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PCB設計新手老手都适用的7個關鍵技巧_技術文章

PCB設計新手老手都适用的7個關鍵技巧

作者:网絡 来源:网絡 日期:2018-11-13 12:00:14 人氣:357


1. 熟悉工廠制造流程

在这個無晶圓廠IC业者當道的時代,許多工程師其實不清楚根據他們的設計檔案制造之PCB生産步驟與化学處理工藝;这并不令人驚訝。不過这種實作知识的缺乏,往往導致新手工程師做出不必要的較複雜設計決策。

設計真的需要那麼複雜嗎?難道不能用更大的网格来進行布線,從而降低電路闆成本并提高可靠性?設計新手容易犯的其他錯誤,還有不必要的過小通孔尺寸以及盲孔(blind via)和埋孔(buried via)。那些先進的通孔結構是PCB設計師的利器,但其有效性高度情境化(effectiveness),它們雖然是可用的工具,但并不表示一定要使用。

PCB設計专家Bert Simonovich的一篇博客文章就談到了通孔尺寸比例的問題:“長寬比6:1的通孔,能确保你的電路闆可以在任何地方生産。”對于大多數設計来說,隻要稍加思考和規劃,就可以避免那些高密度(HDI)特征并再次節省成本、提高設計的可制造性。

那些超小尺寸或單端(dead-ended)通孔進行鍍銅所要求的物理学和流體力学能力,并不是所有PCB代工廠都擅長的。記住,隻要有一個不良通孔就可以毀掉整片電路闆;如果你的設計里有2萬個通孔,那麼你就有2萬次失敗的機會。不必要地使用HDI通孔,失敗率立刻飙升。

2. 電路圖能簡化設計任务

有時候隻是設計一片簡單電路闆,畫電路圖(schematic)似乎是在浪费時間;特别是如果你已经有過完成一、兩個設計的经验。但對于初次設計PCB的人来說,畫電路圖也會是個艱巨任务。跳過電路圖是新手和具備中等程度经验的設計工程師经常采取的一種戰略,但請從一個可以做为參考的完整電路圖为起點来發展你的布線,有助于确保你的布線連結能全部完成;以下是其理由。

首先,電路圖是PCB電路的視覺呈現,能傳达多個層次的信息;電路的子區域分好幾頁詳細繪制,功能相對應的零組件能安排在鄰近的位置,無論其最終實體布局为何。其次,由于電路圖符号會标示每個零組件的每一支接腳,很容易檢查出未聯機的接腳;換句話說,無論描述電路的正式規則是否被遵循,電路圖有助于你快速以視覺判定,确保電路的完整。

在設計PCB時如果有一個電路圖可做为基礎模闆,能簡化布線任务。利用電路圖符号来完成鍊接,同時你就在不需要反複思索那些連結的前提下克服了走線挑戰;最後你會因为抓到了在第一次修訂時遺漏的走線連結而節省了設計重做。

3. 使用自动布線器但勿依賴

大多數专业級PCB CAD工具都有自动布線器,不過除非你設計PCB很专业,自动布線器充其量隻能被用来讓設計初步過關;對PCB電路鍊接来說,自动布線器并非一次點擊就能完成的解決方案,你仍然應該要知道如何以手工布線。

自动布線器是一種高度可配置的工具,为充分發揮它們的作用,每次任务都要對布線器參數進行仔細、考慮周全的設置,甚至對單片PCB上的各個模塊都要個别考慮,總之就是沒有任何恰當的基本通用默認值。

當你問一個经验豐富的設計工程師:“哪種自动布線器最好用?”他們會回答:“兩邊耳朵中間的的東西(眼睛);”而且他們是認真的。布線这個過程如同算法一般更像是一種藝術,本身就是啟發式(heuristic)的,因此很類似傳統的回溯算法(backtracking algorithm)。

回溯算法很适合用来尋找解決方案,特别是迷宮或拼圖等路徑選擇受限的場合;但在一個開放、不受限制的場合,例如預先放置了零組件的PCB,回溯算法就無法發揮尋找優化解決方案的強項。除非自动布線器的約束條件经過工程師仔細微調,其布線成品還是需要人工檢查回溯算法結果中的弱點。

