印制电路板设计成功的七大技术要素

EDN电子技术设计 2020-02-26 00:00

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本文将讨论新手和老手都适用的七个基本(而且重要的)技巧和策略。只要在设计过程中对这些技巧多加注意，就能减少设计回炉次数、设计时间和总体诊断难点。

技巧一：注重研究制造方法和代工厂化学处理过程

在这个无工厂IC公司时代，有许多工程师真的不知道从他们的设计文件生成PCB所涉及的步骤和化学处理过程，这点其实也不奇怪。这种实用知识的缺少经常导致设计新手做出没有必要的较为复杂的设计选择。举例来说，新手易犯的一种常见错误是用特别精确的尺寸设计电路板版图，也就是使用关联在紧密栅格上的正交导线，最后发现并不是每家电路板加工厂能够生产出在现场使用寿命期间能够保持足够可靠性的设计来。

具有这些能力的工厂可能无法提供最经济的PCB价格。设计真的需要那么复杂吗？可以在更大的栅格上设计电路板版图，从而降低电路板成本并提高可靠性吗？设计新手遇到的其它误区还有太小的过孔尺寸以及盲孔和埋孔。这些先进的过孔结构是PCB设计师工具箱中强大工具的产物，但其有效性与具体情形高度相关。只是因为它们存在于工具箱中并不意味着应该用它们。

Bert Simonovich的“设计笔记”博客关于此事就说到了过孔的截面纵横比：“一个纵横比为6:1的过孔能够很好地保证你的电路板可以在任何地方制造。”对于大多数设计来说，只要稍加思考和规划，这些HDI特征就能完全避免，从而再次节省成本，提高设计的可制造性。对这些超小型或单口过孔进行镀铜所要求的物理学和流体力学能力并不是所有PCB工厂都擅长的。记住，一个不好的过孔就能毁了整个电路板；如果你的设计中有20000个过孔，那么你就有20000次失败的机会。将不必要的HDI过孔技术包含在内，那么故障概率只会上升。

技巧二：相信飞线

有时候在设计一块简单电路板时画原理图似乎是在浪费时间，特别是当你做过一两个设计之后。但对于初学的设计师来说，画原理图也可能是一个令人畏惧的工作。跳过原理图是新手和熟练程度中等的人经常采取的一种战术。但一定要抵抗住这种强烈的欲望。从你可以用作参考的完整原理图开始开发你的版图有助于确保你的版图连接得到全部完成。下面做些解释。

首先，原理图是电路的一种可视化描述，它可以在许多层次上交流信息。电路的子部分可以详细绘制到好几页上，元器件可以安排在靠近它们功能块的地方，而与它们最终的物理布局无关。由于原理图符号中显示有每个元器件上的每个引脚，因此很容易检查出未连线的引脚。换句话说，不管描述电路的正式规则是否被遵循，原理图都有助于你快速可视化地确定这一事实。

在主题为堆栈溢出的一组讨论中，一位发帖者这样评论：“如果一个原理图可能会误导看它的人，那么它肯定是个不好的原理图，不管最终表明……事实上它是正确的原理图。问题很清楚。技术上正确但比较混乱的原理图仍然是一个不好的原理图。”虽然这个观点大家很容易认同，但在CAD程序中，一个无法阅读的原理图仍然可以表达描述电路的连接信息，在版图设计时仍然是有用的。

结论是：在设计PCB版图时，有一个原理图用作黄金参考可以使工作变得更加容易。用符号完成连接；在应对走线挑战时不必同时思考连接。最后，发现第一版设计中你忘了做的导线连接可以节省重做的次数。

技巧三：使用自动布线器，但不要完全依赖自动布线器

大多数专业级的PCB CAD工具都有自动布线器。但除非你设计PCB很专业，自动布线器才会一次完成布线；对PCB连线来说自动布线器并不是一次点击就能完成的解决方案。你仍然应该知道如何进行手工布线。

自动布线器是一种高度可配置的工具。为了充分发挥它们的作用，每次任务都要对布线器参数进行仔细、周到的设置，甚至对单块PCB设计中的各个模块都要单独设置，不存在适合任何场合的基本通用默认设置。

当你问一个经验丰富的设计师“最好的自动布线器是什么”时，他们通常的回答是“你两只耳朵间的东西(眼睛)”，这可不是玩笑话，他们是认真的。布线作为一种工艺，与算法一样有艺术性；布线本身就是启发式的，因此非常类似于传统的回溯算法。对于受约束的路径选择应用(比如迷宫和拼图)来说，回溯算法很适合用来寻找答案，但在开放的、不受约束的场合，比如预先布放好了元器件的印制电路板，回溯算法就并不擅长于找到最优解决方案。除非自动布线器的约束条件得到了设计师高度细致的调整，否则自动布线器结果仍需要人工去检查回溯算法结果中的薄弱环节。

