在本文中，MacroFab 的首席 EE 和聯(lián)合創(chuàng)始人 Parker Dillman 介紹了如何為制造和組裝做好最好的 PCB 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。

這是一種常見(jiàn)的情況：您是一名硬件開(kāi)發(fā)人員，并且您的下一個(gè)產(chǎn)品的最后期限迫在眉睫。一個(gè)糟糕的原型 PCB 將使項(xiàng)目延遲數(shù)周，您需要降低這種風(fēng)險(xiǎn)。第一次正確組裝PCB、快速且沒(méi)有問(wèn)題是至關(guān)重要的。

為了盡量減少這些潛在問(wèn)題，我編制了一些提示列表，以幫助您準(zhǔn)備下一個(gè)原型以進(jìn)行制造。

仔細(xì)檢查足跡和包裝

確保封裝與組件的封裝相匹配是避免制造掛起的第一種方法?？紤]到一些組件已經(jīng)變得多么小，以及像 BGA 組件這樣的封裝觸點(diǎn)，現(xiàn)在以 1:1 的比例在紙上打印出你的 PCB，然后覆蓋你的部件的老式方法只到現(xiàn)在為止。

仔細(xì)檢查封裝上的尺寸是否與您的設(shè)計(jì)單位（mm 或 mil）相匹配。

一些元件制造商不友善，將元件的機(jī)械布局繪制成從底部看透明的PCB。請(qǐng)務(wù)必注意這一點(diǎn)。

圖 1. 采用 QFN20 封裝的 Silicon Labs EFM8UB10F8G。將 EDA 工具中繪制的布局與數(shù)據(jù)表中的著陸模式進(jìn)行比較。

如果您的 EDA 工具可以繪制投影線(xiàn)和尺寸線(xiàn)，則可能值得以與組件數(shù)據(jù)表中的機(jī)械圖相匹配的方式測(cè)量您的足跡。驗(yàn)證數(shù)據(jù)表的測(cè)量單位和您的足跡。

這也是檢查原理圖符號(hào)和組件封裝之間映射的好時(shí)機(jī)。穩(wěn)壓器引出線(xiàn)、分立 MOSFET 和晶體管通常很容易翻轉(zhuǎn)。

具有極性的組件應(yīng)檢查其封裝，以確保清楚地標(biāo)記極性標(biāo)記。這包括 IC 引腳一標(biāo)記、二極管陰極標(biāo)記和極化電容器標(biāo)記。

圖 2. CREE LED 上引腳 1 的標(biāo)記。

選擇大量經(jīng)過(guò)測(cè)試的零件替代品

當(dāng)關(guān)鍵部件不可用且沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)先測(cè)試和批準(zhǔn)的替代品時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)延遲。如果某個(gè)部件具有可行的替代品，但處于電路或產(chǎn)品的關(guān)鍵路徑中，我強(qiáng)烈建議您在投入生產(chǎn)之前構(gòu)建原型并測(cè)試每個(gè)替代品。這降低了將來(lái)切換到替代部件時(shí)所涉及的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 3. Mouser 上標(biāo)記為 NRND 或不推薦用于新設(shè)計(jì)的壽命終止部件

如果您有沒(méi)有任何直接替代品的獨(dú)特零件（微控制器、專(zhuān)用傳感器等），請(qǐng)檢查零件制造時(shí)的零件壽命。制造商會(huì)將計(jì)劃停產(chǎn)的組件標(biāo)記為“不推薦用于新設(shè)計(jì)”。

通常，制造商保證制造零件的固定壽命，并在零件壽命終止 （EoL） 時(shí)通知用戶(hù)。確保您需要的零件在產(chǎn)品的生產(chǎn)壽命結(jié)束之前都可用，以幫助防止成本高昂的產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)。

利用預(yù)先認(rèn)證的無(wú)線(xiàn)電模塊

如果您的產(chǎn)品使用藍(lán)牙或 WiFi，請(qǐng)考慮使用預(yù)先認(rèn)證的無(wú)線(xiàn)電模塊。這些模塊是預(yù)先設(shè)計(jì)和封裝的系統(tǒng)，保證可以使用相關(guān)的 FCC 識(shí)別號(hào)正確運(yùn)行。使用預(yù)先認(rèn)證的無(wú)線(xiàn)電模塊增加了正常運(yùn)行的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，也將減少未能通過(guò) FCC 和 CE 無(wú)線(xiàn)電發(fā)射合規(guī)性測(cè)試的可能性。

