工艺部（PCB）设计流程,工艺部：马小青,2013-03-20,本课程的目的,1、了解PCB工程师的职能及其主要业务 2.掌握工艺部的工作流程 3、掌握PCB设计的基本理论及规范,课程主要内容,一、PCB工程师的职能及其主要业务 二、设计中基本概念介绍 三、工艺部工作流程 四、PCB设计规范的流程： 1）系统分析阶段 2）布局阶段 3）布线阶段 4）测试和验证阶段,一、PCB工程师的职能及业务,1）什么叫互连设计？ 2）互连设计的常见形式 3）PCB工程师的职能： PCB设计 参于提供PCB设计方案 原理图封装制作及原理图库的维护 PCB封装库的制作及PCB封装库的维护 PCB在生产中问题解决处理,1）、什么是互连设计？,PCB设计也可称互连设计，互连设计就是解决芯片之间、模块之间、板与板之间和框与框之间的信号传输的物理实现问题，提供满足产品设计要求的互连解决方案。 我们所熟悉的PCB设计工程师、LAYOUT工程师等就是专门从事互连设计方面的工作。,阻容匹配网络等,PCB上的传 输线结构,IO 封装,过孔和焊盘,连接器,电缆,Zo,2）、互连设计的常见形式,信号边缘速率越来越快 片内和片外时钟速率越来越高 系统和板级SI、EMC问题更加突出 电路的集成规模越来越大 I/O数越来越多 供电电源逐渐降低、功耗越来越大 单板互连密度不断加大 推向市场的时间不断减少 开发成本成为主要推动力 一次性设计成功的挑战 低噪声的要求,高速问题更加突出,物理实现难度加大,设计周期缩短,设计的挑战,课程主要内容,一、PCB工程师的职能及其主要业务 二、设计中基本概念介绍 三、工艺部工作流程 四、PCB设计规范的流程： 1）系统分析阶段 2）布局阶段 3）布线阶段 4）测试和验证阶段,1、印制电路板（PCBprinted circuit board）：在绝缘基材上，按预定设计形成印制器件或印制线路以及两者结合的导电图形的印制板。 2、原理图（schematic diagram）：电路原理图，用原理图设计工具绘制的、表达硬件电路中各种器件之间的连接关系的图 3、网络表（Schematic Netlist）：由原理图设计工具自动生成的、表达元器件电气连接关系的文本文件，一般包含元器件封装、网络列表和属性定义三部分。 4、背板（backplane board）：用于互连更小的单板的电路板。,二、设计中基本概念介绍：,5、金属化孔（plated through hole）：孔壁镀覆金属的孔。用于内层和外层导电图形之间的连接。 同义词：镀覆孔 6、非金属化孔（NPTH unsupported hole）：没有用电镀层或其他导电材料加固的孔。 7、过孔（Via hole）：用作贯通连接的金属化通孔， 内部不需插装器件引脚或其他加固材料。 8、盲孔（blind via）：来自TOP面或BOTTOM面，而 不穿过整个印制电路板的过孔。 9、埋孔（埋入孔，buried via）：完全被包在板内层 的孔。从任何表面都不能接近它。 10、盘中孔（Via in pad）：在焊盘上的过孔或盲孔。,二、设计中基本概念介绍：,11、波峰焊（wave soldering）：印制板与连续循环的 波峰状流动焊料接触的焊接过程。 12、回流焊（reflow soldering）：是一种将零、部件的 焊接面涂覆焊料后组装在一起，加热至焊料熔 融，再使焊接区冷却的焊接方式。 13、材料清单（BOMBill of materials）：装备部件的格式化清单。 15、光绘GERBER（photoplotting）：由绘图仪产生电路板工艺图的过程，绘图仪使胶片曝光从而将被绘制部分制成照片,二、设计中基本概念介绍：,课程主要内容,一、PCB工程师的职能及其主要业务 二、设计中基本概念介绍 三、工艺部工作流程 四、PCB设计规范的流程： 1）系统分析阶段 2）布局阶段 3）布线阶段 4）测试和验证阶段,三、工艺部的工作流程,三、工艺部的工作流程,1.