和兆豐實(shí)業(yè)
PCB設(shè)計(jì)技巧：少孔、少繞、少自動…
發(fā)表時間：2021-01-08
本文將探討印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)新手和老手都適用的七個基本(而且關(guān)鍵的)技巧和策略，只要在設(shè)計(jì)過程中對這些技巧多加注意，就能為你與你的團(tuán)隊(duì)減少重新設(shè)計(jì)次數(shù)、縮短設(shè)計(jì)時間以及減輕整體設(shè)計(jì)結(jié)果診斷的任務(wù)；以下讓我們一一看來。
1、熟悉工廠制造流程
在這個無晶圓廠IC業(yè)者當(dāng)?shù)赖臅r代，許多工程師其實(shí)不清楚根據(jù)他們的設(shè)計(jì)檔案制造之PCB生產(chǎn)步驟與化學(xué)處理工藝；這并不令人驚訝。不過這種實(shí)作知識的缺乏，往往導(dǎo)致新手工程師做出不必要的較復(fù)雜設(shè)計(jì)決策。
設(shè)計(jì)真的需要那么復(fù)雜嗎？難道不能用更大的網(wǎng)格來進(jìn)行布線，從而降低電路板成本并提高可靠性？設(shè)計(jì)新手容易犯的其他錯誤，還有不必要的過小通孔尺寸以及盲孔(blind via)和埋孔(buried via)。那些先進(jìn)的通孔結(jié)構(gòu)是PCB設(shè)計(jì)師的利器，但其有效性高度情境化(effectiveness)，它們雖然是可用的工具，但并不表示一定要使用。
PCB設(shè)計(jì)專家Bert Simonovich的一篇博客文章就談到了通孔尺寸比例的問題：“長寬比6:1的通孔，能確保你的電路板可以在任何地方生產(chǎn)。”對于大多數(shù)設(shè)計(jì)來說，只要稍加思考和規(guī)劃，就可以避免那些高密度(HDI)特征并再次節(jié)省成本、提高設(shè)計(jì)的可制造性。
那些超小尺寸或單端(dead-ended)通孔進(jìn)行鍍銅所要求的物理學(xué)和流體力學(xué)能力，并不是所有PCB代工廠都擅長的。記住，只要有一個不良通孔就可以毀掉整片電路板；如果你的設(shè)計(jì)里有2萬個通孔，那么你就有2萬次失敗的機(jī)會。不必要地使用HDI通孔，失敗率立刻飆升。
2、電路圖能簡化設(shè)計(jì)任務(wù)
有時候只是設(shè)計(jì)一片簡單電路板，畫電路圖(schematic)似乎是在浪費(fèi)時間；特別是如果你已經(jīng)有過完成一、兩個設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。但對于初次設(shè)計(jì)PCB的人來說，畫電路圖也會是個艱巨任務(wù)。跳過電路圖是新手和具備中等程度經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常采取的一種戰(zhàn)略，但請從一個可以做為參考的完整電路圖為起點(diǎn)來發(fā)展你的布線，有助于確保你的布線連結(jié)能全部完成；以下是其理由。
首先，電路圖是PCB電路的視覺呈現(xiàn)，能傳達(dá)多個層次的信息；電路的子區(qū)域分好幾頁詳細(xì)繪制，功能相對應(yīng)的零組件能安排在鄰近的位置，無論其最終實(shí)體布局為何。其次，由于電路圖符號會標(biāo)示每個零組件的每一支接腳，很容易檢查出未聯(lián)機(jī)的接腳；換句話說，無論描述電路的正式規(guī)則是否被遵循，電路圖有助于你快速以視覺判定，確保電路的完整。
在設(shè)計(jì)PCB時如果有一個電路圖可做為基礎(chǔ)模板，能簡化布線任務(wù)。利用電路圖符號來完成鏈接，同時你就在不需要反復(fù)思索那些連結(jié)的前提下克服了走線挑戰(zhàn)；最后你會因?yàn)樽サ搅嗽诘谝淮涡抻啎r遺漏的走線連結(jié)而節(jié)省了設(shè)計(jì)重做。