考慮您的無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)布局

如果您認(rèn)為在 PCB 上滾動(dòng)無(wú)線(xiàn)連接所節(jié)省的成本是值得的，那么天線(xiàn)的 PCB 布局至關(guān)重要。對(duì)于大多數(shù)無(wú)線(xiàn)連接部件（收發(fā)器），制造商的數(shù)據(jù)表中會(huì)有推薦的布局。遵循推薦的布局很可能是您通往成功的最快途徑。

在進(jìn)行 PCB 布局時(shí)需要注意一些事項(xiàng)。首先，收發(fā)器和天線(xiàn)之間的阻抗必須匹配。其次，收發(fā)器的數(shù)據(jù)表應(yīng)該包含更多關(guān)于選擇合適的天線(xiàn)、設(shè)計(jì)調(diào)諧濾波器以及實(shí)現(xiàn)最佳性能所需的正確阻抗的詳細(xì)信息。

如果您設(shè)計(jì)自己的無(wú)線(xiàn)連接，我強(qiáng)烈建議您對(duì)您的產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)一致性測(cè)試。預(yù)合規(guī)性測(cè)試有望發(fā)現(xiàn)您的設(shè)計(jì)中存在的任何明顯問(wèn)題。在時(shí)鐘、振蕩器和傳輸頻譜中尋找目標(biāo)范圍內(nèi)的頻率諧波。

不要忘記去耦電容

電氣元件需要穩(wěn)定的電壓源，并且應(yīng)該在 PCB 上靠近每個(gè)有源元件的地方安裝去耦電容器。去耦電容在盡可能靠近組件的電源引腳時(shí)效果最佳。

對(duì)于具有多個(gè)電源引腳的較大組件，您可能需要在每個(gè)電源引腳處使用去耦電容器。傳感器、ADC 和 FPGA 等功率敏感部件可能還需要包括接地引腳的去耦電容。去耦電容應(yīng)與電源和組件串聯(lián)，因?yàn)檫@樣可以提高電容的性能。

使用適當(dāng)?shù)淖呔€(xiàn)寬度和間距保護(hù)您的電路板

大電流走線(xiàn)的尺寸必須適當(dāng)，以確保它們不會(huì)燒壞您的 PCB。我建議使用在線(xiàn)走線(xiàn)寬度計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算。電路板外部的走線(xiàn)可以處理比內(nèi)部更多的電流，因?yàn)橥獠孔呔€(xiàn)更容易散發(fā)產(chǎn)生的熱量。為了降低熱量，請(qǐng)嘗試將走線(xiàn)寬度計(jì)算器上的溫升指定為 10C。但是，如果您沒(méi)有足夠的空間放置這么寬的跡線(xiàn)，那么對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，20oC 的溫升應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。

如果您無(wú)法將走線(xiàn)布線(xiàn)得足夠?qū)?，則可能需要使用更厚的銅重量，這將增加電流容量。但是，增加銅的重量厚度可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 （DRC） 出現(xiàn)最小的走線(xiàn)寬度和間距問(wèn)題，因此請(qǐng)務(wù)必考慮到這一點(diǎn)。通常隨著銅重量的增加而變厚將需要更大的走線(xiàn)寬度和空間，并增加每 PCB 單價(jià)的價(jià)格。

一個(gè)經(jīng)常被忽視的問(wèn)題是確保高壓跡線(xiàn)彼此充分隔離。如果您的產(chǎn)品連接到電源電壓，您需要確保電壓不會(huì)跨越氣隙并短路。

選擇正確的電源穩(wěn)壓器路由

嵌入式系統(tǒng)中的穩(wěn)壓器主要有兩種類(lèi)型：線(xiàn)性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。每種類(lèi)型都有不同的 PCB 布局和布線(xiàn)指南。

使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器

線(xiàn)性穩(wěn)壓器吸收多余的電壓并將其轉(zhuǎn)換為廢熱。這是低效的，但線(xiàn)性穩(wěn)壓器通常只需要外部電容器即可正常運(yùn)行，并且噪聲低于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。有兩件事要確保正確使用線(xiàn)性穩(wěn)壓器：

