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如何准备我的PCB进行制作?使用设计最佳实践加速PCB组装

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在本文中,主要EE和MacroFab联合创始人Parker Dillman介绍了如何最好地准备PCB设计以进行制造和组装。

这是一种常见情况:您是硬件开发人员,您的下一个产品的截止日期即将到来。糟糕的原型PCB将使项目延迟数周,您需要降低这种风险。第一次快速且无问题地正确组装PCB是至关重要的。

为了最大限度地减少这些潜在问题,我编制了一些提示,帮助您准备下一个制造原型。

 

双重检查足迹和包裹

确保占位面积与组件的封装匹配是避免制造挂起的第一种方法。如今,考虑到一些元件的尺寸变小以及BGA元件等封装触点的存在,现在以1:1的比例在纸上打印PCB然后覆盖零件的旧式方法。

仔细检查封装尺寸是否与设计单位(mm或mil)相匹配。

一些元件制造商是不友好的,并绘制组件的机械布局,就像从底部透过透明,透明的PCB一样。一定要注意这一点。

 

采用QFN20封装的Silicon Labs EFM8UB10F8G。 将EDA工具中绘制的布局与数据表中的着陆模式进行比较。

图1.  采用QFN20封装的Silicon Labs EFM8UB10F8G。将EDA工具中绘制的布局与数据表中的着陆模式进行比较。

 

如果您的EDA工具可以绘制投影和尺寸线,则可能值得以与元件数据表中的机械图形相匹配的方式测量您的尺寸。验证数据表的测量单位和您的足迹。

这也是检查原理图符号和元件占位面积之间映射的好时机。电压调节器引脚,分立MOSFET和晶体管通常可轻松翻转。

有极性的元件应检查其脚印,以确保极性标记清晰标记。这包括IC引脚一标记,二极管阴极标记和极化电容标记。

 

在CREE LED上标记针脚1。

图2.  CREE LED上引脚1的标记。

 

选择大量经过测试的部分替换

当关键部件不可用且没有经过预先测试和批准的替换时,就会出现常见的生产延迟。如果零件具有可行的替代但是在您的电路或产品的关键路径中,我强烈建议您在投入生产之前构建原型并测试每次替换。这降低了将来切换到替换部件时所涉及的风险。

 

Mouser的生命周期终止部分标记为NRND或不建议用于新设计

图3.  Mouser上的生命周期终止部分标记为NRND或不建议用于新设计

 

如果您有没有任何直接替代品的独特零件(微控制器,专用传感器等ICfans),请检查零件制造过程中的零件寿命。制造商将标记的部件标记为“不推荐用于新设计”。

通常,制造商保证制造零件的设定寿命,并在零件寿命终止(EoL)时通知用户。确保您所需的部件在产品生产寿命结束之前可用,以帮助防止昂贵的产品重新设计。

 

利用预认证的无线电模块

如果您的产品使用蓝牙或WiFi,请使用预先认证的无线电模块。这些模块是预先设计和封装的系统,可确保使用相关的FCC标识号正确运行。使用预先认证的无线电模块可以增加无线系统正常运行的可能性,还可以降低FCC和CE无线电辐射合规性测试失败的可能性。

 

OSBeehives的BuzzBox由Particle Photon预认证的无线电模块提供支持 - 图片由OSBeehives提供

图4.  OSBeehives的BuzzBox由Particle Photon预认证的无线电模块提供支持。图片由OSBeehives提供。

 

考虑您的无线天线布局

如果您认为在PCB上滚动无线连接所节省的成本是值得的,那么天线的PCB布局至关重要。对于大多数无线连接部件(收发器),将提供制造商数据表中推荐的布局。遵循推荐的布局很可能是您成功的最快途径。

在进行PCB布局时需要注意一些事项。首先,阻抗必须在收发器和天线之间匹配。其次,收发器的数据表应该有关于选择合适的天线,设计调谐滤波器以及最大性能所需的正确阻抗的更多细节。

如果您设计自己的无线连接,我强烈建议您对产品进行预兼容性测试。预先一致性测试有望解决您的设计中的任何明显问题。在时钟,振荡器和传输频谱中寻找频率谐波。

 

不要忘记去耦电容器

电气元件需要稳定的电压源,并且每个有源元件附近的PCB上都应包含去耦电容。当去耦电容尽可能靠近元件的电源引脚时,它们的工作效果最佳。

 

去耦电容确保该德州仪器LVDS转换器具有平滑的功率。

图5.  去耦电容确保该德州仪器LVDS 转换器具有平滑的功率。 

 

对于具有多个电源引脚的较大组件,您可能需要在每个电源引脚上使用去耦电容。传感器,ADC和FPGA等功耗敏感部件也可能需要包括接地引脚的去耦电容。去耦电容应该与电源和元件内联,因为这样可以改善电容器的性能。

 

旁路或去耦电容应与电源内联。

图6.旁路或去耦电容应与电源成直线放置。

 

 

