硬件設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)PCB設(shè)計1PPT課件內(nèi)容基本任務(wù)、一般過程和概念。工具。元件庫和元件制作、管理。布局、布線和關(guān)鍵技術(shù)。DRC,ECO生產(chǎn)文件和制造工藝、焊接工藝。高速PCB設(shè)計技術(shù)介紹。信號完整性分析。2PPT課件基本概念PCB:概念和由來種類:單面、雙面、多層，剛性、柔性功能:機(jī)械安裝和支撐電氣連接絕緣元件識別3PPT課件設(shè)計基本任務(wù)根據(jù)明確的電路設(shè)計，完成PCB的元器件封裝制作、布局、布線工作，產(chǎn)生符合設(shè)計和工藝要求的PCB設(shè)計文件及其生產(chǎn)文件。PCB的設(shè)計過程中，允許電路設(shè)計發(fā)生變化。PCB設(shè)計應(yīng)該考慮制造、焊接安裝、調(diào)試、測試和大量生產(chǎn)的要求。4PPT課件PCB設(shè)計任務(wù)的輸入電原理圖，一般以網(wǎng)表的形式給出。網(wǎng)表的各種格式。PCB設(shè)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(shù)、線寬、電源層、厚度等；相關(guān)資料。元器件封裝，關(guān)鍵元器件布線指導(dǎo)；5PPT課件對輸入的要求輸入應(yīng)該是明確的、完整的。輸入是可以變化的。PCB設(shè)計人員必須掌握快捷、可靠地引入變化的方法。6PPT課件PCB設(shè)計流程接收輸入文件。元器件封裝檢查。庫元件制作和修改。板生成和布局。布線和仿真分析。DRC。設(shè)計確認(rèn)和生產(chǎn)文件輸出。7PPT課件一些概念和術(shù)語印制電路板(PrintedCircuitBoard,PCB)。元件(part,component)和封裝(package)。網(wǎng)絡(luò)(net)、連線(track/trace)。引腳(pin)、焊盤(pad)。過孔(via)。多邊形(polygon)、鋪銅(pour)。PrintedcircuitBoardAssembly,PBA。8PPT課件多層板層(layer)和面(side)元件面(componentside)、焊接面(solderingside)。層:頂層(top)、底層(bottom)、中間層(internal/middlelayer)、絲印層(silkscreen)、阻焊層(soldermask)頂/底面絲印/阻焊，視圖板層(boardlayer)。電源/地層(power/groundplanes)。通孔(throughhole)、表面貼(surfacemount,SMD/SMT)、埋孔/盲孔(buried/blindvia)。9PPT課件多層板示意圖10PPT課件柵格(grid)重要性布局柵格、布線柵格、過孔柵格、顯示柵格。11PPT課件工具軟件protel/powerpcb。cadence/mentor。12PPT課件封裝(package)PCB上的元件表現(xiàn)為封裝。注意區(qū)別，很多不同的元件使用完全相同的封裝。封裝由PCB的輸入指定，一般是原理圖指定。經(jīng)?；煊?package、footprint、part/decal。13PPT課件常見封裝SIP,DIP,SOIC,SOP,SOJLCC/PLCC,QFP/PQFP/CQFPPGA,BGA/FBGA分立元件的直插封裝分立元件的表貼封裝:0603/0805/1210,SOT,DPAK…接插件/連接器14PPT課件封裝的問題封裝的種類很多，各廠家的命名很可能是不規(guī)范的。命名可能是些廠家的代號。同一功能的元件可能有幾種封裝。接插件的引腳順序PCB設(shè)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(chǎn)廠商的資料進(jìn)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。15PPT課件元件庫對于PCB庫中沒有的封裝，需要制作。封裝一般以庫元件的形式保存在PCB的元件庫中。元件庫軟件的標(biāo)準(zhǔn)庫；以往的自己制造的庫，包括公司/項目的共享庫；新建的庫；建立和管理元器件庫。注意文件的組成。16PPT課件元件的制作元件制作的根據(jù)是元器件的數(shù)據(jù)手冊。元件一般由標(biāo)號、形狀和引腳組成。標(biāo)號是文字，注意大小和線的寬度。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(chǎn)文件時，均在絲網(wǎng)面上。繪制時注意線的寬度。17PPT課件引腳和焊盤引腳一般由號碼區(qū)分，是一個個焊盤。形狀大小通孔和表面貼焊盤層:頂層、底層、中間層、阻焊層散熱焊盤(花盤)可以使用軟件中已有的焊盤，也可以自行設(shè)計。復(fù)制和修改。