硬件设计之pcb设计.

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1、1,硬件设计技术基础,PCB设计,2,内容,基本任务、一般过程和概念。 工具。 元件库和元件制作、管理。 布局、布线和关键技术。 DRC, ECO 生产文件和制造工艺、焊接工艺。 高速PCB设计技术介绍。信号完整性分析。,3,基本概念,PCB: 概念和由来 种类: 单面、双面、多层，刚性、柔性 功能: 机械安装和支撑 电气连接 绝缘 元件识别,4,设计基本任务,根据明确的电路设计，完成PCB的元器件封装制作、布局、布线工作，产生符合设计和工艺要求的PCB设计文件及其生产文件。 PCB的设计过程中，允许电路设计发生变化。 PCB设计应该考虑制造、焊接安装、调试、测试和大量生产的要求。,5,PCB

2、设计任务的输入,电原理图，一般以网表的形式给出。 网表的各种格式。 PCB设计要求。 PCB的尺寸、特殊部件(如接插件)的位置； 特殊元件和信号的布局、布线要求，如时钟信号、差分信号、需要特殊屏蔽的电路等； 其他要求，如层数、线宽、电源层、厚度等； 相关资料。 元器件封装，关键元器件布线指导；,6,对输入的要求,输入应该是明确的、完整的。 输入是可以变化的。 PCB设计人员必须掌握快捷、可靠地引入变化的方法。,7,PCB设计流程,接收输入文件。 元器件封装检查。 库元件制作和修改。 板生成和布局。 布线和仿真分析。 DRC。 设计确认和生产文件输出。,8,一些概念和术语,印制电路板(Print

3、ed Circuit Board, PCB)。 元件(part, component)和封装(package)。 网络(net) 、连线(track/trace) 。 引脚(pin)、焊盘(pad)。 过孔(via)。 多边形(polygon)、铺铜(pour)。 Printed circuit Board Assembly, PBA。,9,多层板,层(layer)和面(side) 元件面(component side)、焊接面(soldering side)。 层: 顶层(top)、底层(bottom)、中间层(internal/middle layer)、丝印层(silk screen)、

4、阻焊层(solder mask) 顶/底面丝印/阻焊，视图 板层(board layer)。 电源/地层(power/ground planes)。 通孔(through hole)、表面贴(surface mount, SMD/SMT)、埋孔/盲孔(buried/blind via)。,10,多层板示意图,11,栅格(grid),重要性 布局栅格、布线栅格、过孔栅格、显示栅格。,12,工具软件,protel/power pcb。 cadence/mentor。,13,封装(package),PCB上的元件表现为封装。 注意区别，很多不同的元件使用完全相同的封装。 封装由PCB的输入指定，一般

5、是原理图指定。 经常混用: package、footprint、part/decal。,14,常见封装,SIP, DIP, SOIC, SOP, SOJ LCC/PLCC, QFP/PQFP/CQFP PGA, BGA/FBGA 分立元件的直插封装 分立元件的表贴封装: 0603/0805/1210, SOT, DPAK 接插件/连接器,15,封装的问题,封装的种类很多，各厂家的命名很可能是不规范的。命名可能是些厂家的代号。 同一功能的元件可能有几种封装。 接插件的引脚顺序 PCB设计软件会提供一部分封装，但不一定合适。对每一种封装，必须对照生产厂商的资料进行检查。 元件的外形、尺寸，引脚的形

6、状、大小、间距。 对0805等，一般可以直接使用。,16,元件库,对于PCB库中没有的封装，需要制作。 封装一般以库元件的形式保存在PCB的元件库中。 元件库 软件的标准库； 以往的自己制造的库，包括公司/项目的共享库； 新建的库； 建立和管理元器件库。注意文件的组成。,17,元件的制作,元件制作的根据是元器件的数据手册。 元件一般由标号、形状和引脚组成。 标号是文字，注意大小和线的宽度。 形状，一般由线条(line)描绘，一般不使用polygon。 形状可能要求绘制在特定的层上，也可能不，视使用的软件而定，但最后生成PCB的生产文件时，均在丝网面上。 绘制时注意线的宽度。,18,引脚和焊盘,

