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電路板設計的詳細流程

time : 2019-09-12 09:34       作者:凡億pcb

新電子產品開發的過程中,會依照電子產品功能訂定規格,再依照功能規格設計電路,并依序完成電路圖繪制、設計電路板、樣品試作及功能驗證等作業,最后才大量生產。
 
以下為電子產品在電路板設計時的開發流程:
1.  訂定功能需求
企業根據開發需求,訂定電子產品的功能及外觀,并將相關功能規格交給電子設計工程師(E.E Enginer),將外觀設計交給結構工程師,電子設計工程師可用硬體實作或軟件模擬將各電路功能逐一設計完成。
 
2.  繪制電路圖
電子設計工程師將電路設計完成并經確認后,開始使用電路設計軟件進行整體電路圖(Schematic)繪制工作,完成后再交由PCB布局工程師(PCB Layout Enginer)進行電路板的設計工作。
 
3。  設計電路板
PCB布局工程師根據電子工程師提供的電路圖及實體產品設計規范,先進行零件布局,再依零件擺放位置進行電路布線,完成后即可由電路板編輯器產生電路板底片檔(Gerber Files),交由電路板工廠進行樣品(PCB Sample)試做,待完成后交回給電子設計工程師。
 
4。  PCBA組裝測試
電子設計工程師收到電路板樣品后,進行零件的PCBA組裝焊接,并進行功能除錯及驗證,并與產品結構做PCBA組裝測試,完成測試后即可大量生產。
 
整個電路板的設計流程可分為三個階段:
第一階段資料搜集/建立
1.  繪制電路圖
繪制電路圖前,因為電路圖編輯器的初始設定,并非適用于每種產品,因此,會先針對作業環境作適宜的修改,例如重新設定圖紙大小(Sheet Size)、圖框(Sheet Border)、屏幕顯示格點(Display Grid)及工作設計格點(Design Grid)距離等。
接著開始將零件從零件庫(Library)取出,擺放至適當位置,如欲使用的自建的零件庫,須先掛載到編輯器中。然后依原始電路圖,使用連接線將零件腳位連接(如圖1-7所示)。如果電路太大一張圖紙放不下,會分開于數張圖紙上,其中電氣特性相同的腳位,會以端點連接器(Off-Page)做連結,一般會將組成同一功能的零件放在相鄰區域。
圖1 電路圖
圖1 電路圖
 
2.  各類文件輸出
在圖紙右下方,標注電路圖相關資訊,最后輸出相關文件,如電路的PDF文件、BOM表(Bil Of Material ,零件列表)、Netlist(網路表)等。
 
第二階段電路建立及布線
1.  取得電路板框資料
因為在零件布局前需先設定電路板外型及大小,所以,先取得結構工程師的產品結構圖,以取得電路板框尺寸及高度限制等資料。
 
2.  電路圖資料轉換成電路板
電路板編輯器其操作環境初始設定未必是合適的,因此在開啟電路板編輯器后,會先針對操作環境作適宜的修改,例如設定走線寬度(Trace Width)、屏幕顯示格點及工作設計格點等。再根據電路圖編輯器所產生的網路表(Netlist),轉入至電路板編輯器中,以便取得所有零件的包裝(Package)及各包裝間的電器特性連接資料。電路圖編輯器中零件腳位間的連接線,此時會轉成使用預拉線 (Connection,或稱鼠線) 連接(如圖1-8所示)。
圖2 零件間使用預拉線連接
圖2 零件間使用預拉線連接
 
3.  電路板布局
電路板零件的擺放布局必須考慮結構大小、布線長度、美觀等因素。因為產品結構是固定的,零件的位置必須先考慮與結構相互搭配的零件,如開關、音量調節的可變電阻、DC電源座等,都是必須先固定在某個位置上,然后盡量讓相互連接的零件放在同一區域,最后再考慮整體的美觀,可將相同零件排在一起,例如電阻、電容、LED等。圖1-9為電路板零件布局完成圖,其中S1、J1及U1為配合結構設計位置必須固定。
 
