硬件设计之PCB设计

1、1,硬件设计技术基础,PCB,设计,2,内容,?,基本任务、一般过程和概念。,?,工具。,?,元件库和元件制作、管理。,?,布局、布线和关键技术。,?,DRC, ECO,?,生产文件和制造工艺、焊接工艺。,?,高速,PCB,设计技术介绍。信号完整性分析。,3,基本概念,?,PCB:,概念和由来,?,种类,:,单面、双面、多层，刚性、柔性,?,功能,:,?,机械安装和支撑,?,电气连接,?,绝缘,?,元件识别,4,设计基本任务,?,根据明确的电路设计，完成,PCB,的元器件封装,制作、布局、布线工作，产生符合设计和工艺,要求的,PCB,设计文件及其生产文件。,?,PCB,的设计过程中，允许电路设

2、计发生变化。,?,PCB,设计应该考虑制造、焊接安装、调试、测,试和大量生产的要求。,5,PCB,设计任务的输入,?,电原理图，一般以网表的形式给出。,?,网表的各种格式。,?,PCB,设计要求。,?,PCB,的尺寸、特殊部件,(,如接插件,),的位置；,?,特殊元件和信号的布局、布线要求，如时钟信号、差分信号、,需要特殊屏蔽的电路等；,?,其他要求，如层数、线宽、电源层、厚度等；,?,相关资料。,?,元器件封装，关键元器件布线指导；,6,对输入的要求,?,输入应该是明确的、完整的。,?,输入是可以变化的。,?,PCB,设计人员必须掌握快捷、可靠地引入变化的方,法。,7,PCB,设计流程,?,

3、接收输入文件。,?,元器件封装检查。,?,库元件制作和修改。,?,板生成和布局。,?,布线和仿真分析。,?,DRC,。,?,设计确认和生产文件输出。,8,一些概念和术语,?,印制电路板,(Printed Circuit Board, PCB),。,?,元件,(part, component),和封装,(package),。,?,网络,(net),、连线,(track/trace),。,?,引脚,(pin),、焊盘,(pad),。,?,过孔,(via),。,?,多边形,(polygon),、铺铜,(pour),。,?,Printed circuit Board Assembly, PBA,。,9

4、,多层板,?,层,(layer),和面,(side),?,元件面,(component side),、焊接面,(soldering side),。,?,层,:,顶层,(top),、底层,(bottom),、中间层,(internal/middle,layer),、丝印层,(silk screen),、阻焊层,(solder mask),?,顶,/,底面丝印,/,阻焊，视图,?,板层,(board layer),。,?,电源,/,地层,(power/ground planes),。,?,通孔,(through hole),、表面贴,(surface mount, SMD/SMT),、,埋孔,/,

5、盲孔,(buried/blind via),。,10,多层板示意图,11,栅格,(grid),?,重要性,?,布局栅格、布线栅格、过孔栅格、显示栅格。,12,工具软件,?,protel/power pcb,。,?,cadence/mentor,。,13,封装,(package),?,PCB,上的元件表现为封装。,?,注意区别，很多不同的元件使用完全相同的封装。,?,封装由,PCB,的输入指定，一般是原理图指定。,?,经常混用,: package,、,footprint,、,part/decal,。,14,常见封装,?,SIP, DIP, SOIC, SOP, SOJ,?,LCC/PLCC, Q

6、FP/PQFP/CQFP,?,PGA, BGA/FBGA,?,分立元件的直插封装,?,分立元件的表贴封装,: 0603/0805/1210, SOT,DPAK,?,接插件,/,连接器,15,封装的问题,?,封装的种类很多，各厂家的命名很可能是不规范的。,命名可能是些厂家的代号。,?,同一功能的元件可能有几种封装。,?,接插件的引脚顺序,?,PCB,设计软件会提供一部分封装，但不一定合适。对,每一种封装，必须对照生产厂商的资料进行检查。,?,元件的外形、尺寸，引脚的形状、大小、间距。,?,对,0805,等，一般可以直接使用。,16,元件库,?,对于,PCB,库中没有的封装，需要制作。,?,封装一

7、般以库元件的形式保存在,PCB,的元件库,中。,?,元件库,?,软件的标准库；,?,以往的自己制造的库，包括公司,/,项目的共享库；,?,新建的库；,?,建立和管理元器件库。注意文件的组成。,17,元件的制作,?,元件制作的根据是元器件的数据手册。,?,元件一般由标号、形状和引脚组成。,?,标号是文字，注意大小和线的宽度。,?,形状，一般由线条,(line),描绘，一般不使用,polygon,。,?,形状可能要求绘制在特定的层上，也可能不，视使用的软件,而定，但最后生成,PCB,的生产文件时，均在丝网面上。,?,绘制时注意线的宽度。,18,引脚和焊盘,?,引脚一般由号码区分，是一个个焊盘。,?

