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印刷电路板基础知识:从设计到最终作品

印刷电路板基础知识:从设计到最终作品

  • 分类:公司动态
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  • 来源:
  • 发布时间:2024-07-17
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【概要描述】虽然 PCB 的设计和制造可以概括为原理图采集、PCB 布局以及电路板制造和组装,但每个步骤的细节都非常复杂。我们将在这里介绍每个步骤的一些更具体的方面。

印刷电路板基础知识:从设计到最终作品

【概要描述】虽然 PCB 的设计和制造可以概括为原理图采集、PCB 布局以及电路板制造和组装,但每个步骤的细节都非常复杂。我们将在这里介绍每个步骤的一些更具体的方面。

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  关键要点

  定义板材设计和生产的两个主要概念:等级和构造。

  布局部门职责概述:库零件生成以及布局和布线。

  从原理图/设计文档接收到制造文件的每个任务更加细致地进行。

  电子设备充斥着现代世界。无论是静默监测生命体征的设备,还是不断发出通知的智能手机,其设计的核心都是 PCB 电路板。多年来,印刷电路板制造业不断发展,以满足对更新、更快、更复杂的电子电路日益增长的需求。关于设计和设计 PCB 电路板所涉及的过程的讨论可以填满一个图书馆,但在这里我们将提供基础知识的表面介绍。

  什么是印刷电路板?

  印刷电路板是一种刚性结构,包含由嵌入式金属表面(称为走线)和较大面积的金属(称为平面)组成的电路。元件焊接到电路板上的金属焊盘上,金属焊盘连接到电路板电路。这样元件就可以互连。电路板可以由一层、两层或多层电路组成。

  电路板采用导电性能较差的介电芯材料制成,以确保纯电路传输,并根据需要用额外的金属层和介电层隔开。用于电路板的标准介电材料是编织玻璃纤维布和环氧树脂的阻燃复合材料,称为 FR-4.而电路的金属迹线和平面通常由铜制成。

  印刷电路板有多种用途。PCB 的一个显著特征是其等级——1、2 或 3.PCB 的等级表明其整体可靠性和设计质量。

  1 类电路板指的是消费电子产品。

  2 类电路板适用于高可靠性很重要但不是至关重要的设备。这些设备会尽量减少故障。

  3 级电路板代表了PCB严格的制造标准。简而言之,如果 3 级电路板出现故障,生命将立即受到威胁——例如飞机上的电路板。

  印刷电路板的类型

  一般来说,电路板可分为三类:刚性电路板、柔性电路板或金属芯电路板。

  刚性板通常是设计师会遇到的绝大多数电路板,其中电路板的布局包含在通过高温高压层压工艺制成的刚性基板中。这些电路板的常见材料是 FR-4.但根据设计的特定需求,可以对其进行修改以强调或以其他方式改善电路板的某些特性。

  柔性板由刚性较低的材料制成,可实现更大的挠度。这种材料在触感上让人联想到胶卷,而且板的厚度通常远小于标准刚性板。虽然柔性板已经得到广泛使用,但人们希望它能引领可穿戴技术的下一步发展,并消除刚性板设备固有的平面限制。

  金属芯 PCB是刚性板设计的一个分支,具有增强的散热能力,可保护整个电路板上的敏感电路。这种设计可以作为高电流设计的一种选择,以防止热磨损和故障。

  凡是存在受控电磁的地方,印刷电路板就是维持电磁的基础设施。当然,电路板不会凭空而来——它们的设计和制造本身就是一项巨大的工程任务。

  印刷电路板设计流程

  在制造印刷电路板之前,必须先进行设计。这是使用 PCB 电路板设计 CAD 工具完成的。PCB 设计分为两个主要类别:原理图捕获,用于在图中创建电路连接,然后是 PCB 布局,用于设计实际的物理电路板。

  开发CAD零件库

  一步是开发设计所需的 CAD 部件库。这将包括原理图符号、仿真模型、PCB 布局的封装和 3D 印刷电路板显示的步骤模型。一旦库准备就绪,下一步就是在原理图上创建电路的逻辑表示。CAD 工具用于将符号放置在原理图上,然后将它们连接起来以形成电路。

  同时,进行电路仿真以验证设计是否能按预期方式工作。完成这些任务后,原理图工具会将其连接数据发送到布局工具。

  布局

  在 PCB 设计的布局方面,原理图连接被接收并处理为连接两个或多个元件引脚的网络。在屏幕上显示预期电路板形状的轮廓后,布局设计师会将元件封装放置在正确的位置。一旦这些元件以较佳方式组织起来,下一步就是通过绘制引脚之间的走线和平面将网络连接到引脚。CAD 工具将内置设计规则,以防止一个网络的走线接触另一个网络,并控制完成设计所需的许多其他宽度和空间。布线完成后,设计工具将再次用于创建制造图纸和制造商将用于构建电路板的输出文件。

  电路板的设计和制造是一个循序渐进的过程:原理图创建和仿真、设置 PCB 设计网格和 DRC、元件放置、PCB 布线、电源层,最后组装 BOM 并构建电路板。设计的下一阶段将重点关注这些步骤。

  如何制作印刷电路板?