考慮您的電容器選擇。請(qǐng)遵循制造商關(guān)于用于繞過(guò)穩(wěn)壓器的電容器的類(lèi)型、值和位置的指南。通常，電容器應(yīng)盡可能靠近穩(wěn)壓器的輸入和輸出引腳。

照顧好熱量。一般來(lái)說(shuō)，這意味著確保您為調(diào)節(jié)器選擇的封裝可以處理您將產(chǎn)生的熱量，并且您的布局可以支持它。銅澆注和通過(guò)縫合將成為您的朋友。如果銅澆注量不夠大，則需要散熱器。

使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器比線(xiàn)性穩(wěn)壓器更有效，但設(shè)計(jì)起來(lái)更復(fù)雜。通常，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不會(huì)出現(xiàn)熱量問(wèn)題，但您需要仔細(xì)選擇組件以確保開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器正常工作。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也更容易產(chǎn)生不需要的電磁場(chǎng) （EMF） 并導(dǎo)致產(chǎn)品在 FCC/CE 合規(guī)階段出現(xiàn)故障。

嚴(yán)格遵循 制造商推薦的布局。這些布局已經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以正常工作。

保持切換器的反饋回路盡可能小。這將降低 EMF 和寄生電阻、電感和電容。

密切注意您的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出電容器 ESR 和 ESL 額定值。在尋找組件時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表通常會(huì)告訴您在哪里設(shè)置值。

對(duì)于設(shè)計(jì)切換器，我喜歡使用Texas Instruments Webench。它為您所需的規(guī)格生成多種設(shè)計(jì)，并為您提供正確設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)器所需的電感器和電容器的零件編號(hào)。

包括大型銅跡線(xiàn)和澆注的熱釋放

通過(guò)將焊盤(pán)連接到銅跡線(xiàn)或使用較小的窄跡線(xiàn)而不是直接連接來(lái)澆注，可以創(chuàng)建具有散熱功能的銅焊盤(pán)。熱釋放減少了將組件焊接到焊盤(pán)的熱負(fù)荷。由于銅散熱太快，這減少了冷焊點(diǎn)的機(jī)會(huì)。

您應(yīng)該注意通過(guò)散熱區(qū)域的電流負(fù)載。如果這些設(shè)計(jì)太窄，您最終可能會(huì)使用單向保險(xiǎn)絲。

優(yōu)化您的 SMT 裝配設(shè)計(jì)

當(dāng)您使用盡可能多的 SMT 組件時(shí)，生產(chǎn)成本和裝配時(shí)間都會(huì)受到積極影響。如果連接器僅在產(chǎn)品組裝期間進(jìn)行接口連接（例如在產(chǎn)品組裝期間連接內(nèi)部鋰電池），則可以創(chuàng)建 SMT 連接器。

有時(shí)需要通孔部件。與人接觸的連接器應(yīng)幾乎始終是通孔的，以防止在操作過(guò)程中強(qiáng)行移除部件。使用通孔零件時(shí)，請(qǐng)與您的合同制造商合作，了解您需要在零件周?chē)舫龆嗌倏臻g來(lái)優(yōu)化波峰焊或選擇性焊接。如果其他組件太靠近通孔觸點(diǎn)，合同制造商可能不得不手工焊接連接器，從而減慢您的組裝過(guò)程并增加成本。

仔細(xì)檢查您的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查

仔細(xì)檢查您的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查可能是此列表中最重要的項(xiàng)目。請(qǐng)與您的制造商核實(shí)他們的設(shè)計(jì)規(guī)則。大多數(shù)制造商都有不同級(jí)別的縮放設(shè)計(jì)規(guī)則。如果你能擺脫更大、更標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)則，你應(yīng)該這樣做。

在將您的設(shè)計(jì)文件發(fā)送給您的制造商之前，我建議您最后一次運(yùn)行您的 DRC 并檢查以下事項(xiàng)：

運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 （DRC）

檢查連接和路線(xiàn)

使用您的 EDA 工具的“airwires”或“rat lines”直觀地顯示信號(hào)網(wǎng)絡(luò)上哪些部件焊盤(pán)相互連接

更新日期代碼、PCB 版本控制或元數(shù)據(jù)的任何絲印文本