申请人提交需求文档上传VSS： LAYOUT任务申请单 原理图 新器件的封装资料（datasheet） 结构图 单板规则驱动设计要求表 器件大置布局图,三、工艺部的工作流程,2.PCB布局设计 PCB工程师预审原理图 原理图命名规范化 原理图封装核对 结构导入建立新PCB文件（命名格式为V1.0.0） 3.布局审核 PCB工程师邮件通知硬件申请人进行布局审核 PCB工程师邮件通知结构人员进行结构核对,三、工艺部的工作流程,4.PCB走线设计 按单板驱动规则表要求进行 间隔层交叉走线 5.走线设计审核 PCB工程师邮件通知硬件申请人进行布局审核 PCB工程师邮件通知结构人员进行结构核对,三、工艺部的工作流程,6.提交设计文档 设计文档放入VSS 在Trac系统中建立，CR IR号进行评审邀请 7.设计评审 PCB工程师预定会议室及通知相关人员 评审人员进行硬件原理及结构核查填写相关表单 PCB工程师提交PCB检视要素表存档,三、工艺部的工作流程,8.硬件调试 研发人员下单给采购，由采购从配置库中领取资料进行外协打样 研发人员进行调试。,课程主要内容,一、PCB工程师的职能及其主要业务 二、设计中基本概念介绍 三、工艺部工作流程 四、PCB设计规范的流程： 1）系统分析阶段 2）布局阶段 3）布线阶段 4）测试和验证阶段,系统分析阶段,系统互连有框间互连、板间互连、模块间互连三种形式，可根据具体情况进行分析。分析要点如下： 模拟： 按照信号流向进行处理： 信号输入-保护-滤波-放大转换-处理-显示 数字部分的走线和模拟不交叉 数字部分： 分析系统互连的电平的特点，使用中的匹配方式，若同一种接口 电平不同厂家不同器件的性能差别明显，应给出优选方案 功能部分： 主控制模块-显示功能-按键功能等,系统分析阶段,关键元器件选型建议: 1)从信号完整性分析的角度，分析相同功能的不同器件，在相同的工作条件下，根据仿真波形，根据信号质量的不同，给出优选器件。对于只有一种器件的情况，也可仿真出不同条件下（高、低温，单负载或多负载等）的信号波形，分析其接口性能，给出该器件是否满足系统要求的选型建议。 2)若同一器件有多种封装，应该结合当前我们的供应商的技术水平和我们生产的工艺水平，选择易于设计和实现的PCB封装形式，给出选型建议。,系统分析阶段,物理实现关键技术分析: 物理实现即PCB设计实现方案。根据系统中不同的信号特性，可选择从如下几个方面进行分析。 当系统中有高速总线时，如果需要在PCB板上传输较长的距离，且收发器对传输中的信号抖动、损耗有严格要求；或者信号要求有较高的传输线特征阻抗，预计用普通FR4材料设计单板将严重超出结构要求的厚度。这时可考虑使用低损耗、低介电常数的材料。 小信号低噪声的要求：也需要从材料、布局、布线考虑,系统分析阶段,若预测单板布线密度很大，采用常规的通孔设计方法无法在有限的PCB信号层内完成布线时，可考虑使用埋盲孔设计方法。 注：是否采用这种方法需要考虑单板工艺、采购的综合成本和生产加工等因素再决定。因为，由于目前国内PCB加工厂家的加工工艺有限，同时我们的测试手段也受限制，所以采用埋盲孔设计的单板，加工直通率相对较低，若预计今后单板批量生产量较大时，应尽量避免使用这些非常规设计方法。,课程主要内容,一、互连设计的基本概念与部门职能 1）什么是互连设计？ 2）互连设计的常见形式 二、互连设计中基本概念介绍 三、PCB设计规范的流程： 1）系统分析阶段 2）布局阶段 3）布线阶段 4）测试和验证阶段,布局阶段,理解设计要求并制定设计计划 1)仔细审读原理图和功能框图，在与原理图设计者充分交流的基础上，确认PCB设计的电气性能要求。 2)在与原理图设计者交流的基础上制定出单板的PCB设计计划，填写设计记录表，计划要包含设计过程中原理图调入、预布局、仿真分析、布局完成、布局评审、布线完成、布线评审、光绘完成等关键检查点的时间要求。