硬件設計之PCB設計

1、1,硬件設計技術(shù)基礎,PCB,設計,2,內(nèi)容,?,基本任務、一般過程和概念。,?,工具。,?,元件庫和元件制作、管理。,?,布局、布線和關(guān)鍵技術(shù)。,?,DRC, ECO,?,生產(chǎn)文件和制造工藝、焊接工藝。,?,高速,PCB,設計技術(shù)介紹。信號完整性分析。,3,基本概念,?,PCB:,概念和由來,?,種類,:,單面、雙面、多層，剛性、柔性,?,功能,:,?,機械安裝和支撐,?,電氣連接,?,絕緣,?,元件識別,4,設計基本任務,?,根據(jù)明確的電路設計，完成,PCB,的元器件封裝,制作、布局、布線工作，產(chǎn)生符合設計和工藝,要求的,PCB,設計文件及其生產(chǎn)文件。,?,PCB,的設計過程中，允許電路設

2、計發(fā)生變化。,?,PCB,設計應該考慮制造、焊接安裝、調(diào)試、測,試和大量生產(chǎn)的要求。,5,PCB,設計任務的輸入,?,電原理圖，一般以網(wǎng)表的形式給出。,?,網(wǎng)表的各種格式。,?,PCB,設計要求。,?,PCB,的尺寸、特殊部件,(,如接插件,),的位置；,?,特殊元件和信號的布局、布線要求，如時鐘信號、差分信號、,需要特殊屏蔽的電路等；,?,其他要求，如層數(shù)、線寬、電源層、厚度等；,?,相關(guān)資料。,?,元器件封裝，關(guān)鍵元器件布線指導；,6,對輸入的要求,?,輸入應該是明確的、完整的。,?,輸入是可以變化的。,?,PCB,設計人員必須掌握快捷、可靠地引入變化的方,法。,7,PCB,設計流程,?,

3、接收輸入文件。,?,元器件封裝檢查。,?,庫元件制作和修改。,?,板生成和布局。,?,布線和仿真分析。,?,DRC,。,?,設計確認和生產(chǎn)文件輸出。,8,一些概念和術(shù)語,?,印制電路板,(Printed Circuit Board, PCB),。,?,元件,(part, component),和封裝,(package),。,?,網(wǎng)絡,(net),、連線,(track/trace),。,?,引腳,(pin),、焊盤,(pad),。,?,過孔,(via),。,?,多邊形,(polygon),、鋪銅,(pour),。,?,Printed circuit Board Assembly, PBA,。,9

4、,多層板,?,層,(layer),和面,(side),?,元件面,(component side),、焊接面,(soldering side),。,?,層,:,頂層,(top),、底層,(bottom),、中間層,(internal/middle,layer),、絲印層,(silk screen),、阻焊層,(solder mask),?,頂,/,底面絲印,/,阻焊，視圖,?,板層,(board layer),。,?,電源,/,地層,(power/ground planes),。,?,通孔,(through hole),、表面貼,(surface mount, SMD/SMT),、,埋孔,/,

5、盲孔,(buried/blind via),。,10,多層板示意圖,11,柵格,(grid),?,重要性,?,布局柵格、布線柵格、過孔柵格、顯示柵格。,12,工具軟件,?,protel/power pcb,。,?,cadence/mentor,。,13,封裝,(package),?,PCB,上的元件表現(xiàn)為封裝。,?,注意區(qū)別，很多不同的元件使用完全相同的封裝。,?,封裝由,PCB,的輸入指定，一般是原理圖指定。,?,經(jīng)?；煊?: package,、,footprint,、,part/decal,。,14,常見封裝,?,SIP, DIP, SOIC, SOP, SOJ,?,LCC/PLCC, Q

