印制電路板設(shè)計(jì)成功的七大技術(shù)要素

本文將討論新手和老手都適用的七個(gè)基本(而且重要的)技巧和策略。只要在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)這些技巧多加注意，就能減少設(shè)計(jì)回爐次數(shù)、設(shè)計(jì)時(shí)間和總體診斷難點(diǎn)。
技巧一：注重研究制造方法和代工廠化學(xué)處理過(guò)程
在這個(gè)無(wú)工廠IC公司時(shí)代，有許多工程師真的不知道從他們的設(shè)計(jì)文件生成PCB所涉及的步驟和化學(xué)處理過(guò)程，這點(diǎn)其實(shí)也不奇怪。這種實(shí)用知識(shí)的缺少經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)計(jì)新手做出沒(méi)有必要的較為復(fù)雜的設(shè)計(jì)選擇。舉例來(lái)說(shuō)，新手易犯的一種常見(jiàn)錯(cuò)誤是用特別精確的尺寸設(shè)計(jì)電路板版圖，也就是使用關(guān)聯(lián)在緊密柵格上的正交導(dǎo)線，最后發(fā)現(xiàn)并不是每家電路板加工廠能夠生產(chǎn)出在現(xiàn)場(chǎng)使用壽命期間能夠保持足夠可靠性的設(shè)計(jì)來(lái)。
具有這些能力的工廠可能無(wú)法提供最經(jīng)濟(jì)的PCB價(jià)格。設(shè)計(jì)真的需要那么復(fù)雜嗎？可以在更大的柵格上設(shè)計(jì)電路板版圖，從而降低電路板成本并提高可靠性嗎？設(shè)計(jì)新手遇到的其它誤區(qū)還有太小的過(guò)孔尺寸以及盲孔和埋孔。這些先進(jìn)的過(guò)孔結(jié)構(gòu)是PCB設(shè)計(jì)師工具箱中強(qiáng)大工具的產(chǎn)物，但其有效性與具體情形高度相關(guān)。只是因?yàn)樗鼈兇嬖谟诠ぞ呦渲胁⒉灰馕吨鴳?yīng)該用它們。
Bert Simonovich的“設(shè)計(jì)筆記”博客關(guān)于此事就說(shuō)到了過(guò)孔的截面縱橫比：“一個(gè)縱橫比為6:1的過(guò)孔能夠很好地保證你的電路板可以在任何地方制造?！睂?duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，只要稍加思考和規(guī)劃，這些HDI特征就能完全避免，從而再次節(jié)省成本，提高設(shè)計(jì)的可制造性。對(duì)這些超小型或單口過(guò)孔進(jìn)行鍍銅所要求的物理學(xué)和流體力學(xué)能力并不是所有PCB工廠都擅長(zhǎng)的。記住，一個(gè)不好的過(guò)孔就能毀了整個(gè)電路板；如果你的設(shè)計(jì)中有20000個(gè)過(guò)孔，那么你就有20000次失敗的機(jī)會(huì)。將不必要的HDI過(guò)孔技術(shù)包含在內(nèi)，那么故障概率只會(huì)上升。
技巧二：相信飛線
有時(shí)候在設(shè)計(jì)一塊簡(jiǎn)單電路板時(shí)畫(huà)原理圖似乎是在浪費(fèi)時(shí)間，特別是當(dāng)你做過(guò)一兩個(gè)設(shè)計(jì)之后。但對(duì)于初學(xué)的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，畫(huà)原理圖也可能是一個(gè)令人畏懼的工作。跳過(guò)原理圖是新手和熟練程度中等的人經(jīng)常采取的一種戰(zhàn)術(shù)。但一定要抵抗住這種強(qiáng)烈的欲望。從你可以用作參考的完整原理圖開(kāi)始開(kāi)發(fā)你的版圖有助于確保你的版圖連接得到全部完成。下面做些解釋。
首先，原理圖是電路的一種可視化描述，它可以在許多層次上交流信息。電路的子部分可以詳細(xì)繪制到好幾頁(yè)上，元器件可以安排在靠近它們功能塊的地方，而與它們最終的物理布局無(wú)關(guān)。由于原理圖符號(hào)中顯示有每個(gè)元器件上的每個(gè)引腳，因此很容易檢查出未連線的引腳。換句話說(shuō)，不管描述電路的正式規(guī)則是否被遵循，原理圖都有助于你快速可視化地確定這一事實(shí)。