  虽然 PCB 的设计和制造可以概括为原理图采集、PCB 布局以及电路板制造和组装,但每个步骤的细节都非常复杂。我们将在这里介绍每个步骤的一些更具体的方面。

  创建原理图

  在使用 CAD 工具开始设计电路板之前,必须确保库部件设计已完成。对于原理图,这意味着为将要实现的部件创建逻辑符号;电阻器、电容器、电感器、连接器和集成电路 (IC)。

  准备好这些部件后,首先在 CAD 工具中将它们组织到原理图图纸上。将部件大致放置好后,可以绘制表示原理图符号引脚之间连接的线路。这些线称为网络,它们可以表示单个网络或内存或数据电路的网络组。在原理图捕获过程中,必须根据需要移动工艺部件,以创建清晰易读的原理图。

  模拟电路

  在原理图上组织好零件和网络后,下一步就是验证电路是否按预期工作。为了验证这一点,请在带有集成电路强调工具的模拟程序中使用电路模拟。这些工具允许 PCB 工程师在构建实际硬件之前测试他们正在设计的电路。因此,他们可以节省时间和钱,使这些工具成为 PCB 设计过程的重要组成部分。

  CAD工具设置

  PCB 设计师使用的设计工具具有多种不同的功能,包括设置设计规则和约束的能力,这些规则和约束将使不同的网络不会重叠,同时保持与不同对象的正确距离。设计师可以使用多种其他辅助工具,例如设计网格,它可以帮助以整齐有序的方式放置组件和布线。

  放置元件

  正确设置设计数据库并从原理图中导入网络连接信息后,下一步就是电路板的物理布局。一步是在 CAD 系统中将元件封装放置在电路板轮廓内。每个封装的网络连接将显示为“重影线”图像,以向设计人员显示它们连接到哪些部件。在放置这些部件以实现较佳性能的同时,还要注意连接性、过热和电气噪声区域以及其他物理障碍物(如连接器、电缆和安装硬件),这是设计人员将通过经验获得的任务。电路本身的要求并不是唯一的制约因素:设计人员必须考虑放置元件,以便制造商能够以较佳方式组装它们。

  布线PCB

  放置好组件后,就该连接网络了。这是通过将橡皮筋网络连接转换为绘制的迹线和平面来完成的。CAD 工具包含许多功能,使设计人员能够执行此操作,包括一些可节省大量时间的自动布线功能。布线时必须非常小心,以确保网络的长度适合其传导的信号,并确保它们不会穿过噪声过大的区域。这可能会导致串扰或其他信号完整性问题,从而降低构建板的性能。

  确保PCB返回电流路径畅通

  通常,电路板上的每个有源元件(IC 和其他相关元件)都需要连接到电源和接地网络。这可以通过在区域或层上布满这些元件可以利用的实心平面来轻松实现。但是,设计电源和接地平面并不像看起来那么简单。这些平面还承担着重要的工作,即返回通过走线路由的信号。如果平面上有太多孔、切口或裂缝,则会导致这些返回路径产生大量噪声并降低 PCB 的性能。

  最终规则检查

  完成元件放置、布线、电源和接地层后,您的 PCB 设计就接近完成了。下一步是对其进行最终规则检查,并设置将丝网印刷在外层上的不同文本和标记。这将有助于其他人找到元件,并在电路板上标注名称、日期和版权信息。同时,需要输出图纸,这些图纸将在制造过程中用于制造和组装最终电路板。PCB 设计师还将使用他们的工具来估算构建电路板的成本。

  此时,电路板已准备好组装,一步是将输出数据文件发送到制造厂。此过程包括将所有走线和平面蚀刻到不同的金属层上,并将它们压在一起,从而生产出准备组装的裸板。

  在组装工厂,电路板上会装载所需的元件,并根据所用元件的类型进行不同的焊接工艺。然后,电路板会经过检查和测试,最终产品便可以发货了。

  使用PCB工具进行高质量设计

  印刷电路板的制造和组装过程精确而苛刻。为了制造一块电路板,使其电路能够提供所需的性能,制造商需要精确的设计数据作为工作依据。

  PCB 电路板设计工具必须具备创建复杂设计所需的特性和功能。这包括有助于为高速电路布线复杂走线的专用功能和可轻松设置特定区域间隙的设计规则。它还包括拥有较佳的仿真工具来简化您的原理图捕获过程,并提供丰富的库部件供您使用。好消息是,已经有可用的 PCB 设计工具可以处理我们一直在谈论的设计专业知识水平。

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