Trin 1 - Vælg det rigtige EDA-værktøj
De EDA-værktøjer, jeg ved, at mange bruger, er Altium Designer, Mentor PADS og Cadence (OrCAD og Allegro). Jeg har også brugt EAGLE, Protel og Lichuang EDA. Til begyndere anbefaler jeg Altium Designer. Til dem, der måske bliver professionelle, anbefaler jeg Cadence.
En stor del af det at lære PCB-design er at lære EDA-softwaren. Når man har lært softwaren at kende, skifter fokus til kredsløbsdesign og fremstillingsprocesser. Senere lærer man måske protokoller, firmware, højhastighedssignaler eller EMC. Så er EDA-værktøjet bare et værktøj, ikke hovedmålet.
Trin 2 - Færdiggør kredsløbsskemaet
For eksempel kan et lommelygtekredsløb se simpelt ud: to møntcelleholdere, en kontakt, en strømbegrænsende modstand og en LED. Dette udgør et meget simpelt skema.
For en mere kompleks funktion, som f.eks. et demo-kort til SPI Ethernet-chippen KSZ8851SNL, kan skemaet have brug for snesevis eller hundredvis af dele og hundredvis af net. Hvordan man tegner sådan et skema, er et stort emne. Denne artikel giver kun et overblik over PCB-designflowet.
Trin 3 - Tegn fodaftryk (komponentpakker)
Før du sætter dele ind i skemaet, tegner du hver dels fodaftryk. Når du har tegnet fodaftryk, placerer du delene i skemaet en efter en. Grunden til, at vi laver fodaftryk først, er, at når den samme del bruges mange gange, behøver vi ikke tegne den igen hver gang. Vi genbruger bare det gemte footprint. Det sparer en masse gentaget arbejde. Hvis alle footprints blev delt, ville designerne springe dette trin over.
I eksemplet med lommelygten brugte vi fire typer af dele. Hver del har et symbol i skemaet. For hvert symbol tilføjer vi pins og navne. Dette afslutter delens skematiske symbol og linker til dens footprint. For almindelige dele som modstande, kondensatorer eller induktorer har de fleste EDA-værktøjer eksempler på symboler og footprints. Du kan tage dem fra leverandørens bibliotek og gemme dem i dit eget bibliotek.
For sjældne dele som særlige IC'er eller stik skal du ofte tegne fodaftrykket i hånden ved hjælp af chippens datablad. For eksempel arbejdede jeg med Yaskawas Mechatrolink-protokolchip. Chippen kommer kun fra Yaskawa, og de leverer kun et datablad, ikke footprints til alle EDA-værktøjer. Jeg var nødt til at placere dens 100 pins en efter en og tildele dem navne og numre.
For store chips, som en ZYNQ XC7Z010-1CLG400I BGA med 400 pins, er opgaven stor. Du skal placere 400 pins, tilføje numre og navne. For store leverandørchips leverer producenterne normalt pinout-filer, der kan downloades. For eksempel leverer Xilinx Zynq-7000 pinout-filer, som du kan importere for at skabe skematiske symboler og footprints uden at skulle skrive 400 pins i hånden:
https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files/zynq7000-pkgs.html
For mange almindelige chips kan du også finde fodaftryk online. Se mit svar om, hvordan du søger og downloader chipskemaer og PCB-fodaftryk.
Trin 4 - Opret projektet, siderne og steddelene
Når du har lavet eller importeret footprints og symboler, skal du oprette projektet og siderne. Placer alle dele i PCB-projektet.
Trin 5 - Sæt ledninger i skemaet (forbind dele)
Forbind hver pin i henhold til netlisten. Dette skaber de logiske forbindelser mellem delene.
Trin 6 - Eksport/import af netliste
Skemaet viser alle ben og deres forbindelser. Når skemaet er færdigt, starter du PCB-layoutet. For PADS og Cadence kan skema- og PCB-værktøjerne være separate. Du skal eksportere netlisten fra skemaværktøjet og importere den til PCB-værktøjet. Altium integrerer skema og PCB, så du kan overføre netlisten med et enkelt klik. Netlisteformater deles ofte, så mange værktøjer kan eksportere og importere mellem hinanden. OrCAD og Allegro var engang separate værktøjer og blev senere fusioneret under Cadence.
Trin 7 - Tegn PCB-fodaftryk
Ligesom skematiske symboler har hver del brug for et PCB-fodaftryk. Et PCB-fodaftryk er et sæt puder, silketryk og den plads, som delen optager på printet. Ud fra chipbilledet og den mekaniske tegning ved du, hvordan du skal tegne fodaftrykket. Pads er normalt lidt større end pins. Loddemaskens åbninger er større end puderne. Stencil-laget matcher pad-størrelserne. For dele med gennemgående huller kan du også have brug for et keep-out eller negativt lag til de indre lag.
