印刷电路板导论
现代世界充斥着电子设备。无论是无声监测生命体征的设备，还是具有无尽通知流的智能手机，它们的设计核心都包含PCB电路板。多年来，印刷电路板制造业持续增长，以跟上更新，更快，更复杂的电子电路日益增长的需求。关于设计和设计PCB电路板所涉及的过程的讨论可以填满一个图书馆，但在这里我们将提供基础知识的表面介绍。
什么是印刷电路板?
印刷电路板是一种刚性结构，它包含由嵌入式金属表面(称为走线)和更大面积的金属(称为平面)组成的电路。组件焊接到电路板上的金属垫片上，金属垫片连接到电路板电路上。这允许组件相互连接。电路板可以由一层、两层或多层电路组成。
电路板由导电性能较差的电介质芯材料制成，以确保纯电路传输，并根据需要与额外的金属和电介质层间隔。电路板使用的标准介电材料是一种由编织玻璃纤维布和环氧树脂制成的阻燃复合材料，称为FR-4，而电路的金属线和面通常由铜组成。
板类
印刷电路板有多种用途。pcb的一个显著特征是它们的类别- 1、2或3。PCB的等级表明其整体可靠性和设计质量。
第1类板指定一个消费者电子产品。
第2类板在高可靠性很重要但不是至关重要的设备中发现。这些设备尽量减少故障。
第3类板代表PCB最严格的制造标准。简单地说，如果3级电路板失效，生命就会立即受到威胁——例如，飞机上的电路板。
印刷电路板的类型
一般情况下，单板可以分为三种类型:刚性板、柔性板和金属芯板。
刚性板通常是设计师遇到的绝大多数板，其中板的布局包含在由高温和高压层压工艺创建的刚性基板中。这些板的常见材料是FR-4，但根据设计的特殊需要，可以对其进行修改，以强调或以其他方式改善板的某些特性。
灵活的董事会由一种不那么坚硬的材料组成，允许更大的挠度。这种材料在触感上让人联想到胶片卷，而且其厚度通常远小于标准刚性板。虽然他们已经看到了一些用途，但人们希望柔性板将引领可穿戴技术的下一步，并消除目前刚性板设备固有的平面限制。
金属芯多氯联苯是刚性板设计的一个分支，具有增加的能力，在整个板散热，以保护敏感电路。这种风格可以作为大电流设计的一种选择，以防止热磨损和故障。
只要有受控的电磁存在，印刷电路板就构成了维持它的基础设施。当然，电路板不是凭空冒出来的——它们的设计和制造本身就是一项巨大的工程工程。
印刷电路板的设计过程
在制造印刷电路板之前，必须对其进行设计。这是利用PCB电路板设计CAD工具完成的。PCB设计分为两大类:原理图捕捉，在图中创建电路连接性，然后PCB布局，设计实际的物理电路板。
开发库CAD零件
第一步是开发设计所需的库CAD零件。这将包括原理图符号，仿真模型，PCB布局的足迹，以及3D印刷电路板显示的步骤模型。一旦库准备好了，下一步就是在原理图上创建电路的逻辑表示。CAD工具用于将符号放在原理图上，然后将它们连接在一起以形成电路。
同时，运行电路仿真，以验证该设计将以电气方式工作。完成这些任务后，原理图工具将把连接数据发送给布局工具。
布局
在PCB设计的布局方面，原理图连接被接收并作为将两个或多个组件引脚连接在一起的网络进行处理。在屏幕上显示出预期的电路板形状轮廓后，布局设计人员将在正确的位置放置组件足迹。一旦这些组件被优化组织，下一步是通过绘制引脚之间的轨迹和平面来将网络连接到引脚。CAD工具将内置设计规则，以防止一个网的痕迹接触另一个网，以及管理完整设计所需的许多其他宽度和空间。一旦布线完成，再次使用设计工具创建制造图纸和制造商将用于构建电路板的输出文件。
电路板的设计和制造是一个循序渐进的过程:原理图的创建和仿真，设置PCB设计网格和drc，元件放置，PCB布线，电源平面，最后组装BOM和构建电路板。下一阶段的设计将集中在这些步骤上。
如何制作印刷电路板
虽然PCB的设计和制造可以概括为原理图捕获、PCB布局和电路板制造和组装，但每个步骤的细节都非常复杂。我们将在这里看一下这些步骤的一些更具体的方面。
创建示意图
在开始设计CAD工具内的电路板之前，有必要确保完成库中的部分设计。对于原理图，这意味着为将要实现的部分创建逻辑符号;电阻，电容器，电感，连接器和集成电路(ic)。