导线尺寸是另一个难点。自动布线器不能可靠地确定一条导线上会流过多大的电流，因此它不能帮你确定要用多宽的导线。结果是，大多数自动布线器布出来的导线宽度不符合要求。许多自动布线器可以让你规定参考导线约束条件。在stackexchange.com网站上的一篇论坛帖子中，作者Martin Thompson这样写道，“我做的每块板都用过自动布线器(不好意思，是一种很高端的布线器……)。如果你的约束条件类似是这样的：只在这个层上，这两个信号形成差分对，这些网络必须匹配长度，那么你必须将这些条件告诉自动布线器。”当你想要使用自动布线器时，你要问问你自己：“当我为电路板设置好自动布线器的约束条件，甚至也许在原理图中对每根导线设置了约束条件，有这工夫会完成多少手工布线？”

经验丰富的设计师把很多精力放在最初的元件布局上，几乎整个设计时间的一半都用来优化元件的布局：

布线简化——尽量减少飞线的交叉等等；

器件靠近——更短的路由意味着更佳的布线；

信号时序考虑。

在Sunstone Circuits公司的用户论坛上，一个帖子这样写道，“对元件布局多加注意。以更加容易布线的方式进行元件布局。元件布局占整个工作量的70%。在开始布第一根线之前要放好所有的元件……使用飞线(这些线指示了还没有完成布线的连接关系)作为布线复杂性的粗略指南。”

老前辈们经常使用混合方法进行布线——手工布一些重要的关键线，布好后锁定这些线。然后用自动布线器处理非关键的导线，并帮助管理布线算法中的“逃逸状态”。这种方法有时是受控的手工布线和快速的自动布线之间的一个很好折衷。

技巧四：电路板几何尺寸和电流

大多数从事电子设计的人都知道，就像沿河道走的河流一样，电子可能会遇到咽喉点和瓶颈。这一点在汽车熔丝的设计中得到了直接应用。通过控制导线的厚度和形状(U型弯曲、V型弯曲、S形等)，在过载时经过校准的熔丝会在咽喉点熔断。问题是，PCB设计师在他们的PCB设计中偶然会产生类似的电气咽喉点。举例来说：在可以使用两个快速45s形成角度的地方使用90度弯角；弯曲度大于90度，形成之字形状。在最好的情况下，这些导线会降低信号传播的速度；在最糟糕的情况下，它们就像汽车熔丝一样，会在电阻点熔断。

技巧五：哦，碎片！

碎片是一种制造问题，可以通过正确的电路板设计得到最好的管理(图1)。为了理解碎片问题，首先需要回顾一下化学蚀刻工艺。化学蚀刻工艺的目的是要溶解掉不需要的铜。但如果有特别长、薄、条状的碎片需要腐蚀，这些碎片有时会在完全溶解之前整块脱离。这种条块随后飘浮在化学溶液中，有可能随机落在另一块电路板上。

同样具有风险的情况是当碎片仍然留在电路板上之时。如果碎片足够窄，酸液池可以腐蚀掉下方足够多的铜，使碎片部分剥离。现在碎片到处游走，像旗子一样附在电路板上。最终它会落到你自己的电路板上，引起其它导线的短路。

那么你去哪里寻找潜在的碎片以及如何避免这些碎片呢？在设计PCB版图时，最好避免留下非常窄的铜片区域(图2)。这种区域通常是在导线和焊盘间隙交叉点敷铜时造成的(图3)。将铜片的最小宽度设置为超过制造商允许的最小值，你的设计应该就没有这方面的问题了。针对蚀刻的标准最小宽度是0.006英寸。

图1 在这个例子中，导线之间很窄的屏蔽图案在电路板基板上显得很牢固。

图2：一个非常狭窄的片状区域，比如原始设计文件中的这个例子，在制造时可能不受控制地剥离，从而产生短路和良率问题。

技巧六：关注DRC

虽然设置自动布线器通常是专门针对具体设计功能进行的，但设计规则检查(DRC)一般被用来输入制造商的设计约束。虽然这种设置很乏味，但并没有像自动布线器那么糟糕。大多数设计团队最终都会建立一整套设计规则，旨在：标准化裸板构建成本，最大化良率；尽可能一致地进行组装、检查和测试。除了设计好处外，这些设计规则——将设计保持在预定义的制造极限之内——也有助于在采购部门建立更好的一致性。如果电路板制造的价格是一致的，则采购经常能减少需要维护的专业PCB制造协议数量。

