硬件设计之PCB设计

1、1硬件设计技术基础PCB设计2内容q基本任务、一般过程和概念。q工具。q元件库和元件制作、管理。q布局、布线和关键技术。qDRC, ECOq生产文件和制造工艺、焊接工艺。q高速PCB设计技术介绍。信号完整性分析。3基本概念qPCB: 概念和由来q种类: 单面、双面、多层，刚性、柔性q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q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。qPCB的设计过程中，允许电路设计发生变化。qPCB设计应该考虑制造、焊接安装、调试、测试和大量生产的要求。5PCB设计任务的输入q电原理图，

2、一般以网表的形式给出。网表的各种格式。qPCB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；q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q输入应该是明确的、完整的。q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。7PCB设计流程q接收输入文件。q元器件封装检查。q库元件制作和修改。q板生成和布局。q布线和仿真分析。qDRC。q设计确认和生产文件输出。8一些概念和术语q印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)。q元

3、件(part, component)和封装(package)。q网络(net) 、连线(track/trace) 。q引脚(pin)、焊盘(pad)。q过孔(via)。q多边形(polygon)、铺铜(pour)。qPrinted circuit Board Assembly, PBA。9多层板q层(layer)和面(side)q元件面(component side)、焊接面(soldering side)。q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

4、图q板层(board layer)。q电源/地层(power/ground planes)。q通孔(through hole)、表面贴(surface mount, SMD/SMT)、埋孔/盲孔(buried/blind via)。10多层板示意图11栅格(grid)q重要性q布局栅格、布线栅格、过孔栅格、显示栅格。12工具软件qprotel/power pcb。qcadence/mentor。13封装(package)qPCB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。q封装由PCB的输入指定，一般是原理图指定。q经常混用: package、footprint、part/

5、decal。14常见封装qSIP, DIP, SOIC, SOP, SOJqLCC/PLCC, QFP/PQFP/CQFPqPGA, BGA/FBGAq分立元件的直插封装q分立元件的表贴封装: 0603/0805/1210, SOT, DPAKq接插件/连接器15封装的问题q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。q同一功能的元件可能有几种封装。q接插件的引脚顺序qPCB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q对于PCB库中没有的封装

6、，需要制作。q封装一般以库元件的形式保存在PCB的元件库中。q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；q建立和管理元器件库。注意文件的组成。17元件的制作q元件制作的根据是元器件的数据手册。q元件一般由标号、形状和引脚组成。q标号是文字，注意大小和线的宽度。q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q引脚一般由号码区分，是一个个焊盘。q形状q大小q通孔和表面贴焊盘q层: 顶层、底层、中间层、阻焊层散热焊盘(

7、花盘)q可以使用软件中已有的焊盘，也可以自行设计。复制和修改。q特殊引脚: 第一引脚和固定孔19焊盘的设计和确定q焊盘的设计根据元器件数据手册的引脚数据进行。q通孔焊盘孔径，比引脚粗些。沉铜。外径阻焊和花盘q表贴焊盘的形状和尺寸q有些好的元器件数据手册有推荐的形状(recommended footprint)，应该遵守。q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21SMT PAD22元件的制作q元件的制作基本上不能进行自动检查，必须认真。q焊盘位置、间距、顺序和起始。q元件标号的位置和大小。q方向/第一引脚标志，注意可见性。q特殊焊盘。q元件的安装基准。23板的生成q全部封装齐

8、备后，可以生成PCB了。q读入网表，检查是否有缺失的元件。注意产生的错误和警告。q在board层用line画出板的外形。特殊外形或异形孔。q画出限制区(keepout)。q英制和公制，密尔(mil)和毫米。24布局(placement)q将元器件放置在要求的或合适的位置。q原则: 信号流向，互不影响，疏密有度，方便焊接和调试，美观。q密度，以引脚数为基础，不以元件数量或尺寸为基础。q时刻把握实际尺寸。q可以双面放置元件。25布局的一般顺序和参数q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。q参数布局栅格焊盘间距q飞线26飞

