1、1硬件設計技術基礎PCB設計2內容q基本任務、一般過程和概念。q工具。q元件庫和元件制作、管理。q布局、布線和關鍵技術。qDRC, ECOq生產文件和制造工藝、焊接工藝。q高速PCB設計技術介紹。信號完整性分析。3基本概念qPCB: 概念和由來q種類: 單面、雙面、多層，剛性、柔性q功能: 機械安裝和支撐電氣連接絕緣元件識別4設計基本任務q根據明確的電路設計，完成PCB的元器件封裝制作、布局、布線工作，產生符合設計和工藝要求的PCB設計文件及其生產文件。qPCB的設計過程中，允許電路設計發生變化。qPCB設計應該考慮制造、焊接安裝、調試、測試和大量生產的要求。5PCB設計任務的輸入q電原理圖，

2、一般以網表的形式給出。網表的各種格式。qPCB設計要求。PCB的尺寸、特殊部件(如接插件)的位置；特殊元件和信號的布局、布線要求，如時鐘信號、差分信號、需要特殊屏蔽的電路等；其他要求，如層數、線寬、電源層、厚度等；q相關資料。元器件封裝，關鍵元器件布線指導；6對輸入的要求q輸入應該是明確的、完整的。q輸入是可以變化的。PCB設計人員必須掌握快捷、可靠地引入變化的方法。7PCB設計流程q接收輸入文件。q元器件封裝檢查。q庫元件制作和修改。q板生成和布局。q布線和仿真分析。qDRC。q設計確認和生產文件輸出。8一些概念和術語q印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)。q元

3、件(part, component)和封裝(package)。q網絡(net) 、連線(track/trace) 。q引腳(pin)、焊盤(pad)。q過孔(via)。q多邊形(polygon)、鋪銅(pour)。qPrinted circuit Board Assembly, PBA。9多層板q層(layer)和面(side)q元件面(component side)、焊接面(soldering side)。q層: 頂層(top)、底層(bottom)、中間層(internal/middle layer)、絲印層(silk screen)、阻焊層(solder mask)頂/底面絲印/阻焊，視

4、圖q板層(board layer)。q電源/地層(power/ground planes)。q通孔(through hole)、表面貼(surface mount, SMD/SMT)、埋孔/盲孔(buried/blind via)。10多層板示意圖11柵格(grid)q重要性q布局柵格、布線柵格、過孔柵格、顯示柵格。12工具軟件qprotel/power pcb。qcadence/mentor。13封裝(package)qPCB上的元件表現為封裝。注意區別，很多不同的元件使用完全相同的封裝。q封裝由PCB的輸入指定，一般是原理圖指定。q經常混用: package、footprint、part/

5、decal。14常見封裝qSIP, DIP, SOIC, SOP, SOJqLCC/PLCC, QFP/PQFP/CQFPqPGA, BGA/FBGAq分立元件的直插封裝q分立元件的表貼封裝: 0603/0805/1210, SOT, DPAKq接插件/連接器15封裝的問題q封裝的種類很多，各廠家的命名很可能是不規范的。命名可能是些廠家的代號。q同一功能的元件可能有幾種封裝。q接插件的引腳順序qPCB設計軟件會提供一部分封裝，但不一定合適。對每一種封裝，必須對照生產廠商的資料進行檢查。元件的外形、尺寸，引腳的形狀、大小、間距。對0805等，一般可以直接使用。16元件庫q對于PCB庫中沒有的封裝

6、，需要制作。q封裝一般以庫元件的形式保存在PCB的元件庫中。q元件庫軟件的標準庫；以往的自己制造的庫，包括公司/項目的共享庫；新建的庫；q建立和管理元器件庫。注意文件的組成。17元件的制作q元件制作的根據是元器件的數據手冊。q元件一般由標號、形狀和引腳組成。q標號是文字，注意大小和線的寬度。q形狀，一般由線條(line)描繪，一般不使用polygon。形狀可能要求繪制在特定的層上，也可能不，視使用的軟件而定，但最后生成PCB的生產文件時，均在絲網面上。繪制時注意線的寬度。18引腳和焊盤q引腳一般由號碼區分，是一個個焊盤。q形狀q大小q通孔和表面貼焊盤q層: 頂層、底層、中間層、阻焊層散熱焊盤(