6、FP/PQFP/CQFP,?,PGA, BGA/FBGA,?,分立元件的直插封裝,?,分立元件的表貼封裝,: 0603/0805/1210, SOT,DPAK,?,接插件,/,連接器,15,封裝的問題,?,封裝的種類很多，各廠家的命名很可能是不規(guī)范的。,命名可能是些廠家的代號。,?,同一功能的元件可能有幾種封裝。,?,接插件的引腳順序,?,PCB,設計軟件會提供一部分封裝，但不一定合適。對,每一種封裝，必須對照生產(chǎn)廠商的資料進行檢查。,?,元件的外形、尺寸，引腳的形狀、大小、間距。,?,對,0805,等，一般可以直接使用。,16,元件庫,?,對于,PCB,庫中沒有的封裝，需要制作。,?,封裝一

7、般以庫元件的形式保存在,PCB,的元件庫,中。,?,元件庫,?,軟件的標準庫；,?,以往的自己制造的庫，包括公司,/,項目的共享庫；,?,新建的庫；,?,建立和管理元器件庫。注意文件的組成。,17,元件的制作,?,元件制作的根據(jù)是元器件的數(shù)據(jù)手冊。,?,元件一般由標號、形狀和引腳組成。,?,標號是文字，注意大小和線的寬度。,?,形狀，一般由線條,(line),描繪，一般不使用,polygon,。,?,形狀可能要求繪制在特定的層上，也可能不，視使用的軟件,而定，但最后生成,PCB,的生產(chǎn)文件時，均在絲網(wǎng)面上。,?,繪制時注意線的寬度。,18,引腳和焊盤,?,引腳一般由號碼區(qū)分，是一個個焊盤。,?

8、,形狀,?,大小,?,通孔和表面貼焊盤,?,層,:,頂層、底層、中間層、阻焊層,?,散熱焊盤,(,花盤,),?,可以使用軟件中已有的焊盤，也可以自行設計。,?,復制和修改。,?,特殊引腳,:,第一引腳和固定孔,19,焊盤的設計和確定,?,焊盤的設計根據(jù)元器件數(shù)據(jù)手冊的引腳數(shù)據(jù)進行。,?,通孔焊盤,?,孔徑，比引腳粗些。沉銅。,?,外徑,?,阻焊和花盤,?,表貼焊盤的形狀和尺寸,?,有些好的元器件數(shù)據(jù)手冊有推薦的形狀,(recommended,footprint),，應該遵守。,?,焊盤的尺寸有一定的調(diào)整范圍，有工業(yè)界的規(guī)范。,20,通孔焊盤,21,SMT PAD,22,元件的制作,?,元件的制

9、作基本上不能進行自動檢查，必須認,真。,?,焊盤位置、間距、順序和起始。,?,元件標號的位置和大小。,?,方向,/,第一引腳標志，注意可見性。,?,特殊焊盤。,?,元件的安裝基準。,23,板的生成,?,全部封裝齊備后，可以生成,PCB,了。,?,讀入網(wǎng)表，檢查是否有缺失的元件。,?,注意產(chǎn)生的錯誤和警告。,?,在,board,層用,line,畫出板的外形。,?,特殊外形或異形孔。,?,畫出限制區(qū),(keepout),。,?,英制和公制，密爾,(mil),和毫米。,24,布局,(placement),?,將元器件放置在要求的或合適的位置。,?,原則,:,信號流向，互不影響，疏密有度，方便焊,接和

10、調(diào)試，美觀。,?,密度，以引腳數(shù)為基礎，不以元件數(shù)量或尺寸,為基礎。,?,時刻把握實際尺寸。,?,可以雙面放置元件。,25,布局的一般順序和參數(shù),?,順序,?,接插件、安裝,/,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。,?,檢查、調(diào)整和確認。,?,參數(shù),?,布局柵格,?,焊盤間距,?,飛線,26,飛線,27,飛線的局部,28,布局注意事項,?,元件的空間沖突。特別是外部連接。,?,焊接、更換和調(diào)節(jié)的方便。,?,散熱器和管座。,?,熱量。,?,邊緣，,3mm,。,?,基準標志,(fiducial),。,?,元件方向。,?,雙面和焊盤重疊