Silketryk viser normalt omridset af delen og pin-1-mærket. For almindelige footprints som SO14 kan du kopiere fra et eksisterende bibliotek.
Hvis en del er usædvanlig, skal du bruge databladet til at tegne fodaftrykket.
Trin 8 - Indstil grundlæggende PCB-parametre
Efter import af netlisten skal du indstille kortets grundlæggende elementer: kortets tykkelse, antal lag og lagstabel. Disse tre er grundlæggende, men kun lagantal vises typisk i outputfiler. Lagstabel og pladetykkelse kommunikeres normalt i tekst til producenten. Stackup-designet er vigtigt: Hvilke lag bærer signaler, hvilke er planer, og hvilke kombinerer plan og spor. På en 4-lags printplade er lag 2 og 3 ofte GND og VCC, mens top og bund er til routing. På et 6-lags kort kan man sætte GND på 2 og 5 og VCC på 3 eller 4. For 8+ lag er valgene fleksible.
Trin 9 - Tegn omridset af tavlen
Definer brættets form og områder, der skal holdes ude.
Trin 10 - Placer delene på printkortet
Placer delene, når fodaftrykkene er klar. Hvis et fodaftryk er usikkert, fordi du ikke har delen endnu, skal du placere andre dele først og komme tilbage senere.
Trin 11 - Indstil vias, sporbredde og afstandsstandarder
Indstil standard via-størrelser, sporbredde og -afstand. Disse standardværdier gælder under routing. For specielle net eller strømnet skal du justere midlertidigt.
Trin 12 - Indstil avancerede regler
Hvis der findes højhastighedssignaler, skal du indstille regler for routingbegrænsninger. Avancerede regler omfatter bredde/afstand mellem differentielle par, grænser for længdematch, indsnævring af puder og minimumsafstande. For eksempel kræver DDR3-signaler matchende længder: adresse-, clock- og kommandolinjer skal være lige lange; datalinjer og DQS skal have deres egen matchning. Dårlig længdekontrol kan ødelægge DDR-timing og fremtvinge lavere hastighed. Se disse DDR-ressourcer for flere detaljer:
- DDR-arbejdsprincip og DQS-håndtering: www.elecfans.com/d/682335.html
- Differentielt ur, DQS & DQM: www.cnblogs.com/edadoc/p/6387049.html
Nogle regler kan kræve routing først, derefter regelændringer og omarbejde for at opfylde reglerne.
Trin 13 - Rute og tegning af polygoner (figurer)
Routing forbinder skematiske net med kobberbaner. Det meste af tiden i printdesign bruges på routing. Der findes værktøjer til automatisk routing, men til komplekse print har deres resultater ofte brug for kraftig oprydning. Nogle eksperter kan indstille regler for at bruge auto-routing godt. Til højstrømsnet kan du bruge brede spor eller kobber. Brug plane zoner forbundet med pads som bloknetværk.
Fræsning kræver omhu: sporbredde, afstand, vinkler og retninger. Jeg kommer med tips til fræsning senere.
Trin 14 - Juster silketryk
Juster silketrykkets størrelse, placering og retning, så delnumrene er tydelige ved montering og test. Producenter trykker ofte deres logo eller datokode. Designere kan efterlade deres egne noter.
Trin 15 - Eksportér borefiler og Gerbers (plotfiler)
Efter placering, routing og silketryk kan du eksportere produktionsfiler. For Altium accepterer nogle kinesiske leverandører projektfiler direkte. Til PADS og Cadence skal du eksportere borefiler og Gerbers. Hvis der findes ikke-runde huller, skal du også eksportere fræsefiler til fræsere.
Trin 16 - Angiv fabrikationsparametre og procesnoter
Designfiler indeholder ikke alle parametre. Du skal sende tekstinstruktioner til parametre og krav, som filerne ikke udtrykker. Tjek online board houses for de muligheder, der skal specificeres. Jeg kender nogle board houses: JLCPCB, HQPCB, JietaiPCB, Xunjiexing, Xingsen, Lichuang osv. Nedenfor er der skærmbilleder af JLCPCB's parametre - mange parametre er måske ikke synlige her, men er nødvendige for komplekse boards. Online prototyping dækker normalt enklere behov.
Trin 17 - Justering af impedans og stackup
For højhastighedssignaler skal du angive den karakteristiske målimpedans. Når du sender til fabrikken, skal du designe din stackup og beregne linjebredder og -afstande for målimpedansen. Brug dine beregnede værdier ved routing. Efter routing skal du give fabrikken din stackup og impedansmål. Fabrikken vil tjekke med deres materialer og processer og fortælle dig, om der er brug for justeringer, og hvad den forventede impedansfejl er. Derefter kan du bekræfte, om målet er realistisk. Hvis du ikke beregner impedansen først og bare vælger stackup og bredder tilfældigt, er det ikke sikkert, at fabrikken kan opfylde kravene til både impedans og crosstalk.