8、,形状,?,大小,?,通孔和表面贴焊盘,?,层,:,顶层、底层、中间层、阻焊层,?,散热焊盘,(,花盘,),?,可以使用软件中已有的焊盘，也可以自行设计。,?,复制和修改。,?,特殊引脚,:,第一引脚和固定孔,19,焊盘的设计和确定,?,焊盘的设计根据元器件数据手册的引脚数据进行。,?,通孔焊盘,?,孔径，比引脚粗些。沉铜。,?,外径,?,阻焊和花盘,?,表贴焊盘的形状和尺寸,?,有些好的元器件数据手册有推荐的形状,(recommended,footprint),，应该遵守。,?,焊盘的尺寸有一定的调整范围，有工业界的规范。,20,通孔焊盘,21,SMT PAD,22,元件的制作,?,元件的制

9、作基本上不能进行自动检查，必须认,真。,?,焊盘位置、间距、顺序和起始。,?,元件标号的位置和大小。,?,方向,/,第一引脚标志，注意可见性。,?,特殊焊盘。,?,元件的安装基准。,23,板的生成,?,全部封装齐备后，可以生成,PCB,了。,?,读入网表，检查是否有缺失的元件。,?,注意产生的错误和警告。,?,在,board,层用,line,画出板的外形。,?,特殊外形或异形孔。,?,画出限制区,(keepout),。,?,英制和公制，密尔,(mil),和毫米。,24,布局,(placement),?,将元器件放置在要求的或合适的位置。,?,原则,:,信号流向，互不影响，疏密有度，方便焊,接和

10、调试，美观。,?,密度，以引脚数为基础，不以元件数量或尺寸,为基础。,?,时刻把握实际尺寸。,?,可以双面放置元件。,25,布局的一般顺序和参数,?,顺序,?,接插件、安装,/,定位孔等有特定位置要求的元件。,?,大元件,(BGA/QFP,和,MODULE),。,?,其他元件。,?,检查、调整和确认。,?,参数,?,布局栅格,?,焊盘间距,?,飞线,26,飞线,27,飞线的局部,28,布局注意事项,?,元件的空间冲突。特别是外部连接。,?,焊接、更换和调节的方便。,?,散热器和管座。,?,热量。,?,边缘，,3mm,。,?,基准标志,(fiducial),。,?,元件方向。,?,双面和焊盘重叠

11、。,29,布局的特殊要求,?,模拟部分和数字部分,?,接口,?,锁相和振荡,?,电源和不同电源的区域,?,退耦电容,?,匹配元件,30,布局和评估,?,自动和手动,?,布局的评估,?,密度,?,温度,31,布线,(route),?,将原理图的连接实现为各层上的物理连接，并,符合预定的要求，如长度、阻抗、电流通过能,力等。,?,布线的基本方法，横竖连接。,?,层的方向和交错。,?,基本间隔和栅格,(grid),。,?,手动和自动布线。,32,布线流程,?,参数设置,?,禁止布线区，注意边缘,?,手工的关键线,?,电源和铺铜,?,自动布线,?,多次,?,手工补充和调整,?,DRC,和设计确认,33

12、,布线的基本参数,?,层数和各层方向，电源,/,地线层，叠层顺序,?,过孔,?,线宽,?,各种间距,?,栅格，布线栅格和过孔栅格,?,其他特殊规则,34,关键线,?,时钟的拓扑结构和匹配,?,各种时钟线,?,差分信号,?,锁相和振荡电路,?,需要保护的信号,?,锁定,35,电源层,?,电源,/,地层及其显示,?,分割,?,供电器件到电源层的连接,?,花盘,?,铺铜,?,板的边缘和与系统的连接,36,地线,/,电源面,37,花盘,38,地线,/,电源面分割,39,自动布线,?,自动布线器的独立性,?,次序，,breakout/fanout,，,pattern/bus,，,automatic,，,

13、cleanup,?,栅格和无栅格布线器,?,过孔栅格,?,注意自动布线报告和结果观察,?,重复多次,40,铺铜、手工补充和调整,41,42,43,ECO,和,DRC,?,变化、重复和工具,?,避免对网表、,PCB,的手工改动,?,DRC,主要是连接性和间距,?,设计确认,44,生产文件,?,制造厂一般只接受标准文件，即光绘文件,(gerber),和钻,孔文件,(drill),。,?,gerber,文件的生成,?,各层应加边框,?,过孔是否阻焊,?,全部各层各电气层,(,包括电源,/,地层,),、顶,/,底面丝网、顶,/,底,面阻焊,?,各层具体设置,?,drill,?,漏板,(paste ma