特殊引腳:第一引腳和固定孔18PPT課件焊盤的設(shè)計和確定焊盤的設(shè)計根據(jù)元器件數(shù)據(jù)手冊的引腳數(shù)據(jù)進(jìn)行。通孔焊盤孔徑，比引腳粗些。沉銅。外徑阻焊和花盤表貼焊盤的形狀和尺寸有些好的元器件數(shù)據(jù)手冊有推薦的形狀(recommendedfootprint)，應(yīng)該遵守。焊盤的尺寸有一定的調(diào)整范圍，有工業(yè)界的規(guī)范。19PPT課件通孔焊盤20PPT課件SMTPAD21PPT課件元件的制作元件的制作基本上不能進(jìn)行自動檢查，必須認(rèn)真。焊盤位置、間距、順序和起始。元件標(biāo)號的位置和大小。方向/第一引腳標(biāo)志，注意可見性。特殊焊盤。元件的安裝基準(zhǔn)。22PPT課件板的生成全部封裝齊備后，可以生成PCB了。讀入網(wǎng)表，檢查是否有缺失的元件。注意產(chǎn)生的錯誤和警告。在board層用line畫出板的外形。特殊外形或異形孔。畫出限制區(qū)(keepout)。英制和公制，密爾(mil)和毫米。23PPT課件布局(placement)將元器件放置在要求的或合適的位置。原則:信號流向，互不影響，疏密有度，方便焊接和調(diào)試，美觀。密度，以引腳數(shù)為基礎(chǔ)，不以元件數(shù)量或尺寸為基礎(chǔ)。時刻把握實際尺寸?？梢噪p面放置元件。24PPT課件布局的一般順序和參數(shù)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(diào)整和確認(rèn)。參數(shù)布局柵格焊盤間距飛線25PPT課件飛線26PPT課件飛線的局部27PPT課件布局注意事項元件的空間沖突。特別是外部連接。焊接、更換和調(diào)節(jié)的方便。散熱器和管座。熱量。邊緣，3mm?；鶞?zhǔn)標(biāo)志(fiducial)。元件方向。雙面和焊盤重疊。28PPT課件布局的特殊要求模擬部分和數(shù)字部分接口鎖相和振蕩電源和不同電源的區(qū)域退耦電容匹配元件29PPT課件布局和評估自動和手動布局的評估密度溫度30PPT課件布線(route)將原理圖的連接實現(xiàn)為各層上的物理連接，并符合預(yù)定的要求，如長度、阻抗、電流通過能力等。布線的基本方法，橫豎連接。層的方向和交錯。基本間隔和柵格(grid)。手動和自動布線。31PPT課件布線流程參數(shù)設(shè)置禁止布線區(qū)，注意邊緣手工的關(guān)鍵線電源和鋪銅自動布線多次手工補(bǔ)充和調(diào)整DRC和設(shè)計確認(rèn)32PPT課件布線的基本參數(shù)層數(shù)和各層方向，電源/地線層，疊層順序過孔線寬各種間距柵格，布線柵格和過孔柵格其他特殊規(guī)則33PPT課件關(guān)鍵線時鐘的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和匹配各種時鐘線差分信號鎖相和振蕩電路需要保護(hù)的信號鎖定34PPT課件電源層電源/地層及其顯示分割供電器件到電源層的連接花盤鋪銅板的邊緣和與系統(tǒng)的連接35PPT課件地線/電源面36PPT課件花盤37PPT課件地線/電源面分割38PPT課件自動布線自動布線器的獨立性次序，breakout/fanout，pattern/bus，automatic，cleanup柵格和無柵格布線器過孔柵格注意自動布線報告和結(jié)果觀察重復(fù)多次39PPT課件鋪銅、手工補(bǔ)充和調(diào)整40PPT課件41PPT課件42PPT課件ECO和DRC變化、重復(fù)和工具避免對網(wǎng)表、PCB的手工改動DRC主要是連接性和間距設(shè)計確認(rèn)43PPT課件生產(chǎn)文件制造廠一般只接受標(biāo)準(zhǔn)文件，即光繪文件(gerber)和鉆孔文件(drill)。gerber文件的生成各層應(yīng)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(wǎng)、頂/底面阻焊各層具體設(shè)置drill漏板(pastemask)文件44PPT課件檢查gerber文件檢查注意鋪銅、挖空等區(qū)域注意禁止布局/布線區(qū)域注意電源/地層的花盤和空洞檢查軟件45PPT課件生產(chǎn)文件格式光圈表(aperturefile)和gerber文件本身鉆孔工具表(drilltools)和鉆孔文件46PPT課件PCB加工要求應(yīng)向PCB廠家提供書面的加工要求文件內(nèi)容技術(shù)參數(shù)，板子的最小線寬、最小間距、最小鉆孔、層數(shù)、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47PPT課件PCB生產(chǎn)過程光繪、腐蝕、層壓、鉆孔鍍錫整平、阻焊電測48PPT課件PCB焊接安裝過程焊膏絲網(wǎng)和回流焊人工插裝和波峰焊壓接等后期安裝49PPT課件REFLOW50PPT課件SOLDERWAVE51PPT課件SOLDERWAVE52PPT課件傳輸線與PCB設(shè)計高速PCB設(shè)計53PPT課件傳輸線與輸線效應(yīng)

