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怎样才算是一名合格的 PCB设计师

        我是一名 PCB 设计师,接触过的 PCB 设计产品主要有:射频功放产品、通信直放站产品、航天电子产品、医疗机械电子产品、视频 DVD 产品、音频 MP3 产品、安防监控产品等等。 因此我从我所站的角度对此话题谈谈我的一些想法,说的不好,请大家多多包涵。

(1)  软件操作

        俗话说“吃饭用碗筷”。软件犹如我们的碗筷。软件虽说只是一个工具,但如果一名设计师连自己的工具都掌握不熟练的话,何谈优秀设计。故,软件对于一名设计师来说是至关重要的。又有人会问,软件操作到什么样的程度才算是熟练掌握呢?故名思议“熟能生巧” ,这话无可争议。对于软件上面的一些常用操作命令、高级操作技巧要精通。常用操作命令只是能保证设计师能完成设计任务;而高级操作技巧则是用短时间完成相同的操作。举个例子:就拿 Altium Designer软件来说。FPGA 管脚调整操作。一般命令是先改原理图再导入到 PCB,使之对应;而对于该操作的高级技巧操作则是改 PCB 后反导原理图使之对应。 相同模块布局布线操作。一般的命令是对每个相同模块分别布局布线;而高级技巧则是线做好一个模块后,直接复用即可。两者相比之下,达到同样的效果,但所花的时间则是不一样的。后者有着事半功倍的效果。

(2)  工艺知识

        其目的是:规范产品的 PCB 工艺设计,规定 PCB 工艺设计的相关参数,使得PCB 的设计满足可生产性、可测试性、安规、EMC 等技术规范要求。在产品设计过程中,构建产品的工艺、技术、质量、成本优势。作为一名设计师,需要掌握哪些相关工艺知识呢?①叠层。对自己设计的PCB 板进行叠层。每个 PCB 板都是有相关叠层信息的。在叠层前需要了解生产工艺,即印制板生产的基本流程、业界印制板加工商的加工能力、加工成本等等。印制板生产的基本流程()是每个设计是都需要了解的。如果一个设计师不了解制板流程,那也可以说这名设计师无法正确的验收自己的 PCB 板。 业界制板的加工能力也是每个设计师必须掌握的。如果设计出来的产品超出了制板商的加工能力,无法生产,再有利的产品也是徒劳。加工成本问题也是设计师需要了解的,每个企业产品最终的目的无非是保证性能的前提下,以最少的成本达到理想的目标。

        在掌握以上知识后,接下来开始叠层。叠层需要掌握些什么知识呢?

a. PCB 板厚的计算。

         PCB 板总厚度=基材厚度+铜薄厚度+沉铜厚度+丝印厚度+绿油厚度。不能叠出来的厚度超过要求完成后的 PCB 厚度。当然了,这些参数部分可以在板材的数据手册上面可以找到。当然还有一些是要看你以什么标准来加工了,民用品一般是按 IPC 标准来执行的。IPC 标准又分为 3 个等级。选择不同的等级,这些参数加工控制又是不一样的。

b.  阻抗计算。

        掌握一个阻抗计算软件,比如 Polar Si8000 软件。阻抗计算需要的条件:板厚、(层数、信号层数、平面层数)、基板材料、表面工艺、阻抗值、阻抗公差、铜厚、检验标准。影响阻抗的因素有:介质厚度、介电常数、残铜率、铜厚、线宽、线距、阻焊厚度。介质厚度、线距越大阻抗值越大;介电常数、铜厚、线宽、阻焊厚度越大阻抗值越小。当然,信号层与平面层也是有要求的。一般情况下需要满足,对称性;阻抗连续性;元件下面为地层(第二层或倒数第二层);电源和地紧耦合;信号层靠近参考层;相邻信号层间拉开距离;信号层夹在电源层和地层时,信号层要靠近地层;差分间距要小于等于 2 倍线宽;线宽调整在 4mil—6mil 范围;板层间半固化片越少越好。