3、使用自動布線器但勿依賴
大多數(shù)專業(yè)級PCB CAD工具都有自動布線器，不過除非你設(shè)計(jì)PCB很專業(yè)，自動布線器充其量只能被用來讓設(shè)計(jì)初步過關(guān)；對PCB電路鏈接來說，自動布線器并非一次點(diǎn)擊就能完成的解決方案，你仍然應(yīng)該要知道如何以手工布線。
自動布線器是一種高度可配置的工具，為充分發(fā)揮它們的作用，每次任務(wù)都要對布線器參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)、考慮周全的設(shè)置，甚至對單片PCB上的各個模塊都要個別考慮，總之就是沒有任何恰當(dāng)?shù)幕就ㄓ媚J(rèn)值。
當(dāng)你問一個經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師：“哪種自動布線器最好用？”他們會回答：“兩邊耳朵中間的的東西(眼睛)；”而且他們是認(rèn)真的。布線這個過程如同算法一般更像是一種藝術(shù)，本身就是啟發(fā)式(heuristic)的，因此很類似傳統(tǒng)的回溯算法(backtracking algorithm)。
回溯算法很適合用來尋找解決方案，特別是迷宮或拼圖等路徑選擇受限的場合；但在一個開放、不受限制的場合，例如預(yù)先放置了零組件的PCB，回溯算法就無法發(fā)揮尋找優(yōu)化解決方案的強(qiáng)項(xiàng)。除非自動布線器的約束條件經(jīng)過工程師仔細(xì)微調(diào)，其布線成品還是需要人工檢查回溯算法結(jié)果中的弱點(diǎn)。
走線尺寸是另一個問題點(diǎn)，自動布線器無法百分之百確定你打算在一條走在線通過多大的電流，所以也不能幫你確定要用多寬的走線；結(jié)果是大多數(shù)自動布線器產(chǎn)生的走線寬度不符規(guī)格。
當(dāng)你考慮使用自動布線器時，先問問自己：“在我為板子設(shè)置好自動布線器約束條件、甚至為電路圖上的每條走線都設(shè)置了約束條件之后，還有多少時間讓我用手工布線？”設(shè)計(jì)工程師老手會把大部份精力放在最初的零件布局上，幾乎整個設(shè)計(jì)時間的一半都致力于從以下三個方面優(yōu)化組件布局：
布線簡化—盡量減少飛線(rat's nest，或譯鼠線、鼠跡網(wǎng))的交叉等等。
組件的近接—繞線越短越好。
信號時序(signal timing)考慮。
老前輩們經(jīng)常使用混合方法來布線—用手工進(jìn)行關(guān)鍵布線，固定它們的位置，然后以自動布線器處理非關(guān)鍵走線；設(shè)計(jì)中的自動布線區(qū)域有助于管理在布線算法中的“失控(runaway)狀態(tài)”，這種方法有時能在手工布線的可掌控性與自動布線的速度之間取得良好折衷。
4、考慮電路板尺寸和電流
大多數(shù)從事電子設(shè)計(jì)的人都知道，就像沿著河道走的河流，流動的電子也可能會遇到咽喉點(diǎn)和瓶頸；這一點(diǎn)被直接應(yīng)用在車用保險(xiǎn)絲(automotive fuse)的設(shè)計(jì)中。透過控制走線的厚度和形狀(U型彎曲、V型彎曲、S形等)，保險(xiǎn)絲可以經(jīng)過校準(zhǔn)，在電流超載時熔斷于咽喉點(diǎn)。
問題是，設(shè)計(jì)工程師偶爾會在他們的PCB設(shè)計(jì)中遭遇類似的電氣咽喉點(diǎn)；舉例來說：在用兩個陡峭45度也可以的地方，使用90度彎角；當(dāng)彎曲度大于90度時，采用之字形狀。充 其量那些導(dǎo)線只會讓訊號傳播速度變慢；最糟糕的情況是它們會像汽車保險(xiǎn)絲一樣在電阻點(diǎn)熔斷。
5、避開裂片風(fēng)險(xiǎn)
