硬件设计之PCB设计..ppt

1,硬件设计技术基础,PCB设计,2,内容,基本任务、一般过程和概念。工具。元件库和元件制作、管理。布局、布线和关键技术。DRC,ECO生产文件和制造工艺、焊接工艺。高速PCB设计技术介绍。信号完整性分析。,3,基本概念,PCB:概念和由来种类:单面、双面、多层，刚性、柔性功能:机械安装和支撑电气连接绝缘元件识别,4,设计基本任务,根据明确的电路设计，完成PCB的元器件封装制作、布局、布线工作，产生符合设计和工艺要求的PCB设计文件及其生产文件。PCB的设计过程中，允许电路设计发生变化。PCB设计应该考虑制造、焊接安装、调试、测试和大量生产的要求。,5,PCB设计任务的输入,电原理图，一般以网表的形式给出。网表的各种格式。PCB设计要求。PCB的尺寸、特殊部件(如接插件)的位置；特殊元件和信号的布局、布线要求，如时钟信号、差分信号、需要特殊屏蔽的电路等；其他要求，如层数、线宽、电源层、厚度等；相关资料。元器件封装，关键元器件布线指导；,6,对输入的要求,输入应该是明确的、完整的。输入是可以变化的。PCB设计人员必须掌握快捷、可靠地引入变化的方法。,7,PCB设计流程,接收输入文件。元器件封装检查。库元件制作和修改。板生成和布局。布线和仿真分析。DRC。设计确认和生产文件输出。,8,一些概念和术语,印制电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)。元件(part,component)和封装(package)。网络(net)、连线(track/trace)。引脚(pin)、焊盘(pad)。过孔(via)。多边形(polygon)、铺铜(pour)。PrintedcircuitBoardAssembly,PBA。,9,多层板,层(layer)和面(side)元件面(componentside)、焊接面(solderingside)。层:顶层(top)、底层(bottom)、中间层(internal/middlelayer)、丝印层(silkscreen)、阻焊层(soldermask)顶/底面丝印/阻焊，视图板层(boardlayer)。电源/地层(power/groundplanes)。通孔(throughhole)、表面贴(surfacemount,SMD/SMT)、埋孔/盲孔(buried/blindvia)。,10,多层板示意图,11,栅格(grid),重要性布局栅格、布线栅格、过孔栅格、显示栅格。,12,工具软件,protel/powerpcb。cadence/mentor。,13,封装(package),PCB上的元件表现为封装。注意区别，很多不同的元件使用完全相同的封装。封装由PCB的输入指定，一般是原理图指定。经常混用:package、footprint、part/decal。,14,常见封装,SIP,DIP,SOIC,SOP,SOJLCC/PLCC,QFP/PQFP/CQFPPGA,BGA/FBGA分立元件的直插封装分立元件的表贴封装:0603/0805/1210,SOT,DPAK接插件/连接器,15,封装的问题,封装的种类很多，各厂家的命名很可能是不规范的。命名可能是些厂家的代号。同一功能的元件可能有几种封装。接插件的引脚顺序PCB设计软件会提供一部分封装，但不一定合适。对每一种封装，必须对照生产厂商的资料进行检查。元件的外形、尺寸，引脚的形状、大小、间距。对0805等，一般可以直接使用。,16,元件库,对于PCB库中没有的封装，需要制作。封装一般以库元件的形式保存在PCB的元件库中。元件库软件的标准库；以往的自己制造的库，包括公司/项目的共享库；新建的库；建立和管理元器件库。注意文件的组成。,17,元件的制作,元件制作的根据是元器件的数据手册。元件一般由标号、形状和引脚组成。标号是文字，注意大小和线的宽度。形状，一般由线条(line)描绘，一般不使用polygon。