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我是一名PCB设计师,接触过的PCB设计产品主要有:射频功放产品、通信直放站产品、航天电子产品、医疗机械电子产品、视频DVD产品、音频MP3产品、安防监控产品等等。因此我从我所站的角度对此话题谈谈我的一些想法,说的不好,请大家多多包涵。
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(1) 软件操作
俗话说“吃饭用碗筷”。软件犹如我们的碗筷。软件虽说只是一个工具,但如果一名设计师连自己的工具都掌握不熟练的话,何谈优秀设计。故,软件对于一名设计师来说是至关重要的。又有人会问,软件操作到什么样的程度才算是熟练掌握呢?故名思议“熟能生巧”,这话无可争议。对于软件上面的一些常用操作命令、高级操作技巧要精通。常用操作命令只是能保证设计师能完成设计任务;而高级操作技巧则是用短时间完成相同的操作。举个例子:就拿Altium Designer软件来说。FPGA管脚调整操作。一般命令是先改原理图再导入到PCB,使之对应;而对于该操作的高级技巧操作则是改PCB后反导原理图使之对应。相同模块布局布线操作。一般的命令是对每个相同模块分别布局布线;而高级技巧则是线做好一个模块后,直接复用即可。两者相比之下,达到同样的效果,但所花的时间则是不一样的。后者有着事半功倍的效果。
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(2) 工艺知识
其目的是:规范产品的PCB工艺设计,规定PCB工艺设计的相关参数,使得PCB的设计满足可生产性、可测试性、安规、EMC等技术规范要求。在产品设计过程中,构建产品的工艺、技术、质量、成本优势。
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作为一名设计师,需要掌握哪些相关工艺知识呢?
①叠层。
对自己设计的PCB板进行叠层。每个PCB板都是有相关叠层信息的。在叠层前需要了解生产工艺,即印制板生产的基本流程、业界印制板加工商的加工能力、加工成本等等。印制板生产的基本流程是每个设计是都需要了解的。如果一个设计师不了解制板流程,那也可以说这名设计师无法正确的验收自己的PCB板。
业界制板的加工能力也是每个设计师必须掌握的。如果设计出来的产品超出了制板商的加工能力,无法生产,再有利的产品也是徒劳。加工成本问题也是设计师需要了解的,每个企业产品最终的目的无非是保证性能的前提下,以最少的成本达到理想的目标。
在掌握以上知识后,接下来开始叠层。叠层需要掌握些什么知识呢?
a. PCB板厚的计算。
PCB板总厚度=基材厚度+铜薄厚度+沉铜厚度+丝印厚度+绿油厚度。
不能叠出来的厚度超过要求完成后的PCB厚度。当然了,这些参数部分可以在板材的数据手册上面可以找到。当然还有一些是要看你以什么标准来加工了,民用品一般是按IPC标准来执行的。IPC标准又分为3个等级。选择不同的等级,这些参数加工控制又是不一样的。
b. 阻抗计算。掌握一个阻抗计算软件,比如Polar Si8000软件。
阻抗计算需要的条件:板厚、(层数、信号层数、平面层数)、基板材料、表面工艺、阻抗值、阻抗公差、铜厚、检验标准。
影响阻抗的因素有:介质厚度、介电常数、残铜率、铜厚、线宽、线距、阻焊厚度。介质厚度、线距越大阻抗值越大;介电常数、铜厚、线宽、阻焊厚度越大阻抗值越小。
当然,信号层与平面层也是有要求的。一般情况下需要满足,对称性;阻抗连续性;元件下面为地层(第二层或倒数第二层);电源和地紧耦合;信号层靠近参考层;相邻信号层间拉开距离;信号层夹在电源层和地层时,信号层要靠近地层;差分间距要小于等于2倍线宽;线宽调整在4mil—6mil范围;板层间半固化片越少越好。
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② 设计基本要求(满足可生产性、可测试性)。无非就是阻焊开窗、器件间距、孔大小、丝印、拼板等。
器件焊盘开窗一般是不小于2.5mil的亚光区;器件间距要求可方便焊接,同时预留调试时的拆装空间;孔类型越少越好,孔大小按照通用大小即可,原则是孔径比不小于8:1;丝印只有2个方向且清晰;拼板原则:小于50mm*50mm需要做拼板。其他的我在这就不多说了,每位设计师多多少少都接触过了。
③ 钢网选型。根据PCB板贴片面尺寸和器件焊盘的间距及大小对钢网选型。具体需要根据PCB板的具体情况而定。比如,PCB板上有AD8312类器件(焊盘大小为直径0.2mm)非常小的焊盘时,就需要选择精密(激光)型。
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④ SMT组装知识。主要了解贴片流程。
设计师需要掌握PCB板在贴片过程中的一般步骤。钢网与PCB板对位上锡膏;器件BOM核对;贴装器件;回流焊;检板。
⑤ 焊接技术。作为一名设计师,应该要掌握焊接能力。不要求焊接技术有多强,但简单的更换0603封装器件的焊接需要掌握。
(3) 制作要求
对于PCB板加工的基本信息需要备注清晰。这样才能使PCB在生产过程中更高效且无误。换句话说就是让加工商按照设计师的要求进行加工。对于PCB板上的备注基本信息有:板材、板厚、表面工艺、阻抗控制表、丝印颜色、绿油颜色、是否塞孔(包含绿油塞孔和树脂塞孔)、验收标准等,如有特殊要求,需要在制作要求中注明。
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(4) 结构知识
任何一个PCB板在产品中不可能是悬空的,都是需要安装在产品中的。当然,每种产品的结构都是不一样的。但作为一名设计师,最起码的螺钉大小需要了解及结构图能看懂。比如M2的螺钉、M3的螺钉、M4的螺钉等。这里所对应PCB板上的孔径及焊盘是多少。结构图能看明白三视图。掌握AutoCAD软件里的一些简单操作。假如,硬件工程师给到你的是整个产品的结构图,需要自己在里面提取需要的信息。这时就需要掌握些AutoCAD软件操作了。
(5) 封装知识
在PCB设计时,通过器件的PCB封装来体现实际器件的大小及位置(平面图)。
那么,作为一名设计师,需要掌握哪些封装知识呢。
① 器件封装的常用代码(器件位号代码)。比如:C 代表电容、R 代表电阻、L 代表电感、U 代表IC等等。如果再深入点就是这些代码依据的由来了(在国际上是有个通用的标准的)。
② 封装命名的意义及形状。
比如:电容封装有很多种,0201、0402、0603、0805、1210等等(从这些封装命名就直接可以读出焊盘的大小及间距)。这些封装命名和实物有什么样的关系。看到一些常用的封装命名就能联系到器件实物是什么样的。比如:BGA封装、QFN封装、PLCC封装等等。
③ 封装制作。
包括原理图封装和PCB封装制作。原理图封装相对来说可以不用那么严格,但为了能在PCB设计时,能够更准确的读懂其中的原理,还是需要按照严格的要求来制作。PCB封装制作就直接关系到与实物的焊接及性能的发挥了。其中的重要性大家都知道,就不多说了。
PCB封装既然这么重要,那么国际上又是通过一个什么样的标准来统一封装大小,及芯片各生产商的规格和要求的呢?
