PCB的设计全流程和实战总结

原创面包板社区 2023-06-21 20:00

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如今的PCB电路板无处不在，日常接触到的手机，电脑，家用电器，玩具等等，拆开机械结构，里面都存在大大小小，各种功能的电路板。PCB是基本电子元器件和芯片最重要的载体，所以，PCB设计的优劣也直接决定了产品最终的性能。

本文通过一个实际案例，分析电路板的基本组成和PCB的主要设计流程。

电路板的基本组成

目前的电路板，主要由以下组成：

线路:线路是做为原件之间导通的工具，在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。

介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性，俗称为基材孔(Through hole / via):导通孔可使两层次以上的线路彼此导通，较大的导通孔则做为零件插件用，另外有非导通孔(nPTH)通常用来作为表面贴装定位，组装时固定螺丝用

防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask) :并非全部的铜面都要吃锡上零件，因此非吃锡的区域，会印一层隔绝铜面吃锡的物质(通常为环氧树脂)，避免非吃锡的线路间短路。根据不同的工艺，分为绿油、红油、蓝油。

丝印（Legend /Marking/Silk screen):此为非必要的结构，主要的功能是在电路板上标注各零件的名称、位置框，方便组装后维修及辨识用。

表面处理(Surface Finish):由于铜面在一般环境中，很容易氧化，导致无法上锡(焊锡性不良)，因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡(HASL)，化金(ENIG)，化银(Immersion Silver)，化锡(Immersion Tin)，有机保焊剂(OSP)，方法各有优缺点，统称为表面处理。

如图所示，左边是沉金的焊盘，右边是喷锡后的焊盘。

PCB的设计流程

PCB设计的主要流程大概有以下十个步骤，其中层次化的设计等步骤不一定是必须的，跟公司的规模要求及设计的复杂度有关。主要包括从原理图设计完成后输出网表，然后布局布线，接着仿真，处理电源地EMC等热管理，最后输出文档和质量管理等过程。

原理图设计：在开始进行整板设计之前，首先需要完成原理图设计。原理图是电路的逻辑表示，包含各个组件的连接和功能。确保原理图设计准确无误，以避免在整板设计中出现问题。

PCB布局规划：进行PCB布局之前，需要对整个电路板的尺寸、组件布局、连接方式等进行规划。考虑到信号完整性、功率分布和散热等因素，合理安排各个组件的位置和走线路径。

层次化的设计：对于复杂的电路板设计，可以采用层次化的设计的方法，将不同功能的信号层、电源层和地层分开。这有助于减少信号干扰、提高整体性能。

信号完整性：保证高速信号的完整性是PCB设计中至关重要的一点。采取合适的差分对、匹配传输线长度、减少信号回波等措施，可以减少信号衰减和时序偏移。

电源和地线：在设计中要特别关注电源和地线的布局和连接。确保电源稳定性、地线低阻抗，以减少电源噪声和信号干扰。

热管理：对于需要高功率的组件，如处理器、功放器等，需要考虑散热问题。合理布局散热器、散热片，确保足够的空间和通风，以避免过热引起故障。

焊盘和孔的设计：选择合适的焊盘和孔的尺寸和形状，以适应所使用的组件和焊接工艺。确保焊盘和孔的质量和可靠性，以减少焊接问题和连接失效。

EMI/EMC设计：电磁兼容性是PCB设计中一个重要的考虑因素。通过合适的屏蔽、接地、滤波等措施，减少电磁干扰和辐射，确保产品符合相关的EMI/EMC标准。

文档输出：在PCB设计过程中，要及时进行标记和记录。给每个元件、连接线、层次等进行适当的标记，编写详细的设计文档，以方便后续的调试和维护工作。

设计规范和标准：遵循相关的PCB设计规范和标准，如IPC标准，以确保设计的可靠性和可制造性。

实际的设计案例

假定设计一个基于ARM平台的PCB板卡。

设计的大概的思路：

1、抓取模块，按模块摆放元器件。摆模块可以对整板进行一个了解。可以了解到板子上有哪些需要注意的。如有哪些重要信号，以及整板的一个电源分布走向。模块抓取完成后开始布局。

2、布局完成后，规划叠层。此板的层数由 DDR4 部分决定。我选择了走 FLYBY 的拓扑。所以只能走假八层的六层板。整板需要控制阻抗的信号线有 DDR4 USB HDMI 等。

3、设置规则，开始走线。先从主芯片 BGA 开始出线，将 DDR4 的线先完成。DDR4以及主芯片拉线完成后可以先看一下内存绕线是否有瓶颈。DDR的信号最多，而且速率高，比较敏感，是前期设计最需要着重评估的地方。然后开始外围器件的布线。USB HDMI 的高速线注意阻抗连续性以及间距控制，网口部分注意防雷击，音频部分需注意模拟地与数字地的划分等。电源部分走线需注意电流的大小，走向。