印制電路板設計成功的七大技術(shù)要素

本文將討論新手和老手都適用的七個(gè)基本(而且重要的)技巧和策略。只要在設計過(guò)程中對這些技巧多加注意，就能減少設計回爐次數、設計時(shí)間和總體診斷難點(diǎn)。

技巧一：注重研究制造方法和代工廠(chǎng)化學(xué)處理過(guò)程

在這個(gè)無(wú)工廠(chǎng)IC公司時(shí)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(xué)處理過(guò)程，這點(diǎn)其實(shí)也不奇怪。這種實(shí)用知識的缺少經(jīng)常導致設計新手做出沒(méi)有必要的較為復雜的設計選擇。舉例來(lái)說(shuō)，新手易犯的一種常見(jiàn)錯誤是用特別精確的尺寸設計電路板版圖，也就是使用關(guān)聯(lián)在緊密柵格上的正交導線(xiàn)，最后發(fā)現并不是每家電路板加工廠(chǎng)能夠生產(chǎn)出在現場(chǎng)使用壽命期間能夠保持足夠可靠性的設計來(lái)。

具有這些能力的工廠(chǎng)可能無(wú)法提供最經(jīng)濟的PCB價(jià)格。設計真的需要那么復雜嗎?可以在更大的柵格上設計電路板版圖，從而降低電路板成本并提高可靠性嗎?設計新手遇到的其它誤區還有太小的過(guò)孔尺寸以及盲孔和埋孔。這些先進(jìn)的過(guò)孔結構是PCB設計師工具箱中強大工具的產(chǎn)物，但其有效性與具體情形高度相關(guān)。只是因為它們存在于工具箱中并不意味著(zhù)應該用它們。

Bert Simonovich的“設計筆記”博客關(guān)于此事就說(shuō)到了過(guò)孔的截面縱橫比：“一個(gè)縱橫比為6:1的過(guò)孔能夠很好地保證你的電路板可以在任何地方制造。”對于大多數設計來(lái)說(shuō)，只要稍加思考和規劃，這些HDI特征就能完全避免，從而再次節省成本，提高設計的可制造性。對這些超小型或單口過(guò)孔進(jìn)行鍍銅所要求的物理學(xué)和流體力學(xué)能力并不是所有PCB工廠(chǎng)都擅長(cháng)的。記住，一個(gè)不好的過(guò)孔就能毀了整個(gè)電路板;如果你的設計中有20000個(gè)過(guò)孔，那么你就有20000次失敗的機會(huì )。將不必要的HDI過(guò)孔技術(shù)包含在內，那么故障概率只會(huì )上升。

技巧二：相信飛線(xiàn)

有時(shí)候在設計一塊簡(jiǎn)單電路板時(shí)畫(huà)原理圖似乎是在浪費時(shí)間，特別是當你做過(guò)一兩個(gè)設計之后。但對于初學(xué)的設計師來(lái)說(shuō)，畫(huà)原理圖也可能是一個(gè)令人畏懼的工作。跳過(guò)原理圖是新手和熟練程度中等的人經(jīng)常采取的一種戰術(shù)。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(kāi)始開(kāi)發(fā)你的版圖有助于確保你的版圖連接得到全部完成。下面做些解釋。

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制到好幾頁(yè)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(wú)關(guān)。由于原理圖符號中顯示有每個(gè)元器件上的每個(gè)引腳，因此很容易檢查出未連線(xiàn)的引腳。換句話(huà)說(shuō)，不管描述電路的正式規則是否被遵循，原理圖都有助于你快速可視化地確定這一事實(shí)。

在主題為堆棧溢出的一組討論中，一位發(fā)帖者這樣評論：“如果一個(gè)原理圖可能會(huì )誤導看它的人，那么它肯定是個(gè)不好的原理圖，不管最終表明……事實(shí)上它是正確的原理圖。問(wèn)題很清楚。技術(shù)上正確但比較混亂的原理圖仍然是一個(gè)不好的原理圖。”雖然這個(gè)觀(guān)點(diǎn)大家很容易認同，但在CAD程序中，一個(gè)無(wú)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(shí)仍然是有用的。

結論是：在設計PCB版圖時(shí)，有一個(gè)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(xiàn)挑戰時(shí)不必同時(shí)思考連接。最后，發(fā)現第一版設計中你忘了做的導線(xiàn)連接可以節省重做的次數。