7、引脚一般由号码区分，是一个个焊盘。 形状 大小 通孔和表面贴焊盘 层: 顶层、底层、中间层、阻焊层 散热焊盘(花盘) 可以使用软件中已有的焊盘，也可以自行设计。 复制和修改。 特殊引脚: 第一引脚和固定孔,19,焊盘的设计和确定,焊盘的设计根据元器件数据手册的引脚数据进行。 通孔焊盘 孔径，比引脚粗些。沉铜。 外径 阻焊和花盘 表贴焊盘的形状和尺寸 有些好的元器件数据手册有推荐的形状(recommended footprint)，应该遵守。 焊盘的尺寸有一定的调整范围，有工业界的规范。,20,通孔焊盘,21,SMT PAD,22,元件的制作,元件的制作基本上不能进行自动检查，必须认真。 焊盘位

8、置、间距、顺序和起始。 元件标号的位置和大小。 方向/第一引脚标志，注意可见性。 特殊焊盘。 元件的安装基准。,23,板的生成,全部封装齐备后，可以生成PCB了。 读入网表，检查是否有缺失的元件。 注意产生的错误和警告。 在board层用line画出板的外形。 特殊外形或异形孔。 画出限制区(keepout)。 英制和公制，密尔(mil)和毫米。,24,布局(placement),将元器件放置在要求的或合适的位置。 原则: 信号流向，互不影响，疏密有度，方便焊接和调试，美观。 密度，以引脚数为基础，不以元件数量或尺寸为基础。 时刻把握实际尺寸。 可以双面放置元件。,25,布局的一般顺序和参数,

9、顺序 接插件、安装/定位孔等有特定位置要求的元件。 大元件(BGA/QFP和MODULE)。 其他元件。 检查、调整和确认。 参数 布局栅格 焊盘间距 飞线,26,飞线,27,飞线的局部,28,布局注意事项,元件的空间冲突。特别是外部连接。 焊接、更换和调节的方便。 散热器和管座。 热量。 边缘，3mm。 基准标志(fiducial)。 元件方向。 双面和焊盘重叠。,29,布局的特殊要求,模拟部分和数字部分 接口 锁相和振荡 电源和不同电源的区域 退耦电容 匹配元件,30,布局和评估,自动和手动 布局的评估 密度 温度,31,布线(route),将原理图的连接实现为各层上的物理连接，并符合预定

10、的要求，如长度、阻抗、电流通过能力等。 布线的基本方法，横竖连接。 层的方向和交错。 基本间隔和栅格(grid)。 手动和自动布线。,32,布线流程,参数设置 禁止布线区，注意边缘 手工的关键线 电源和铺铜 自动布线 多次 手工补充和调整 DRC和设计确认,33,布线的基本参数,层数和各层方向，电源/地线层，叠层顺序 过孔 线宽 各种间距 栅格，布线栅格和过孔栅格 其他特殊规则,34,关键线,时钟的拓扑结构和匹配 各种时钟线 差分信号 锁相和振荡电路 需要保护的信号 锁定,35,电源层,电源/地层及其显示 分割 供电器件到电源层的连接 花盘 铺铜 板的边缘和与系统的连接,36,地线/电源面,3

11、7,花盘,38,地线/电源面分割,39,自动布线,自动布线器的独立性 次序，breakout/fanout，pattern/bus，automatic，cleanup 栅格和无栅格布线器 过孔栅格 注意自动布线报告和结果观察 重复多次,40,铺铜、手工补充和调整,41,42,43,ECO和DRC,变化、重复和工具 避免对网表、PCB的手工改动 DRC主要是连接性和间距 设计确认,44,生产文件,制造厂一般只接受标准文件，即光绘文件(gerber)和钻孔文件(drill)。 gerber文件的生成 各层应加边框 过孔是否阻焊 全部各层各电气层(包括电源/地层)、顶/底面丝网、顶/底面阻焊 各层具

