如何为制造和组装做好最好的PCB设计准备

在本文中，MacroFab 的首席 EE 和联合创始人 Parker Dillman 介绍了如何为制造和组装做好最好的 PCB 设计准备。

这是一种常见的情况：您是一名硬件开发人员，并且您的下一个产品的最后期限迫在眉睫。一个糟糕的原型 PCB 将使项目延迟数周，您需要降低这种风险。第一次正确组装PCB、快速且没有问题是至关重要的。

为了尽量减少这些潜在问题，我编制了一些提示列表，以帮助您准备下一个原型以进行制造。

仔细检查足迹和包装

确保封装与组件的封装相匹配是避免制造挂起的第一种方法。考虑到一些组件已经变得多么小，以及像 BGA 组件这样的封装触点，现在以 1:1 的比例在纸上打印出你的 PCB，然后覆盖你的部件的老式方法只到现在为止。

仔细检查封装上的尺寸是否与您的设计单位（mm 或 mil）相匹配。

一些元件制造商不友善，将元件的机械布局绘制成从底部看透明的PCB。请务必注意这一点。

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 工具可以绘制投影线和尺寸线，则可能值得以与组件数据表中的机械图相匹配的方式测量您的足迹。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组件封装之间映射的好时机。稳压器引出线、分立 MOSFET 和晶体管通常很容易翻转。

具有极性的组件应检查其封装，以确保清楚地标记极性标记。这包括 IC 引脚一标记、二极管阴极标记和极化电容器标记。

图 2. CREE LED 上引脚 1 的标记。

选择大量经过测试的零件替代品

当关键部件不可用且没有经过预先测试和批准的替代品时，通常会出现生产延迟。如果某个部件具有可行的替代品，但处于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个替代品。这降低了将来切换到替代部件时所涉及的风险。

图 3. Mouser 上标记为 NRND 或不推荐用于新设计的寿命终止部件

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），请检查零件制造时的零件寿命。制造商会将计划停产的组件标记为“不推荐用于新设计”。

通常，制造商保证制造零件的固定寿命，并在零件寿命终止 （EoL） 时通知用户。确保您需要的零件在产品的生产寿命结束之前都可用，以帮助防止成本高昂的产品重新设计。

利用预先认证的无线电模块

如果您的产品使用蓝牙或 WiFi，请考虑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，保证可以使用相关的 FCC 识别号正确运行。使用预先认证的无线电模块增加了正常运行的无线系统的机会，也将减少未能通过 FCC 和 CE 无线电发射合规性测试的可能性。

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），制造商的数据表中会有推荐的布局。遵循推荐的布局很可能是您通往成功的最快途径。

在进行 PCB 布局时需要注意一些事项。首先，收发器和天线之间的阻抗必须匹配。其次，收发器的数据表应该包含更多关于选择合适的天线、设计调谐滤波器以及实现最佳性能所需的正确阻抗的详细信息。

如果您设计自己的无线连接，我强烈建议您对您的产品进行预一致性测试。预合规性测试有望发现您的设计中存在的任何明显问题。在时钟、振荡器和传输频谱中寻找目标范围内的频率谐波。

不要忘记去耦电容

电气元件需要稳定的电压源，并且应该在 PCB 上靠近每个有源元件的地方安装去耦电容器。去耦电容在尽可能靠近组件的电源引脚时效果最佳。

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处使用去耦电容器。传感器、ADC 和 FPGA 等功率敏感部件可能还需要包括接地引脚的去耦电容。去耦电容应与电源和组件串联，因为这样可以提高电容的性能。

使用适当的走线宽度和间距保护您的电路板

大电流走线的尺寸必须适当，以确保它们不会烧坏您的 PCB。我建议使用在线走线宽度计算器进行计算。电路板外部的走线可以处理比内部更多的电流，因为外部走线更容易散发产生的热量。为了降低热量，请尝试将走线宽度计算器上的温升指定为 10C。但是，如果您没有足够的空间放置这么宽的迹线，那么对于大多数应用来说，20ºC 的温升应该没问题。

如果您无法将走线布线得足够宽，则可能需要使用更厚的铜重量，这将增加电流容量。但是，增加铜的重量厚度可能会导致设计规则检查 （DRC） 出现最小的走线宽度和间距问题，因此请务必考虑到这一点。通常随着铜重量的增加而变厚将需要更大的走线宽度和空间，并增加每 PCB 单价的价格。

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

选择正确的电源稳压器路由

嵌入式系统中的稳压器主要有两种类型：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

线性稳压器吸收多余的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器即可正常运行，并且噪声低于开关稳压器。有两件事要确保正确使用线性稳压器：

考虑您的电容器选择。请遵循制造商关于用于绕过稳压器的电容器的类型、值和位置的指南。通常，电容器应尽可能靠近稳压器的输入和输出引脚。

照顾好热量。一般来说，这意味着确保您为调节器选择的封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您的朋友。如果铜浇注量不够大，则需要散热器。

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，开关稳压器不会出现热量问题，但您需要仔细选择组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） 并导致产品在 FCC/CE 合规阶段出现故障。

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。

保持切换器的反馈回路尽可能小。这将降低 EMF 和寄生电阻、电感和电容。

密切注意您的开关稳压器输出电容器 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哪里设置值。

对于设计切换器，我喜欢使用Texas Instruments Webench。它为您所需的规格生成多种设计，并为您提供正确设计开关器所需的电感器和电容器的零件编号。

包括大型铜迹线和浇注的热释放

通过将焊盘连接到铜迹线或使用较小的窄迹线而不是直接连接来浇注，可以创建具有散热功能的铜焊盘。热释放减少了将组件焊接到焊盘的热负荷。由于铜散热太快，这减少了冷焊点的机会。

您应该注意通过散热区域的电流负载。如果这些设计太窄，您最终可能会使用单向保险丝。

优化您的 SMT 装配设计

当您使用尽可能多的 SMT 组件时，生产成本和装配时间都会受到积极影响。如果连接器仅在产品组装期间进行接口连接（例如在产品组装期间连接内部锂电池），则可以创建 SMT 连接器。

有时需要通孔部件。与人接触的连接器应几乎始终是通孔的，以防止在操作过程中强行移除部件。使用通孔零件时，请与您的合同制造商合作，了解您需要在零件周围留出多少空间来优化波峰焊或选择性焊接。如果其他组件太靠近通孔触点，合同制造商可能不得不手工焊接连接器，从而减慢您的组装过程并增加成本。

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。请与您的制造商核实他们的设计规则。大多数制造商都有不同级别的缩放设计规则。如果你能摆脱更大、更标准的设计规则，你应该这样做。

在将您的设计文件发送给您的制造商之前，我建议您最后一次运行您的 DRC 并检查以下事项：

运行设计规则检查 （DRC）

检查连接和路线

使用您的 EDA 工具的“airwires”或“rat lines”直观地显示信号网络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印文本