14、sk),文件,45,检查,?,gerber,文件检查,?,注意铺铜、挖空等区域,?,注意禁止布局,/,布线区域,?,注意电源,/,地层的花盘和空洞,?,检查软件,46,生产文件格式,?,光圈表,(aperture file),和,gerber,文件本身,?,钻孔工具表,(drill tools),和钻孔文件,47,PCB,加工要求,?,应向,PCB,厂家提供书面的加工要求文件,?,内容,?,技术参数，板子的最小线宽、最小间距、最小钻孔、,层数、叠层顺序,?,各层文件清单,?,非金属化孔,?,其他特殊要求，异形孔，拼版，加工边等,48,PCB,生产过程,?,光绘、腐蚀、层压、钻孔,?,镀锡整平、

15、阻焊,?,电测,49,PCB,焊接安装过程,?,焊膏丝网和回流焊,?,人工插装和波峰焊,?,压接等后期安装,50,REFLOW,51,SOLDER WAVE,52,SOLDER WAVE,53,传输线与,PCB,设计,高速,PCB,设计,54,传输线与输线效应,天线,电磁辐射与串扰,55,信号完整性,?,PCB,设计面临的挑战,?,逻辑设计工程师为何常常不能自觉考虑,EMC,问,题,56,传统观念的误导,?,直流或低频电路的引申,-,“,信号电流”在导线中流动。,?,“一个信号一条连线”，逻辑电路设计教科书只讲信,号流向，不讲信号传递过程。,?,原理图中也是仅表现元器件与信号线网络，也是一个,

16、信号一条连线，与地网络电源网络没有直接的关联。,?,中国人思想认识上的错位，对,PCB,设计、结构工艺设,计等方面的认知存在较大差距，设计水平相对落后，,近年来已大有转变。,57,电路板设计与调测中的混沌世界,?,数字工程师常常是制造“寄生天线”的能手，缺少,EMC,观念。,?,在同一电路板内或经过背板传输后，接收端得到的信,号波形与期望值相差甚远，有时甚至面目全非，无法,工作。,?,常常采用试凑法，在发端或收端加一些阻容元件，以,改善波形。费时又费事。,?,已调测通过定型的电路板，当再次重复生产一批时，,原来拼凑的元件值可能又不灵了。要重新调测和试凑。,58,传输线,?,传输线原理：只讲基本

17、物理概念，不讲理论推,导。有兴趣者可参阅有关书籍。,?,传输线的一次参数：,R,、,L,、,G,、,C,。,?,传输线的二次参数：特性阻抗和传播常数。,?,传输线的参数仅取决于物理结构。,59,传输线,?,真空介电常数和导磁率为,0,0,，介质的相对介,电常数和相对导磁率,r,r,（一般非磁性介质,r,1,）,L,和,C,为传输线单位长度的电感和电容，对,于无损耗传输线：,?,传播速度,为光速,?,特性阻抗,0,0,1,?,C,C,L,Zc,?,60,典型传输线特性阻抗,Zc,?,平行线：,?,100300,?,（双绞线、屏蔽平行线、屏蔽双绞线）,?,架空平行线几百欧姆，如,600,?,?,同

18、轴线：,?,75,?,（长距离通信用）,?,50,?,（雷达、局域网等一般用途）,?,微带线（设计制造确定，一般小于,100,）,?,带状线（设计制造确定，一般小于,100,）,61,信号传递过程是能量传输,(1),?,微电子系统属于弱电范畴，但弱电信号的传输也是能,量传输。,?,能量不能创生也不能消灭（能量守恒）,，不同形态的,能量可相互转换。纯电阻上的电能消耗为：电压,x,电流,x,时间，转变为热能耗散于周围空间。,?,在传输线上，某一时刻,?,t,发送的信号，在传送到终端,时，部分在传输过程中被损耗或辐射，其余部分或全,部再被反射或吸收。,62,信号传递过程是能量传输,2,?,匹配：终接

19、电阻,R=Zc,?,当传输线两端都不“匹配”时，信号能量会在两个端,点间多次来回反射，各点波形都是当前注入信号与以,前多次反射叠加的结果。,?,当传输线两端都不匹配时，传输线上将产生能量累积，,在一定的时间内，注入能量和损耗及吸收能量达到平,衡。,?,当传输线两端都极不匹配时，能量存储累积将会非常,明显，电压可增加几倍甚至几十倍。危险！,63,能量传输,?,传输线是支撑电能量传输的管道，导线的作用是约束、,支撑并导引电磁波能量。,?,能量在哪里？不在导线里，而是存在于导线周围的空,间。实际上一小部分进到导线里的电能量是转变为热,能耗散掉了，这是由导线电阻所造成的损失。,?,能量的传输可由玻印亭矢量表示：,ExH,?,设计高速信号线要彻底转变思维方式，放弃“电,路”“电流”概念，要以电磁场能量传输观念去审视,每一条连线。,64,场结构,65,场结构,非对称带状线,内导体,外导体,