在主題為堆棧溢出的一組討論中，一位發(fā)帖者這樣評(píng)論：“如果一個(gè)原理圖可能會(huì)誤導(dǎo)看它的人，那么它肯定是個(gè)不好的原理圖，不管最終表明……事實(shí)上它是正確的原理圖。問(wèn)題很清楚。技術(shù)上正確但比較混亂的原理圖仍然是一個(gè)不好的原理圖?！彪m然這個(gè)觀點(diǎn)大家很容易認(rèn)同，但在CAD程序中，一個(gè)無(wú)法閱讀的原理圖仍然可以表達(dá)描述電路的連接信息，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)仍然是有用的。
結(jié)論是：在設(shè)計(jì)PCB版圖時(shí)，有一個(gè)原理圖用作黃金參考可以使工作變得更加容易。用符號(hào)完成連接；在應(yīng)對(duì)走線挑戰(zhàn)時(shí)不必同時(shí)思考連接。最后，發(fā)現(xiàn)第一版設(shè)計(jì)中你忘了做的導(dǎo)線連接可以節(jié)省重做的次數(shù)。
技巧三：使用自動(dòng)布線器，但不要完全依賴自動(dòng)布線器
大多數(shù)專業(yè)級(jí)的PCB CAD工具都有自動(dòng)布線器。但除非你設(shè)計(jì)PCB很專業(yè)，自動(dòng)布線器才會(huì)一次完成布線；對(duì)PCB連線來(lái)說(shuō)自動(dòng)布線器并不是一次點(diǎn)擊就能完成的解決方案。你仍然應(yīng)該知道如何進(jìn)行手工布線。
自動(dòng)布線器是一種高度可配置的工具。為了充分發(fā)揮它們的作用，每次任務(wù)都要對(duì)布線器參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)、周到的設(shè)置，甚至對(duì)單塊PCB設(shè)計(jì)中的各個(gè)模塊都要單獨(dú)設(shè)置，不存在適合任何場(chǎng)合的基本通用默認(rèn)設(shè)置。
當(dāng)你問(wèn)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師“最好的自動(dòng)布線器是什么”時(shí)，他們通常的回答是“你兩只耳朵間的東西(眼睛)”，這可不是玩笑話，他們是認(rèn)真的。布線作為一種工藝，與算法一樣有藝術(shù)性；布線本身就是啟發(fā)式的，因此非常類似于傳統(tǒng)的回溯算法。對(duì)于受約束的路徑選擇應(yīng)用(比如迷宮和拼圖)來(lái)說(shuō)，回溯算法很適合用來(lái)尋找答案，但在開(kāi)放的、不受約束的場(chǎng)合，比如預(yù)先布放好了元器件的印制電路板，回溯算法就并不擅長(zhǎng)于找到最優(yōu)解決方案。除非自動(dòng)布線器的約束條件得到了設(shè)計(jì)師高度細(xì)致的調(diào)整，否則自動(dòng)布線器結(jié)果仍需要人工去檢查回溯算法結(jié)果中的薄弱環(huán)節(jié)。
導(dǎo)線尺寸是另一個(gè)難點(diǎn)。自動(dòng)布線器不能可靠地確定一條導(dǎo)線上會(huì)流過(guò)多大的電流，因此它不能幫你確定要用多寬的導(dǎo)線。結(jié)果是，大多數(shù)自動(dòng)布線器布出來(lái)的導(dǎo)線寬度不符合要求。許多自動(dòng)布線器可以讓你規(guī)定參考導(dǎo)線約束條件。在stackexchange.com網(wǎng)站上的一篇論壇帖子中，作者M(jìn)artin Thompson這樣寫(xiě)道，“我做的每塊板都用過(guò)自動(dòng)布線器(不好意思，是一種很高端的布線器……)。如果你的約束條件類似是這樣的：只在這個(gè)層上，這兩個(gè)信號(hào)形成差分對(duì)，這些網(wǎng)絡(luò)必須匹配長(zhǎng)度，那么你必須將這些條件告訴自動(dòng)布線器?！碑?dāng)你想要使用自動(dòng)布線器時(shí)，你要問(wèn)問(wèn)你自己：“當(dāng)我為電路板設(shè)置好自動(dòng)布線器的約束條件，甚至也許在原理圖中對(duì)每根導(dǎo)線設(shè)置了約束條件，有這工夫會(huì)完成多少手工布線？”