②设计基本要求(满足可生产性、可测试性)。

        无非就是阻焊开窗、器件间距、孔大小、丝印、拼板等。器件焊盘开窗一般是不小于 2.5mil 的亚光区;器件间距要求可方便焊接,同时预留调试时的拆装空间;孔类型越少越好,孔大小按照通用大小即可,原则是孔径比不小于 8:1;丝印只有 2 个方向且清晰;拼板原则:小于 50mm*50mm 需要做拼板。其他的我在这就不多说了,每位设计师多多少少都接触过了。

③钢网选型。

        根据 PCB 板贴片面尺寸和器件焊盘的间距及大小对钢网选型。 具体需要根据 PCB 板的具体情况而定。比如,PCB 板上有 AD8312 类器件(焊盘大小为直径 0.2mm)非常小的焊盘时,就需要选择精密(激光)型。

④SMT 组装知识。主要了解贴片流程。

        设计师需要掌握 PCB 板在贴片过程中的一般步骤。钢网与 PCB 板对位上锡膏;器件 BOM 核对;贴装器件;回流焊;检板。

⑤焊接技术。

        作为一名设计师,应该要掌握焊接能力。不要求焊接技术有多强,但简单的更换 0603 封装器件的焊接需要掌握。

(3)  制作要求

         对于 PCB 板加工的基本信息需要备注清晰。这样才能使 PCB 在生产过程中更高效且无误。 换句话说就是让加工商按照设计师的要求进行加工。 对于 PCB 板上的备注基本信息有:板材、板厚、表面工艺、阻抗控制表、丝印颜色、绿油颜色、是否塞孔(包含绿油塞孔和树脂塞孔)、验收标准等,如有特殊要求,需要在制作要求中注明。

(4)  结构知识

          任何一个 PCB 板在产品中不可能是悬空的,都是需要安装在产品中的。当然,每种产品的结构都是不一样的。但作为一名设计师,最起码的螺钉大小需要了解及结构图能看懂。比如 M2 的螺钉、M3 的螺钉、M4 的螺钉等。这里所对应 PCB板上的孔径及焊盘是多少。结构图能看明白三视图。掌握 AutoCAD 软件里的一些简单操作。 假如,硬件工程师给到你的是整个产品的结构图,需要自己在里面提取需要的信息。这时就需要掌握些 AutoCAD 软件操作了。

(5)  封装知识

          在 PCB 设计时,通过器件的 PCB 封装来体现实际器件的大小及位置(平面图)。

那么,作为一名设计师,需要掌握哪些封装知识呢。

① 器件封装的常用代码 (器件位号代码) 。

        比如: C  代表电容、 R  代表电阻、L  代表电感、U  代表 IC 等等。如果再深入点就是这些代码依据的由来了(在国际上是有个通用的标准的)。

② 封装命名的意义及形状。

        比如:电容封装有很多种,0201、0402、0603、0805、1210 等等(从这些封装命名就直接可以读出焊盘的大小及间距) 。这些封装命名和实物有什么样的关系。看到一些常用的封装命名就能联系到器件实物是什么样的。比如:BGA 封装、QFN 封装、PLCC 封装等等。

