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2015年11月15日 星期日

PCB Layout 入門教學(一) ---PCB Layout 設計流程



先有一些基本PCB概念, 再開始進行軟體上教學。首先要有個觀念, PCB談的是製作工藝, 不是電路設計。所以即使你不太懂什麼叫電路設計,只要確定有一個可正常工作的電路圖 (可以先用洞洞板手銲驗證一下電路或麵包板插一插確定這是可工作的), 基本上也就可以做出一個PCB板。任何人都可以做出你自己PCB板,只要知道一些基本的Design Rule。


PCB 成品




若你的PCB 需要layout到4層板以上或者高速,RF, 天線這種高頻的東西, 這已經屬pro專業等級了, 若你沒有太多的這方面的專業背景或量測儀器, 也不太可能自己做, 這已經是另一個level了, 建議找具相關設計專長領域的Layout House 代工,因為可能後續還有EMI, FCC,CE, NCC規範要過。

要完成一個PCB電路板,基本上可分為主要三個階段, 第一個階段電路圖繪製,第二個階段電路佈局, 第三階段為建立BOM表, 然後進行備料及手銲樣品。


階段1: 電路圖繪製






這是電路圖繪製階段



電路繪圖的流程

繪製電路圖--> 對元件進行編號(Annotate the component ) -->執行DRC --> 產生Netlist檔案。


  1. 依照參考電路進行電路圖繪製, 將每一個電路元件 (component ) ,完成其連線. 即Schematic symbol的連線圖。
  2. 元件進行編號(Annotate the component ): 加入的每一個電路元件,包含IC或被動零件, 都是沒有編號過的, 所以要從新給予編號. U?, U? --> U1, U2. R? R? R? --> R1, R2, R3
  3. 執行DRC: 即執行 Design Rule Check, 如可能有元件pin沒有連接線 (這個要放"x", No Connect), 或線路這一端找不到另一端的命稱? 或...
  4. 產生Netlist檔案: Netlist檔案, 是為了給PCB Layout軟體讀的。有了Netlist, Layout 軟體才知道每一個元件的線路連接關係,更重要的是,每一個元件的Footprint。Netlist 要能正確產生,必須要把電路圖上每一個component (Schematic symbol) 關聯到一個Footprint實體 。 Footprint 就是元件的輪廓(contour) ,尺寸,外型,如IC的封裝樣式, 連接器的外型等。如SOP8, SOP-24, 0805, 0604, 0402,..
Note: 一個Schematic symbol可以對到多個Footprint , 如同一顆IC, 可以有多種不同的封裝樣式,BGA, PLCC, TQFP, SOP,SSOP等。Schematic symbol 就只是一個電路符號, PCB已經是到了實際生產端, 要能實際銲接。 footprint不對,PCB板做出了, IC元件上不了。所以你備了什麼料,footprint 就得是什麼。通常Layout設計軟體都會有footprint library, 讓你挑, 如果沒有你要自己產生這個footprint, 尺寸很重要,所以你要有IC的DataBook才好做。

Note: 若你要的Schematic symbol, library找不到, 也必須自己來做, 也就是加入一個新的symbol 到component library。



把電路圖上每一個component (Schematic symbol) 關聯到一個Footprint實體



miniUSB 連接器的Footprint


階段2: 開始進行PCB Layout 






PCB Layout 流程

載入Netlist--> 將footprint擺放位置 (Placement) --> Routing (走線) --> 對Ground產生銅面(鋪銅)---> 執行DRC -->產生Gerber檔案

將footprint擺放位置 (Placement): 將netlist載入後, 電路圖上的元件都會呈現,並且有 ratsnest。ratsnest是用描述電路圖上元間彼此間的"線"連接關係。這裡的"線"是virtual wire 只是知道連線關係 , 之後對這些線進行實際routing 佈線,也就是繪製Track。track 是實際的線, 所以就會有線寬的問題, 電流流愈大的線, 線寬要設比較大。 例如: Track width : 0.2mm 可走0.5A; 0,5mm : 1.25A