11、。,29,布局的特殊要求,?,模擬部分和數(shù)字部分,?,接口,?,鎖相和振蕩,?,電源和不同電源的區(qū)域,?,退耦電容,?,匹配元件,30,布局和評估,?,自動和手動,?,布局的評估,?,密度,?,溫度,31,布線,(route),?,將原理圖的連接實現(xiàn)為各層上的物理連接，并,符合預定的要求，如長度、阻抗、電流通過能,力等。,?,布線的基本方法，橫豎連接。,?,層的方向和交錯。,?,基本間隔和柵格,(grid),。,?,手動和自動布線。,32,布線流程,?,參數(shù)設置,?,禁止布線區(qū)，注意邊緣,?,手工的關(guān)鍵線,?,電源和鋪銅,?,自動布線,?,多次,?,手工補充和調(diào)整,?,DRC,和設計確認,33

12、,布線的基本參數(shù),?,層數(shù)和各層方向，電源,/,地線層，疊層順序,?,過孔,?,線寬,?,各種間距,?,柵格，布線柵格和過孔柵格,?,其他特殊規(guī)則,34,關(guān)鍵線,?,時鐘的拓撲結(jié)構(gòu)和匹配,?,各種時鐘線,?,差分信號,?,鎖相和振蕩電路,?,需要保護的信號,?,鎖定,35,電源層,?,電源,/,地層及其顯示,?,分割,?,供電器件到電源層的連接,?,花盤,?,鋪銅,?,板的邊緣和與系統(tǒng)的連接,36,地線,/,電源面,37,花盤,38,地線,/,電源面分割,39,自動布線,?,自動布線器的獨立性,?,次序，,breakout/fanout,，,pattern/bus,，,automatic,，,

13、cleanup,?,柵格和無柵格布線器,?,過孔柵格,?,注意自動布線報告和結(jié)果觀察,?,重復多次,40,鋪銅、手工補充和調(diào)整,41,42,43,ECO,和,DRC,?,變化、重復和工具,?,避免對網(wǎng)表、,PCB,的手工改動,?,DRC,主要是連接性和間距,?,設計確認,44,生產(chǎn)文件,?,制造廠一般只接受標準文件，即光繪文件,(gerber),和鉆,孔文件,(drill),。,?,gerber,文件的生成,?,各層應加邊框,?,過孔是否阻焊,?,全部各層各電氣層,(,包括電源,/,地層,),、頂,/,底面絲網(wǎng)、頂,/,底,面阻焊,?,各層具體設置,?,drill,?,漏板,(paste ma

14、sk),文件,45,檢查,?,gerber,文件檢查,?,注意鋪銅、挖空等區(qū)域,?,注意禁止布局,/,布線區(qū)域,?,注意電源,/,地層的花盤和空洞,?,檢查軟件,46,生產(chǎn)文件格式,?,光圈表,(aperture file),和,gerber,文件本身,?,鉆孔工具表,(drill tools),和鉆孔文件,47,PCB,加工要求,?,應向,PCB,廠家提供書面的加工要求文件,?,內(nèi)容,?,技術(shù)參數(shù)，板子的最小線寬、最小間距、最小鉆孔、,層數(shù)、疊層順序,?,各層文件清單,?,非金屬化孔,?,其他特殊要求，異形孔，拼版，加工邊等,48,PCB,生產(chǎn)過程,?,光繪、腐蝕、層壓、鉆孔,?,鍍錫整平、

15、阻焊,?,電測,49,PCB,焊接安裝過程,?,焊膏絲網(wǎng)和回流焊,?,人工插裝和波峰焊,?,壓接等后期安裝,50,REFLOW,51,SOLDER WAVE,52,SOLDER WAVE,53,傳輸線與,PCB,設計,高速,PCB,設計,54,傳輸線與輸線效應,天線,電磁輻射與串擾,55,信號完整性,?,PCB,設計面臨的挑戰(zhàn),?,邏輯設計工程師為何常常不能自覺考慮,EMC,問,題,56,傳統(tǒng)觀念的誤導,?,直流或低頻電路的引申,-,“,信號電流”在導線中流動。,?,“一個信號一條連線”，邏輯電路設計教科書只講信,號流向，不講信號傳遞過程。,?,原理圖中也是僅表現(xiàn)元器件與信號線網(wǎng)絡，也是一個,