使用适当的跟踪宽度和间距保护您的电路板

高电流走线的尺寸必须合适,以确保它们不会烧坏PCB。我建议使用在线跟踪宽度计算器进行计算。电路板外部的迹线可以处理比内部更多的电流,因为外部迹线更容易消散产生的热量。为了保持散热,请尝试将迹线宽度计算器上的温升指定为10C。但是,如果没有宽阔的迹线空间,对于大多数应用来说,20℃的温升应该没问题。

如果无法将走线布线得足够宽,则可能需要使用较厚的铜线,这样可以增加电流能力。但是,增加铜重量厚度可能会导致设计规则检查(DRC)的迹线宽度和间距问题最小化,因此请务必考虑到这一点。通常,铜的重量越厚,则需要更大的走线宽度和空间,并且会增加每个PCB单价的价格。

 

在焊盘之间切出的路线用于增加电压隔离。  - 图片由MAKESafe Tools的Scott Swaaley提供

图7.  焊盘之间切出的路径,用于增加电压隔离。图片来自MAKESafe Tools的Scott Swaaley 。

 

一个经常被忽视的问题是确保高压迹线彼此充分隔离。如果您的产品已连接到电源电压,则需要确保电压不会跳过气隙并短路。

 

选择合适的电源稳压器路由

嵌入式系统中有两种主要类型的稳压器:线性稳压器和开关稳压器。每种类型都有不同的PCB布局和布线指南。

 

使用线性稳压器

线性稳压器吸收过电压并将其转换为废热。这是低效的,但线性稳压器通常只需要外部电容即可正常运行,并且噪声低于开关稳压器。有两个方面可以确保使用线性稳压器:

  1. 考虑你的电容选择。遵循制造商的指导原则,了解用于绕过稳压器的电容器的类型,数值和位置。通常,电容应尽可能靠近稳压器的输入和输出引脚放置。

  2. 照顾热量。通常,这意味着确保为调节器选择的包装可以处理您将产生的热量,并且您的布局可以支持它。铜浇注和通过缝合将成为你的朋友。如果铜浇注不够大,则需要散热器。

 

具有铜浇注的线性稳压器,用于散热。

图8.  带有铜浇注的线性稳压器,用于散热。

 

使用开关稳压器

开关稳压器比线性稳压器更有效,但设计起来更复杂。通常,开关稳压器不会产生热量问题,但您需要仔细选择元件以确保开关稳压器正常工作。开关稳压器也更容易产生不需要的电磁场(EMF),并在产品的FCC / CE合规阶段引起故障。

  1. 请 严格遵循制造商推荐的布局。这些布局已经过测试,可以正常工作。

  2. 保持切换台的反馈回路尽可能小。这将减少EMF和寄生电阻,电感和电容。

  3. 密切关注切换器稳压器输出电容ESR和ESL额定值。在寻找组件时,开关稳压器的数据表通常会告诉您在何处设置值。

对于设计切换器,我喜欢使用德州仪器Webench。它可根据您所需的规格生成多种设计,并为您提供正确设计切换器所需的电感器和电容器的部件号。

 

包括用于大型铜痕迹和浇注的热释放

通过将焊盘连接到铜迹线或使用较小的窄轨道浇注而不是直接连接来创建具有热释放的铜焊盘。热释放减少了将元件焊接到焊盘上的热负荷。由于铜太快地散热,这减少了冷焊点的可能性。

 

大型SMT焊盘上的热释放,以促进连接的正确焊接。

图9. 大型SMT焊盘上的热释放,以促进连接的正确焊接。

 

您应该注意通过热释放区域的当前负载。如果设计得太窄,最终可能会出现单向保险丝。

 

优化SMT组装设计

当您使用尽可能多的SMT组件时,生产成本和组装时间都会受到积极影响。如果连接器仅在产品装配期间接口(如在产品装配期间连接内部锂电池),则可以创建SMT连接器。 

 

波形托盘工具可实现更快的通孔连接器焊接。

图10.  波形托盘工具可实现更快的通孔连接器焊接。

 

有时需要通孔部件。与人接口的连接器几乎总是通孔,以防止在操作期间强行移除部件。使用通孔零件时,请与合同制造商合作,找出需要在零件周围留出多少空间,以优化波峰焊或选择性焊接。如果其他组件太靠近通孔触点,则合同制造商可能不得不手工焊接连接器,从而减慢组装过程并增加成本(半导体社区)。

 

仔细检查您的设计规则检查

仔细检查您的设计规则检查可能是此列表中最重要的项目。请咨询制造商,了解他们的设计规则。大多数制造商都有不同级别的缩放设计规则。如果您能够获得更大,更标准的设计规则,那么您应该这样做。

在将设计文件发送给制造商之前,我建议您最后一次运行DRC并检查以下内容:

  • 运行设计规则检查(DRC)

  • 检查连接和路线

  • 使用EDA工具的“airwires”或“rat lines”可以直观地显示信号网上哪些部件焊盘相互连接

  • 更新日期代码,PCB版本控制或元数据的任何丝网印刷文本

 

包起来

我希望本文能够指导您改进PCB设计流程,并帮助您降低订购PCB组件和扩大产品生产的风险。您进行预组装的计划越多,生产中的打嗝就越少。