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PCB板電路設計和元件布局布線指南

文章來源: 智力創電路板 人氣:297 發表時間:2022-06-06 14:33:35

我們開始新設計時,因為將大部分時間都花在了電路設計和元件的選擇上,在 PCB 布局布線階段往往會因為經驗不足,考慮不夠周全。


如果沒有為 PCB 布局布線階段的設計提供充足的時間和精力,可能會導致設計從數字領域轉化為物理現實的時候,在制造階段出現問題,或者在功能方面產生缺陷。


那么設計一個在紙上和物理形式上都真實可靠的電路板的關鍵是什么?


讓我們探討設計一個可制造,功能可靠的 PCB 時需要了解以下6個 PCB 設計指南。



1. 微調你的元件布置

PCB 布局過程的元件放置階段既是科學又是藝術,需要對電路板上可用的主要元器件進行戰略性考慮。雖然這個過程可能具有挑戰性,但你放置電子元件的方式將決定你的電路板的制造難易程度,以及它如何滿足你的原始設計要求。


雖然存在元件放置的常規通用順序,如按順序依次放置連接器,印刷電路板的安裝器件,電源電路,精密電路,關鍵電路等,但也有一些具體的指導方針需要牢記,包括:


取向 - 確保將相似的元件定位在相同的方向上,這將有助于實現高效且無差錯的焊接過程。


布置 - 避免將較小元件放置在較大元件的后面,這樣小元件有可能受大元件焊接的影響而產生裝貼問題。


組織 - 建議將所有表面貼裝(SMT)元件放置在電路板的同一側,并將所有通孔(TH)元件放置在電路板頂部,以盡量減少組裝步驟。



最后還要注意的一條 PCB 設計指南 - 即當使用混合技術元件(通孔和表面貼裝元件)時,制造商可能需要額外的工藝來組裝電路板,這將增加你的總體成本。

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良好的芯片元件方向(左)和不良的芯片元件方向


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良好的元件布置(左)和不良元件布置(右)



2.合適放置電源,接地和信號走線

放置元件后,接下來可以放置電源,接地和信號走線,以確保你的信號具有干凈無故障的通行路徑。在布局過程的這個階段,請記住以下一些準則:



1)定位電源和接地平面層

始終建議將電源和接地平面層置于電路板內部,同時保持對稱和居中。這有助于防止你的電路板彎曲,這也關系到你的元件是否正確定位。


對于給 IC 供電,建議為每路電源使用公共通道,確保有堅固并且穩定的走線寬度,并且避免元件到元件之間的菊花鏈式電源連接。



2)信號線走線連接

接下來,按照原理圖中的設計情況連接信號線。建議在元件之間始終采取盡可能短的路徑和直接的路徑走線。


如果你的元件需要毫無偏差地固定放置在水平方向,那么建議在電路板的元件出線的地方基本上水平走線,而出線之后再進行垂直走線。


這樣在焊接的時候隨著焊料的遷徙,元件會固定在水平方向。如下圖上半部分所示。而下圖下半部分的信號走線方式,在焊接的時候隨著焊料的流動,有可能會造成元件的偏轉。

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建議的布線方式 (箭頭指示焊料流動方向)

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不建議的布線方式 (箭頭指示焊料流動方向) 


3)定義網絡寬度

你的設計可能需要不同的網絡,這些網絡將承載各種電流,這將決定所需的網絡寬度??紤]到這一基本要求,建議為低電流模擬和數字信號提供 0.010’’(10mil)寬度。當你的線路電流超過 0.3 安培時,它應該進行加寬。這里有一個免費的線路寬度計算器,使這個換算過程變得簡單。



3. 有效隔離

你可能已經體驗到電源電路中的大電壓和電流尖峰如何干擾你的低壓電流的控制電路。要盡量減少此類干擾問題,請遵循以下準則:隔離 - 確保每路電源都保持電源地和控制地分開。如果你必須將它們在 PCB 中連接在一起,請確保它盡可能地靠近電源路徑的末端。


布置 - 如果你已在中間層放置了地平面,請確保放置一個小阻抗路徑,以降低任何電源電路干擾的風險,并幫助保護你的控制信號??梢宰裱嗤臏蕜t,以保持你的數字和模擬的分開。


耦合 - 為了減少由于放置了大的地平面以及在其上方和下方走線的電容耦合,請嘗試僅通過模擬信號線路交叉模擬地。

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元件隔離示例(數字和模擬)



4. 解決熱量問題

你是否曾因熱量問題而導致電路性能的降低甚至電路板損壞?由于沒有考慮散熱,出現過很多問題困擾許多設計者。這里有一些指導要記住,以幫助解決散熱問題:



1)識別麻煩的元件 


第一步是開始考慮哪些元件會耗散電路板上的最多熱量。這可以通過首先在元件的數據表中找到“熱阻”等級,然后按照建議的指導方針來轉移產生的熱量來實現。當然,可以添加散熱器和冷卻風扇以保持元件溫度下降,并且還要記住使關鍵元件遠離任何高熱源。