Trin 18 - PCBA (samling og lodning)
Når du er færdig med PCB-filerne, og fabrikken har lavet pladerne, er næste skridt PCBA. Til masseproduktion bruges SMT-linjer. Til små serier eller prototyper kan mange dele (undtagen BGA, store jordpuder eller meget små 0201-dele) loddes i hånden. Ved små serier på under 10 boards kan manuel lodning være billigere og hurtigere end linjemontage.
Til samling skal du eksportere og sende:
- BOM (Bill of Materials),
- Pick-and-place-fil (delkoordinater og orientering),
- Indsæt maske Gerber (fra laget pastemask).
Mærk alle dele, og send styklister og referencer. Vent derefter på, at PCBA'en bliver færdig.
Med PCB EDA-software kan man ret nemt designe kredsløb og generere fotoplot-filer på en computer. Men fordi printkort er strukturelt komplekse, er de virkelige trin stadig ret detaljerede. Denne artikel fortæller dig ikke, hvilket kredsløb der gør hvad. Den viser kun PCB-designprocessen. Den dækker: footprint-tegning, skematisk tegning, PCB-layout og Gerber-eksport. Den giver et groft flow og nogle detaljer. Målet er at hjælpe dig med at forstå PCB-designtrinnene og matche hvert designtrin med det faktiske fremstillingstrin.
Trin 1 - Vælg det rigtige EDA-værktøj
De EDA-værktøjer, jeg ved, at mange bruger, er Altium Designer, Mentor PADS og Cadence (OrCAD og Allegro). Jeg har også brugt EAGLE, Protel og Lichuang EDA. Til begyndere anbefaler jeg Altium Designer. Til dem, der måske bliver professionelle, anbefaler jeg Cadence.
En stor del af det at lære PCB-design er at lære EDA-softwaren. Når man har lært softwaren at kende, skifter fokus til kredsløbsdesign og fremstillingsprocesser. Senere lærer man måske protokoller, firmware, højhastighedssignaler eller EMC. Så er EDA-værktøjet bare et værktøj, ikke hovedmålet.
Trin 2 - Færdiggør kredsløbsskemaet
For eksempel kan et lommelygtekredsløb se simpelt ud: to møntcelleholdere, en kontakt, en strømbegrænsende modstand og en LED. Dette udgør et meget simpelt skema.
For en mere kompleks funktion, som f.eks. et demo-kort til SPI Ethernet-chippen KSZ8851SNL, kan skemaet have brug for snesevis eller hundredvis af dele og hundredvis af net. Hvordan man tegner sådan et skema, er et stort emne. Denne artikel giver kun et overblik over PCB-designflowet.
Trin 3 - Tegn fodaftryk (komponentpakker)
Før du sætter dele ind i skemaet, tegner du hver dels fodaftryk. Når du har tegnet fodaftryk, placerer du delene i skemaet en efter en. Grunden til, at vi laver fodaftryk først, er, at når den samme del bruges mange gange, behøver vi ikke tegne den igen hver gang. Vi genbruger bare det gemte footprint. Det sparer en masse gentaget arbejde. Hvis alle footprints blev delt, ville designerne springe dette trin over.
I eksemplet med lommelygten brugte vi fire typer af dele. Hver del har et symbol i skemaet. For hvert symbol tilføjer vi pins og navne. Dette afslutter delens skematiske symbol og linker til dens footprint. For almindelige dele som modstande, kondensatorer eller induktorer har de fleste EDA-værktøjer eksempler på symboler og footprints. Du kan tage dem fra leverandørens bibliotek og gemme dem i dit eget bibliotek.
For sjældne dele som særlige IC'er eller stik skal du ofte tegne fodaftrykket i hånden ved hjælp af chippens datablad. For eksempel arbejdede jeg med Yaskawas Mechatrolink-protokolchip. Chippen kommer kun fra Yaskawa, og de leverer kun et datablad, ikke footprints til alle EDA-værktøjer. Jeg var nødt til at placere dens 100 pins en efter en og tildele dem navne og numre.
For store chips, som en ZYNQ XC7Z010-1CLG400I BGA med 400 pins, er opgaven stor. Du skal placere 400 pins, tilføje numre og navne. For store leverandørchips leverer producenterne normalt pinout-filer, der kan downloades. For eksempel leverer Xilinx Zynq-7000 pinout-filer, som du kan importere for at skabe skematiske symboler og footprints uden at skulle skrive 400 pins i hånden:
https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files/zynq7000-pkgs.html
For mange almindelige chips kan du også finde fodaftryk online. Se mit svar om, hvordan du søger og downloader chipskemaer og PCB-fodaftryk.
