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線路板設(shè)計(jì)介紹和基礎(chǔ)
我們周圍都是電子設(shè)備。這些設(shè)備有些微妙，而另一些吸引了很多注意力。但是，無(wú)論該設(shè)備是用于靜默監(jiān)視您的健康的設(shè)備，還是智能手機(jī)會(huì)不斷干擾您的煩惱，它們的核心都是某種印刷線路板設(shè)計(jì)。
自第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，印刷線路板設(shè)計(jì)被開(kāi)發(fā)用于軍事用途。一旦將該技術(shù)發(fā)布用于商業(yè)用途，電子制造商便迅速采用了該技術(shù)，因?yàn)樗峁┝吮葌鹘y(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子產(chǎn)品更具成本效益的解決方案。
多年來(lái)，線路板設(shè)計(jì)制造不斷增長(zhǎng)，以適應(yīng)更新，更快，更復(fù)雜的電子電路的不斷增長(zhǎng)的需求。如何創(chuàng)建PCB來(lái)完成所需的工作是可以填補(bǔ)一個(gè)庫(kù)的主題，但是我們將在此處為您提供設(shè)計(jì)印刷線路板設(shè)計(jì)的基本知識(shí)。
什么是印刷線路板設(shè)計(jì)？
印刷線路板設(shè)計(jì)是一種剛性結(jié)構(gòu)，其中包含由稱為跡線的嵌入式金屬線和稱為平面的較大金屬區(qū)域組成的電路。將電子組件焊接到板的頂層，底層或兩層上的金屬焊盤(pán)上。這些焊盤(pán)連接到板電路，允許組件互連在一起。該板可以由單層電路，頂部和底部的電路或堆疊在一起的多層電路組成。
線路板設(shè)計(jì)由導(dǎo)電性能差的介電芯材料制成，以使電路傳輸盡可能純凈，然后根據(jù)需要與其他金屬和介電層隔開(kāi)。用于線路板設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)介電材料是玻璃纖維編織布和環(huán)氧樹(shù)脂的阻燃復(fù)合材料，稱為FR-4，而電路的金屬走線和平面通常由銅組成。
印刷線路板設(shè)計(jì)有多種用途。您可以在玩具或控制器中找到簡(jiǎn)單的線路板設(shè)計(jì)，而在計(jì)算機(jī)和電信中則使用更高一級(jí)線路板設(shè)計(jì)。
有些板是用撓性材料制成的，因此允許它們?cè)谛枰鼈儑@設(shè)備其他功能部件彎曲的獨(dú)特情況和外殼中使用。有些板由于工作在高頻率下而用特殊的材料制成，而另一些板中則有厚厚的銅層，用于工業(yè)控制面板和其他類似應(yīng)用中的高功率電路。
有些板是為極端環(huán)境而設(shè)計(jì)的，例如地下傳感器或汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙。專用線路板設(shè)計(jì)用于航空，航天和軍事應(yīng)用，對(duì)它們的制造和性能施加嚴(yán)格的公差。
盡管印刷線路板設(shè)計(jì)有許多不同的應(yīng)用，但是它們通常是按照通用過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的。這就是我們接下來(lái)要研究的內(nèi)容。
印刷線路板設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程
要構(gòu)建物理線路板設(shè)計(jì)，您必須首先設(shè)計(jì)它，這是使用PCB設(shè)計(jì)CAD工具完成的。PCB設(shè)計(jì)分為兩個(gè)主要類別：原理圖捕獲以在圖中創(chuàng)建電路連接，然后PCB布局以設(shè)計(jì)實(shí)際的物理線路板設(shè)計(jì)。
第一步是開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)所需的庫(kù)CAD零件。這將包括原理圖符號(hào)，仿真模型，PCB布局的占位面積以及3D印刷線路板設(shè)計(jì)顯示器的臺(tái)階模型。一旦庫(kù)準(zhǔn)備就緒，下一步就是在原理圖上創(chuàng)建電路的邏輯表示。CAD工具用于將符號(hào)放置在原理圖圖紙上，然后將它們連接在一起以形成電路。
同時(shí)，進(jìn)行電路仿真以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否可以按預(yù)期的方式進(jìn)行電氣工作。完成這些任務(wù)后，原理圖工具會(huì)將其連接性數(shù)據(jù)發(fā)送到布局工具。