12、体设置 drill 漏板(paste mask)文件,45,检查,gerber文件检查 注意铺铜、挖空等区域 注意禁止布局/布线区域 注意电源/地层的花盘和空洞 检查软件,46,生产文件格式,光圈表(aperture file)和gerber文件本身 钻孔工具表(drill tools)和钻孔文件,47,PCB加工要求,应向PCB厂家提供书面的加工要求文件 内容 技术参数，板子的最小线宽、最小间距、最小钻孔、层数、叠层顺序 各层文件清单 非金属化孔 其他特殊要求，异形孔，拼版，加工边等,48,PCB生产过程,光绘、腐蚀、层压、钻孔 镀锡整平、阻焊 电测,49,PCB焊接安装过程,焊膏丝网和回流

13、焊 人工插装和波峰焊 压接等后期安装,50,REFLOW,51,SOLDER WAVE,52,SOLDER WAVE,53,传输线与PCB设计,高速PCB设计,54,传输线与输线效应 天线 电磁辐射与串扰,55,信号完整性,PCB设计面临的挑战 逻辑设计工程师为何常常不能自觉考虑EMC问题,56,传统观念的误导,直流或低频电路的引申-“信号电流”在导线中流动。 “一个信号一条连线”，逻辑电路设计教科书只讲信号流向，不讲信号传递过程。 原理图中也是仅表现元器件与信号线网络，也是一个信号一条连线，与地网络电源网络没有直接的关联。 中国人思想认识上的错位，对PCB设计、结构工艺设计等方面的认知存在较

14、大差距，设计水平相对落后，近年来已大有转变。,57,电路板设计与调测中的混沌世界,数字工程师常常是制造“寄生天线”的能手，缺少EMC观念。 在同一电路板内或经过背板传输后，接收端得到的信号波形与期望值相差甚远，有时甚至面目全非，无法工作。 常常采用试凑法，在发端或收端加一些阻容元件，以改善波形。费时又费事。 已调测通过定型的电路板，当再次重复生产一批时，原来拼凑的元件值可能又不灵了。要重新调测和试凑。,58,传输线,传输线原理：只讲基本物理概念，不讲理论推导。有兴趣者可参阅有关书籍。 传输线的一次参数：R、L、G、C。 传输线的二次参数：特性阻抗和传播常数。 传输线的参数仅取决于物理结构。,5

15、9,传输线,真空介电常数和导磁率为0 0 ，介质的相对介电常数和相对导磁率rr （一般非磁性介质r 1）L和C为传输线单位长度的电感和电容，对于无损耗传输线： 传播速度 为光速 特性阻抗,60,典型传输线特性阻抗 Zc,平行线： 100300（双绞线、屏蔽平行线、屏蔽双绞线） 架空平行线几百欧姆，如600 同轴线： 75 （长距离通信用） 50 （雷达、局域网等一般用途） 微带线（设计制造确定，一般小于100） 带状线（设计制造确定，一般小于100 ）,61,信号传递过程是能量传输(1),微电子系统属于弱电范畴，但弱电信号的传输也是能量传输。 能量不能创生也不能消灭（能量守恒） ，不同形态的能

16、量可相互转换。纯电阻上的电能消耗为：电压x电流x时间，转变为热能耗散于周围空间。 在传输线上，某一时刻t发送的信号，在传送到终端时，部分在传输过程中被损耗或辐射，其余部分或全部再被反射或吸收。,62,信号传递过程是能量传输2,匹配：终接电阻R=Zc 当传输线两端都不“匹配”时，信号能量会在两个端点间多次来回反射，各点波形都是当前注入信号与以前多次反射叠加的结果。 当传输线两端都不匹配时，传输线上将产生能量累积，在一定的时间内，注入能量和损耗及吸收能量达到平衡。 当传输线两端都极不匹配时，能量存储累积将会非常明显，电压可增加几倍甚至几十倍。危险！,63,能量传输,传输线是支撑电能量传输的管道，导线的作用是约束、支撑并导引电磁波能量。 能量在哪里？不在导线里，而是存在于导线周围的空间。实际上一小部分进到导线里的电能量是转变为热能耗散掉了，这是由导线电阻所造成的损失。 能量的传输可由玻印亭矢量表示：ExH 设计高速信号线要彻底转变思维方式，放弃“电路”“电流”概念，要以电磁场能量传输观念去审视每一