裂片(sliver)是一種制造上的失誤，可透過適當(dāng)?shù)碾娐钒逶O(shè)計(jì)獲得最佳管理(如圖1)；為了理解裂片問題，我們需要復(fù)習(xí)一下化學(xué)蝕刻工藝。化學(xué)蝕刻是為了分解不需要的銅，但如果要蝕刻的部分特別長、薄、呈片狀，那些形狀有時候會在完全被分解之前整塊剝離；這種裂片會飄浮在化學(xué)溶液中，有可能隨機(jī)落在另一片電路板上。
圖1 在這個案例中，走線之間的窄屏蔽對電路基板來說是安全的。
同樣有可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)是，裂片仍留在原來那片電路板上；如果裂片夠窄，酸液池可能會腐蝕掉下方足夠多的銅，使裂片部分剝離。于是裂片像旗子一樣黏著電路板四處飄，最后還是免不了落到那片板子上導(dǎo)致其他走線短路。
那么該去哪里尋找潛在的裂片？又如何避免裂片產(chǎn)生呢？在進(jìn)行PCB布線時，最好避免留下非常窄的銅線區(qū)域(如圖2)；這種區(qū)域通常是走線與焊墊間隙出現(xiàn)交叉、平面被填滿的情況造成(圖3)。將銅線的最小寬度設(shè)置為大于制造商允許的最小值，你的設(shè)計(jì)應(yīng)該就不會有這方面的問題。標(biāo)準(zhǔn)的最小蝕刻寬度是0.006英吋。
圖2 一個非常狹窄的裂片風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，例如圖中這個原始設(shè)計(jì)檔內(nèi)的案例，在制造時可能不受控制地剝離，導(dǎo)致短路和良率問題。
圖3 在這個案例中，化學(xué)蝕刻會改變狹窄裂片填充的形狀/尺寸；裂片剝離時會產(chǎn)生意料不到的碎屑或漂浮物。
6、關(guān)注DRC
自動布線器的設(shè)置通常是針對設(shè)計(jì)功能，而設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器(Design Rule Checker，DRC)一般是用來擷取制造商的設(shè)計(jì)約束；雖然設(shè)置過程同樣繁瑣，跟自動布線器比起來要好得多。大多數(shù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最終都會建立一整套設(shè)計(jì)規(guī)則，目的是標(biāo)準(zhǔn)化裸板制作成本、最大化良率，并讓組裝、檢查和測試盡可能一致。
除了有益于設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)規(guī)則——透過將設(shè)計(jì)維持在預(yù)定義的制造限制之內(nèi)——也同樣有助于在采購部門建立一致性；如果電路板制造的價格是一致的，通常采購就能減少需要維護(hù)的特定PCB制造協(xié)議數(shù)量。
為了解決所有這些問題，許多PCB設(shè)計(jì)工具都內(nèi)建了DRC——有些工具把它們叫做是“約束管理器 (constraint managers)”——當(dāng)你在編輯時，DRC會以互動方式標(biāo)記出設(shè)計(jì)違例；而一旦你針對選擇的制造商設(shè)置好DRC規(guī)則，就要準(zhǔn)備好認(rèn)真對待錯誤。
DRC工具一般在設(shè)計(jì)上很保守，它們在報(bào)告可能的錯誤時也會犯錯，而必須由你來判定；要篩選幾百個“可能的”問題會很繁瑣，但無論如何都得做。在這份問題清單中可能隱藏著你的第一次流片注定失敗的原因。除此之外，如果你的設(shè)計(jì)觸發(fā)大量的可能錯誤，代表你的走線方式需要改進(jìn)。