16、信號一條連線，與地網(wǎng)絡電源網(wǎng)絡沒有直接的關(guān)聯(lián)。,?,中國人思想認識上的錯位，對,PCB,設計、結(jié)構(gòu)工藝設,計等方面的認知存在較大差距，設計水平相對落后，,近年來已大有轉(zhuǎn)變。,57,電路板設計與調(diào)測中的混沌世界,?,數(shù)字工程師常常是制造“寄生天線”的能手，缺少,EMC,觀念。,?,在同一電路板內(nèi)或經(jīng)過背板傳輸后，接收端得到的信,號波形與期望值相差甚遠，有時甚至面目全非，無法,工作。,?,常常采用試湊法，在發(fā)端或收端加一些阻容元件，以,改善波形。費時又費事。,?,已調(diào)測通過定型的電路板，當再次重復生產(chǎn)一批時，,原來拼湊的元件值可能又不靈了。要重新調(diào)測和試湊。,58,傳輸線,?,傳輸線原理：只講基本

17、物理概念，不講理論推,導。有興趣者可參閱有關(guān)書籍。,?,傳輸線的一次參數(shù)：,R,、,L,、,G,、,C,。,?,傳輸線的二次參數(shù)：特性阻抗和傳播常數(shù)。,?,傳輸線的參數(shù)僅取決于物理結(jié)構(gòu)。,59,傳輸線,?,真空介電常數(shù)和導磁率為,0,0,，介質(zhì)的相對介,電常數(shù)和相對導磁率,r,r,（一般非磁性介質(zhì),r,1,）,L,和,C,為傳輸線單位長度的電感和電容，對,于無損耗傳輸線：,?,傳播速度,為光速,?,特性阻抗,0,0,1,?,C,C,L,Zc,?,60,典型傳輸線特性阻抗,Zc,?,平行線：,?,100300,?,（雙絞線、屏蔽平行線、屏蔽雙絞線）,?,架空平行線幾百歐姆，如,600,?,?,同

18、軸線：,?,75,?,（長距離通信用）,?,50,?,（雷達、局域網(wǎng)等一般用途）,?,微帶線（設計制造確定，一般小于,100,）,?,帶狀線（設計制造確定，一般小于,100,）,61,信號傳遞過程是能量傳輸,(1),?,微電子系統(tǒng)屬于弱電范疇，但弱電信號的傳輸也是能,量傳輸。,?,能量不能創(chuàng)生也不能消滅（能量守恒）,，不同形態(tài)的,能量可相互轉(zhuǎn)換。純電阻上的電能消耗為：電壓,x,電流,x,時間，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒂谥車臻g。,?,在傳輸線上，某一時刻,?,t,發(fā)送的信號，在傳送到終端,時，部分在傳輸過程中被損耗或輻射，其余部分或全,部再被反射或吸收。,62,信號傳遞過程是能量傳輸,2,?,匹配：終接

19、電阻,R=Zc,?,當傳輸線兩端都不“匹配”時，信號能量會在兩個端,點間多次來回反射，各點波形都是當前注入信號與以,前多次反射疊加的結(jié)果。,?,當傳輸線兩端都不匹配時，傳輸線上將產(chǎn)生能量累積，,在一定的時間內(nèi)，注入能量和損耗及吸收能量達到平,衡。,?,當傳輸線兩端都極不匹配時，能量存儲累積將會非常,明顯，電壓可增加幾倍甚至幾十倍。危險！,63,能量傳輸,?,傳輸線是支撐電能量傳輸?shù)墓艿?，導線的作用是約束、,支撐并導引電磁波能量。,?,能量在哪里？不在導線里，而是存在于導線周圍的空,間。實際上一小部分進到導線里的電能量是轉(zhuǎn)變?yōu)闊?能耗散掉了，這是由導線電阻所造成的損失。,?,能量的傳輸可由玻印亭矢量表示：,ExH,?,設計高速信號線要徹底轉(zhuǎn)變思維方式，放棄“電,路”“電流”概念，要以電磁場能量傳輸觀念去審視,每一條連線。,64,場結(jié)構(gòu),65,場結(jié)構(gòu),非對稱帶狀線,內(nèi)導體,外導體,