PCB设计

kevinliuszu

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    SMT线路板是表面贴装设计中不可缺少的组成之一。SMT线路板是电子产品中电路元件与器件的支撑件，它实现了电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术发展，PCB板的体积越来越小，密度也越来越高，并且PCB板层不断地增加，因此，要求PCB在整体布局、抗干扰能力、工艺上和可制造性上要求越来越高。
印刷电路板设计的主要步骤；
..1：绘制原理图。
..2：元件库的创建。
..3：建立原理图与印制板上元件的网络连接关系。
..4：布线和布局。
..5：创建印制板生产使用数据和贴装生产使用数据。

..印制电路板的设计过程中要考虑以下问题：1、要确保电路原理图元件图形与实物相一致和电路原理图中网络连接的正确性。2、印制电路板的设计不仅仅是考虑原理图的网络连接关系，而且要考虑电路工程的一些要求，电路工程的要求主要是电源线、地线和其他一些导线的宽度，线路的连接，一些元件的高频特性，元件的阻抗、抗干扰等。3、印制电路板整机系统安装的要求，主要考虑安装孔、插头、定位孔、基准点等都要满足要求，各种元件的摆放位置和准确地安装在规定的位置，同时要便于安装、系统调试、以及通风散热。4、印制电路板的可制造性上和它的工艺性上的要求，要熟悉设计规范和满足生产工艺要求，使设计出的印制电路板能顺利地进行生产。5、在考虑元器件在生产上便于安装、调试、返修，同时印制电路板上的图形、焊盘、过孔等要标准，确保元器件之间不会碰撞，又方便地安装。6、设计出印制电路板的目的主要是应用，因此我们要考虑它的实用性和可靠性，同时减少印制电路板的板层和面积，从而来降低成本，适当大一些的焊盘、通孔、走线等有利于可靠性的提高，减少过孔，优化走线，使其疏密均匀，一致性好，使板面的整体布局美观一些。


..一、要使所设计的电路板达到预期的目的，印刷电路板的整体布局、元器件的摆放位置起着关键作用，它直接影响到整个印刷电路板的安装、可靠性、通风散热、布线的直通率。


..印刷电路板的外层尺寸优先考虑，PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加，过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰，因此，首先对PCB的大小和外形，给出一个合理的定位。再确定特殊元件的位置和单元电路等，要按电路的流程把整个电路分为几个单元电路或模块，并以每个单元电路的核心元件（如集成电路）为中心，其它的元件要按一定的顺序均匀、整齐紧凑地排列在PCB板上，但不要太靠近这些大的元件，要有一定的距离，特别一些比较大、比较高的元件周围要保持一定的距离，这样有助于焊接和返修。对于功率较大的集成电路要考虑彩散热片，要给它留有足够的空间，并且放于印制板的通风散热好的位置。同时也不要过于集中，几个大的元件在同一板子上，要有一定距离，并且要使他们在45角的方向上，稍小的一些集成电路如（SOP）要沿轴向排列，电阻容元件则垂直轴向排列，所有这些方向都相对PCB的生产过程的传送方向。这样使元器件有规律的排列，从而减少在焊接中产生的缺陷。做显示用的发光二极管等，因在应用过程中要用来观察，应该考虑放于印制板的边缘处。


..一些开关、微调元件等应该放在易于操作的地方。在同频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般高频电路中应考虑元器件之间的分布参数，一般电路尽可能使元器件平行排列，这样不但美观，而且易于装焊，同时易于批生产，位于电路板边缘的元器件，距离边缘一定要有3-5厘米的距离。在考虑元件位置的同时要对PCB板的热膨胀系数、导热系数、耐热性以及弯曲强度等性能进行全面考虑，以免在生产中对元件或PCB产生不良影响。


..PCB上的元件位置和外形确定后，再考虑PCB的布线。


..有了元件的位置，根据元件位置进行布线，印制板上的走线尽可能短是一个原则。走线短，占用通道和面积都小，这样直通率会高一些。在PCB板上的输入端和输出端的导线应尽量避开相邻平行，最好在二线间放有地线。以免发生电路反馈藕合。印制板如果为多层板，每个层的信号线走线方向与相邻板层的走线方向要不同。对于一些重要的信号线应和线路设计人员达成一致意见，特别差分信号线，应该成对地走线，尽力使它们平行、靠近一些，并且长短相差不大。PCB板上所有元件尽量减少和缩短元器件之间的引线和连接，PCB板中的导线最小宽度主要由导线与绝缘层基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.05mm，宽度为1-1.5mm时，通过2A的电流，温度不会高于3度。导线宽度1.5mm时可满足要求，对于集成电路，尤其是数字电路，通常选用0.02-0.03mm。当然，只要允许，我们尽可能的用宽线，特别是PCB板上的电源线和地线，导线的最小间距主要是由最不坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于一些集成电路（IC）以工艺角度考虑可使间距小于5-8mm。印制导线的弯曲处一般用圆弧最小，避免使用小于90度弯的走线。而直角和夹角在高频电路中会影响电性能，总之，印制板的布线要均匀，疏密适当，一致性好。电路中尽量避开使用大面积铜箔，否则，在使用过程中时间过长产生热量时，易发生铜箔膨胀和脱落现象，如必须使用大面积铜箔时，可采用栅格状导线。导线的端口则是焊盘。焊盘中心孔要比器件引线直径大一些。焊盘太大在焊接中易形成虚焊，焊盘外径D一般不小于（d＋1.2）mm，其中d为孔径，对于一些密度比较大的元件的焊盘最小直径可取（d+1.0）mm，焊盘设计完成后，要在印制板的焊盘周围画上器件的外形框，同时标注文字和字符。一般文字或外框的高度应该在0.9mm左右，线宽应该在0.2mm左右。并且标注文字和字符等线不要压在焊盘上。如果为双层板，则底层字符应该镜像标注。


