IT Lab艾鍗學院技術Blog: 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 , 基本上也就可以做出一個PCB板。如果你是Maker (創客)，只要你掌握了一些的Design Rule，你也可以做出自己板子。不過, 你要先確定有一個可"工作" 的電路圖。你可以先用洞洞板手銲驗證一下電路或用麵包板插一插，先確定一下這是可工作的。到時Layout PCB時, IC零件可以再選擇SMD的版本,因為量產時加工費會比較便直。

要完成一個PCB電路板,基本上可分為三個階段，其實也是工作流程。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表以及備料、手銲樣品。不過，第一個階段的電路圖繪製工作，很少是由PCB Layout 工程師自己來完成，而是由電路設計RD工程師完成。Layout的工作是由電路路轉成Netlist 之後才動工。電路圖頂多也只有拿到PDF檔而已。

如果你是Maker (創客)，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, 沒有經過專家指導並不容易,再加上你沒有太多量測儀器, 有些也不太可能自己做, 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。

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。

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。
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
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...
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 的流程

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)及埋孔(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:

Through hole pad: DIP元件使用的Pad (有鑽孔)
SMD pad: SMD元件使用的Pad(不用鑽孔)
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。