图3：在这个例子中，化学蚀刻会改变狭窄条状填充的形状/尺寸。碎片剥离时会产生意料不到的鳞片和皮瓣。

为了帮助解决所有这些问题，许多PCB设计工具都内置有DRC检查器(一些工具称它们为“约束管理器”)，当你在编辑时DRC检查器会交互式地标记出设计规则违例。一旦你针对所选的制造商设置好DRC规则，就要认真严肃地对待出现的错误。DRC工具一般都是比较保守的。它们会有意报告可能的错误，让你来做出决定。筛选几百个“可能的”问题是很乏味的事，但不管怎样都要去做。在这份问题清单中可能深藏着第一次生产注定要失败的原因。除此之外，如果你的设计生成了大量的可能错误，你应该警觉你的走线方式可能需要改进。

Dave Baker是Sunstone Circuits公司的一位PCB设计师，拥有20多年的丰富设计经验，他的建议是这样的。“花点时间理解并正确地设置版图工具提供的约束系统。花点时间审查所有级别的约束。约束工具可能很强大，也很灵活，但也会令人困惑和带来危险。错误的约束很容易导致有缺陷的或无法制造的电路板。约束设置中的错误很可能限制DRC检查或使其无法使用。有可能会发生这样的情形：每次DRC都通过了，但电路板仍然无法制造或不能正常工作。以前我见过这种情形。设计团队都很高兴，因为电路板通过了DRC检查，但首件产品上测试台却冒烟了。跟踪这种故障会将团队带回到CAD工具的约束管理器。约束管理器没有设计意识；它会让你做任何事，而不管事情有多么糟糕。”

比如在Sunstone Circuits公司，几乎每天都会收到很容易制造的电路板设计的报价要求，但也有关键区域的设计容差和间隙太小的时候。这种情况使PCB代工厂(比如Sunstone)不得不告知坏消息：要么我们根本无法制造电路板，因为容差超出了我们的能力范围，要么我们能够制造电路板，但价格要提高，并且良率可能较低。这些客户如果在设计时就考虑到特定制造商的能力就好了。

Baker补充道：“如果你的版图软件允许你搁置DRC违例，那么使用这个功能时一定要小心。因为轻易地搁置DRC，想把它留到后面再处理，结果往往是很轻易地就忘了。记住在将你的设计发送出去制造前一定要检查所有搁置的DRC错误。”

Bob Tise是目前正在Sunstone Circuits公司上班的经验丰富的PCB设计师，他的认为：“你一定要抵抗住完全搁置DRC错误的诱惑，并遵循一开始就设定好的规则。”

技巧七：了解你在使用的代工厂

在讨论过DRC设置之后，这个技巧几乎——但并不完全——是多余的。除了帮助你正确地建立DRC规则之外，了解你的电路板将发往哪家代工厂也能提供额外的一些预制造帮助。一家好的代工厂会在你下订单前提供一些有益的帮助和建议，包括如何改进你的设计以减少设计反复、减少最终在测试台上调试时遇到的问题，并提高电路板的良率。

卡耐基梅隆大学的一位博士生Hugo在博客中这样评价对制造商的了解：

“每家制造商都有自己的规范，比如最小导线宽度、间距、层数等。在开始设计之前，你应该考虑好你自己的要求，然后找到一家能够满足你要求的制造商。你的要求还包括PCB材料等级。PCB材料等级从FR-1(纸-酚醛树脂混合物)一直到FR-5(玻璃纤维和环氧树脂)。大多数PCB原型制造商使用FR-4，但FR-2也经常用于大批量的消费类应用。材料类型会影响到电路板的强度、耐用性、吸湿性和阻燃性(FR)。”

理解印制电路板的制造工艺，了解你的制造商会采用哪种工艺和方法，可以帮助你做出更好的设计决策。去拜访一下你选中的供应商，亲自了解一下制造过程。在将你的设计提交给制造之前好好利用DFM(可制造性设计)工具吧。

本文小结

如果你在思考这些基本的技巧和技术，说明你已经走在通往快速、可靠、专业质量的PCB道路上了。理解制造工艺；使用DRC和DFM帮助你捕捉疏忽的可能增加代工成本和/或降低良率的设计功能。然后仔细规划元器件的布局，消除昂贵的设计功能。明智地使用CAD工具提供的所有设计工具，包括自动布局和自动布线，但对自动布线器的设置一定有要耐心和周密，这样才能取得良好的自动布线结果。

不要依赖自动布线器做布线以外的事情；需要时手工调整导线尺寸，以确保设计中承载正确的电流。不管怎样一定要相信飞线,直到所有飞线100%消失，你的电路板设计才算完成。

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