技巧三：使用自動(dòng)布線(xiàn)器，但不要完全依賴(lài)自動(dòng)布線(xiàn)器

大多數專(zhuān)業(yè)級的PCB CAD工具都有自動(dòng)布線(xiàn)器。但除非你設計PCB很專(zhuān)業(yè)，自動(dòng)布線(xiàn)器才會(huì )一次完成布線(xiàn);對PCB連線(xiàn)來(lái)說(shuō)自動(dòng)布線(xiàn)器并不是一次點(diǎn)擊就能完成的解決方案。你仍然應該知道如何進(jìn)行手工布線(xiàn)。

自動(dòng)布線(xiàn)器是一種高度可配置的工具。為了充分發(fā)揮它們的作用，每次任務(wù)都要對布線(xiàn)器參數進(jìn)行仔細、周到的設置，甚至對單塊PCB設計中的各個(gè)模塊都要單獨設置，不存在適合任何場(chǎng)合的基本通用默認設置。

當你問(wèn)一個(gè)經(jīng)驗豐富的設計師“最好的自動(dòng)布線(xiàn)器是什么”時(shí)，他們通常的回答是“你兩只耳朵間的東西(眼睛)”，這可不是玩笑話(huà)，他們是認真的。布線(xiàn)作為一種工藝，與算法一樣有藝術(shù)性;布線(xiàn)本身就是啟發(fā)式的，因此非常類(lèi)似于傳統的回溯算法。對于受約束的路徑選擇應用(比如迷宮和拼圖)來(lái)說(shuō)，回溯算法很適合用來(lái)尋找答案，但在開(kāi)放的、不受約束的場(chǎng)合，比如預先布放好了元器件的印制電路板，回溯算法就并不擅長(cháng)于找到最優(yōu)解決方案。除非自動(dòng)布線(xiàn)器的約束條件得到了設計師高度細致的調整，否則自動(dòng)布線(xiàn)器結果仍需要人工去檢查回溯算法結果中的薄弱環(huán)節。

導線(xiàn)尺寸是另一個(gè)難點(diǎn)。自動(dòng)布線(xiàn)器不能可靠地確定一條導線(xiàn)上會(huì )流過(guò)多大的電流，因此它不能幫你確定要用多寬的導線(xiàn)。結果是，大多數自動(dòng)布線(xiàn)器布出來(lái)的導線(xiàn)寬度不符合要求。許多自動(dòng)布線(xiàn)器可以讓你規定參考導線(xiàn)約束條件。在stackexchange.com網(wǎng)站上的一篇論壇帖子中，作者M(jìn)artin Thompson這樣寫(xiě)道，“我做的每塊板都用過(guò)自動(dòng)布線(xiàn)器(不好意思，是一種很高端的布線(xiàn)器……)。如果你的約束條件類(lèi)似是這樣的：只在這個(gè)層上，這兩個(gè)信號形成差分對，這些網(wǎng)絡(luò )必須匹配長(cháng)度，那么你必須將這些條件告訴自動(dòng)布線(xiàn)器。”當你想要使用自動(dòng)布線(xiàn)器時(shí)，你要問(wèn)問(wèn)你自己：“當我為電路板設置好自動(dòng)布線(xiàn)器的約束條件，甚至也許在原理圖中對每根導線(xiàn)設置了約束條件，有這工夫會(huì )完成多少手工布線(xiàn)?”

經(jīng)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(gè)設計時(shí)間的一半都用來(lái)優(yōu)化元件的布局：

布線(xiàn)簡(jiǎn)化——盡量減少飛線(xiàn)的交叉等等;

器件靠近——更短的路由意味著(zhù)更佳的布線(xiàn);

信號時(shí)序考慮。

在Sunstone Circuits公司的用戶(hù)論壇上，一個(gè)帖子這樣寫(xiě)道，“對元件布局多加注意。以更加容易布線(xiàn)的方式進(jìn)行元件布局。元件布局占整個(gè)工作量的70%。在開(kāi)始布第一根線(xiàn)之前要放好所有的元件……使用飛線(xiàn)(這些線(xiàn)指示了還沒(méi)有完成布線(xiàn)的連接關(guān)系)作為布線(xiàn)復雜性的粗略指南。”

