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PCB Layout 設計流程

time : 2019-09-17 09:18       作者:凡億pcb

先有一些基本PCB概念,再開始進行軟件上教學。首先要有個觀念,PCB談的是制作工藝,不是電路設計。所以即使你不太懂什么叫電路設計,只要確定有一個可正常工作的電路圖 ,基本上也就可以做出一個PCB板。你也可以做出你自己的PCB板,只要你掌握了一些的Design Rule。
 
至于如何確定這是一個可以"工作" 的電路圖? 你可以先用洞洞板手焊驗證一下電路或用面包板插一插,先確定一下這是可工作的...Layout PCB時,IC零件再選擇SMD的版本)
 
要完成一個PCB電路板,基本上可分為主要三個階段, 第一個階段電路圖繪制,第二個階段電路布局,第三階段為建立BOM表,然后進行備料及手焊樣品。
 
若你的PCB 需要layout到4層板以上或者高速,RF,天線這種高頻的東西,這已經屬pro專業等級了,沒有經過專家指導并不容易,再加上你沒有太多量測儀器,有些也不太可能自己做,這已經是另一個level了,建議找具相關設計專長領域的Layout House 代工,因為可能后續還有EMI,FCC,CE,NCC規范要過。
 
階段1: 電路圖繪制
這是電路圖繪制階段
這是電路圖繪制階段
 
電路繪圖的流程
 
繪制電路圖--> 對元件進行編號(Annotate the component ) -->執行DRC --> 產生Netlist檔案。
 
1、依照參考電路進行電路圖繪制,將每一個電路元件 (component ) ,完成其連線. 即Schematic symbol的連線圖。
 
2、元件進行編號(Annotate the component ): 加入的每一個電路元件,包含IC或被動零件,都是沒有編號過的,所以要從新給予編號. U?,U? --> U1,U2. R? R? R? --> R1,R2,R3
 
3、執行DRC: 即執行 Design Rule Check,如可能有元件pin沒有連接線 (這個要放"x",No Connect),或線路這一端找不到另一端的命稱? 或...
 
4、產生Netlist檔案: Netlist檔案,是為了給PCB Layout軟件讀的。有了Netlist,Layout 軟件才知道每一個元件的線路連接關系,更重要的是,每一個元件的Footprint。Netlist 要能正確產生,必須要把電路圖上每一個component (Schematic symbol) 關聯到一個Footprint實體 。 Footprint 就是元件的輪廓(contour) ,尺寸,外型,如IC的封裝樣式,連接器的外型等。如SOP8,SOP-24,0805,0604,0402,..
 
Note: 一個Schematic symbol可以對到多個Footprint ,如同一顆IC,可以有多種不同的封裝樣式,BGA,PLCC,TQFP,SOP,SSOP等。Schematic symbol 就只是一個電路符號,PCB已經是到了實際生產端,要能實際焊接。 footprint不對,PCB板做出了,IC元件上不了。所以你備了什么料,footprint 就得是什么。通常Layout設計軟件都會有footprint library,讓你挑,如果沒有你要自己產生這個footprint,尺寸很重要,所以你要有IC的DataBook才好做。
 
Note: 若你要的Schematic symbol,library找不到,也必須自己來做,也就是加入一個新的symbol 到component library。
把電路圖上每一個component (Schematic symbol) 關聯到一個Footprint實體
把電路圖上每一個component (Schematic symbol) 關聯到一個Footprint實體
 
miniUSB 連接器的Footprint
miniUSB 連接器的Footprint
 
階段2: 開始進行PCB Layout 
 
PCB Layout 流程
 
載入Netlist--> 將footprint擺放位置 (Placement) --> Routing (走線) --> 對Ground產生銅面(鋪銅)---> 執行DRC -->產生Gerber檔案。
 
將footprint擺放位置 (Placement): 將netlist載入后,電路圖上的元件都會呈現,并且有 ratsnest。ratsnest是用描述電路圖上元間彼此間的"線"連接關系。這里的"線"是virtual wire 只是知道連線關系 ,之后對這些線進行實際routing 布線,也就是繪制Track。track 是實際的線, 所以就會有線寬的問題, 電流愈大的線, 線寬要設比較大。 例如: Track width : 0.2mm 可走0.5A; 0,5mm : 1.25A
 