形状可能要求绘制在特定的层上，也可能不，视使用的软件而定，但最后生成PCB的生产文件时，均在丝网面上。绘制时注意线的宽度。,18,引脚和焊盘,引脚一般由号码区分，是一个个焊盘。形状大小通孔和表面贴焊盘层:顶层、底层、中间层、阻焊层散热焊盘(花盘)可以使用软件中已有的焊盘，也可以自行设计。复制和修改。特殊引脚:第一引脚和固定孔,19,焊盘的设计和确定,焊盘的设计根据元器件数据手册的引脚数据进行。通孔焊盘孔径，比引脚粗些。沉铜。外径阻焊和花盘表贴焊盘的形状和尺寸有些好的元器件数据手册有推荐的形状(recommendedfootprint)，应该遵守。焊盘的尺寸有一定的调整范围，有工业界的规范。,20,通孔焊盘,21,SMTPAD,22,元件的制作,元件的制作基本上不能进行自动检查，必须认真。焊盘位置、间距、顺序和起始。元件标号的位置和大小。方向/第一引脚标志，注意可见性。特殊焊盘。元件的安装基准。,23,板的生成,全部封装齐备后，可以生成PCB了。读入网表，检查是否有缺失的元件。注意产生的错误和警告。在board层用line画出板的外形。特殊外形或异形孔。画出限制区(keepout)。英制和公制，密尔(mil)和毫米。,24,布局(placement),将元器件放置在要求的或合适的位置。原则:信号流向，互不影响，疏密有度，方便焊接和调试，美观。密度，以引脚数为基础，不以元件数量或尺寸为基础。时刻把握实际尺寸。可以双面放置元件。,25,布局的一般顺序和参数,顺序接插件、安装/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。检查、调整和确认。参数布局栅格焊盘间距飞线,26,飞线,27,飞线的局部,28,布局注意事项,元件的空间冲突。特别是外部连接。焊接、更换和调节的方便。散热器和管座。热量。边缘，3mm。基准标志(fiducial)。元件方向。双面和焊盘重叠。,29,布局的特殊要求,模拟部分和数字部分接口锁相和振荡电源和不同电源的区域退耦电容匹配元件,30,布局和评估,自动和手动布局的评估密度温度,31,布线(route),将原理图的连接实现为各层上的物理连接，并符合预定的要求，如长度、阻抗、电流通过能力等。布线的基本方法，横竖连接。层的方向和交错。基本间隔和栅格(grid)。手动和自动布线。,32,布线流程,参数设置禁止布线区，注意边缘手工的关键线电源和铺铜自动布线多次手工补充和调整DRC和设计确认,33,布线的基本参数,层数和各层方向，电源/地线层，叠层顺序过孔线宽各种间距栅格，布线栅格和过孔栅格其他特殊规则,34,关键线,时钟的拓扑结构和匹配各种时钟线差分信号锁相和振荡电路需要保护的信号锁定,35,电源层,电源/地层及其显示分割供电器件到电源层的连接花盘铺铜板的边缘和与系统的连接,36,地线/电源面,37,花盘,38,地线/电源面分割,39,自动布线,自动布线器的独立性次序，breakout/fanout，pattern/bus，automatic，cleanup栅格和无栅格布线器过孔栅格注意自动布线报告和结果观察重复多次,40,铺铜、手工补充和调整,41,42,43,ECO和DRC,变化、重复和工具避免对网表、PCB的手工改动DRC主要是连接性和间距设计确认,44,生产文件,制造厂一般只接受标准文件，即光绘文件(gerber)和钻孔文件(drill)。gerber文件的生成各层应加边框过孔是否阻焊全部各层各电气层(包括电源/地层)、顶/底面丝网、顶/底面阻焊各层具体设置drill漏板(pastemask)文件,45,检查,gerber文件检查注意铺铜、挖空等区域注意禁止布局/布线区域注意电源/地层的花盘和空洞检查软件,46,生产文件格式,光圈表(aperturefile)和gerber文件本身钻孔工具表(drilltools)和钻孔文件,47,PCB加工要求,应向PCB厂家提供书面的加工要求文件内容技术参数，板子的最小线宽、最小间距、最小钻孔、层数、叠层顺序各层文件清单非金属化孔其他特殊要求，异形孔，拼版，加工边等,48,PCB生产过程,光绘、腐蚀、层压、钻孔镀锡整平、阻焊电测,49,PCB焊接安装过程,焊膏丝网和回流焊人工插装和波峰焊压接等后期安装,50,REFLOW,51,SOLDERWAVE,52,SOLDERWAVE,53,传输线与PCB设计,高速PCB设计,54,传输线与输线效应天线电磁辐射与串扰,55,信号完整性,PCB设计面临的挑战逻辑设计工程师为何常常不能自觉考虑EMC问题,56,传统观念的误导,直流或低频电路的引申-“信号电流”在导线中流动。