③ 封装制作。

         包括原理图封装和 PCB 封装制作。原理图封装相对来说可以不用那么严格,但为了能在 PCB 设计时,能够更准确的读懂其中的原理,还是需要按照严格的要求来制作。 PCB 封装制作就直接关系到与实物的焊接及性能的发挥了。其中的重要性大家都知道,就不多说了。PCB 封装既然这么重要,那么国际上又是通过一个什么样的标准来统一封装大小,及芯片各生产商的规格和要求的呢?在国际上有个 IPC-国际电子工业联接协会。主要是定制一些国际上电子方面的一些统一规范。PCB 封装制作的依据(IPC-7351)也就是来自 IPC 协会。PCB 封装制作的标准有了,那么还需要注意些什么呢?业界各大芯片生产商加工出来的芯片大小都是不一样的,但都会有相应的技术规格书。里面主要包括该芯片的主要参数及性能。当你在制作 PCB 封装的时候就需要掌握该在对应的技术规格书上提取哪些信息了。比如:一个器件的焊盘大小尺寸、焊盘间的间距、丝印大小、封装命名等等(这里又牵涉到了一些结构的基本知识了,要能看懂平面图)。PCB 封装制作时,可以根据各公司的工艺水平进行优化,但总体还是根据 IPC-7351 标准来制作。

(6)  电路知识

        在一个产品中,有着不同的电路模块。而每个产品所实现的功能都是靠电路中的每个子电路一起来实现的。换句话说,需要实现什么样的功能,就需要有什么样的电路。

①  硬件基础知识

        原理图上的一些基本的知识作为一名设计师必须要掌握的。那么包括哪些知识呢?

a.能准确的看懂整个电路的信号流向。

        电路中的输入输出,信号转换等电路,并且要大概的知道每个电路模块实现的功能。比如,SDRAM FLASH DDR 属于存储器类等。在数模混合板中,要掌握模拟输入或输出的优势是什么。模拟电路转换成数字电路或者说数字电路转换成模拟电路,都是通过什么电路转换的,为什么要转换才能实现其各自的功能等等。关于射频方面的一些知识在这就不多讲了。

b.电源分配情况。

        对于 PCB 板上的电源分配情况要非常清楚。电源输入口的处理,电源 DC 转换的处理及开关电源的处理等等。电源芯片散热问题也是需要考虑进去的。比如,28V 输入,5V 输出。这中间的压差电源芯片肯定消耗掉了。电源芯片消耗掉肯定会产生热 (热功耗) ,这就需要注意散热问题了 (电源输入输出的压差值越大,芯片的发热就越大) 。

c. 基础元器件的作用。

        分清楚有源器件和无源器件;电阻、电容、电感、运放等基础器件的作用;电容滤波特性曲线等等。比如,原理图在数字信号上面串联了一个电容,你要准确的判断原理图有问题。

②  数字电路、模拟电路知识

        能准确的区分数字电路和模拟电路;明白同步电路和异步电路的概念和区别;串行总线和并行总线的概念;明白数字信号在理想状态下的波形和实际状态下的波形等等。 举个很简单的例子,有一组数据信号,在你不清楚他是串行信号还是并行信号的时候,在 PCB 设计时你就不能确定要不要做等长。当你非常清楚的明白这组信号的属性的时候,PCB 设计时就很准确的判断出要不要做等长了(串行信号可不做等长,并行信号必须做等长)。模拟电路的一些基本知识。三极管曲线特性;运算放大器的分类(电压放大和电流放大等等);模拟信号的波形叠加相关知识;在模拟电路里,电容、电感的作用等等。

③  数模电路知识

        掌握数模电路之间的转换关系及特点。详细点说吧。一个小信号(音频或视频)输入,通过运算放大器将信号放大后,转入模数转换芯片,将模拟信号转换成数字信号后,由模数转换后的信号输入到 FPGA 或者其他数字处理芯片对信号进行处理,处理完毕后再通过数模转换芯片将数字信号转换成模拟信号,信号经过放大后模拟输出。

④  射频电路知识

        能清楚的理解射频电路与其他电路的区别。了解阻抗对射频板的重要性。射频电路的特性,主要包括有:

a.空间和平面传播方式;

b.射频微带严格按照 50欧姆阻抗控制,阻抗突变对信号影响较大;

c.表面工艺(推荐沉金)处理要求非常平整,减小趋肤效应;

d.射频需要与结构配合(屏蔽罩)等等。

(7)  常见电路模块设计注意事项

(8)  EMC、SI、PI 知识

(9)  仿真知识


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