經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師把很多精力放在最初的元件布局上，幾乎整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)間的一半都用來(lái)優(yōu)化元件的布局：
布線簡(jiǎn)化——盡量減少飛線的交叉等等；
器件靠近——更短的路由意味著更佳的布線；
信號(hào)時(shí)序考慮。
在Sunstone Circuits公司的用戶論壇上，一個(gè)帖子這樣寫(xiě)道，“對(duì)元件布局多加注意。以更加容易布線的方式進(jìn)行元件布局。元件布局占整個(gè)工作量的70%。在開(kāi)始布第一根線之前要放好所有的元件……使用飛線(這些線指示了還沒(méi)有完成布線的連接關(guān)系)作為布線復(fù)雜性的粗略指南?！?br />老前輩們經(jīng)常使用混合方法進(jìn)行布線——手工布一些重要的關(guān)鍵線，布好后鎖定這些線。然后用自動(dòng)布線器處理非關(guān)鍵的導(dǎo)線，并幫助管理布線算法中的“逃逸狀態(tài)”。這種方法有時(shí)是受控的手工布線和快速的自動(dòng)布線之間的一個(gè)很好折衷。
技巧四：電路板幾何尺寸和電流
大多數(shù)從事電子設(shè)計(jì)的人都知道，就像沿河道走的河流一樣，電子可能會(huì)遇到咽喉點(diǎn)和瓶頸。這一點(diǎn)在汽車熔絲的設(shè)計(jì)中得到了直接應(yīng)用。通過(guò)控制導(dǎo)線的厚度和形狀(U型彎曲、V型彎曲、S形等)，在過(guò)載時(shí)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的熔絲會(huì)在咽喉點(diǎn)熔斷。問(wèn)題是，PCB設(shè)計(jì)師在他們的PCB設(shè)計(jì)中偶然會(huì)產(chǎn)生類似的電氣咽喉點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)：在可以使用兩個(gè)快速45s形成角度的地方使用90度彎角；彎曲度大于90度，形成之字形狀。在最好的情況下，這些導(dǎo)線會(huì)降低信號(hào)傳播的速度；在最糟糕的情況下，它們就像汽車熔絲一樣，會(huì)在電阻點(diǎn)熔斷。
技巧五：哦，碎片！
碎片是一種制造問(wèn)題，可以通過(guò)正確的電路板設(shè)計(jì)得到最好的管理(圖1)。為了理解碎片問(wèn)題，首先需要回顧一下化學(xué)蝕刻工藝?；瘜W(xué)蝕刻工藝的目的是要溶解掉不需要的銅。但如果有特別長(zhǎng)、薄、條狀的碎片需要腐蝕，這些碎片有時(shí)會(huì)在完全溶解之前整塊脫離。這種條塊隨后飄浮在化學(xué)溶液中，有可能隨機(jī)落在另一塊電路板上。
同樣具有風(fēng)險(xiǎn)的情況是當(dāng)碎片仍然留在電路板上之時(shí)。如果碎片足夠窄，酸液池可以腐蝕掉下方足夠多的銅，使碎片部分剝離?，F(xiàn)在碎片到處游走，像旗子一樣附在電路板上。最終它會(huì)落到你自己的電路板上，引起其它導(dǎo)線的短路。
那么你去哪里尋找潛在的碎片以及如何避免這些碎片呢？在設(shè)計(jì)PCB版圖時(shí)，最好避免留下非常窄的銅片區(qū)域(圖2)。這種區(qū)域通常是在導(dǎo)線和焊盤間隙交叉點(diǎn)敷銅時(shí)造成的(圖3)。將銅片的最小寬度設(shè)置為超過(guò)制造商允許的最小值，你的設(shè)計(jì)應(yīng)該就沒(méi)有這方面的問(wèn)題了。針對(duì)蝕刻的標(biāo)準(zhǔn)最小寬度是0.006英寸。