在PCB設(shè)計(jì)的布局方面，接收原理圖連通性并將其作為將兩個(gè)或多個(gè)組件引腳連接在一起的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理。在屏幕上顯示出預(yù)期的線路板設(shè)計(jì)形狀輪廓后，布局設(shè)計(jì)人員會(huì)將組件的封裝放置在正確的位置。一旦對(duì)這些組件進(jìn)行了更佳組織，下一步就是通過(guò)繪制引腳之間的走線和平面將網(wǎng)絡(luò)連接到引腳。CAD工具將具有內(nèi)置的設(shè)計(jì)規(guī)則，這些規(guī)則可防止一個(gè)網(wǎng)的痕跡接觸另一個(gè)網(wǎng)，并控制完整設(shè)計(jì)所需的許多其他寬度和空間。布線完成后，設(shè)計(jì)工具將再次用于創(chuàng)建制造圖紙以及制造商將用于構(gòu)建線路板設(shè)計(jì)的輸出文件。
線路板設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)和制造是一個(gè)逐步的過(guò)程：原理圖創(chuàng)建和仿真，設(shè)置PCB設(shè)計(jì)網(wǎng)格和DRC，組件放置，PCB布線，電源平面，最后組裝BOM和構(gòu)建線路板設(shè)計(jì)。接下來(lái)，我們將在這些步驟中更深入地研究。
如何逐步制作印刷線路板設(shè)計(jì)
盡管印刷線路板設(shè)計(jì)組件的設(shè)計(jì)和制造可以概括為原理圖捕獲，PCB布局以及線路板設(shè)計(jì)的制造和組裝，但每個(gè)步驟的細(xì)節(jié)都非常復(fù)雜。我們將在這里查看這些步驟中每個(gè)步驟的一些更具體方面。
使用原理圖符號(hào)識(shí)別電子元件的原理圖創(chuàng)建
在可以使用CAD工具進(jìn)行線路板設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)之前，必須確保首先具有要使用的庫(kù)零件。對(duì)于原理圖，這意味著為要使用的零件創(chuàng)建邏輯符號(hào)。電阻器，電容器，電感器，連接器和集成電路（IC）。這些零件準(zhǔn)備就緒后，您就可以開(kāi)始在CAD工具中的原理圖圖紙上進(jìn)行組織。將零件粗略放置后，即可繪制原理圖符號(hào)引腳之間的連接線。這些線稱為網(wǎng)絡(luò)，它們可以表示單個(gè)網(wǎng)絡(luò)，或用于存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)電路的網(wǎng)絡(luò)組。在原理圖捕獲過(guò)程中，您可以根據(jù)需要移動(dòng)零件和網(wǎng)絡(luò)以更好地創(chuàng)建所需的電路。如果您愿意，請(qǐng)閱讀本手冊(cè)以了解有關(guān)原理圖符號(hào)的更多信息。請(qǐng)?jiān)诖颂幉榭从嘘P(guān)原理圖捕獲過(guò)程的更多信息
將SPICE與演示電路和網(wǎng)表一起使用以模擬電路
在原理圖上組織好零件和電路網(wǎng)之后，下一步就是驗(yàn)證繪制的電路是否可以按照您打算的方式工作。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，您將在帶有集成電路增強(qiáng)功能的仿真程序中對(duì)電路進(jìn)行仿真，該工具也稱為SPICE。這些工具使PCB工程師可以在構(gòu)建實(shí)際硬件之前測(cè)試其設(shè)計(jì)的電路。這樣，他們可以節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)，使這些工具成為PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的部分。 PCB設(shè)計(jì)網(wǎng)格，用于布線驗(yàn)證程序的DRC和其他CAD工具設(shè)置
PCB設(shè)計(jì)人員使用的設(shè)計(jì)工具具有許多不同的功能。其中包括建立設(shè)計(jì)規(guī)則和約束的能力，這些規(guī)則和約束將使您避免接觸不應(yīng)該連接的網(wǎng)絡(luò)，并保持距不同對(duì)象的正確距離。您還可以使用其他許多輔助工具，例如設(shè)計(jì)網(wǎng)格，可以幫助您以整齊有序的方式放置組件和布線。
精確的元件放置布局以實(shí)現(xiàn)好的性能
正確設(shè)置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，并且已從原理圖導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)連接信息，就可以開(kāi)始線路板設(shè)計(jì)的物理布局了。此處的第一步是將組件占位面積放置在CAD系統(tǒng)的線路板設(shè)計(jì)輪廓內(nèi)。每個(gè)封裝都會(huì)將網(wǎng)絡(luò)連接顯示為“橡皮筋”圖像，以向您顯示它們所連接的部分。您需要考慮這些零件的連接，過(guò)熱和電噪聲的區(qū)域以及其他物理障礙物（例如連接器，電纜和安裝硬件）的影響，以使其達(dá)到更好性能。您還需要放置組件，以便制造商更好地組裝它們。
