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1、 . . . 通用PCB设计网格系统 摘要：PCB设计布线使用多种度量单位往往会降低设计的完美性。优秀的PCB设计由构建CAD库部件开始，然后就立刻开始面对元器件布局、过孔位置以及布线等各方面的挑战。输出生产机器使用的数据可能会非常复杂，也可能会非常简单，这直接取决于整个PCB设计过程中使用的PCB设计布线的度量单位。本文考察了电子行业最重要、但有时也会被忽视或想当然的一个课题PCB设计网格系统。引言：20世纪60年代到80年代，主要PCB设计网格系统一直采用英制单位。所有PCB设计要素和网格布线的最小度量单位都是0.001” (1 mil)，一切都是对称的、均衡的。之后，在1988年，多家世
2、界标准组织 联合起来，一致认为，公制单位可以更好地解决PCB设计开发问题。20世纪90年代，元器件制造商的产品技术资料和JEDEC元器件封装尺寸资料中开始转型，此前曾一度采用英制“英寸”单位的资料，现在开始逐渐转为采用公制单位。世界标准组织IPC建议“PCB设计网格系统”的基本值为0.05mm，同时开始把PCB设计中的所有要素都统一到网格系统中。然而，在美国，这受到大力抵制。美国一些PCB设计企业、制造企业、机械工程师和电气工程师目前仍然反对这一转换。从一种单位转向另一种单位，给PCB设计行业带来了混乱，因为PCB设计人员被迫在转型期间使用两种不同的单位。CAD厂商处理转型的方式是引入了种“基
3、于无网格形状”的自动布线功能，为PCB设计人员使用公制和英制引脚间距连接焊盘形状提供了一种解决方案。他们引入了许多新的技术术语，如“网格外”(“Off-Grid”)或“无网格”(“Gridless”)和“基于形状的”布线解决方案。这一概念完全基于这样一个事实，即以PCB设计规则作为主要因素，PCB设计人员的客观目标是遵守规则，而不管连接盘形状多么不规则。某些CAD库元器件采用英制的引脚间距，某些采用公制引脚间距。PCB设计网格系统出现混乱，处理无网格环境给PCB设计人员带来了新的挑战。无网格系统对PCB布线的主要影响是轨迹路由计算粒度非常小，因此占用的存储器和CPU处理能力大大提高。无网格系统
4、新增了成千上万个变换选项，实际上降慢了自动布线工具的速度。另外，这样也很难在两个元器件引线中心或过孔中心间方便的手动布线。从创建CAD库、元器件布局、过孔放置到布线，“通用PCB设计网格系统”影响着一切项目，同时占用的计算机存储器和CPU处理能力大大下降。它能标出引脚和走线的中心位置，提高了制造良品率。它还改善了元器件布局和布线的整体美观性。IPC 标准及设计完美PCB的最终目标是让PCB设计中所有的尺寸都以0.05 mm作为最小度量单位，向0.05mm网格系统看齐。本文将排除疑议，证明这是一种最优秀的解决方案。注：0.05mm = 0.0019685”或约等于2 mils。下面将解释遵守“通
5、用PCB设计网格系统”所需的指标，并了解这一体系的先进特点。不过，我们首先要了解一下电子产品开发行业标准化进程中的几个主要组织。电子标准组织：标准元件封装外形来自于专业编制元器件封装数据及实现文档和刊物标准化的行业标准组织。标准组织介绍 JEDEC 联合电子设备工程委员会半导体工程标准化机构，代表着电子行业的所有领域，包括分立元器件和集成电路封装标准。 EIA 电子行业联盟由美国许多制造商组成的国家贸易组织，涉及卷带、托盘和管元器件封装标准，其最新出版的标准是EIA-481-D-2008。 IEC 国际电子技术委员会IEC是一家领先的全球机构，为所有电气、电子和相关技术及相关一般学科(如术语和
