如何准备 PCB 以进行制造？使用设计最佳实践加速 PCB 组装

在本文中，MacroFab 首席 EE 和联合创始人 Parker Dillman 介绍了如何最好地准备 PCB 设计以进行制造和组装。

在本文中，MacroFab 首席 EE 和联合创始人 Parker Dillman 介绍了如何最好地准备 PCB 设计以进行制造和组装。

这是一种常见的情况：您是一名硬件开发人员，您的下一个产品的截止日期迫在眉睫。糟糕的原型 PCB 会使项目延迟数周，您需要降低这种风险。第一时间正确组装 PCB 是最重要的。

为了尽量减少这些潜在问题，我整理了一些技巧列表，以帮助您准备下一个制造原型。

仔细检查封装和封装

确保封装与组件的封装匹配是避免制造中断的第一种方法。考虑到某些组件已经变得如此之小以及在 BGA 组件等封装触点下，这种以 1:1 的比例在纸上打印出您的 PCB 然后覆盖您的零件的老式方法现在只能走这么远了。

仔细检查封装上的尺寸是否与您的设计单位（毫米或密耳）相匹配。

一些组件制造商不厚道，绘制组件的机械布局就像从底部看透明的 PCB 一样。一定要注意这一点。

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 工具可以绘制投影和尺寸线，那么以与组件数据表中的机械图相匹配的方式测量您的足迹可能是值得的。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元件封装之间的映射的好时机。稳压器引出线、分立式 MOSFET 和晶体管通常很容易翻转。

应检查具有极性的组件的封装以确保极性标记清晰。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. 在 CREE LED 上标记引脚 1。

寻找大量经过测试的零件替代品

当关键部件不可用并且没有预先测试和批准的替代品时，通常会出现生产延迟。如果某个零件有可行的替代品，但在您的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 的报废部件标记为 NRND 或不推荐用于新设计

如果您拥有没有任何直接替代品（微控制器、专用传感器等）的独特零件，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，制造商保证制造部件的设定使用寿命，并会在部件生命周期结束 (EoL) 时通知用户。确保您需要的部件在您产品的生产生命周期结束之前一直可用，以帮助防止在未来进行代价高昂的产品重新设计。

使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，保证能够通过相关联的 FCC 识别号正常运行。使用预先认证的无线电模块可以增加无线系统正常运行的机会，同时也可以降低 FCC 和 CE 无线电发射合规性测试失败的可能性。

图 4。 OSBeehives 的 BuzzBox 由 Particle Photon 预认证无线电模块提供支持。图片由 OSBeehives 提供。

考虑您的无线天线布局

如果您认为将无线连接滚动到 PCB 上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获得成功的最快途径。

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。预一致性测试有望发现您的设计中的任何明显问题。在时钟、振荡器和传输频谱中寻找您想要的频率谐波。

不要忘记去耦电容器

电子元件需要稳定的电压源，并且去耦电容器应包含在靠近每个有源元件的 PCB 上。去耦电容尽可能靠近组件的电源引脚时效果最佳。

图 5. 去耦电容确保这款德州仪器 LVDS 转换器 具有平滑的力量。

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上安装去耦电容器。对于传感器、ADC 和 FPGA 等功率敏感部件，您可能还希望包括接地引脚的去耦电容。去耦电容应与电源和元件串联，以提高电容的性能。

图 6. 旁路或去耦电容应与电源串联放置。

使用适当的走线宽度和间距保护您的电路板

高电流走线的尺寸必须适当，以确保它们不会烧毁您的 PCB。我建议使用在线迹线宽度计算器来进行计算。电路板外部的走线可以比内部处理更多的电流，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那么宽的走线，那么对于大多数应用来说，20ºC 的温升应该就可以了。

如果您无法布线足够宽的走线，您可能需要使用更厚的铜板，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) 的最小走线宽度和间距问题，因此请务必将其考虑在内。通常，随着铜的重量变厚，需要更大的走线宽度和空间，并增加每块 PCB 单价的价格。

图 7. 焊盘之间的布线被切断以增加电压隔离。图片由 MAKESafe Tools 的 Scott Swaaley 提供。

一个经常被忽视的问题是确保高压走线彼此充分隔离。如果您的产品连接到市电电压，您需要确保电压不会越过气隙而短路。

选择合适的电源稳压器布线

嵌入式系统中有两种主要类型的稳压器：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

线性稳压器接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，并且噪声比开关稳压器低。有两件事要确保正确使用线性稳压器：

1. 考虑您的电容器选择。 遵循制造商关于用于旁路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。
2. 注意保暖。 通常，这意味着确保您为稳压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。铜浇注和过孔缝合将是您的朋友。如果覆铜不够大，则需要散热器。

图 8. 带铜线的线性稳压器 倾倒 用于散热。

使用开关稳压器

开关稳压器比线性稳压器更高效，但设计起来更复杂。通常，热量不是开关稳压器的问题，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。

1. 遵循推荐的布局 与制造商密切相关。 这些布局已经过测试，可以正常工作。
2. 使切换台的反馈回路尽可能小。 这将减少 EMF 和寄生电阻、电感和电容。
3. 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。

在设计切换器时，我喜欢使用 Texas Instruments Webench。它可以根据您所需的规格生成多种设计，并为您提供正确设计开关所需的电感器和电容器的部件号。

包括大型铜迹线和浇注的散热

通过将焊盘连接到铜迹线或使用较小的窄迹线浇注而不是直接连接来创建具有散热功能的铜焊盘。散热降低了将元件焊接到焊盘上的热负荷。这减少了由于铜散热太快而导致冷焊点的机会。

图 9。 大型 SMT 焊盘上的散热片以促进连接的正确焊接。

您应该注意通过散热区域的电流负载。如果这些设计得太窄，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。

图 10. 波形托盘工具可实现更快的通孔连接器焊接。

有时需要通孔部件。与人接触的连接器几乎总是通孔，以防止部件在操作过程中被强行移除。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以优化波峰焊或选择性焊接。如果其他组件离通孔触点太近，合同制造商可能不得不手工焊接连接器，这会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。请与您的制造商核对他们的设计规则。大多数制造商都有不同级别的缩放设计规则。如果你能摆脱更大和更标准的设计规则，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”直观地显示哪些部分焊盘在信号网上相互连接
• 更新日期代码、PCB 版本控制或元数据的任何丝印文本

总结

我希望本文能指导您改进 PCB 设计流程，并帮助您降低订购 PCB 组件和扩大产品生产的风险。预组装的计划越多，生产中的小问题就越少。

如需更多信息，请查看我对 All About Circuits 团队的采访，并阅读我为 FAB 前和生产注意事项编写的清单。

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