新電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中,會(huì)依照電子產(chǎn)品功能訂定規(guī)格,再依照功能規(guī)格設(shè)計(jì)電路,并依序完成電路圖繪制、設(shè)計(jì)電路板、樣品試作及功能驗(yàn)證等作業(yè),最后才大量生產(chǎn)。
1. 訂定功能需求
企業(yè)根據(jù)開(kāi)發(fā)需求,訂定電子產(chǎn)品的功能及外觀,并將相關(guān)功能規(guī)格交給電子設(shè)計(jì)工程師(E.E Enginer),將外觀設(shè)計(jì)交給結(jié)構(gòu)工程師,電子設(shè)計(jì)工程師可用硬體實(shí)作或軟件模擬將各電路功能逐一設(shè)計(jì)完成。
2. 繪制電路圖
電子設(shè)計(jì)工程師將電路設(shè)計(jì)完成并經(jīng)確認(rèn)后,開(kāi)始使用電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行整體電路圖(Schematic)繪制工作,完成后再交由PCB布局工程師(PCB Layout Enginer)進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)工作。
3. 設(shè)計(jì)電路板
PCB布局工程師根據(jù)電子工程師提供的電路圖及實(shí)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范,先進(jìn)行零件布局,再依零件擺放位置進(jìn)行電路布線,完成后即可由電路板編輯器產(chǎn)生電路板底片檔(Gerber Files),交由電路板工廠進(jìn)行樣品(PCB Sample)試做,待完成后交回給電子設(shè)計(jì)工程師。
4. PCBA組裝測(cè)試
電子設(shè)計(jì)工程師收到電路板樣品后,進(jìn)行零件的PCBA組裝焊接,并進(jìn)行功能除錯(cuò)及驗(yàn)證,并與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做PCBA組裝測(cè)試,完成測(cè)試后即可大量生產(chǎn)。
整個(gè)電路板的設(shè)計(jì)流程可分為三個(gè)階段:
第一階段資料搜集/建立
1. 繪制電路圖
繪制電路圖前,因?yàn)殡娐穲D編輯器的初始設(shè)定,并非適用于每種產(chǎn)品,因此,會(huì)先針對(duì)作業(yè)環(huán)境作適宜的修改,例如重新設(shè)定圖紙大小(Sheet Size)、圖框(Sheet Border)、屏幕顯示格點(diǎn)(Display Grid)及工作設(shè)計(jì)格點(diǎn)(Design Grid)距離等。
接著開(kāi)始將零件從零件庫(kù)(Library)取出,擺放至適當(dāng)位置,如欲使用的自建的零件庫(kù),須先掛載到編輯器中。然后依原始電路圖,使用連接線將零件腳位連接(如圖1-7所示)。如果電路太大一張圖紙放不下,會(huì)分開(kāi)于數(shù)張圖紙上,其中電氣特性相同的腳位,會(huì)以端點(diǎn)連接器(Off-Page)做連結(jié),一般會(huì)將組成同一功能的零件放在相鄰區(qū)域。
圖1 電路圖
2. 各類(lèi)文件輸出
在圖紙右下方,標(biāo)注電路圖相關(guān)資訊,最后輸出相關(guān)文件,如電路的PDF文件、BOM表(Bil Of Material ,零件列表)、Netlist(網(wǎng)路表)等。
第二階段電路建立及布線
1. 取得電路板框資料
因?yàn)樵诹慵季智靶柘仍O(shè)定電路板外型及大小,所以,先取得結(jié)構(gòu)工程師的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖,以取得電路板框尺寸及高度限制等資料。
2. 電路圖資料轉(zhuǎn)換成電路板
電路板編輯器其操作環(huán)境初始設(shè)定未必是合適的,因此在開(kāi)啟電路板編輯器后,會(huì)先針對(duì)操作環(huán)境作適宜的修改,例如設(shè)定走線寬度(Trace Width)、屏幕顯示格點(diǎn)及工作設(shè)計(jì)格點(diǎn)等。再根據(jù)電路圖編輯器所產(chǎn)生的網(wǎng)路表(Netlist),轉(zhuǎn)入至電路板編輯器中,以便取得所有零件的包裝(Package)及各包裝間的電器特性連接資料。電路圖編輯器中零件腳位間的連接線,此時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)成使用預(yù)拉線 (Connection,或稱(chēng)鼠線) 連接(如圖1-8所示)。
圖2 零件間使用預(yù)拉線連接
3. 電路板布局
電路板零件的擺放布局必須考慮結(jié)構(gòu)大小、布線長(zhǎng)度、美觀等因素。因?yàn)楫a(chǎn)品結(jié)構(gòu)是固定的,零件的位置必須先考慮與結(jié)構(gòu)相互搭配的零件,如開(kāi)關(guān)、音量調(diào)節(jié)的可變電阻、DC電源座等,都是必須先固定在某個(gè)位置上,然后盡量讓相互連接的零件放在同一區(qū)域,最后再考慮整體的美觀,可將相同零件排在一起,例如電阻、電容、LED等。圖1-9為電路板零件布局完成圖,其中S1、J1及U1為配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置必須固定。
