这是Cadence发布在自己网站上的一篇关于PCB基本概念和设计、生产流程要点的文章。翻译在此，如若阅读英文原文，可以点击“阅读原文”跳转。
我们周围都是电子设备，这些设备有些是很微不足道的，而有些则吸引了大量的注意力。但无论这个设备是默默监测你健康的东西，还是不断干扰你的智能手机，它们的核心都有某种印刷电路板 - PCB。
印刷电路板从第二次世界大战开始就出现了，当时它们被开发用于军事用途。一旦这项技术用于商业用途，电子制造商很快就采用了它，因为它提供了比传统的点对点电子结构更经济有效的解决方案。
多年来，电路板制造不断增长，以跟上更新、更快、更复杂的电子电路日益增长的需求。关于PCB的设计和制造，即便一个图书馆的书也未必完全描述清楚，在这里我们给你一些关于设计、制作PCB的基本要点。
什么是PCB？
印刷电路板 - PCB是一种刚性结构，它包含由嵌入的金属线(称为走线)和更大面积的金属面(称为平面)组成的电路。电子元件被焊接到板的顶层、底层，或两层上的金属垫。这些焊盘被连接到电路板电路，允许组件相互连接在一起。电路板可以由单层电路、顶层和底层的电路或堆叠在一起的多层电路组成。
电路板由导电性能较差的电介质芯材料制成，以使电路传输尽可能纯，然后根据需要添加额外的金属和电介质层。用于电路板的标准介电材料是由玻璃纤维布和环氧树脂编织而成的阻燃复合材料，称为FR-4，而用于电路的金属走线和平面通常由铜组成。
印制电路板被用于多种用途，你可以在玩具或控制器中找到简单的电路板，而先进的电路板则广泛用于计算机和电信。
有些板是由柔性材料制成的，因此允许它们用于需要弯曲的特殊情况和外壳的设备的其它功能。一些电路板是用特殊材料制成的，因为它们的工作频率很高，而其它的电路板有厚厚的铜层，用于工业控制面板和其它类似应用的高功率电路。
有些电路板是为极端环境设计的，比如地下传感器或汽车的引擎舱。专门的电路板用于航空、航天和军事应用，对其制造和性能施加了严格的公差。
虽然印刷电路板有许多不同的应用，但它们通常是按照一个共同的过程设计的。这是我们接下来要研究的。
一个正在设计印刷电路板的工程团队
PCB的设计流程
为了构建物理电路板，你必须首先设计它，这是使用PCB设计CAD工具完成的。PCB设计分为两大类:原理图绘制，在图中创建电路连接性；然后PCB布局，设计实际的物理电路板。
第一步是开发用于PCB设计的元器件“库”，它包括原理图符号、仿真模型、PCB布局的封装和用于3D显示的STEP模型。一旦库准备好了，下一步就是在原理图上创建电路的逻辑表示。计算机辅助设计工具用来将这些符号放在原理图上，然后将它们连接在一起形成电路。
同时，运行电路仿真工具来验证你的设计的电气特性是否满足你的需要，一旦这些任务完成，原理图工具将把它们的连接关系数据（netlist）发送到布局工具。
在PCB设计的布局方面，接收到用于表征原理图中连接关系的net，它们是连接两个或更多个元器件管脚的网络。在屏幕上显示出预期板形状的轮廓后，布局设计人员将把元器件的封装放置到合适的位置。一旦这些元器件被优化地组织起来，下一步就是通过在元器件的管脚之间绘制走线和平面来将网连接到管脚上。CAD工具将内置设计规则，以防止一个网的走线接触到另一个网，以及管理一个完整设计所需的许多其它宽度和空间。一旦走线完成，设计工具将再次用于创建制造图纸和输出文件，制造商将使用它来构建电路板。
电路板的设计和制造是一个循序渐进的过程: 创建原理图并仿真、设置PCB的网格以及DRC规则、放置元器件、PCB布线、电源平面，最后按照BOM来组装电路板。
一个电路板及其原理图
如何一步步制作一个PCB？
虽然印刷电路板组件的设计和制造可以概括为原理图绘制、PCB布局布线和电路板制造和组装，但每个步骤的细节都非常复杂。我们将在这里查看每一个步骤的一些更具体的方面。