在国际上有个IPC-国际电子工业联接协会。主要是定制一些国际上电子方面的一些统一规范。PCB封装制作的依据(IPC-7351)也就是来自IPC协会。
PCB封装制作的标准有了,那么还需要注意些什么呢?
业界各大芯片生产商加工出来的芯片大小都是不一样的,但都会有相应的技术规格书。里面主要包括该芯片的主要参数及性能。当你在制作PCB封装的时候就需要掌握该在对应的技术规格书上提取哪些信息了。比如:一个器件的焊盘大小尺寸、焊盘间的间距、丝印大小、封装命名等等(这里又牵涉到了一些结构的基本知识了,要能看懂平面图)。PCB封装制作时,可以根据各公司的工艺水平进行优化,但总体还是根据IPC-7351标准来制作。
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(6) 电路知识
在一个产品中,有着不同的电路模块。而每个产品所实现的功能都是靠电路中的每个子电路一起来实现的。换句话说,需要实现什么样的功能,就需要有什么样的电路。
① 硬件基础知识
原理图上的一些基本的知识作为一名设计师必须要掌握的。那么包括哪些知识呢?
a. 能准确的看懂整个电路的信号流向。
电路中的输入输出,信号转换等电路,并且要大概的知道每个电路模块实现的功能。比如,SDRAM FLASH DDR属于存储器类等。
在数模混合板中,要掌握模拟输入或输出的优势是什么。模拟电路转换成数字电路或者说数字电路转换成模拟电路,都是通过什么电路转换的,为什么要转换才能实现其各自的功能等等。关于射频方面的一些知识在这就不多讲了。
b. 电源分配情况。
对于PCB板上的电源分配情况要非常清楚。电源输入口的处理,电源DC转换的处理及开关电源的处理等等。电源芯片散热问题也是需要考虑进去的。比如,28V输入,5V输出。这中间的压差电源芯片肯定消耗掉了。电源芯片消耗掉肯定会产生热(热功耗),这就需要注意散热问题了(电源输入输出的压差值越大,芯片的发热就越大)。
c 基础元器件的作用。
分清楚有源器件和无源器件;电阻、电容、电感、运放等基础器件的作用;电容滤波特性曲线等等。比如,原理图在数字信号上面串联了一个电容,你要准确的判断原理图有问题。
② 数字电路、模拟电路知识
能准确的区分数字电路和模拟电路;明白同步电路和异步电路的概念和区别;串行总线和并行总线的概念;明白数字信号在理想状态下的波形和实际状态下的波形等等。举个很简单的例子,有一组数据信号,在你不清楚他是串行信号还是并行信号的时候,在PCB设计时你就不能确定要不要做等长。当你非常清楚的明白这组信号的属性的时候,PCB设计时就很准确的判断出要不要做等长了(串行信号可不做等长,并行信号必须做等长)。
模拟电路的一些基本知识。三极管曲线特性;运算放大器的分类(电压放大和电流放大等等);模拟信号的波形叠加相关知识;在模拟电路里,电容、电感的作用等等。
③ 数模电路知识
掌握数模电路之间的转换关系及特点。详细点说吧。一个小信号(音频或视频)输入,通过运算放大器将信号放大后,转入模数转换芯片,将模拟信号转换成数字信号后,由模数转换后的信号输入到FPGA或者其他数字处理芯片对信号进行处理,处理完毕后再通过数模转换芯片将数字信号转换成模拟信号,信号经过放大后模拟输出。
④ 射频电路知识
能清楚的理解射频电路与其他电路的区别。了解阻抗对射频板的重要性。
射频电路的特性,主要包括有:a.空间和平面传播方式;b.射频微带严格按照50欧姆阻抗控制,阻抗突变对信号影响较大;c.表面工艺(推荐沉金)处理要求非常平整,减小趋肤效应;d.射频需要与结构配合(屏蔽罩)等等。
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(7) 常见电路模块设计注意事项
(8) EMC、SI、PI知识
(9) 仿真知识
来源:云汉电子ICkey、 励知科技