擁有超過二十年豐富經(jīng)驗(yàn)的Sunstone Circuits電路板設(shè)計(jì)工程師Dave Baker建議：“花點(diǎn)時間去了解并正確地設(shè)置布線工具提供的約束系統(tǒng)，并審閱所有層級的約束；約束工具可以是很強(qiáng)大且靈活的，但也會令人困惑和帶來危險(xiǎn)。錯誤的約束很容易導(dǎo)致有缺陷或無法制造的電路板，約束設(shè)置中的錯誤很可能限制DRC或使其無法作用。”
他舉例指出:“可能發(fā)生的情形是，每次DRC都通過了，但電路板仍然無法制造或沒有功能。我以前見過這種情形，本來設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)因?yàn)殡娐钒逋ㄟ^了DRC檢查都很高興，結(jié)果首批產(chǎn)品一放上測試臺就冒煙；為了追蹤故障原因，團(tuán)隊(duì)回到CAD工具的約束管理器；約束管理器沒有設(shè)計(jì)意識，它會讓你做任何事，無論事情多么糟糕。”
舉例來說，Sunstone Circuits幾乎每天都會收到我們很容易打造出來的電路板設(shè)計(jì)報(bào)價要求，除非是在一些關(guān)鍵領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)容差和間隙被大幅壓縮。這種情況使PCB代工廠(如Sunstone)不得不告知壞消息：因?yàn)槿菹蕹鑫覀兊哪芰Ψ秶?，我們無法制作電路板；或是我們能夠制作電路板，但要加價而且有良率方面的風(fēng)限。那類客戶如果在設(shè)計(jì)時就考慮到特定制造商的能力，就會從中受益。
7、認(rèn)識現(xiàn)有代工廠伙伴
在討論過DRC設(shè)置之后，最后的這個PCB設(shè)計(jì)秘訣這個技巧幾乎—但并不完全—是多余的；除了能幫助你正確地設(shè)置DRC規(guī)則，對你的電路板設(shè)計(jì)即將被送往生產(chǎn)的廠家有所了解，能獲得一些額外的進(jìn)廠前協(xié)助。
優(yōu)良的代工廠會提供某些下單前的協(xié)助與建議，包括如何處理你的設(shè)計(jì)以減少設(shè)計(jì)反復(fù)、減少在測試臺上除錯時遇到的問題，還有提高電路板生產(chǎn)良率。美國卡內(nèi)基美隆大學(xué)(Carnegie-Mellon University)的博士生Hugo在一篇部落文中針對了解制造商議題有以下評論：
“每家制造商都有自己的規(guī)格，如最小走線寬度、間距、層數(shù)等等；在開始設(shè)計(jì)之前，你應(yīng)該考慮好自己的要求，然后找到一家能滿足你的制造商。你的需求還包括PCB材料等 級，從FR-1(紙-酚醛樹脂混合物)一直到FR-5(玻璃纖維和環(huán)氧樹脂)；大多數(shù)PCB原型制造商使用FR-4，但FR-2也常用于大量消費(fèi)性應(yīng)用。材料種類會影響電路板的強(qiáng)度、耐用性、吸濕性和阻燃性(FR)。”
了解PCB工藝，以及你的制造商會采用哪種工藝和生產(chǎn)方法，有助于你做出更好的設(shè)計(jì)決策；去拜訪一下你中意的制造服務(wù)供應(yīng)商，親自看看工藝，你可能會很驚訝。還有，在把設(shè)計(jì)圖送去生產(chǎn)之前，善用可制造性設(shè)計(jì)(DFM)工具。
總結(jié)
如果以上七個基本技巧你都掌握了，代表你已經(jīng)走在實(shí)現(xiàn)快速、可靠、專業(yè)質(zhì)量PCB的道路上。
明智地使用CAD工具提供的所有設(shè)計(jì)工具，包括自動布局和自動布線，但在自動布線器設(shè)置時一定有要耐心和周密，這樣才能取得良好的自動布線結(jié)果。不要依賴自動布線器做布線以外的事情；如果有必要確保設(shè)計(jì)中的電流恰當(dāng)，以手工調(diào)整走線尺寸。還有無論如何，一定要相信飛線。直到這些都完全做到了，你的電路設(shè)計(jì)才會成功。
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