走線尺寸是另一個問題點,自动布線器無法百分之百确定你打算在一條走在線通過多大的電流,所以也不能幫你确定要用多寬的走線;結果是大多數自动布線器産生的走線寬度不符規格。

當你考慮使用自动布線器時,先問問自己:“在我为闆子設置好自动布線器約束條件、甚至为電路圖上的每條走線都設置了約束條件之後,還有多少時間讓我用手工布線?”設計工程師老手會把大部份精力放在最初的零件布局上,幾乎整個設計時間的一半都致力于從以下三個方面優化組件布局:

1)布線簡化—盡量減少飛線(rat's nest,或譯鼠線、鼠迹网)的交叉等等;

2)組件的近接—繞線越短越好;
3)信号時序(signal timing)考慮。

老前輩們经常使用混合方法来布線—用手工進行關鍵布線,固定它們的位置,然後以自动布線器處理非關鍵走線;設計中的自动布線區域有助于管理在布線算法中的“失控(runaway)狀态”,这種方法有時能在手工布線的可掌控性與自动布線的速度之間取得良好折衷。

4.考慮電路闆尺寸和電流

大多數從事電子設計的人都知道,就像沿着河道走的河流,流动的電子也可能會遇到咽喉點和瓶頸;这一點被直接應用在車用保險絲(automotive fuse)的設計中。透過控制走線的厚度和形狀(U型彎曲、V型彎曲、S形等),保險絲可以经過校準,在電流超載時熔斷于咽喉點。

問題是,設計工程師偶爾會在他們的PCB設計中遭遇類似的電氣咽喉點;舉例来說:在用兩個陡峭45度也可以的地方,使用90度彎角;當彎曲度大于90度時,采用之字形狀。充 其量那些導線隻會讓訊号傳播速度變慢;最糟糕的情況是它們會像汽車保險絲一樣在電阻點熔斷。

5.避開裂片風險

裂片(sliver)是一種制造上的失誤,可透過适當的電路闆設計獲得最佳管理(如圖1);为了理解裂片問題,我們需要複习一下化学蝕刻工藝。化学蝕刻是为了分解不需要的銅,但如果要蝕刻的部分特别長、薄、呈片狀,那些形狀有時候會在完全被分解之前整塊剝離;这種裂片會飄浮在化学溶液中,有可能随機落在另一片電路闆上。

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圖1 在这個案例中,走線之間的窄屏蔽對電路基闆来說是安全的

同樣有可能發生的風險是,裂片仍留在原来那片電路闆上;如果裂片夠窄,酸液池可能會腐蝕掉下方足夠多的銅,使裂片部分剝離。于是裂片像旗子一樣黏着電路闆四處飄,最後還是免不了落到那片闆子上導致其他走線短路。

那麼該去哪里尋找潛在的裂片?又如何避免裂片産生呢?在進行PCB布線時,最好避免留下非常窄的銅線區域(如圖2);这種區域通常是走線與焊墊間隙出現交叉、平面被填滿的情況造成(圖3)。将銅線的最小寬度設置为大于制造商允許的最小值,你的設計應該就不會有这方面的問題。标準的最小蝕刻寬度是0.006英吋。

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圖2 一個非常狹窄的裂片風險區域,例如圖中这個原始設計檔内的案例,在制造時可能不受控制地剝離,導致短路和良率問題

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圖3 在这個案例中,化学蝕刻會改變狹窄裂片填充的形狀/尺寸;裂片剝離時會産生意料不到的碎屑或漂浮物

6.關注DRC

自动布線器的設置通常是針對設計功能,而設計規則檢查器(Design Rule Checker,DRC)一般是用来撷取制造商的設計約束;雖然設置過程同樣繁瑣,跟自动布線器比起来要好得多。大多數設計團隊最終都會建立一整套設計規則,目的是标準化裸闆制作成本、最大化良率,并讓組裝、檢查和測試盡可能一致。
除了有益于設計,这些設計規則——透過将設計維持在預定義的制造限制之内——也同樣有助于在采購部門建立一致性;如果電路闆制造的价格是一致的,通常采購就能減少需要維護的特定PCB制造協議數量。

