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講解高速pcb設計流程中通用的七個技巧

time : 2019-04-02 14:16       作者:蜜柚app二维码安卓下载pcb

本文將討論新手和老手都適用的七個基本(而且重要的)高速pcb設計技巧和策略。隻要在設計流程中對這些技巧多加注意,就能減少pcb設計回爐次數、設計時間和總體診斷難點。
技巧一:注重研究製造方法和代工廠化學處理過程
在這個無工廠IC公司時代,有許多工程師真的不知道從他們的設計文件生成pcb所涉及的步驟和化學處理過程,這點其實也不奇怪。這種實用知識的缺少經常導致設計新手做出沒有必要的較為複雜的設計選擇。舉例來說,新手易犯的一種常見錯誤是用特別精確的尺寸設計pcb版圖,也就是使用關聯在緊密柵格上的正交導線,最後發現並不是每家pcb加工廠能夠生產出在現場使用壽命期間能夠保持足夠可靠性的設計來。
具有這些能力的工廠可能無法提供最經濟的pcb價格。設計真的需要那麽複雜嗎?可以在更大的柵格上設計pcb版圖,從而降低pcb成本並提高可靠性嗎?設計新手遇到的其它誤區還有太小的過孔尺寸以及盲孔和埋孔。這些先進的過孔結構是pcb工程師工具箱中強大工具的產物,但其有效性與具體情形高度相關。隻是因為它們存在於工具箱中並不意味著應該用它們。
Bert Simonovich的“設計筆記”博客關於此事就說到了過孔的截麵縱橫比:“一個縱橫比為6:1的過孔能夠很好地保證你的pcb可以在任何地方製造。”對於大多數高速pcb設計來說,隻要稍加思考和規劃,這些HDI特征就能完全避免,從而再次節省成本,提高設計的可製造性。對這些超小型或單口過孔進行鍍銅所要求的物理學和流體力學能力並不是所有pcb工廠都擅長的。記住,一個不好的過孔就能毀了整個pcb;如果你的設計中有20000個過孔,那麽你就有20000次失敗的機會。將不必要的HDI過孔技術包含在內,那麽故障概率隻會上升。
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技巧二:相信飛線
有時候在設計一塊簡單pcb時畫原理圖似乎是在浪費時間,特別是當你做過一兩個設計之後。但對於初學的設計師來說,畫原理圖也可能是一個令人畏懼的工作。跳過原理圖是新手和熟練程度中等的人經常采取的一種戰術。但一定要抵抗住這種強烈的欲望。從你可以用作參考的完整原理圖開始開發你的版圖有助於確保你的版圖連接得到全部完成。下麵做些解釋。
首先,原理圖是電路的一種可視化描述,它可以在許多層次上交流信息。電路的子部分可以詳細繪製到好幾頁上,元器件可以安排在靠近它們功能塊的地方,而與它們最終的物理布局無關。由於原理圖符號中顯示有每個元器件上的每個引腳,因此很容易檢查出未連線的引腳。換句話說,不管描述電路的正式規則是否被遵循,原理圖都有助於你快速可視化地確定這一事實。
在主題為堆棧溢出的一組討論中,一位發帖者這樣評論:“如果一個原理圖可能會誤導看它的人,那麽它肯定是個不好的原理圖,不管最終表明……事實上它是正確的原理圖。問題很清楚。技術上正確但比較混亂的原理圖仍然是一個不好的原理圖。”雖然這個觀點大家很容易認同,但在CAD程序中,一個無法閱讀的原理圖仍然可以表達描述電路的連接信息,在版圖設計時仍然是有用的。
結論是:在設計pcb版圖時,有一個原理圖用作黃金參考可以使工作變得更加容易。用符號完成連接;在應對走線挑戰時不必同時思考連接。最後,發現第一版設計中你忘了做的導線連接可以節省重做的次數。
技巧三:使用自動布線器,但不要完全依賴自動布線器
大多數專業級的pcb CAD工具都有自動布線器。但除非你設計pcb很專業,自動布線器才會一次完成布線;對pcb連線來說自動布線器並不是一次點擊就能完成的解決方案。你仍然應該知道如何進行手工布線。
自動布線器是一種高度可配置的工具。為了充分發揮它們的作用,每次任務都要對布線器參數進行仔細、周到的設置,甚至對單塊pcb設計中的各個模塊都要單獨設置,不存在適合任何場合的基本通用默認設置。
當你問一個經驗豐富的設計師“最好的自動布線器是什麽”時,他們通常的回答是“你兩隻耳朵間的東西(眼睛)”,這可不是玩笑話,他們是認真的。布線作為一種工藝,與算法一樣有藝術性;布線本身就是啟發式的,因此非常類似於傳統的回溯算法。對於受約束的路徑選擇應用(比如迷宮和拚圖)來說,回溯算法很適合用來尋找答案,但在開放的、不受約束的場合,比如預先布放好了元器件的印製pcb,回溯算法就並不擅長於找到最優解決方案。除非自動布線器的約束條件得到了設計師高度細致的調整,否則自動布線器結果仍需要人工去檢查回溯算法結果中的薄弱環節。
導線尺寸是另一個難點。自動布線器不能可靠地確定一條導線上會流過多大的電流,因此它不能幫你確定要用多寬的導線。結果是,大多數自動布線器布出來的導線寬度不符合要求。許多自動布線器可以讓你規定參考導線約束條件。在stackexchange.com網站上的一篇論壇帖子中,作者Martin Thompson這樣寫道,“我做的每塊板都用過自動布線器(不好意思,是一種很高端的布線器……)。如果你的約束條件類似是這樣的:隻在這個層上,這兩個信號形成差分對,這些網絡必須匹配長度,那麽你必須將這些條件告訴自動布線器。”當你想要使用自動布線器時,你要問問你自己:“當我為pcb設置好自動布線器的約束條件,甚至也許在原理圖中對每根導線設置了約束條件,有這工夫會完成多少手工布線?”