这些部件准备好使用后，开始在CAD工具中的原理图上组织它们。一旦零件被大致放置，电线可以画出，代表的连接针之间的原理图符号．这些线被称为网络，它们可以代表单个网络或存储或数据电路的网络组。在原理图捕获，工艺部件必须根据需要移动，以创建清晰易读的原理图。
模拟电路
在原理图上组织好部件和网络后，下一步是验证电路是否能以预期的方式工作。要验证这一点，请使用集成电路重点工具在仿真程序中进行电路仿真，也被称为SPICE．这些工具允许PCB工程师在构建实际硬件之前测试他们正在设计的电路。因此，他们可以节省时间和金钱，使这些工具成为PCB设计过程的重要组成部分。
CAD工具设置
PCB设计人员使用的设计工具有许多不同的功能，包括设置的能力设计规则还有一些约束，可以防止不同的网络重叠，同时保持与不同物体的正确距离。对于设计人员来说，还有许多额外的辅助工具，例如设计网格这有助于以整齐有序的方式放置组件和路由跟踪。
使用OrCAD Capture创建的原理图示例
布局组件
在正确设置了设计数据库并从原理图导入了网络连接信息之后，物理电路板布局是下一个任务。第一步是在CAD系统的电路板轮廓中放置组件足迹。每个足迹都将网络连接显示为“鬼线”图像，以向设计师显示它们连接的部分。放置这些部件以获得最佳性能，同时注意连接性、过热和电气噪声区域以及其他物理障碍，如连接器、电缆和安装硬件，这是一项设计师将通过经验获得的任务。电路本身的要求并不是唯一的限制因素:设计者必须考虑元件的摆放方式，以使它们能够由制造商进行最佳组装。
布线PCB
放置组件后(尽管它们可以根据需要移动)，是时候将网络连接在一起了。这是通过将橡皮筋网连接转换成绘制的轨迹和面来完成的。CAD工具包含许多功能，使设计人员能够做到这一点，包括一些自动路由功能，可以节省大量时间。伟大的布线时必须小心确保网的长度适合它们所传导的信号，并确保它们不会穿过过度噪声的区域。这可能会导致串扰或其他信号完整性问题，可能会降低构建板的性能。
确保清晰的PCB返回电流路径
通常，板上的每个有源组件(ic和其他相关组件)都需要连接到电源和接地网。这很容易通过将这些组件可以接入的固体平面淹没区域或层来实现。但是,设计电源和地面平面并不像看上去那么简单。这些平面还做着重要的工作，即返回用轨迹路由的信号。如果平面上有太多的孔、切口或裂缝，则会导致这些返回路径产生大量噪声，并降低PCB的性能。
最终规则检查
元件放置、布线、电源和接地平面完成后，PCB设计就基本完成了。下一步是运行一个最终的规则检查，并设置不同的文本和标记，将丝印在外层。这将帮助其他人找到组件，并为电路板贴上名称、日期和版权信息的标签。同时，图纸将需要输出，将生产过程中使用制作和组装最终板。PCB设计人员还将使用他们的工具来提出建造电路板的成本估算。
下面是一个用OrCAD PCB Designer创建的印刷电路板示例
搭建板子
在这一点上，板已经准备好构建，第一步是将输出数据文件发送到设备进行制造。这个过程包括蚀刻所有的痕迹和面到不同的金属层，并将它们压缩在一起，产生一个裸板准备装配．
在组装设施中，电路板装载了所需的组件，并根据所使用的组件类型进行不同的焊接工艺。然后对电路板进行检查和测试，最终产品就准备好发货了。
使用PCB工具进行高质量的设计
印刷电路板的制造和组装过程是精确和苛刻的。为了使电路板的电路达到要求的性能，制造商需要精确的设计数据。
PCB电路板设计工具必须具有创建复杂设计所需的特性和功能。这包括专门的功能，帮助路由高速电路复杂的痕迹和设计规则，可以很容易地设置为特定的区域间隙。它还包括拥有最好的模拟工具来简化原理图捕获过程，以及提供丰富的库部件来使用。好消息是，已经有PCB设计工具可供您使用，可以处理我们一直在谈论的设计专业知识水平。考虑到PCB设计系统从Cadence为您的所有设计工具需求。
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