天線

電磁輻射與串?dāng)_54PPT課件信號完整性PCB設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)邏輯設(shè)計工程師為何常常不能自覺考慮EMC問題55PPT課件傳統(tǒng)觀念的誤導(dǎo)直流或低頻電路的引申---“信號電流”在導(dǎo)線中流動。“一個信號一條連線”，邏輯電路設(shè)計教科書只講信號流向，不講信號傳遞過程。原理圖中也是僅表現(xiàn)元器件與信號線網(wǎng)絡(luò)，也是一個信號一條連線，與地網(wǎng)絡(luò)電源網(wǎng)絡(luò)沒有直接的關(guān)聯(lián)。中國人思想認(rèn)識上的錯位，對PCB設(shè)計、結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計等方面的認(rèn)知存在較大差距，設(shè)計水平相對落后，近年來已大有轉(zhuǎn)變。56PPT課件電路板設(shè)計與調(diào)測中的混沌世界數(shù)字工程師常常是制造“寄生天線”的能手，缺少EMC觀念。在同一電路板內(nèi)或經(jīng)過背板傳輸后，接收端得到的信號波形與期望值相差甚遠(yuǎn)，有時甚至面目全非，無法工作。常常采用試湊法，在發(fā)端或收端加一些阻容元件，以改善波形。費(fèi)時又費(fèi)事。已調(diào)測通過定型的電路板，當(dāng)再次重復(fù)生產(chǎn)一批時，原來拼湊的元件值可能又不靈了。要重新調(diào)測和試湊。57PPT課件傳輸線傳輸線原理：只講基本物理概念，不講理論推導(dǎo)。有興趣者可參閱有關(guān)書籍。傳輸線的一次參數(shù)：R、L、G、C。傳輸線的二次參數(shù)：特性阻抗和傳播常數(shù)。傳輸線的參數(shù)僅取決于物理結(jié)構(gòu)。58PPT課件傳輸線真空介電常數(shù)和導(dǎo)磁率為ε0μ0

，介質(zhì)的相對介電常數(shù)和相對導(dǎo)磁率εrμr（一般非磁性介質(zhì)μr

＝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：傳播速度為光速特性阻抗59PPT課件典型傳輸線特性阻抗Zc平行線：100~300（雙絞線、屏蔽平行線、屏蔽雙絞線）架空平行線幾百歐姆，如600同軸線：75（長距離通信用）50（雷達(dá)、局域網(wǎng)等一般用途）微帶線（設(shè)計制造確定，一般小于100）帶狀線（設(shè)計制造確定，一般小于100）60PPT課件信號傳遞過程是能量傳輸(1)微電子系統(tǒng)屬于弱電范疇，但弱電信號的傳輸也是能量傳輸。能量不能創(chuàng)生也不能消滅（能量守恒），不同形態(tài)的能量可相互轉(zhuǎn)換。純電阻上的電能消耗為：電壓x電流x時間，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒂谥車臻g。在傳輸線上，某一時刻t發(fā)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。61PPT課件信號傳遞過程是能量傳輸2匹配：終接電阻R=Zc當(dāng)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，各點波形都是當(dāng)前注入信號與以前多次反射疊加的結(jié)果。當(dāng)傳輸線兩端都不匹配時，傳輸線上將產(chǎn)生能量累積，在一定的時間內(nèi)，注入能量和損耗及吸收能量達(dá)到平衡。當(dāng)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！62PPT課件能量傳輸傳輸線是支撐電能量傳輸?shù)墓艿溃瑢?dǎo)線的作用是約束、支撐并導(dǎo)引電磁波能量。能量在哪里？不在導(dǎo)線里，而是存在于導(dǎo)線周圍的空間。實際上一小部分進(jìn)到導(dǎo)線里的電能量是轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌袅?，這是由導(dǎo)線電阻所造成的損失。能量的傳輸可由玻印亭矢量表示：ExH設(shè)計高速信號線要徹底轉(zhuǎn)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。63PPT課件場結(jié)構(gòu)64PPT課件場結(jié)構(gòu)非對稱帶狀線內(nèi)導(dǎo)體外導(dǎo)體65PPT課件平行線非磁性介質(zhì)μr=166PPT課件同軸線D－外導(dǎo)體內(nèi)徑，d－內(nèi)導(dǎo)體外徑