老前輩們經(jīng)常使用混合方法進(jìn)行布線(xiàn)——手工布一些重要的關(guān)鍵線(xiàn)，布好后鎖定這些線(xiàn)。然后用自動(dòng)布線(xiàn)器處理非關(guān)鍵的導線(xiàn)，并幫助管理布線(xiàn)算法中的“逃逸狀態(tài)”。這種方法有時(shí)是受控的手工布線(xiàn)和快速的自動(dòng)布線(xiàn)之間的一個(gè)很好折衷。

技巧四：電路板幾何尺寸和電流

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(huì )遇到咽喉點(diǎn)和瓶頸。這一點(diǎn)在汽車(chē)熔絲的設計中得到了直接應用。通過(guò)控制導線(xiàn)的厚度和形狀(U型彎曲、V型彎曲、S形等)，在過(guò)載時(shí)經(jīng)過(guò)校準的熔絲會(huì )在咽喉點(diǎn)熔斷。問(wèn)題是，PCB設計師在他們的PCB設計中偶然會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似的電氣咽喉點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)：在可以使用兩個(gè)快速45s形成角度的地方使用90度彎角;彎曲度大于90度，形成之字形狀。在最好的情況下，這些導線(xiàn)會(huì )降低信號傳播的速度;在最糟糕的情況下，它們就像汽車(chē)熔絲一樣，會(huì )在電阻點(diǎn)熔斷。

技巧五：哦，碎片!

碎片是一種制造問(wèn)題，可以通過(guò)正確的電路板設計得到最好的管理(圖1)。為了理解碎片問(wèn)題，首先需要回顧一下化學(xué)蝕刻工藝?；瘜W(xué)蝕刻工藝的目的是要溶解掉不需要的銅。但如果有特別長(cháng)、薄、條狀的碎片需要腐蝕，這些碎片有時(shí)會(huì )在完全溶解之前整塊脫離。這種條塊隨后飄浮在化學(xué)溶液中，有可能隨機落在另一塊電路板上。

同樣具有風(fēng)險的情況是當碎片仍然留在電路板上之時(shí)。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?，F在碎片到處游走，像旗子一樣附在電路板上。最終它會(huì )落到你自己的電路板上，引起其它導線(xiàn)的短路。

那么你去哪里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(shí)，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(xiàn)和焊盤(pán)間隙交叉點(diǎn)敷銅時(shí)造成的(圖3)。將銅片的最小寬度設置為超過(guò)制造商允許的最小值，你的設計應該就沒(méi)有這方面的問(wèn)題了。針對蝕刻的標準最小寬度是0.006英寸。

圖1 在這個(gè)例子中，導線(xiàn)之間很窄的屏蔽圖案在電路板基板上顯得很牢固。

圖2：一個(gè)非常狹窄的片狀區域，比如原始設計文件中的這個(gè)例子，在制造時(shí)可能不受控制地剝離，從而產(chǎn)生短路和良率問(wèn)題。

技巧六：關(guān)注DRC

雖然設置自動(dòng)布線(xiàn)器通常是專(zhuān)門(mén)針對具體設計功能進(jìn)行的，但設計規則檢查(DRC)一般被用來(lái)輸入制造商的設計約束。雖然這種設置很乏味，但并沒(méi)有像自動(dòng)布線(xiàn)器那么糟糕。大多數設計團隊最終都會(huì )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(jìn)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制造極限之內——也有助于在采購部門(mén)建立更好的一致性。如果電路板制造的價(jià)格是一致的，則采購經(jīng)常能減少需要維護的專(zhuān)業(yè)PCB制造協(xié)議數量。

圖3：在這個(gè)例子中，化學(xué)蝕刻會(huì )改變狹窄條狀填充的形狀/尺寸。碎片剝離時(shí)會(huì )產(chǎn)生意料不到的鱗片和皮瓣。

為了幫助解決所有這些問(wèn)題，許多PCB設計工具都內置有DRC檢查器(一些工具稱(chēng)它們?yōu)?ldquo;約束管理器”)，當你在編輯時(shí)DRC檢查器會(huì )交互式地標記出設計規則違例。一旦你針對所選的制造商設置好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(huì )有意報告可能的錯誤，讓你來(lái)做出決定。篩選幾百個(gè)“可能的”問(wèn)題是很乏味的事，但不管怎樣都要去做。在這份問(wèn)題清單中可能深藏著(zhù)第一次生產(chǎn)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(jué)你的走線(xiàn)方式可能需要改進(jìn)。