..二、为了使所设计的产品更好有效地工作，PCB在设计中不得不考虑它的抗干扰能力，并且与具体的电路有着密切的关系。


..线路板中的电源线、地线等设计尤为重要，根据不同的电路板流过电流的大小，尽量加大电源线的宽度，从而来减小环路电阻，同时电源线与地线走向以及数据传送方向保持一致。有助于电路的抗噪声能力的增强。PCB上即有逻辑电路又有线性电路，使它们尽量分开，低频电路可采用单点并联接地，实际布线可把部分串联后再并联接地，高频电路采用多点串连接地。地线应短而粗，对于高频元件周围可采用栅格大面积地箔，地线应尽量加粗，如果地线很细的导线，接地电位随电流的变化，使抗噪性能降低。因此应加粗接地线，使其能达到三位于电路板上的允许电流。如果设计上允许可以使接地线在2-3mm以上的直径宽度，在数字电路中，其接地线路布成环路大多能提高抗噪声能力。PCB的设计中一般常规在印制板的关键部位配置适当的退藕电容。在电源入端跨线接10-100uF的电解电容，一般在20-30管脚的附近，都应布置一个0.01PF的瓷片电容，一般在20-30管脚的集成电路芯片的电源管脚附近，都应布置一个0.01PF的磁片电容，对于较大的芯片，电源引脚会有几个，最好在它们附近都加一个退藕电容，超过200脚的芯片，则在它四边上都加上至少二个退藕电容。如果空隙不足，也可4-8个芯片布置一个1-10PF钽电容，对于抗干扰能力弱、关断电源变化大的元件应在该元件的电源线和地线之间直接接入退藕电容，以上无论那种接入电容的引线不易过长。


..三、线路板的元件和线路设计完成后，接上来要考虑它的工艺设计，目的将各种不良因素消灭在生产开始之前，同时又要兼顾线路板的可制造性，以便生产出优质的产品和批量进行生产。


..前面在说元件得定位及布线时已经把线路板的工艺方面涉及到一些。线路板的工艺设计主要是把我们设计出的线路板与元件通过SMT生产线有机的组装在一起，从而实现良好电气连接达到我们设计产品的位置布局。焊盘设计，布线以抗干扰性等还要考虑我们设计出的板子是不是便于生产，能不能用现代组装技术－SMT技术进行组装，同时要在生产中达到不让产生不良品的条件产生设计高度。具体有以下几个方面：
..1：不同的SMT生产线有各自不同的生产条件，但就PCB的大小，pcb的单板尺寸不小于200*150mm。如果长边过小可以采用拼版，同时长与宽之比为3：2或4：3电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。
..2：当电路板尺寸过小，对于SMT整线生产工艺很难，更不易于批量生产，最好方法采用拼板形式，就是根据单板尺寸，把2块、4块、6块等单板组合到一起，构成一个适合批量生产的整板，整板尺寸要适合可贴范围大小。
..3：为了适应生产线的贴装，单板要留有3-5mm的范围不放任何元件，拼板留有3-8mm的工艺边，工艺边与PCB的连接有三种形式：A无搭边，有分离槽，B有搭边，又有分离槽，C有搭边，无分离槽。设有冲裁用工艺搭国。根据PCB板的外形，有途等适用不同的拼板形式。对PCB的工艺边根据不同机型的定位方式不同，有的要在工艺边上设有定位孔，孔的直径在4-5厘米，相对比而言，要比边定位精度高，因此有定位孔定位的机型在进行PCB加工时，要设有定位孔，并且孔设计的要标准，以免给生产带来不便。
..4：为了更好的定位和实现更高的贴装精度，要为PCB设上基准点，有无基准点和设的好与坏直接影响到SMT生产线的批量生产。基准点的外形可为方形、圆形、三角形等。并且直径大约在1-2mm范围之内，在基准点的周围要在3-5mm的范围之内，不放任何元件和引线。同时基准点要光滑、平整，不要任何污染。基准点的设计不要太靠近板边，要有3-5mm的距离。
..5：从整体生产工艺来说，其板的外形最好为距形，特别对于波峰焊。采用矩形便于传送。如果PCB板有缺槽要用工艺边的形式补齐缺槽，对于单一的SMT板允许有缺槽。但缺槽不易过大应小于有边长长度的1/3。
总之，不良品的产生是每一个环节都有可能，但就PCB板设计这个环节，应该从 各个方面去考虑，让其即很好实现我们设计该产品目的，又要在生产中适合SMT生产线的批量生产，尽力设计出高质量的PCB板，把出现不良品的机率降到最低。



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