“一个信号一条连线”，逻辑电路设计教科书只讲信号流向，不讲信号传递过程。原理图中也是仅表现元器件与信号线网络，也是一个信号一条连线，与地网络电源网络没有直接的关联。中国人思想认识上的错位，对PCB设计、结构工艺设计等方面的认知存在较大差距，设计水平相对落后，近年来已大有转变。,57,电路板设计与调测中的混沌世界,数字工程师常常是制造“寄生天线”的能手，缺少EMC观念。在同一电路板内或经过背板传输后，接收端得到的信号波形与期望值相差甚远，有时甚至面目全非，无法工作。常常采用试凑法，在发端或收端加一些阻容元件，以改善波形。费时又费事。已调测通过定型的电路板，当再次重复生产一批时，原来拼凑的元件值可能又不灵了。要重新调测和试凑。,58,传输线,传输线原理：只讲基本物理概念，不讲理论推导。有兴趣者可参阅有关书籍。传输线的一次参数：R、L、G、C。传输线的二次参数：特性阻抗和传播常数。传输线的参数仅取决于物理结构。,59,传输线,真空介电常数和导磁率为00，介质的相对介电常数和相对导磁率rr（一般非磁性介质r1）L和C为传输线单位长度的电感和电容，对于无损耗传输线：传播速度为光速特性阻抗,60,典型传输线特性阻抗Zc,平行线：100300（双绞线、屏蔽平行线、屏蔽双绞线）架空平行线几百欧姆，如600同轴线：75（长距离通信用）50（雷达、局域网等一般用途）微带线（设计制造确定，一般小于100）带状线（设计制造确定，一般小于100）,61,信号传递过程是能量传输(1),微电子系统属于弱电范畴，但弱电信号的传输也是能量传输。能量不能创生也不能消灭（能量守恒），不同形态的能量可相互转换。纯电阻上的电能消耗为：电压x电流x时间，转变为热能耗散于周围空间。在传输线上，某一时刻t发送的信号，在传送到终端时，部分在传输过程中被损耗或辐射，其余部分或全部再被反射或吸收。,62,信号传递过程是能量传输2,匹配：终接电阻R=Zc当传输线两端都不“匹配”时，信号能量会在两个端点间多次来回反射，各点波形都是当前注入信号与以前多次反射叠加的结果。当传输线两端都不匹配时，传输线上将产生能量累积，在一定的时间内，注入能量和损耗及吸收能量达到平衡。当传输线两端都极不匹配时，能量存储累积将会非常明显，电压可增加几倍甚至几十倍。危险！,63,能量传输,传输线是支撑电能量传输的管道，导线的作用是约束、支撑并导引电磁波能量。能量在哪里？不在导线里，而是存在于导线周围的空间。实际上一小部分进到导线里的电能量是转变为热能耗散掉了，这是由导线电阻所造成的损失。能量的传输可由玻印亭矢量表示：ExH设计高速信号线要彻底转变思维方式，放弃“电路”“电流”概念，要以电磁场能量传输观念去审视每一条连线。,64,场结构,65,场结构,非对称带状线,内导体,外导体,66,平行线,非磁性介质r=1,67,同轴线,D外导体内径，d内导体外径r1,68,传输线效应长线效应,何谓高速信号？高频率陡峭沿（演示结果）发射带宽0.35/tr波形上升或下降时间tr;tf如何考虑长线效应定界？设tr为信号上升时间，tpd为信号线传播延时。如果tr4tpd可不考虑长线效应；如果2tpdtr4tpd临界，一般应适当考虑；如果tr2tpd，必须考虑长线效应。应该严格遵从高速信号布线规则布线。,69,电磁辐射天线,传输线的辐射一般很小，当与传输线的距离逐渐增大时，场强迅速减小。天线可以看作是传输线向空间的过度与延伸。几种典型天线：半波振子、折叠半