一般布局原則及順序如下︰
(1) 必須固定位置的零件,如︰螺絲孔、開(kāi)關(guān)、可變電阻、連接座等。
(2) 主要零件或較大型零件,如︰單晶片、變壓器、繼電器等。
(3) 次要零件或小型零件,如︰電晶體、電阻、電容等。
圖3 電路板零件布局
4. 電路板布線
較復(fù)雜的電路板銅箔布線,一般會(huì)先訂定布線規(guī)范(Routing Constraint),可讓軟件在布線的過(guò)程中自動(dòng)檢查是否符合規(guī)范,如︰走線和走線、走線和零件、零件和零件間的間距、是否限定走線長(zhǎng)度等。布線可分為人工布線(Manual Routing)及自動(dòng)布線(Auto Routing),如下說(shuō)明︰
(1) 人工布線
全部的走線均由人工一條一條布線,優(yōu)點(diǎn)是布線最佳化,可有效的利用電路板空間,亦考慮到走線間的美觀,缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng),圖1-10為人工布線電路板圖。
圖4 使用單面板做人工布線
(2) 自動(dòng)布線
自動(dòng)布線前必須先輸入布線規(guī)范,自動(dòng)布線軟件再依規(guī)范做多次嘗試性的布線,但自動(dòng)布線尚無(wú)法做到最佳化的布線,所以,最后還是需要使用人工做修改。因自動(dòng)布線大量的使用貫孔(Via),導(dǎo)致浪費(fèi)電路板空間,專(zhuān)業(yè)的布線工程師較不會(huì)采用自動(dòng)布線方式,圖1-11 為未經(jīng)人工修正之自動(dòng)布線電路板圖。
圖5 使用雙面板做自動(dòng)布線
5. 設(shè)計(jì)驗(yàn)證(Verify Design)
由于有些電路板編輯器不會(huì)對(duì)手工布線做錯(cuò)誤檢查。所以,對(duì)于必須另外做安全間距(Clearance)驗(yàn)證,以檢查布線結(jié)果是否符合布線規(guī)范;未接線(Connectivity)驗(yàn)證,以檢查是否已完成所有走線。當(dāng)然,對(duì)于較復(fù)雜的電路還需做其他如高速走線(High Speed)驗(yàn)證、導(dǎo)孔數(shù)量(Maximum via count)驗(yàn)證、電源板層(Plane)驗(yàn)證、測(cè)試點(diǎn)(Test Point)驗(yàn)證及電路板制造 (Fabrication)相關(guān)驗(yàn)證、等檢查。
第三階段資料匯出
電路板設(shè)計(jì)流程的最后階段,是要做出圖前的處理,如電路板文字面、底片檔輸出等,以下列出此階段重點(diǎn)工作︰
1. 重排零件序號(hào)
電路板上文字面的零件序號(hào)(Reference Designator),是由電路圖所指定的,為了方便未來(lái)的測(cè)試或維修,將零件序號(hào)依照其在電路板的位置重新排序,當(dāng)然電路板編輯器會(huì)將新的零件序號(hào)傳回(Back Anotation)原電路圖,使電路圖和電路板零件序號(hào)保持一致性。
2. 調(diào)整零件序號(hào)方向及位置
由于零件布局時(shí),序號(hào)文字方向可能已隨零件旋轉(zhuǎn),或是移動(dòng)零件時(shí),序號(hào)的字面遮蓋到零件本體、腳位或貫孔上,必須做適當(dāng)調(diào)整以利辨識(shí)。
3. 加入文字訊息
一般會(huì)在電路板上加入型號(hào)、設(shè)計(jì)日期、版本、公司商標(biāo)、網(wǎng)址等文字或圖形資料,這些都是和零件序號(hào)一樣在文字層( Silkscren Layer )中顯示。
4. 輸出底片檔
最后電路板編輯器必須產(chǎn)生底片檔(Gerber Files),才能交由電路板制造工廠試做樣品,以雙面電路板為例,必須輸出的底片檔如下說(shuō)明︰
Routing TOP 正面的走線層(可選擇含板框Board Outline資料)
Routing BOTTOM 背面的走線層(可選擇含板框Board Outline資料)
Silkscreen 文字絲印層
Solder Mask TOP 正面的防焊層
Solder Mask BOTTOM 背面的防焊層
NC Drill 鉆孔層
5. 產(chǎn)生報(bào)表
當(dāng)完成電路板后,應(yīng)將相關(guān)資料以報(bào)表呈現(xiàn),以便于制造生產(chǎn)或測(cè)試時(shí)做參考,常見(jiàn)報(bào)表如下︰
(1) 零件列表 (Bil Of Material Report)
(2) 零件座標(biāo)列表 (Component Location Report)
(3) 訊號(hào)接點(diǎn)列表 (Net List Report)
(4) 測(cè)試點(diǎn)列表 (Testpin Report)
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