圖1 在這個(gè)例子中，導(dǎo)線之間很窄的屏蔽圖案在電路板基板上顯得很牢固。

圖2：一個(gè)非常狹窄的片狀區(qū)域，比如原始設(shè)計(jì)文件中的這個(gè)例子，在制造時(shí)可能不受控制地剝離，從而產(chǎn)生短路和良率問(wèn)題。

技巧六：關(guān)注DRC
雖然設(shè)置自動(dòng)布線器通常是專門針對(duì)具體設(shè)計(jì)功能進(jìn)行的，但設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)一般被用來(lái)輸入制造商的設(shè)計(jì)約束。雖然這種設(shè)置很乏味，但并沒(méi)有像自動(dòng)布線器那么糟糕。大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最終都會(huì)建立一整套設(shè)計(jì)規(guī)則，旨在：標(biāo)準(zhǔn)化裸板構(gòu)建成本，最大化良率；盡可能一致地進(jìn)行組裝、檢查和測(cè)試。除了設(shè)計(jì)好處外，這些設(shè)計(jì)規(guī)則——將設(shè)計(jì)保持在預(yù)定義的制造極限之內(nèi)——也有助于在采購(gòu)部門建立更好的一致性。如果電路板制造的價(jià)格是一致的，則采購(gòu)經(jīng)常能減少需要維護(hù)的專業(yè)PCB制造協(xié)議數(shù)量。

圖3：在這個(gè)例子中，化學(xué)蝕刻會(huì)改變狹窄條狀填充的形狀/尺寸。碎片剝離時(shí)會(huì)產(chǎn)生意料不到的鱗片和皮瓣。

為了幫助解決所有這些問(wèn)題，許多PCB設(shè)計(jì)工具都內(nèi)置有DRC檢查器(一些工具稱它們?yōu)椤凹s束管理器”)，當(dāng)你在編輯時(shí)DRC檢查器會(huì)交互式地標(biāo)記出設(shè)計(jì)規(guī)則違例。一旦你針對(duì)所選的制造商設(shè)置好DRC規(guī)則，就要認(rèn)真嚴(yán)肅地對(duì)待出現(xiàn)的錯(cuò)誤。DRC工具一般都是比較保守的。它們會(huì)有意報(bào)告可能的錯(cuò)誤，讓你來(lái)做出決定。篩選幾百個(gè)“可能的”問(wèn)題是很乏味的事，但不管怎樣都要去做。在這份問(wèn)題清單中可能深藏著第一次生產(chǎn)注定要失敗的原因。除此之外，如果你的設(shè)計(jì)生成了大量的可能錯(cuò)誤，你應(yīng)該警覺(jué)你的走線方式可能需要改進(jìn)。
Dave Baker是Sunstone Circuits公司的一位PCB設(shè)計(jì)師，擁有20多年的豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，他的建議是這樣的。“花點(diǎn)時(shí)間理解并正確地設(shè)置版圖工具提供的約束系統(tǒng)?；c(diǎn)時(shí)間審查所有級(jí)別的約束。約束工具可能很強(qiáng)大，也很靈活，但也會(huì)令人困惑和帶來(lái)危險(xiǎn)。錯(cuò)誤的約束很容易導(dǎo)致有缺陷的或無(wú)法制造的電路板。約束設(shè)置中的錯(cuò)誤很可能限制DRC檢查或使其無(wú)法使用。有可能會(huì)發(fā)生這樣的情形：每次DRC都通過(guò)了，但電路板仍然無(wú)法制造或不能正常工作。以前我見(jiàn)過(guò)這種情形。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都很高興，因?yàn)殡娐钒逋ㄟ^(guò)了DRC檢查，但首件產(chǎn)品上測(cè)試臺(tái)卻冒煙了。跟蹤這種故障會(huì)將團(tuán)隊(duì)帶回到CAD工具的約束管理器。約束管理器沒(méi)有設(shè)計(jì)意識(shí)；它會(huì)讓你做任何事，而不管事情有多么糟糕。”