進行Layout 之前,要在Edge.cut這一層設定PCB outline 板框大小,元件就只能放在這範圍裡面。


另外也要描述Copper layer 的層數, 如雙層板及四層板, 六層板,所謂幾層板指的就是copper 層的數量, copper數愈多當然可以走線的平面就愈多。 

設定一些設計規則: 如最小Track Width, Clearance , Via Diameter, Drill size。另外就是設定各種幾種佈線會用到的Track width, Via Size.
Note: Clearance: track, pad,via都會有淨空空間,Clearance即extra space outside the border




Note: width 單位通常用 mm (Millimeter)或 mil。mil是千分之一英吋inch. 1 mil=0.00254 cm。
2.54mm=0.1 inches
所以40mil約等於1mm; 10 mil 約等於0.25mm



要描述Copper layer 的層數; 此圖為copper layer為2


Via:


Via 指的就是鑽孔這件事。電路板是由一層層的copper疊出來的,而不同電路copper層之間的連通靠的就是via。當你佈線時, 元件間的走線會需要從TOP層走到Bottom 層(或稱 Front 層走到Back層),就會須要鑽孔。

Plated-thru Hole: 指的是孔壁上有鍍銅


copper 之間透過Via 來連接。圖來源: https://e2e.ti.com


不同的Via型式:

  • Through Via (Through Hole) 指的是要打穿的孔(貫孔)。從PCB8外觀看的到。
  • Blind Via (buried via): 在多層板中,線路連接在只在中間的幾層而非全部。依據穿透的型式又區分為盲孔(Blind hole)埋孔(Buried hole)
  • 另一種via為NPTH (non-plated through hole) , 它是Through-Hole 但孔壁沒有鍍銅(Non-plated), 主要是用在機構上的螺絲鎖孔。
http://www.elecrow.com/




Via 參數:  通常會描述Via的直徑及Drill size。Drill size指的是鑽孔口徑的大小。

Pad錫墊其實分好多種:

  1. Through hole pad: DIP元件使用的Pad (有鑽孔) 
  2. SMD pad: SMD元件使用的Pad(不用鑽孔) 
  3. Anti pad(絕緣錫墊 ):用於隔離孔與內層電器連接圍繞在孔周圍的隔離環.如果孔在內層中不需要線路連接,就需Anti pad要來隔離.其內徑當然要大於孔的外徑.


Copper zone:

就是指在PCB鋪銅 (Copper Pour) 一般PCB在電路設計時經常需要鋪設大面積的銅箔來當作電源(Vcc、Vdd或Vss)與接地(GND,Ground)之用。F.Cu及B.Cu都可以鋪.

Thermal relief Pad:


copper zone所連接的pad, 會有設定Thermal relief 的需要。由於pad 連接(接觸)大面積的銅箔 (copper plane) 會增加散熱的速度, 導致該pad需要升溫才能容易銲上,這會很容易造成空銲或冷銲的情況。所以解決方去 就是pad 仍然可以連接到銅箔,但必須減少其接觸的面積。隔離環修改為輪輻狀,用以將隔離環的內部的銅連接到隔離環的外部。

TOP層鋪鋪的狀態, 到下方排pad為GND, 連接GND Copper zone 都是設定Thermal relief Pad



一般F.Cu及B.Cu 都會同時鋪 Copper zone for GND, 所以也都會設定Thermal relief Pad 



第三階段: 建立BOM表, 進行備料及手銲樣品。



建立BOM表以進行後續的備料及手銲第一版的Sample。透過產測程式,確認功能無誤, 這就是第一片Engineer Sample。

經客戶對產品規格及功能驗證通過(承認Acknowledgment)後, 才會進行試產 Pilot run (註1),然後才是進入MP (Mass Production)量產階段。

試產 Pilot run 可交由加工廠, 由機台自動進行SMD/DIP零件銲接,這就是PCBA (PCB Assembly)


註1: Pilot run  : 是用來評估產品的成熟度是否可進入正式大量生產的生產階段。

手銲 PCB Sample

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