進行Layout 之前,要在Edge.cut這一層設定PCB outline 板框大小,元件就只能放在這范圍里面。
 
另外也要描述Copper layer 的層數,如雙層板及四層板,六層板,所謂幾層板指的就是copper 層的數量,copper數愈多當然可以走線的平面就愈多。 
 
設定一些設計規則: 如最小Track Width,Clearance ,Via Diameter,Drill size。另外就是設定各種幾種布線會用到的Track width,Via Size.
Note: Clearance: track,pad,via都會有凈空空間,Clearance即extra space outside the border
設定各種幾種布線會用到的Track width,Via Size.
Note: width 單位通常用 mm (Millimeter)或 mil。mil是千分之一英吋inch. 1 mil=0.00254 cm。
2.54mm=0.1 inches
所以40mil約等于1mm; 10 mil 約等于0.25mm
要描述Copper layer 的層數; 此圖為copper layer為2
要描述Copper layer 的層數; 此圖為copper layer為2
要描述Copper layer 的層數; 此圖為copper layer為2
 
PCB設計軟件
 
Via:
Via 指的就是鉆孔這件事。電路板是由一層層的copper迭出來的,而不同電路copper層之間的連通靠的就是via。當你布線時,元件間的走線會需要從TOP層走到Bottom 層(或稱 Front 層走到Back層),就會須要鉆孔。
 
Plated-thru Hole: 指的是孔壁上有鍍銅
copper 之間透過Via 來連接。圖來源: https://e2e.ti.com
copper 之間透過Via 來連接。
 
不同的Via型式:
 
* Through Via (Through Hole) 指的是要打穿的孔(貫孔)。從PCB8外觀看的到。
* Blind Via (buried via): 在多層板中,線路連接在只在中間的幾層而非全部。依據穿透的型式又區分為盲孔(Blind hole)及埋孔(Buried hole)。
* 另一種via為NPTH (non-plated through hole) ,它是Through-Hole 但孔壁沒有鍍銅(Non-plated),主要是用在機構上的螺絲鎖孔。
不同的Via型式:
 
Via 參數:  通常會描述Via的直徑及Drill size。Drill size指的是鉆孔口徑的大小。
 Via 參數:  通常會描述Via的直徑及Drill size。Drill size指的是鉆孔口徑的大小。
 
Pad錫墊其實分好多種:
1、Through hole pad: DIP元件使用的Pad (有鉆孔) 
2、SMD pad: SMD元件使用的Pad(不用鉆孔) 
3、Anti pad(絕緣錫墊 ):用于隔離孔與內層電器連接圍繞在孔周圍的隔離環.如果孔在內層中不需要線路連接,就需Anti pad要來隔離.其內徑當然要大于孔的外徑.
Pad錫墊其實分好多種:
 
Copper zone:
就是指在PCB鋪銅 (Copper Pour) 一般PCB在電路設計時經常需要鋪設大面積的銅箔來當作電源(Vcc、Vdd或Vss)與接地(GND,Ground)之用。F.Cu及B.Cu都可以鋪.
 
Thermal relief Pad:
copper zone所連接的pad,會有設定Thermal relief 的需要。由于pad 連接(接觸)大面積的銅箔 (copper plane) 會增加散熱的速度,導致該pad需要升溫才能容易焊上,這會很容易造成空焊或冷焊的情況。所以解決方去 就是pad 仍然可以連接到銅箔,但必須減少其接觸的面積。隔離環修改為輪輻狀,用以將隔離環的內部的銅連接到隔離環的外部。
TOP層鋪鋪的狀態,到下方排pad為GND,連接GND Copper zone 都是設定Thermal relief Pad
TOP層鋪鋪的狀態,到下方排pad為GND,連接GND Copper zone 都是設定Thermal relief Pad
 
 
TOP層鋪鋪的狀態,到下方排pad為GND,連接GND Copper zone 都是設定Thermal relief Pad
一般F.Cu及B.Cu 都會同時鋪 Copper zone for GND,所以也都會設定Thermal relief Pad 
 
第三階段: 建立BOM表,進行備料及手焊樣品。
建立BOM表以進行后續的備料及手焊第一版的Sample。透過產測程式,確認功能無誤,這就是第一片Engineer Sample。
 
經客戶對產品規格及功能驗證通過(承認Acknowledgment)后,才會進行試產 Pilot run (注1),然后才是進入MP (Mass Production)量產階段。
 
試產 Pilot run 可交由加工廠,由機臺自動進行SMD/DIP零件焊接,這就是PCBA (PCB Assembly)
 
注1: Pilot run  : 是用來評估產品的成熟度是否可進入正式大量生產的生產階段。
手焊 PCB Sample
手焊 PCB Sample