2)添加熱風焊盤 


添加熱風焊盤對于生產可制造的電路板非常有用,它們對于高銅含量元件和多層電路板上的波峰焊接應用至關重要。由于難以保持工藝溫度,因此始終建議在通孔元件上使用熱風焊盤,以便通過減慢元件管腳處的散熱速率,使焊接過程盡可能簡單。


作為一般準則,始終對連接到地平面或電源平面的任何通孔或過孔使用熱風焊盤方式連接。除了熱風焊盤外,你還可以在焊盤連接線的位置添加淚滴,以提供額外的銅箔/金屬支撐。這將有助于減少機械應力和熱應力。

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典型的熱風焊盤連接方式



5. 熱風焊盤科普

許多工廠內負責制程(Process)或是 SMT 技術的工程師經常會碰到電路板元件發生空焊(solder empty)、假焊(de-wetting)或冷焊(cold solder)等等這類焊不上錫(non-wetting)的不良問題,不論制程條件怎么改或是回流焊的爐溫再怎么調,就是有一定焊不上錫的比率。這究竟是怎么回事?


撇開元件及電路板氧化的問題,究其根因后發現有很大部分這類的焊接不良其實都來自于電路板的布線(layout)設計缺失,而最常見的就是在元件的某幾個焊腳上連接到了大面積的銅皮,造成這些元件焊腳經過回流焊后發生焊接不良,有些手焊元件也可能因為相似情形而造成假焊或包焊的問題,有些甚至因為加熱過久而把元件給焊壞掉。


一般 PCB 在電路設計時經常需要鋪設大面積的銅箔來當作電源(Vcc、Vdd 或 Vss)與接地(GND,Ground)之用。這些大面積的銅箔一般會直接連接到一些控制電路(IC)及電子元件的管腳。


不幸的是如果我們想要將這些大面積的銅箔加熱到融錫的溫度時,比起獨立的焊墊通常需要花比較多的時間(就是加熱會比較慢),而且散熱也比較快。當這樣大面積的銅箔布線一端連接在小電阻、小電容這類 小元器件,而另一端不是時,就容易因為融錫及凝固的時間不一致而發生焊接問題;



如果回流焊的溫度曲線又調得不好,預熱時間不足時,這些連接在大片銅箔的元件焊腳就容易因為達不到融錫溫度而造成虛焊的問題。


人工焊接(Hand Soldering)時,這些連接在大片銅箔的元件焊腳則會因為散熱太快,而無法在規定時間內完成焊接。


最常見到的不良現象就是包焊、虛焊,焊錫只有焊在元件的焊腳上而沒有連接到電路板的焊盤。從外觀看起來,整個焊點會形成一個球狀;更甚者,作業員為了要把焊腳焊上電路板而不斷調高烙鐵的溫度,或是加熱過久,以致造成元件超過耐熱溫度而毀損而不自知。如下圖所示。

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包焊、冷焊或虛焊


既然知道了問題點就可以有解決的方法,一般我們都會要求采用所謂 Thermal Relief pad(熱風焊墊)設計來解決這類因為大片銅箔連接元件焊腳所造成的焊接問題。


如下圖所示,左邊的布線沒有采用熱風焊盤,而右邊的布線則已經采用了熱風焊盤的連接方式,可以看到焊盤與大片銅箔的接觸面積只剩下幾條細小的線路,這樣就可以大大限制焊墊上溫度的流失,達到較佳的焊接效果。

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采用 Thermal Relief pad(熱風焊墊)對比


6. 檢查你的工作

當你馬不停蹄地哼哧哼哧地將所有的部分組合在一起進行制造時,很容易在設計項目結束時才發現問題,不堪重負。因此,在此階段對你的設計工作進行雙重和三重檢查可能意味著制造是成功還是失敗。


為了幫助完成質量控制過程,我們始終建議你從電氣規則檢查(ERC)和設計規則檢查(DRC)開始,以驗證你的設計是否完全滿足所有的規則及約束。使用這兩個系統,你可以輕松進行間隙寬度,線寬,常見制造設置,高速要求和短路等等方面的檢查。


當你的 ERC 和 DRC 產生無差錯的結果時,建議你檢查每個信號的布線情況,從原理圖到 PCB,一次檢查一條信號線的方式仔細確認你沒有遺漏任何信息。另外,使用你的設計工具的探測和屏蔽功能,以確保你的 PCB 布局材料與你的原理圖相匹配。


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仔細檢查你的設計,PCB 和約束規則



7.結語

當你掌握了PCB 設計師都需要知道的這幾個設計指南,通過遵循這些建議,你將很快就能夠得心應手地設計出功能強大且可制造的電路板,并擁有真正優質的印刷電路板。

良好的 PCB 設計實踐對于成功至關重要,這些設計規則為構建和鞏固所有設計實踐中持續改進的實踐經驗奠定了基礎。

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