9、线27飞线的局部28布局注意事项q元件的空间冲突。特别是外部连接。q焊接、更换和调节的方便。q散热器和管座。q热量。q边缘，3mm。q基准标志(fiducial)。q元件方向。q双面和焊盘重叠。29布局的特殊要求q模拟部分和数字部分q接口q锁相和振荡q电源和不同电源的区域q退耦电容q匹配元件30布局和评估q自动和手动q布局的评估密度温度31布线(route)q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。q布线的基本方法，横竖连接。层的方向和交错。q基本间隔和栅格(grid)。q手动和自动布线。32布线流程q参数设置q禁止布线区，注意边缘q手工的关键线q

10、电源和铺铜q自动布线多次q手工补充和调整qDRC和设计确认33布线的基本参数q层数和各层方向，电源/地线层，叠层顺序q过孔q线宽q各种间距q栅格，布线栅格和过孔栅格q其他特殊规则34关键线q时钟的拓扑结构和匹配各种时钟线q差分信号q锁相和振荡电路q需要保护的信号q锁定35电源层q电源/地层及其显示q分割q供电器件到电源层的连接花盘铺铜q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q自动布线器的独立性q次序，breakout/fanout，pattern/bus，automatic，cleanupq栅格和无栅格布线器q过孔栅格q注意自动布线报告和结果观察q重复多

11、次40铺铜、手工补充和调整414243ECO和DRCq变化、重复和工具避免对网表、PCB的手工改动qDRC主要是连接性和间距q设计确认44生产文件q制造厂一般只接受标准文件，即光绘文件(gerber)和钻孔文件(drill)。qgerber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qdrillq漏板(paste mask)文件45检查qgerber文件检查q注意铺铜、挖空等区域q注意禁止布局/布线区域q注意电源/地层的花盘和空洞q检查软件46生产文件格式q光圈表(aperture file)和gerber文件本身q钻孔工具表(d

12、rill tools)和钻孔文件47PCB加工要求q应向PCB厂家提供书面的加工要求文件q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48PCB生产过程q光绘、腐蚀、层压、钻孔q镀锡整平、阻焊q电测49PCB焊接安装过程q焊膏丝网和回流焊q人工插装和波峰焊q压接等后期安装50REFLOW51SOLDER WAVE52SOLDER WAVE53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qPCB设计面临的挑战q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q直流

13、或低频电路的引申-“信号电流”在导线中流动。q“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。q原理图中也是仅表现元器件与信号线网络，也是一个信号一条连线，与地网络电源网络没有直接的关联。q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q数字工程师常常是制造“寄生天线”的能手，缺少EMC观念。q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。q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。q已调测通过定

14、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q传输线原理：只讲基本物理概念，不讲理论推导。有兴趣者可参阅有关书籍。q传输线的一次参数：R、L、G、C。q传输线的二次参数：特性阻抗和传播常数。q传输线的参数仅取决于物理结构。59传输线q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rr （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：q传播速度 为光速q特性阻抗LCVr1C001CCLZc 60典型传输线特性阻抗 Zcq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

15、q同轴线：75 （长距离通信用）50 （雷达、局域网等一般用途）q微带线（设计制造确定，一般小于100）q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)q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。q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。q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2q匹配：终接电阻R=Zcq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

16、波形都是当前注入信号与以前多次反射叠加的结果。q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。q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q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。q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。q能量的传输可由玻印亭矢量表示：ExHq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

17、65场结构非对称带状线非对称带状线内导体内导体外导体外导体66平行线)(2ln120)/(102ln6 . 3)/(102ln4107daCLZcmFdaCmHdaLrrr非磁性介质r=167同轴线qD外导体内径，d内导体外径 r1)(ln60)/(10ln8 . 1)/(10ln2107rrrdDCLZcmFdDCmHdDL68传输线效应长线效应q何谓高速信号？高频率 陡峭沿 （演示结果）发射带宽0.35/tr 波形上升或下降时间tr ; tfq如何考虑长线效应定界？q设tr 为信号上升时间， tpd 为信号线传播延时。如果tr4tpd 可不考虑长线效应；如果2tpdtr4tpd 临界，一般应适当考虑；如果tr2tpd，必须考虑长线效应。应该严格遵从高速信号布线规则布线。 69电磁辐射 天线q传输线的辐射一般很小，当与传输线的距离逐渐增大时，场强迅速减小。q天线可以看作是传输线向空间的过度与延伸。q几种典型天线：半