一般布局原則及順序如下︰
(1) 必須固定位置的零件,如︰螺絲孔、開關、可變電阻、連接座等。
(2) 主要零件或較大型零件,如︰單晶片、變壓器、繼電器等。
(3) 次要零件或小型零件,如︰電晶體、電阻、電容等。
圖3 電路板零件布局
圖3 電路板零件布局
 
4.  電路板布線
較復雜的電路板銅箔布線,一般會先訂定布線規范(Routing Constraint),可讓軟件在布線的過程中自動檢查是否符合規范,如︰走線和走線、走線和零件、零件和零件間的間距、是否限定走線長度等。布線可分為人工布線(Manual Routing)及自動布線(Auto Routing),如下說明︰
(1) 人工布線
全部的走線均由人工一條一條布線,優點是布線最佳化,可有效的利用電路板空間,亦考慮到走線間的美觀,缺點是設計時間較長,圖1-10為人工布線電路板圖。
圖4 使用單面板做人工布線
圖4 使用單面板做人工布線
 
(2) 自動布線
自動布線前必須先輸入布線規范,自動布線軟件再依規范做多次嘗試性的布線,但自動布線尚無法做到最佳化的布線,所以,最后還是需要使用人工做修改。因自動布線大量的使用貫孔(Via),導致浪費電路板空間,專業的布線工程師較不會采用自動布線方式,圖1-11 為未經人工修正之自動布線電路板圖。
圖5 使用雙面板做自動布線
圖5 使用雙面板做自動布線
 
5.  設計驗證(Verify Design)
由于有些電路板編輯器不會對手工布線做錯誤檢查。所以,對于必須另外做安全間距(Clearance)驗證,以檢查布線結果是否符合布線規范;未接線(Connectivity)驗證,以檢查是否已完成所有走線。當然,對于較復雜的電路還需做其他如高速走線(High Speed)驗證、導孔數量(Maximum via count)驗證、電源板層(Plane)驗證、測試點(Test Point)驗證及電路板制造 (Fabrication)相關驗證、等檢查。
 
第三階段資料匯出
電路板設計流程的最后階段,是要做出圖前的處理,如電路板文字面、底片檔輸出等,以下列出此階段重點工作︰
1.  重排零件序號
電路板上文字面的零件序號(Reference Designator),是由電路圖所指定的,為了方便未來的測試或維修,將零件序號依照其在電路板的位置重新排序,當然電路板編輯器會將新的零件序號傳回(Back Anotation)原電路圖,使電路圖和電路板零件序號保持一致性。
 
2.  調整零件序號方向及位置
由于零件布局時,序號文字方向可能已隨零件旋轉,或是移動零件時,序號的字面遮蓋到零件本體、腳位或貫孔上,必須做適當調整以利辨識。
 
3.  加入文字訊息
一般會在電路板上加入型號、設計日期、版本、公司商標、網址等文字或圖形資料,這些都是和零件序號一樣在文字層( Silkscren Layer )中顯示。
 
4.  輸出底片檔
最后電路板編輯器必須產生底片檔(Gerber Files),才能交由電路板制造工廠試做樣品,以雙面電路板為例,必須輸出的底片檔如下說明︰
Routing TOP        正面的走線層(可選擇含板框Board Outline資料)
Routing BOTTOM   背面的走線層(可選擇含板框Board Outline資料)
Silkscreen         文字絲印層
Solder Mask TOP    正面的防焊層
Solder Mask BOTTOM   背面的防焊層
NC Drill       鉆孔層
 
5.  產生報表
當完成電路板后,應將相關資料以報表呈現,以便于制造生產或測試時做參考,常見報表如下︰
(1) 零件列表 (Bil Of Material Report) 
(2) 零件座標列表 (Component Location Report) 
(3) 訊號接點列表 (Net List Report) 
(4) 測試點列表 (Testpin Report)