设计计划应由PCB设计者和原理图设计者双方签字认可。如果出现由于种种原因导致设计计划推迟的情况，要制定相应的调整计划，而且需注明原因并由相关人员签字确认。,布局阶段,创建网络表和板框 1)对于改板、归档或套用板框的PCB文件必须由研发提供VSS路径或版本号从文档室申请。 2)对原理图的规范性进行检查，积极协助原理图设计者排除错误，保证网络表的正确性和完整性。 3)协助原理图设计者根据器件编码与封装对应相关数据库确定器件的封装。 4)对于新器件或新模型，将器件的封装资料或模型资料提供给相关的建库人员或模型验证人员。,布局阶段,5)根据原理图和PCB设计工具的特性，选用正确的网络表格式，创建符合要求的网络表。 6)根据结构要素图或对应的标准板框， 创建PCB设计文件。 坐标原点必须为选择单板左边、下边的延长线交汇点。 7)板框四周倒圆角，倒角半径5mm/197mil。特殊情况参考结构设计要求。,布局阶段,预布局 参考原理图和功能框图根据信号流向放置重要的单元电路和核心器件。 直接布局：普通小板（器件数500,PIN1000）,布局阶段,布局的基本原则一: 1)与相关人员沟通以满足结构、SI、DFM、EMC等方面的特殊要求。 2)根据结构要素图，放置接插件、安装孔、指示灯等需要定位的器件，并给这些器件赋予不可移动属性， 并进行尺寸标注。 3)根据结构要素图和某些器件的特殊要求，设置禁止布线区、禁止布局区域。 4)综合考虑PCB性能和加工的效率选择工艺加工流程（优先为单面SMT；单面SMT+插件；双面SMT；双面SMT+插件），并根据不同的加工工艺特点布局。,布局阶段,布局的基本原则二: 5)布局时参考预布局的结果，根据“先大后小，先难后易”的布局原则。 布局应尽量满足以下要求：总的连线尽可能短，关键信号线最短；高电压、大电流信号与低电压、小电流信号的弱信号完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间距要充分。在满足仿真和时序分析要求的前提下，局部调整。 考虑模拟数字电源地的划分 7)相同电路部分尽可能采用对称式模块化布局。,布局阶段,布局的基本原则三: 8)布局设置建议栅格为50mil，IC器件布局，栅格建议为25 25 25 25 mil。布局密度较高时，小型表面贴装器件，栅格设置建议不少于5mil。布局时，考虑fanout和测试点的位置，以器件中心点参考移动，考虑在两个过孔中间走两根走线，如下图：,布局阶段,布局阶段,布局阶段,布局的基本原则四: 10)根据信号质量、EMC的要求，合理的确定布线层设置，完成电源地分割。 11布完局后所有器件必须放置在PCB板内。 12)布完局后打印出装配图供原理图设计者检查器件封装的正确性，并且确认单板、背板和接插件的信号对应关系。 13布完局后经工艺人员、EMC人员、热设计、结构、安规等人员确认无误，或走Trac流程评审意见修改后方可开始布线。,布局阶段,对于模拟小信号的要求: 就模拟信号而言本身就容易受到其他信号的干扰，一般要求远离干扰源，回流路径连续； 对于信号电流电压较小时，在布局布线方面更应该重点考虑。 设计原则：路径短采用带状线。 对于高速信号的要求: 假如信号的上升沿时间小于倍的信号传输延时时，我们可视它为高速信号。这时我们必须用传输线的方法和手段来分析。高速信号的特点要求我们在设计中必须对关键的信号制定约束规则，由约束规则驱动布局布线。,布局阶段,差分线: 对于差分结构的网络，需要考虑： 差分阻抗（差分线的单线阻抗仅具有参考价值）。通过阻抗计算软件计算可得。 与其它网络的间距。为了减少差分线与其它信号的耦合作用，应使差分线对与其他信号线的距离大于差分线间距。,布局阶段,时钟线: 对于时钟线的网络需考虑 匹配方式和阻抗的选取 满足时钟信号时序（长度）要求。,布局阶段,印制版层叠设计: 根据单板的电源地的