經驗豐富的設計師把很多精力放在最初的元件布局上,幾乎整個設計時間的一半都用來優化元件的布局:
布線簡化——盡量減少飛線的交叉等等;
器件靠近——更短的路由意味著更佳的布線;
信號時序考慮。
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蜜柚app二维码安卓下载pcb的用戶論壇上,一個帖子這樣寫道,“對元件布局多加注意。以更加容易布線的方式進行元件布局。元件布局占整個工作量的70%。在開始布第一根線之前要放好所有的元件……使用飛線(這些線指示了還沒有完成布線的連接關係)作為布線複雜性的粗略指南。”
老前輩們經常使用混合方法進行布線——手工布一些重要的關鍵線,布好後鎖定這些線。然後用自動布線器處理非關鍵的導線,並幫助管理布線算法中的“逃逸狀態”。這種方法有時是受控的手工布線和快速的自動布線之間的一個很好折衷。
技巧四:pcb幾何尺寸和電流
大多數從事電子設計的人都知道,就像沿河道走的河流一樣,電子可能會遇到咽喉點和瓶頸。這一點在汽車熔絲的設計中得到了直接應用。通過控製導線的厚度和形狀(U型彎曲、V型彎曲、S形等),在過載時經過校準的熔絲會在咽喉點熔斷。問題是,pcb設計師在他們的pcb設計中偶然會產生類似的電氣咽喉點。舉例來說:在可以使用兩個快速45s形成角度的地方使用90度彎角;彎曲度大於90度,形成之字形狀。在最好的情況下,這些導線會降低信號傳播的速度;在最糟糕的情況下,它們就像汽車熔絲一樣,會在電阻點熔斷。
技巧五:哦,碎片!
碎片是一種製造問題,可以通過正確的pcb設計得到最好的管理(圖1)。為了理解碎片問題,首先需要回顧一下化學蝕刻工藝。化學蝕刻工藝的目的是要溶解掉不需要的銅。但如果有特別長、薄、條狀的碎片需要腐蝕,這些碎片有時會在完全溶解之前整塊脫離。這種條塊隨後飄浮在化學溶液中,有可能隨機落在另一塊pcb上。
同樣具有風險的情況是當碎片仍然留在pcb上之時。如果碎片足夠窄,酸液池可以腐蝕掉下方足夠多的銅,使碎片部分剝離。現在碎片到處遊走,像旗子一樣附在pcb上。最終它會落到你自己的pcb上,引起其它導線的短路。
那麽你去哪裏尋找潛在的碎片以及如何避免這些碎片呢?在設計pcb版圖時,最好避免留下非常窄的銅片區域(圖2)。這種區域通常是在導線和焊盤間隙交叉點敷銅時造成的(圖3)。將銅片的最小寬度設置為超過製造商允許的最小值,你的設計應該就沒有這方麵的問題了。針對蝕刻的標準最小寬度是0.006英寸。
技巧六:關注DRC
雖然設置自動布線器通常是專門針對具體設計功能進行的,但設計規則檢查(DRC)一般被用來輸入製造商的設計約束。雖然這種設置很乏味,但並沒有像自動布線器那麽糟糕。大多數設計團隊最終都會建立一整套設計規則,旨在:標準化裸板構建成本,最大化良率;盡可能一致地進行組裝、檢查和測試。除了設計好處外,這些設計規則——將設計保持在預定義的製造極限之內——也有助於在采購部門建立更好的一致性。如果pcb製造的價格是一致的,則采購經常能減少需要維護的專業pcb製造協議數量。
為了幫助解決所有這些問題,許多pcb設計工具都內置有DRC檢查器(一些工具稱它們為“約束管理器”),當你在編輯時DRC檢查器會交互式地標記出設計規則違例。一旦你針對所選的製造商設置好DRC規則,就要認真嚴肅地對待出現的錯誤。DRC工具一般都是比較保守的。它們會有意報告可能的錯誤,讓你來做出決定。篩選幾百個“可能的”問題是很乏味的事,但不管怎樣都要去做。在這份問題清單中可能深藏著第一次生產注定要失敗的原因。除此之外,如果你的設計生成了大量的可能錯誤,你應該警覺你的走線方式可能需要改進。