6、符号)编制和出版国际标准。 NIST 国家标准和技术学会从原子钟到半导体，无数种产品和服务都在某种程度上依赖NIST。NIST的使命是开发和推广度量、标准和技术，提高生产效率，促进贸易发展，改善生活质量。 IPC 电子行业相关协会IPC是唯一把电子行业所有相关各方汇聚在一起的贸易协会，包括PCB设计人员、PCB制造商、PCB组装公司、供应商和原始设备制造商。 ANSI 美国国家标准学会ANSI的使命是推广和促进自愿达成一致的标准和合格性评估系统，保护其完整性，加强美国企业的全球竞争力和美国的生活质量。 EIAJ 日本电子行业协会EIAJ的使命是代表国电子行业，处理面对的各种挑战和问题，包括与世
7、界各地相关组织和协会合作，规划和实施各种方案。 NEMI 国家电子制造计划NEMI是一家业领先的联盟，使命是保证全球电子制造供应链的领导地位。其会员包括数百家电子元器件制造商、供应商、协会、政府机构和高等院校。 JEITA 日本电子和信息技术行业协会JEITA是日本一家行业组织，其活动涉及电子领域和信息技术(IT)领域。JEITA涵盖了电子元器件、无线电和广播设备、计算机、医疗器械、测量和控制系统及组装。创建焊盘 CAD库：在这些标准组织的指导下，PCB设计人员已经制订了各种规则，以使用CAD工具创建一致的优质连接盘图形。在理想的通用网格系统中，许多单元的最小度量单位都是0.05mm，虽然这些
8、规则也有一些例外，但大多数情况下适用这些规则。IPC编制的SMT和PTH所有CAD库焊盘外形的通用尺寸 外形的最小度量单位是0.05mm包括丝网、组装和贴装 焊盘尺寸的最小度量单位是0.05mm 孔径的最小度量单位是0.05mm 极性标记的最小度量单位是0.05mm 本地基准的最小度量单位是0.05mm 指示标注高度和线宽的最小度量单位是0.05mmIPC-7351 标准中BGA封装使用的球栅阵列网格标准 球和焊盘的尺寸的最小度量单位为0.05mm (参见表1) 引脚间隙的最小度量单位为0.05mm 封装体外形尺寸的最小度量单位为0.05mmJEDEC编制的QFP、SOP和SOT鸥翼型引脚封装
9、标准 封装体外形尺寸的最小度量单位为0.05mm 封装容差的最小度量单位为0.05mm 端子引线尺寸的最小度量单位为0.05mm 引脚间隙、焊盘尺寸“X, Y”的最小度量单位为0.05mm，焊盘中心“C”的最小度量单位为0.1mm。参见图1。EIA编制的电阻器、电容器、二极管和电感器芯片元器件引脚标准 封装体外形长度和宽度的最小度量单位是0.05mm 端子引线尺寸的最小度量单位是0.05mm 焊盘尺寸“X, Y”的最小度量单位是0.05mm，焊盘中心“C”的最小度量单位是0.1mmJEDEC编制的SON、QFN、DFN、SOTFL和SODFL无铅元器件引脚标准 引脚间距的最小度量单位为0.05
10、mm 封装体外形尺寸的最小度量单位为0.05mm (包括高度) 端子引线尺寸的最小度量单位为0.05mm 封装容限的最小度量单位为0.05mm在当前元器件封装技术中，基本规则是在大多数情况下，元器件封装尺寸和焊接端子引线的最小度量单位是0.05mm。当然，20世纪80年代生产的所有元器件封装是这一规则的例外情况。为全面转向公制单位及引入成熟的电子产品开发自动化系统，必须消除基于英制的元器件封装。元器件布局网格系统：如果要以毫米为单位构建CAD库部件，最好的布局网格规则是使用可以均匀划分成1mm的数值，且在小数点右面一位。优化的公制布局网格包括：1mm、0.5mm, 0.2mm和0.1mm。为实