使用原理图符号识别电子元件的原理图创建
在您可以在CAD工具中开始设计电路板之前，您必须首先确保元器件库里有您需要的元器件可以使用。对于原理图，这意味着为将要处理的元器件创建逻辑符号 - 电阻、电容、电感、连接器和集成电路。这些元器件准备好使用后，您就可以开始在CAD工具中的原理图表上组织它们。一旦大致放置好元器件，就可以绘制原理图符号的引脚之间的连接线。这些线被称为网，它们可以表示单个网，也可以表示存储或数据电路的一组网。在原理图绘制过程中，您可以根据需要移动元器件和网，以最佳地创建所需的电路。
使用SPICE与演示电路和Netlists来模拟电路
在原理图上组织好元器件和网之后，下一步是验证所绘制的电路是否会按照您希望的方式工作。为了验证这一点，您将使用集成电路仿真工具SPICE通过仿真程序来模拟电路。这些工具允许PCB工程师在构建实际硬件之前测试他们所设计的电路。因此，他们可以节省时间和金钱，使这些工具成为PCB设计过程的必要部分。
设置PCB设计网格，布线验证程序的DRC和其它CAD工具
PCB设计者使用的设计工具有许多不同的功能。其中包括建立设计规则和约束的能力，以防止你接触不该连接的网，并保持与不同物体的正确距离。您还可以使用许多其他辅助工具，例如设计网格，它可以帮助您以整洁和有序的方式放置元器件和走线。
使用OrCAD Capture创建的示意图示例
精确的元器件布局，实现最大性能
正确设置好设计数据库后，网络连接信息已经从原理图导入，就可以开始对电路板进行物理布局了。这里的第一步是将元器件封装放置在CAD系统的板轮廓中。每个封装都将网络连接显示为一个“橡皮筋”图像，以显示它们连接到哪些部分。放置这些元器件时，要考虑到它们所连接的对象、过热区域和电气噪音，以及其他物理障碍，如连接器、电缆和安装硬件，以获得最佳性能。您还需要放置元器件，以便制造商能够最好地组装它们。
适当的PCB布线角度将连接您的电路在一起
元器件放置好后(尽管它们可以根据需要移动)，是时候将网连接在一起了。这是通过将橡皮筋网连接转换成绘制的走线和平面来完成的。您的CAD工具将有许多功能使您能够做到这一点，包括一些可以节省大量时间的自动布线功能。然而，在布线时必须非常小心，以确保网的长度是正确的，它们所传递的信号，以及确保它们不跨越噪音过大的区域。这可能会导致串扰或其它信号完整性问题，可能会降低PCB的性能。
电源和地平面，良好PCB回路的重要性
通常板上的每个有源器件(IC和其它相关器件)将需要连接到电源和接地网。这很容易通过用这些器件可以进入的固体平面填充区域或层来实现。但设计电源和地平面并不像看上去那么简单。这些平面还做着重要的工作，返回由走线引导的信号。如果平面上有太多的孔、切口或分割，就会导致这些返回路径产生很多噪音，并降低PCB的性能。
使用制造成本估算工具，制作和装配图制作
完成了元器件放置、布线、电源和地面，PCB设计就差不多完成了。下一步是对它进行最后的规则检查，并在外层丝网上放置不同的文本和标记，这将帮助其他人找到元器件，并将名称、日期和版权信息标注在板上。同时，您将创建图纸，用于制造过程和组装最终的板。PCB设计师也将使用他们的工具来估算建造电路板的成本，这样以后就不会有任何意外了。
这里是一个用OrCAD PCB Designer创建的印刷电路板的例子
生产板子：多层PCB生产过程以及PCB焊接过程
此时，该板已准备好加工了，第一步是将输出数据文件发送给加工设备进行制造。这个过程包括在不同的金属层上蚀刻所有的走线和平面，然后将它们压在一起，产生一个准备组装的裸板。在组装工厂，电路板上装载它需要的元器件，然后根据使用的元器件类型采用不同的焊接工艺。在这之后，板子经过检查和测试，最终产品发送给你。