7、花盤)q可以使用軟件中已有的焊盤，也可以自行設計。復制和修改。q特殊引腳: 第一引腳和固定孔19焊盤的設計和確定q焊盤的設計根據元器件數據手冊的引腳數據進行。q通孔焊盤孔徑，比引腳粗些。沉銅。外徑阻焊和花盤q表貼焊盤的形狀和尺寸q有些好的元器件數據手冊有推薦的形狀(recommended footprint)，應該遵守。q焊盤的尺寸有一定的調整范圍，有工業界的規范。20通孔焊盤21SMT PAD22元件的制作q元件的制作基本上不能進行自動檢查，必須認真。q焊盤位置、間距、順序和起始。q元件標號的位置和大小。q方向/第一引腳標志，注意可見性。q特殊焊盤。q元件的安裝基準。23板的生成q全部封裝齊

8、備后，可以生成PCB了。q讀入網表，檢查是否有缺失的元件。注意產生的錯誤和警告。q在board層用line畫出板的外形。特殊外形或異形孔。q畫出限制區(keepout)。q英制和公制，密爾(mil)和毫米。24布局(placement)q將元器件放置在要求的或合適的位置。q原則: 信號流向，互不影響，疏密有度，方便焊接和調試，美觀。q密度，以引腳數為基礎，不以元件數量或尺寸為基礎。q時刻把握實際尺寸。q可以雙面放置元件。25布局的一般順序和參數q順序接插件、安裝/定位孔等有特定位置要求的元件。大元件(BGA/QFP和MODULE)。其他元件。檢查、調整和確認。q參數布局柵格焊盤間距q飛線26飛

9、線27飛線的局部28布局注意事項q元件的空間沖突。特別是外部連接。q焊接、更換和調節的方便。q散熱器和管座。q熱量。q邊緣，3mm。q基準標志(fiducial)。q元件方向。q雙面和焊盤重疊。29布局的特殊要求q模擬部分和數字部分q接口q鎖相和振蕩q電源和不同電源的區域q退耦電容q匹配元件30布局和評估q自動和手動q布局的評估密度溫度31布線(route)q將原理圖的連接實現為各層上的物理連接，并符合預定的要求，如長度、阻抗、電流通過能力等。q布線的基本方法，橫豎連接。層的方向和交錯。q基本間隔和柵格(grid)。q手動和自動布線。32布線流程q參數設置q禁止布線區，注意邊緣q手工的關鍵線q

10、電源和鋪銅q自動布線多次q手工補充和調整qDRC和設計確認33布線的基本參數q層數和各層方向，電源/地線層，疊層順序q過孔q線寬q各種間距q柵格，布線柵格和過孔柵格q其他特殊規則34關鍵線q時鐘的拓撲結構和匹配各種時鐘線q差分信號q鎖相和振蕩電路q需要保護的信號q鎖定35電源層q電源/地層及其顯示q分割q供電器件到電源層的連接花盤鋪銅q板的邊緣和與系統的連接36地線/電源面37花盤38地線/電源面分割39自動布線q自動布線器的獨立性q次序，breakout/fanout，pattern/bus，automatic，cleanupq柵格和無柵格布線器q過孔柵格q注意自動布線報告和結果觀察q重復多

11、次40鋪銅、手工補充和調整414243ECO和DRCq變化、重復和工具避免對網表、PCB的手工改動qDRC主要是連接性和間距q設計確認44生產文件q制造廠一般只接受標準文件，即光繪文件(gerber)和鉆孔文件(drill)。qgerber文件的生成各層應加邊框過孔是否阻焊全部各層各電氣層(包括電源/地層)、頂/底面絲網、頂/底面阻焊各層具體設置qdrillq漏板(paste mask)文件45檢查qgerber文件檢查q注意鋪銅、挖空等區域q注意禁止布局/布線區域q注意電源/地層的花盤和空洞q檢查軟件46生產文件格式q光圈表(aperture file)和gerber文件本身q鉆孔工具表(d

12、rill tools)和鉆孔文件47PCB加工要求q應向PCB廠家提供書面的加工要求文件q內容技術參數，板子的最小線寬、最小間距、最小鉆孔、層數、疊層順序各層文件清單非金屬化孔其他特殊要求，異形孔，拼版，加工邊等48PCB生產過程q光繪、腐蝕、層壓、鉆孔q鍍錫整平、阻焊q電測49PCB焊接安裝過程q焊膏絲網和回流焊q人工插裝和波峰焊q壓接等后期安裝50REFLOW51SOLDER WAVE52SOLDER WAVE53傳輸線與PCB設計高速PCB設計54傳輸線與輸線效應天線 電磁輻射與串擾55信號完整性qPCB設計面臨的挑戰q邏輯設計工程師為何常常不能自覺考慮EMC問題56傳統觀念的誤導q直流