11、现最佳效果，只有在绝对必要时，才应该使用其它部件布局网格，如固定连接器或PCB边缘开关。过孔尺寸和放置网格系统：过孔尺寸的最小度量单位是0.05mm，包括所有通孔尺寸。在全局布线时最佳的过孔尺寸为：0.5mm焊盘、0.25mm通孔、0.7mm 无阻焊区域。如果PCB设计中的每个过孔放在1mm网格系统上，那么设计时布线可以完美的穿过这些过孔而不会产生不必要的弯曲。最佳的过孔放置网格是1mm，过孔间允许通过两条0.1mm走线。参阅下面的图3、图4和图5。1mm 间距BGA过孔，线宽为0.1mm 0.5mm 间距QFP过孔，线宽为0.1mm图5是这个阵列中两个过孔的放大图图5清楚地表明了对准1mm网
12、格的两个过孔，其中两条0.1mm走线完美居中。当然，在完美居中的两个过孔之间，也可以只布一条0.1mm 走线。无阻焊区域不会超出走线界限，在参考平面上提供了一条干净的回路。这为高速技术提供了一种杰出的走线解决方案，同时提供了简化的工作环境。走线/ 空间尺寸网格系统：除一个是0.125mm (5 mils)外，公制走线宽度规则的最小度量单位是0.05mm。0.25mm = 10 mils0.20mm = 8 mils0.15mm = 6 mils0.125mm = 5 mils0.10mm = 4 mils0.075mm = 3 mils0.05mm = 2 mils布线网格系统：最优秀的公制布
13、线网格为0.05mm。参考标注和文本网格系统：0.1mm是放置参考标注和文本常用的网格，空间比较紧时则使用0.05mm。覆铜和填充网格系统:0.1mm是覆铜轮廓和对准网格的常用网格，而0.05mm则可以用于高密度布局和布线。安装孔尺寸和布局网格系统：所有安装孔焊盘的最小度量单位是0.05mm，布局网格的最小度量单位是0.05mm。结论：通用PCB设计网格系统基于0.05mm单位。对PCB设计的各个方面，所有形状和尺寸的最小度量单位应该是0.05mm。为实现电子产品开发自动化，PCB设计必需转向公制单位。美国是目前唯一没有使用公制单位作为主导度量衡的工业化国家。但是，全球的PCB设计在历史上一直
14、是由使用英制度量衡的元器件制造商和CAD厂商推动的。很明显，不根据公制指标生产产品或服务的美国企业在世界市场上的竞争力可能会越来越低。日本已经认识到，美国不使用公制单位在战略上妨碍了美国产品进入日本本土市场。此外，欧洲市场各种产品标准的统一，将使得在欧洲市场销售非公制产品变得越来越难，不确定性日益提高。大多数美国公司理解，使用公制单位对未来的经济成功至关重要，他们犹豫的原因，可能在于转换时间和转换方式的不确定性。美国联邦政府机构正在采取积极措施，表明其决定在相关商业活动中采用公制度量衡。例如，大多数元器件制造商已经把元器件尺寸的产品技术资料转换成毫米单位。许多结果对公众并不是非常透明的，因为这不是美国联邦政府当前转型活动的直接目标。大多数兽医和医疗机构已经完成到公制单位的转换，但是，工业是转型的主要目标，而且他们正在认识到这些并基本欢迎政府所采取的措施。整个行业对继续转向公制单位的智慧之举的接受，在一定程度上源于他们认识到根据公制单位生产产品等于能够在未来的经济环境生存下来。目前，大多数公司把产品出口到全球市场，预计这些市场都将在产品中采用公制度量衡。美国目前实施公制度量衡的努力基于这样一种理念，即通过转向公制单位，可以提高工业和商业生产效率，改善数学和科学教育，加强美国产品和服务在世界市场中的竞争力。如果不能转向公制度量衡，则会阻碍美国的工业和经济发展。. .
