDI堆叠的注意事项
第9节将介绍上述因素以及估算给定叠加几何结构阻抗的技巧。我们接触了促进良好信号完整性的奇异材料，并分解了带状线和微带传输线之间的差异。
第10节-柔性电路
这些弹性电路不会消失。对于狭小的空间和奇怪的连接要求来说，它们实在是太有用了。我们将flex分为两个用例;在伸缩电路一次弯曲的地方进行组装，在其使用寿命内多次弯曲的地方进行动态伸缩。
一些柔性替代电缆，而另一些具有主动电路和/或完成整个线束的功能。
柔性电路有什么独特之处?
- 首先，材料、介质、金属以及各种粘合剂和涂层都必须在所有环境中保持灵活性。
- 轨迹必须更有机的半径转弯，而不是角度弯曲
- 在用于弯曲的区域通常禁止使用过孔。它们可能需要被褥下面的小刺来帮助它们附着在基础材料上。
- 铜网比固体平面更有可能被使用。
第十节从各种材料差异开始，然后介绍柔性电路特有的零插入力(ZIF)连接器。我们先看一下独特的电镀过程和用例，然后再看几个挠性和刚性-挠性堆叠的例子。
第11节-多板系统
从刚性-挠性的问题出发，我们得到了一些单独的板组合成一个系统的情况。我们没有使用柔性连接刚性电路的多个区域，而是在中间使用电缆或定制的柔性连接器。这种方法可能导致不同电路板之间的错误连接。注意，当你有一个刚性-柔性，所有的刚性区域将使用相同的层和材料。多板系统允许根据每块板的不同要求定制材料。
多板系统的类型:
- 主板/子卡，其中一个小板像藤壶一样连接到一个具有堆叠连接器的大板上。
- 以各种方式连接到主逻辑卡上的小板子的集合。
- 一种带有墙对墙连接器的后面板，其中插入了许多卡。
- 一个无线网络的产品，如在智能家居中发现的。
第11节以智能手表为例，说明了刚性、挠性、刚性-挠性，甚至是模塑板来完成电路。进一步讨论到电信领域，最后，看看笔记本电脑，我认为这是我在谷歌的最高成就之一。
第12节-如何为测试而设计
不管它是什么，它必须起作用，而知道它是否起作用的唯一方法就是进行测试。有时，唯一可能的测试是打开设备，看看会发生什么。由于空间和成本的限制，这种功能方法在消费品中很常见。下一层是使用边界扫描，该扫描具有通过JTAG连接器访问的少量钩子。最后，在线测试(ICT)需要访问尽可能多的节点。
一个全面的测试计划应该揭示以下内容:
- 缺少的组件
- 组件安装不当
- 焊接桥架或其他短管
- 故障组件
第十二部分概述了测试方法，并以电信设备为例，就如何实现ICT提供了一些建议。我们比较钉床和飞头探头夹具，并在无法实现100%测试覆盖率的情况下设置优先级。
第13节-阻焊罩
焊接掩模是装配设计(DFA)中最重要的方面之一。防止一个焊点与另一个焊点合并总是一个好主意。这是一个相当简单的层来生成，如果底层足迹和垫层堆栈是有序的。
主要主题包括:
- LPI、干膜、激光应用
- 确保阻焊膜附着力的试验方法
- 锡膏沉积，包括用于混合技术板的插针式锡膏
根据质量控制方面的经验，我们来看看当pcb进入工厂时，接收检验实验室会发生什么。另一个讨论涉及到用焊罩覆盖通孔。最后，我们进入了焊锡掩膜定义的先进技术背后的数字。
第14节-丝印
丝印是另一个简单的层，如果没有正确处理，可以让电路板在晶圆厂的CAM部门被卡住。丝印有一个层次结构，优先考虑板级识别，并增加组件和网络识别级别的空间允许。
典型丝印要求:
- 永久、不导电、无营养油墨
- 行程宽度127至178微米取决于应用-使用激光喷射或丝网印刷方法
- 清除可焊接区域和下面的组件
在第十四节中，我们将重新访问检测实验室，以彻底检查粘附性测试。供应商要求的标志，包括UL认证和日期代码。接下来，我们讨论使用金属和掩模层或标签应用的标记替代方法。
第15节-创建文档包
深入研究一下这些文件我们就快结束了。制作和组装说明是本节的主要重点，其中包括作为示例的每种类型的完整集。本节的另一个重点是“是什么”和“如何”之间的区别，以及为什么我们想要避免方法化的图纸。
PCB的典型文档包包含的内容:
- 一个readme.doc，它对存档文件进行了编目，并提供了零件编号和最低修订级别。
- 使用尺寸和公差定义机械参数的图像。
- 描述孔尺寸、数量和每个通径公差的图表。
- 堆叠图-通过与工厂协商得到。
- 图纸和钻孔数据的格式一致。
第15节建议使用核对表来确保录音的完整性。还建议使用可跟踪的文件名和其他格式。根据公司政策，制造和装配文件可以分开或合并。
第16节-供应商管理
这一节强调了在堆栈前面的必要性，以及由此产生的行宽/间距要求。第一部分是有原因的。它通过翻转脚本，将PCB设计人员置于供应商的角色。
本节的一些要点:
- 制造PCB/PCBA绝对需要团队的共同努力。
- 如果您知道供应商的限制和最佳点，那么在他们的能力范围内生活就很容易。
- 对于那些必须充实文档的人来说，文档包中的每一个注释或数字都可能是一个障碍。
- 当你是一个独立的设计师时，你的工作时间几乎和设计工作一样多。
第16节告诉我们，我们是广泛参与者的合作伙伴。协调有时相互冲突的要求需要我们有一点悟性，才能让双方达成妥协。做一个快乐的露营者，或者至少在剧情突然反转时保持一张扑克脸。重要的不是发射而是着陆。享受你的一天。