鄭振宇深圳蜜柚app二维码安卓下载技術開發有限公司的一位pcb工程師擁有20多年的豐富設計經驗,他的建議是這樣的。“花點時間理解並正確地設置版圖工具提供的約束係統。花點時間審查所有級別的約束。約束工具可能很強大,也很靈活,但也會令人困惑和帶來危險。錯誤的約束很容易導致有缺陷的或無法製造的pcb。約束設置中的錯誤很可能限製DRC檢查或使其無法使用。有可能會發生這樣的情形:每次DRC都通過了,但pcb仍然無法製造或不能正常工作。以前我見過這種情形。設計團隊都很高興,因為pcb通過了DRC檢查,但首件產品上測試台卻冒煙了。跟蹤這種故障會將團隊帶回到CAD工具的約束管理器。約束管理器沒有設計意識;它會讓你做任何事,而不管事情有多麽糟糕。”
比如在Sunstone Circuits公司,幾乎每天都會收到很容易製造的pcb設計的報價要求,但也有關鍵區域的設計容差和間隙太小的時候。這種情況使pcb代工廠(比如Sunstone)不得不告知壞消息:要麽蜜柚app二维码根本無法製造pcb,因為容差超出了蜜柚app官网的能力範圍,要麽蜜柚app官网能夠製造pcb,但價格要提高,並且良率可能較低。這些客戶如果在設計時就考慮到特定製造商的能力就好了。
Baker補充道:“如果你的版圖軟件允許你擱置DRC違例,那麽使用這個功能時一定要小心。因為輕易地擱置DRC,想把它留到後麵再處理,結果往往是很輕易地就忘了。記住在將你的設計發送出去製造前一定要檢查所有擱置的DRC錯誤。”
Bob Tise是目前正在Sunstone Circuits公司上班的經驗豐富的pcb設計師,他的認為:“你一定要抵抗住完全擱置DRC錯誤的誘惑,並遵循一開始就設定好的規則。”
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技巧七:了解你在使用的代工廠
在討論過DRC設置之後,這個技巧幾乎——但並不完全——是多餘的。除了幫助你正確地建立DRC規則之外,了解你的pcb將發往哪家代工廠也能提供額外的一些預製造幫助。一家好的代工廠會在你下訂單前提供一些有益的幫助和建議,包括如何改進你的設計以減少設計反複、減少最終在測試台上調試時遇到的問題,並提高pcb的良率。
卡耐基梅隆大學的一位博士生Hugo在博客中這樣評價對製造商的了解:
“每家製造商都有自己的規範,比如最小導線寬度、間距、層數等。在開始設計之前,你應該考慮好你自己的要求,然後找到一家能夠滿足你要求的製造商。你的要求還包括pcb材料等級。pcb材料等級從FR-1(紙-酚醛樹脂混合物)一直到FR-5(玻璃纖維和環氧樹脂)。大多數pcb原型製造商使用FR-4,但FR-2也經常用於大批量的消費類應用。材料類型會影響到pcb的強度、耐用性、吸濕性和阻燃性(FR)。”
理解印製pcb的製造工藝,了解你的製造商會采用哪種工藝和方法,可以幫助你做出更好的設計決策。去拜訪一下你選中的供應商,親自了解一下製造過程。在將你的設計提交給製造之前好好利用DFM(可製造性設計)工具吧。
本文小結
如果你在思考這些基本的技巧和技術,說明你已經走在通往快速、可靠、專業質量的pcb道路上了。理解製造工藝;使用DRC和DFM幫助你捕捉疏忽的可能增加代工成本和/或降低良率的設計功能。然後仔細規劃元器件的布局,消除昂貴的設計功能。明智地使用CAD工具提供的所有設計工具,包括自動布局和自動布線,但對自動布線器的設置一定有要耐心和周密,這樣才能取得良好的自動布線結果。
不要依賴自動布線器做布線以外的事情;需要時手工調整導線尺寸,以確保設計中承載正確的電流。不管怎樣一定要相信飛線,直到所有飛線100%消失,你的pcb設計才算完成。後期的pcb打樣和電路板生產才能更加省時省力。