为了解決所有这些問題,許多PCB設計工具都内建了DRC——有些工具把它們叫做是“約束管理器 (constraint managers)”——當你在編輯時,DRC會以互动方式标記出設計違例;而一旦你針對選擇的制造商設置好DRC規則,就要準備好認真對待錯誤。

DRC工具一般在設計上很保守,它們在報告可能的錯誤時也會犯錯,而必須由你来判定;要篩選幾百個“可能的”問題會很繁瑣,但無論如何都得做。在这份問題清單中可能隐藏着你的第一次流片注定失敗的原因。除此之外,如果你的設計觸發大量的可能錯誤,代表你的走線方式需要改進。

擁有超過二十年豐富经验的Sunstone Circuits電路闆設計工程師Dave Baker建議:“花點時間去了解并正确地設置布線工具提供的約束系統,并審閱所有層級的約束;約束工具可以是很強大且靈活的,但也會令人困惑和帶来危險。錯誤的約束很容易導致有缺陷或無法制造的電路闆,約束設置中的錯誤很可能限制DRC或使其無法作用。”

他舉例指出:“可能發生的情形是,每次DRC都通過了,但電路闆仍然無法制造或沒有功能。我以前見過这種情形,本来設計團隊因为電路闆通過了DRC檢查都很高興,結果首批産品一放上測試台就冒煙;为了追蹤故障原因,團隊回到CAD工具的約束管理器;約束管理器沒有設計意识,它會讓你做任何事,無論事情多麼糟糕。”

舉例来說,Sunstone Circuits幾乎每天都會收到我們很容易打造出来的電路闆設計報价要求,除非是在一些關鍵領域,其設計容差和間隙被大幅壓縮。这種情況使PCB代工廠(如Sunstone)不得不告知壞消息:因为容限超出我們的能力範圍,我們無法制作電路闆;或是我們能夠制作電路闆,但要加价而且有良率方面的風限。那類客戶如果在設計時就考慮到特定制造商的能力,就會從中受益。

7.認识現有代工廠夥伴

在讨論過DRC設置之後,最後的这個PCB設計秘訣这個技巧幾乎—但并不完全—是多餘的;除了能幫助你正确地設置DRC規則,對你的電路闆設計即将被送往生産的廠家有所了解,能獲得一些額外的進廠前協助。

優良的代工廠會提供某些下單前的協助與建議,包括如何處理你的設計以減少設計反複、減少在測試台上除錯時遇到的問題,還有提高電路闆生産良率。美國卡内基美隆大学(Carnegie-Mellon University)的博士生Hugo在一篇部落文中針對了解制造商議題有以下評論:

“每家制造商都有自己的規格,如最小走線寬度、間距、層數等等;在開始設計之前,你應該考慮好自己的要求,然後找到一家能滿足你的制造商。你的需求還包括PCB材料等 級,從FR-1(紙-酚醛樹脂混合物)一直到FR-5(玻璃纖維和環氧樹脂);大多數PCB原型制造商使用FR-4,但FR-2也常用于大量消费性應用。材料種類會影響電路闆的強度、耐用性、吸濕性和阻燃性(FR)。”

了解PCB工藝,以及你的制造商會采用哪種工藝和生産方法,有助于你做出更好的設計決策;去拜訪一下你中意的制造服务供應商,親自看看工藝,你可能會很驚訝。還有,在把設計圖送去生産之前,善用可制造性設計(DFM)工具。

總結

明智地使用CAD工具提供的所有設計工具,包括自动布局和自动布線,但在自动布線器設置時一定有要耐心和周密,这樣才能取得良好的自动布線結果。不要依賴自动布線器做布線以外的事情;如果有必要确保設計中的電流恰當,以手工調整走線尺寸。


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