13、或低頻電路的引申-“信號電流”在導線中流動。q“一個信號一條連線”，邏輯電路設計教科書只講信號流向，不講信號傳遞過程。q原理圖中也是僅表現元器件與信號線網絡，也是一個信號一條連線，與地網絡電源網絡沒有直接的關聯。q中國人思想認識上的錯位，對PCB設計、結構工藝設計等方面的認知存在較大差距，設計水平相對落后，近年來已大有轉變。57電路板設計與調測中的混沌世界q數字工程師常常是制造“寄生天線”的能手，缺少EMC觀念。q在同一電路板內或經過背板傳輸后，接收端得到的信號波形與期望值相差甚遠，有時甚至面目全非，無法工作。q常常采用試湊法，在發端或收端加一些阻容元件，以改善波形。費時又費事。q已調測通過定

14、型的電路板，當再次重復生產一批時，原來拼湊的元件值可能又不靈了。要重新調測和試湊。58傳輸線q傳輸線原理：只講基本物理概念，不講理論推導。有興趣者可參閱有關書籍。q傳輸線的一次參數：R、L、G、C。q傳輸線的二次參數：特性阻抗和傳播常數。q傳輸線的參數僅取決于物理結構。59傳輸線q真空介電常數和導磁率為0 0 ，介質的相對介電常數和相對導磁率rr （一般非磁性介質r 1）L和C為傳輸線單位長度的電感和電容，對于無損耗傳輸線：q傳播速度 為光速q特性阻抗LCVr1C001CCLZc 60典型傳輸線特性阻抗 Zcq平行線：100300（雙絞線、屏蔽平行線、屏蔽雙絞線）架空平行線幾百歐姆，如600

15、q同軸線：75 （長距離通信用）50 （雷達、局域網等一般用途）q微帶線（設計制造確定，一般小于100）q帶狀線（設計制造確定，一般小于100 ）61信號傳遞過程是能量傳輸(1)q微電子系統屬于弱電范疇，但弱電信號的傳輸也是能量傳輸。q能量不能創生也不能消滅（能量守恒） ，不同形態的能量可相互轉換。純電阻上的電能消耗為：電壓x電流x時間，轉變為熱能耗散于周圍空間。q在傳輸線上，某一時刻t發送的信號，在傳送到終端時，部分在傳輸過程中被損耗或輻射，其余部分或全部再被反射或吸收。62信號傳遞過程是能量傳輸2q匹配：終接電阻R=Zcq當傳輸線兩端都不“匹配”時，信號能量會在兩個端點間多次來回反射，各點

16、波形都是當前注入信號與以前多次反射疊加的結果。q當傳輸線兩端都不匹配時，傳輸線上將產生能量累積，在一定的時間內，注入能量和損耗及吸收能量達到平衡。q當傳輸線兩端都極不匹配時，能量存儲累積將會非常明顯，電壓可增加幾倍甚至幾十倍。危險！63能量傳輸q傳輸線是支撐電能量傳輸的管道，導線的作用是約束、支撐并導引電磁波能量。q能量在哪里？不在導線里，而是存在于導線周圍的空間。實際上一小部分進到導線里的電能量是轉變為熱能耗散掉了，這是由導線電阻所造成的損失。q能量的傳輸可由玻印亭矢量表示：ExHq設計高速信號線要徹底轉變思維方式，放棄“電路”“電流”概念，要以電磁場能量傳輸觀念去審視每一條連線。64場結構

17、65場結構非對稱帶狀線非對稱帶狀線內導體內導體外導體外導體66平行線)(2ln120)/(102ln6 . 3)/(102ln4107daCLZcmFdaCmHdaLrrr非磁性介質r=167同軸線qD外導體內徑，d內導體外徑 r1)(ln60)/(10ln8 . 1)/(10ln2107rrrdDCLZcmFdDCmHdDL68傳輸線效應長線效應q何謂高速信號？高頻率 陡峭沿 （演示結果）發射帶寬0.35/tr 波形上升或下降時間tr ; tfq如何考慮長線效應定界？q設tr 為信號上升時間， tpd 為信號線傳播延時。如果tr4tpd 可不考慮長線效應；如果2tpdtr4tpd 臨界，一般應適當考慮；如果tr2tpd，必須考慮長線效應。應該嚴格遵從高速信號布線規則布線。 69電磁輻射 天線q傳輸線的輻射一般很小，當與傳輸線的距離逐漸增大時，場強迅速減小。q天線可以看作是傳輸線向空間的過度與延伸。q幾種典型天線：半