比如在Sunstone Circuits公司，幾乎每天都會(huì)收到很容易制造的電路板設(shè)計(jì)的報(bào)價(jià)要求，但也有關(guān)鍵區(qū)域的設(shè)計(jì)容差和間隙太小的時(shí)候。這種情況使PCB代工廠(比如Sunstone)不得不告知壞消息：要么我們根本無(wú)法制造電路板，因?yàn)槿莶畛隽宋覀兊哪芰Ψ秶?，要么我們能夠制造電路板，但價(jià)格要提高，并且良率可能較低。這些客戶如果在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到特定制造商的能力就好了。
Baker補(bǔ)充道：“如果你的版圖軟件允許你擱置DRC違例，那么使用這個(gè)功能時(shí)一定要小心。因?yàn)檩p易地?cái)R置DRC，想把它留到后面再處理，結(jié)果往往是很輕易地就忘了。記住在將你的設(shè)計(jì)發(fā)送出去制造前一定要檢查所有擱置的DRC錯(cuò)誤?！?br />Bob Tise是目前正在Sunstone Circuits公司上班的經(jīng)驗(yàn)豐富的PCB設(shè)計(jì)師，他的認(rèn)為：“你一定要抵抗住完全擱置DRC錯(cuò)誤的誘惑，并遵循一開(kāi)始就設(shè)定好的規(guī)則?！?br /> 技巧七：了解你在使用的代工廠
在討論過(guò)DRC設(shè)置之后，這個(gè)技巧幾乎——但并不完全——是多余的。除了幫助你正確地建立DRC規(guī)則之外，了解你的電路板將發(fā)往哪家代工廠也能提供額外的一些預(yù)制造幫助。一家好的代工廠會(huì)在你下訂單前提供一些有益的幫助和建議，包括如何改進(jìn)你的設(shè)計(jì)以減少設(shè)計(jì)反復(fù)、減少最終在測(cè)試臺(tái)上調(diào)試時(shí)遇到的問(wèn)題，并提高電路板的良率。
卡耐基梅隆大學(xué)的一位博士生Hugo在博客中這樣評(píng)價(jià)對(duì)制造商的了解：
“每家制造商都有自己的規(guī)范，比如最小導(dǎo)線寬度、間距、層數(shù)等。在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前，你應(yīng)該考慮好你自己的要求，然后找到一家能夠滿足你要求的制造商。你的要求還包括PCB材料等級(jí)。PCB材料等級(jí)從FR-1(紙-酚醛樹(shù)脂混合物)一直到FR-5(玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂)。大多數(shù)PCB原型制造商使用FR-4，但FR-2也經(jīng)常用于大批量的消費(fèi)類應(yīng)用。材料類型會(huì)影響到電路板的強(qiáng)度、耐用性、吸濕性和阻燃性(FR)。”
理解印制電路板的制造工藝，了解你的制造商會(huì)采用哪種工藝和方法，可以幫助你做出更好的設(shè)計(jì)決策。去拜訪一下你選中的供應(yīng)商，親自了解一下制造過(guò)程。在將你的設(shè)計(jì)提交給制造之前好好利用DFM(可制造性設(shè)計(jì))工具吧。
本文小結(jié)
如果你在思考這些基本的技巧和技術(shù)，說(shuō)明你已經(jīng)走在通往快速、可靠、專業(yè)質(zhì)量的PCB道路上了。理解制造工藝；使用DRC和DFM幫助你捕捉疏忽的可能增加代工成本和/或降低良率的設(shè)計(jì)功能。然后仔細(xì)規(guī)劃元器件的布局，消除昂貴的設(shè)計(jì)功能。明智地使用CAD工具提供的所有設(shè)計(jì)工具，包括自動(dòng)布局和自動(dòng)布線，但對(duì)自動(dòng)布線器的設(shè)置一定有要耐心和周密，這樣才能取得良好的自動(dòng)布線結(jié)果。
不要依賴自動(dòng)布線器做布線以外的事情；需要時(shí)手工調(diào)整導(dǎo)線尺寸，以確保設(shè)計(jì)中承載正確的電流。不管怎樣一定要相信飛線,直到所有飛線100%消失，你的電路板設(shè)計(jì)才算完成。