和兆豐實(shí)業(yè)
PCB設(shè)計(jì)技巧：少孔、少繞、少自動(dòng)…
發(fā)表時(shí)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(gè)基本(而且關(guān)鍵的)技巧和策略，只要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)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(shí)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(gè)無晶圓廠IC業(yè)者當(dāng)?shù)赖臅r(shí)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(shí)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(cuò)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的。記住，只要有一個(gè)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(wàn)個(gè)通孔，那么你就有2萬(wàn)次失敗的機(jī)會(huì)。不必要地使用HDI通孔，失敗率立刻飆升。
2、電路圖能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)
有時(shí)候只是設(shè)計(jì)一片簡(jiǎn)單電路板，畫電路圖(schematic)似乎是在浪費(fèi)時(shí)間；特別是如果你已經(jīng)有過完成一、兩個(gè)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。但對(duì)于初次設(shè)計(jì)PCB的人來說，畫電路圖也會(huì)是個(gè)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(qǐng)從一個(gè)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(gè)層次的信息；電路的子區(qū)域分好幾頁(yè)詳細(xì)繪制，功能相對(duì)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(hào)會(huì)標(biāo)示每個(gè)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(shí)如果有一個(gè)電路圖可做為基礎(chǔ)模板，能簡(jiǎn)化布線任務(wù)。利用電路圖符號(hào)來完成鏈接，同時(shí)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(huì)因?yàn)樽サ搅嗽诘谝淮涡抻啎r(shí)遺漏的走線連結(jié)而節(jié)省了設(shè)計(jì)重做。
3、使用自動(dòng)布線器但勿依賴
大多數(shù)專業(yè)級(jí)PCB CAD工具都有自動(dòng)布線器，不過除非你設(shè)計(jì)PCB很專業(yè)，自動(dòng)布線器充其量只能被用來讓設(shè)計(jì)初步過關(guān)；對(duì)PCB電路鏈接來說，自動(dòng)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(dòng)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(duì)布線器參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)、考慮周全的設(shè)置，甚至對(duì)單片PCB上的各個(gè)模塊都要個(gè)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(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師：“哪種自動(dòng)布線器最好用？”他們會(huì)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(gè)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(chǎng)合；但在一個(gè)開放、不受限制的場(chǎng)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(dòng)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(gè)問題點(diǎn)，自動(dòng)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(dòng)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(dòng)布線器時(shí)，先問問自己：“在我為板子設(shè)置好自動(dòng)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(shí)間讓我用手工布線？”設(shè)計(jì)工程師老手會(huì)把大部份精力放在最初的零件布局上，幾乎整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)間的一半都致力于從以下三個(gè)方面優(yōu)化組件布局：
布線簡(jiǎn)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(hào)時(shí)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(dòng)布線器處理非關(guān)鍵走線；設(shè)計(jì)中的自動(dòng)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(shí)能在手工布線的可掌控性與自動(dòng)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(dòng)的電子也可能會(huì)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(shí)熔斷于咽喉點(diǎn)。
問題是，設(shè)計(jì)工程師偶爾會(huì)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(gè)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(shí)，采用之字形狀。充 其量那些導(dǎo)線只會(huì)讓訊號(hào)傳播速度變慢；最糟糕的情況是它們會(huì)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?；瘜W(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(zhǎng)、薄、呈片狀，那些形狀有時(shí)候會(huì)在完全被分解之前整塊剝離；這種裂片會(huì)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(gè)案例中，走線之間的窄屏蔽對(duì)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(huì)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(shí)，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(huì)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(gè)非常狹窄的裂片風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，例如圖中這個(gè)原始設(shè)計(jì)檔內(nèi)的案例，在制造時(shí)可能不受控制地剝離，導(dǎo)致短路和良率問題。
圖3 在這個(gè)案例中，化學(xué)蝕刻會(huì)改變狹窄裂片填充的形狀/尺寸；裂片剝離時(shí)會(huì)產(chǎn)生意料不到的碎屑或漂浮物。
6、關(guān)注DRC
自動(dòng)布線器的設(shè)置通常是針對(duì)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(dòng)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(huì)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(cè)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(gòu)部門建立一致性；如果電路板制造的價(jià)格是一致的，通常采購(gòu)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(shí)，DRC會(huì)以互動(dòng)方式標(biāo)記出設(shè)計(jì)違例；而一旦你針對(duì)選擇的制造商設(shè)置好DRC規(guī)則，就要準(zhǔn)備好認(rèn)真對(duì)待錯(cuò)誤。
DRC工具一般在設(shè)計(jì)上很保守，它們?cè)趫?bào)告可能的錯(cuò)誤時(shí)也會(huì)犯錯(cuò)，而必須由你來判定；要篩選幾百個(gè)“可能的”問題會(huì)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(cuò)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(shí)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(jí)的約束；約束工具可以是很強(qiáng)大且靈活的，但也會(huì)令人困惑和帶來危險(xiǎn)。錯(cuò)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(cuò)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(cè)試臺(tái)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(shí)，它會(huì)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(huì)收到我們很容易打造出來的電路板設(shè)計(jì)報(bào)價(jià)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(jià)而且有良率方面的風(fēng)限。那類客戶如果在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到特定制造商的能力，就會(huì)從中受益。
7、認(rèn)識(shí)現(xiàn)有代工廠伙伴
在討論過DRC設(shè)置之后，最后的這個(gè)PCB設(shè)計(jì)秘訣這個(gè)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(duì)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(huì)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(cè)試臺(tái)上除錯(cuò)時(shí)遇到的問題，還有提高電路板生產(chǎn)良率。美國(guó)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(duì)了解制造商議題有以下評(píng)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(jí)，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(huì)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(huì)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(huì)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(gè)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(dòng)布局和自動(dòng)布線，但在自動(dòng)布線器設(shè)置時(shí)一定有要耐心和周密，這樣才能取得良好的自動(dòng)布線結(jié)果。不要依賴自動(dòng)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(huì)成功。
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