正確的PCB布線角度將使您的電路連接在一起
放置好組件后（盡管可以根據(jù)需要移動(dòng)它們），是時(shí)候?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)連接在一起了。這可以通過(guò)將橡皮筋網(wǎng)連接轉(zhuǎn)換為繪制的跡線和平面來(lái)完成。您的CAD工具將具有許多使您能夠做到這一點(diǎn)的功能，其中包括一些可以節(jié)省大量時(shí)間的自動(dòng)路由功能。但是，在布線時(shí)必須格外小心，以確保網(wǎng)對(duì)于它們傳導(dǎo)的信號(hào)而言正確的長(zhǎng)度，并確保它們不會(huì)穿過(guò)過(guò)多的噪聲區(qū)域。這可能會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_或其他信號(hào)完整性問(wèn)題，從而降低內(nèi)置板的性能。
電源和地平面，良好的PCB返回電流路徑的重要性
通常，板上的每個(gè)有源組件（IC和其他相關(guān)組件）都需要連接到電源和接地網(wǎng)絡(luò)。這可以通過(guò)用實(shí)心平面淹沒(méi)這些組件可以進(jìn)入的區(qū)域或?qū)觼?lái)輕松實(shí)現(xiàn)。但是設(shè)計(jì)電源平面和接地平面并不像看起來(lái)那樣簡(jiǎn)單。這些平面在返回由走線路由的信號(hào)方面也起著重要的作用。如果這些平面上有太多孔，切口或裂口，則可能導(dǎo)致這些返回路徑產(chǎn)生大量噪聲并降低PCB的性能。
使用工具進(jìn)行制造成本估算以及制造和裝配圖創(chuàng)建
完成組件放置，走線布線以及電源和接地平面后，您的PCB設(shè)計(jì)幾乎完成。下一步是對(duì)其進(jìn)行最終規(guī)則檢查，并設(shè)置將在外部圖層上進(jìn)行絲網(wǎng)印刷的不同文本和標(biāo)記。這將幫助其他人找到組件，并在板子上貼上名稱，日期和版權(quán)信息。同時(shí)，您將創(chuàng)建在制造期間將用于制造和裝配最終板的工程圖。PCB設(shè)計(jì)人員還將使用他們的工具來(lái)估算構(gòu)建線路板設(shè)計(jì)的成本，這樣以后就不會(huì)感到驚訝了。
有關(guān)準(zhǔn)備用于制造的PCB設(shè)計(jì)的更多信息，您可以在此處閱讀有關(guān)制造成本估算和生成制造圖的步驟。
構(gòu)建線路板設(shè)計(jì)：多層PCB制造工藝和PCB焊接工藝
至此，該板已準(zhǔn)備就緒，第一步是將輸出數(shù)據(jù)文件發(fā)送到制造設(shè)施。此過(guò)程包括將所有跡線和平面蝕刻到不同的金屬層上，然后將它們?nèi)繅嚎s在一起，從而形成可以組裝的裸板。在組裝工廠，線路板設(shè)計(jì)上裝有所需的組件，然后根據(jù)所用組件的類型進(jìn)行不同的焊接過(guò)程。此后，將對(duì)線路板設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查和測(cè)試，然后將最終產(chǎn)品運(yùn)送回給您。
它采用更高質(zhì)量的PCB設(shè)計(jì)工具來(lái)創(chuàng)建高質(zhì)量的PCB設(shè)計(jì)
印刷線路板設(shè)計(jì)的制造和組裝過(guò)程是精確且苛刻的。要構(gòu)建線路板設(shè)計(jì)以使其電路提供所需的性能，就意味著制造商需要精確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行工作。您使用的PCB設(shè)計(jì)工具不僅需要這種復(fù)雜性和精確度，而且還必須具有創(chuàng)建復(fù)雜設(shè)計(jì)所需的特性和功能。這包括幫助您路由高速電路的復(fù)雜走線的特殊功能，以及可以輕松設(shè)置用于特定區(qū)域間隙的設(shè)計(jì)規(guī)則。它還包括擁有可用的仿真工具，以簡(jiǎn)化原理圖捕獲過(guò)程，并提供大量可使用的庫(kù)部件。
好消息是，當(dāng)今市場(chǎng)上已經(jīng)有您可以使用的PCB設(shè)計(jì)工具可以處理我們一直在談?wù)摰倪@種級(jí)別的設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)。具有Cadence 的PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)的示例具有我們?cè)诖擞懻摰乃刑匦院凸δ堋?/span>OrCAD PCB Designer具有工具和功能，可以將您的設(shè)計(jì)從概念到最終制造文件，都可以為您提供專業(yè)的幫助。使用CAD，您可以訪問(wèn)庫(kù)，原理圖捕獲和SPICE工具以及所需的所有PCB布局功能。
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