Dave Baker是Sunstone Circuits公司的一位PCB設計師，擁有20多年的豐富設計經(jīng)驗，他的建議是這樣的。“花點(diǎn)時(shí)間理解并正確地設置版圖工具提供的約束系統?；c(diǎn)時(shí)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(huì )令人困惑和帶來(lái)危險。錯誤的約束很容易導致有缺陷的或無(wú)法制造的電路板。約束設置中的錯誤很可能限制DRC檢查或使其無(wú)法使用。有可能會(huì )發(fā)生這樣的情形：每次DRC都通過(guò)了，但電路板仍然無(wú)法制造或不能正常工作。以前我見(jiàn)過(guò)這種情形。設計團隊都很高興，因為電路板通過(guò)了DRC檢查，但首件產(chǎn)品上測試臺卻冒煙了。跟蹤這種故障會(huì )將團隊帶回到CAD工具的約束管理器。約束管理器沒(méi)有設計意識;它會(huì )讓你做任何事，而不管事情有多么糟糕。”

比如在Sunstone Circuits公司，幾乎每天都會(huì )收到很容易制造的電路板設計的報價(jià)要求，但也有關(guān)鍵區域的設計容差和間隙太小的時(shí)候。這種情況使PCB代工廠(chǎng)(比如Sunstone)不得不告知壞消息：要么我們根本無(wú)法制造電路板，因為容差超出了我們的能力范圍，要么我們能夠制造電路板，但價(jià)格要提高，并且良率可能較低。這些客戶(hù)如果在設計時(shí)就考慮到特定制造商的能力就好了。

Baker補充道：“如果你的版圖軟件允許你擱置DRC違例，那么使用這個(gè)功能時(shí)一定要小心。因為輕易地擱置DRC，想把它留到后面再處理，結果往往是很輕易地就忘了。記住在將你的設計發(fā)送出去制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(jīng)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，并遵循一開(kāi)始就設定好的規則。”

技巧七：了解你在使用的代工廠(chǎng)

在討論過(guò)DRC設置之后，這個(gè)技巧幾乎——但并不完全——是多余的。除了幫助你正確地建立DRC規則之外，了解你的電路板將發(fā)往哪家代工廠(chǎng)也能提供額外的一些預制造幫助。一家好的代工廠(chǎng)會(huì )在你下訂單前提供一些有益的幫助和建議，包括如何改進(jìn)你的設計以減少設計反復、減少最終在測試臺上調試時(shí)遇到的問(wèn)題，并提高電路板的良率。

卡耐基梅隆大學(xué)的一位博士生Hugo在博客中這樣評價(jià)對制造商的了解：

“每家制造商都有自己的規范，比如最小導線(xiàn)寬度、間距、層數等。在開(kāi)始設計之前，你應該考慮好你自己的要求，然后找到一家能夠滿(mǎn)足你要求的制造商。你的要求還包括PCB材料等級。PCB材料等級從FR-1(紙-酚醛樹(shù)脂混合物)一直到FR-5(玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂)。大多數PCB原型制造商使用FR-4，但FR-2也經(jīng)常用于大批量的消費類(lèi)應用。材料類(lèi)型會(huì )影響到電路板的強度、耐用性、吸濕性和阻燃性(FR)。”

理解印制電路板的制造工藝，了解你的制造商會(huì )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(fǎng)一下你選中的供應商，親自了解一下制造過(guò)程。在將你的設計提交給制造之前好好利用DFM(可制造性設計)工具吧。

本文小結

如果你在思考這些基本的技巧和技術(shù)，說(shuō)明你已經(jīng)走在通往快速、可靠、專(zhuān)業(yè)質(zhì)量的PCB道路上了。理解制造工藝;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。然后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(dòng)布局和自動(dòng)布線(xiàn)，但對自動(dòng)布線(xiàn)器的設置一定有要耐心和周密，這樣才能取得良好的自動(dòng)布線(xiàn)結果。

不要依賴(lài)自動(dòng)布線(xiàn)器做布線(xiàn)以外的事情;需要時(shí)手工調整導線(xiàn)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(xiàn),直到所有飛線(xiàn)100%消失，你的電路板設計才算完成。