Trin 4 - Opret projektet, siderne og steddelene
Når du har lavet eller importeret footprints og symboler, skal du oprette projektet og siderne. Placer alle dele i PCB-projektet.
Trin 5 - Sæt ledninger i skemaet (forbind dele)
Forbind hver pin i henhold til netlisten. Dette skaber de logiske forbindelser mellem delene.
Trin 6 - Eksport/import af netliste
Skemaet viser alle ben og deres forbindelser. Når skemaet er færdigt, starter du PCB-layoutet. For PADS og Cadence kan skema- og PCB-værktøjerne være separate. Du skal eksportere netlisten fra skemaværktøjet og importere den til PCB-værktøjet. Altium integrerer skema og PCB, så du kan overføre netlisten med et enkelt klik. Netlisteformater deles ofte, så mange værktøjer kan eksportere og importere mellem hinanden. OrCAD og Allegro var engang separate værktøjer og blev senere fusioneret under Cadence.
Trin 7 - Tegn PCB-fodaftryk
Ligesom skematiske symboler har hver del brug for et PCB-fodaftryk. Et PCB-fodaftryk er et sæt puder, silketryk og den plads, som delen optager på printet. Ud fra chipbilledet og den mekaniske tegning ved du, hvordan du skal tegne fodaftrykket. Pads er normalt lidt større end pins. Loddemaskens åbninger er større end puderne. Stencil-laget matcher pad-størrelserne. For dele med gennemgående huller kan du også have brug for et keep-out eller negativt lag til de indre lag.
Silketryk viser normalt omridset af delen og pin-1-mærket. For almindelige footprints som SO14 kan du kopiere fra et eksisterende bibliotek.
Hvis en del er usædvanlig, skal du bruge databladet til at tegne fodaftrykket.
Trin 8 - Indstil grundlæggende PCB-parametre
Efter import af netlisten skal du indstille kortets grundlæggende elementer: kortets tykkelse, antal lag og lagstabel. Disse tre er grundlæggende, men kun lagantal vises typisk i outputfiler. Lagstabel og pladetykkelse kommunikeres normalt i tekst til producenten. Stackup-designet er vigtigt: Hvilke lag bærer signaler, hvilke er planer, og hvilke kombinerer plan og spor. På en 4-lags printplade er lag 2 og 3 ofte GND og VCC, mens top og bund er til routing. På et 6-lags kort kan man sætte GND på 2 og 5 og VCC på 3 eller 4. For 8+ lag er valgene fleksible.
Trin 9 - Tegn omridset af tavlen
Definer brættets form og områder, der skal holdes ude.
Trin 10 - Placer delene på printkortet
Placer delene, når fodaftrykkene er klar. Hvis et fodaftryk er usikkert, fordi du ikke har delen endnu, skal du placere andre dele først og komme tilbage senere.
Trin 11 - Indstil vias, sporbredde og afstandsstandarder
Indstil standard via-størrelser, sporbredde og -afstand. Disse standardværdier gælder under routing. For specielle net eller strømnet skal du justere midlertidigt.
Trin 12 - Indstil avancerede regler
Hvis der findes højhastighedssignaler, skal du indstille regler for routingbegrænsninger. Avancerede regler omfatter bredde/afstand mellem differentielle par, grænser for længdematch, indsnævring af puder og minimumsafstande. For eksempel kræver DDR3-signaler matchende længder: adresse-, clock- og kommandolinjer skal være lige lange; datalinjer og DQS skal have deres egen matchning. Dårlig længdekontrol kan ødelægge DDR-timing og fremtvinge lavere hastighed. Se disse DDR-ressourcer for flere detaljer:
- DDR-arbejdsprincip og DQS-håndtering: www.elecfans.com/d/682335.html
- Differentielt ur, DQS & DQM: www.cnblogs.com/edadoc/p/6387049.html
Nogle regler kan kræve routing først, derefter regelændringer og omarbejde for at opfylde reglerne.
Trin 13 - Rute og tegning af polygoner (figurer)
Routing forbinder skematiske net med kobberbaner. Det meste af tiden i printdesign bruges på routing. Der findes værktøjer til automatisk routing, men til komplekse print har deres resultater ofte brug for kraftig oprydning. Nogle eksperter kan indstille regler for at bruge auto-routing godt. Til højstrømsnet kan du bruge brede spor eller kobber. Brug plane zoner forbundet med pads som bloknetværk.
Fræsning kræver omhu: sporbredde, afstand, vinkler og retninger. Jeg kommer med tips til fræsning senere.
Trin 14 - Juster silketryk
Juster silketrykkets størrelse, placering og retning, så delnumrene er tydelige ved montering og test. Producenter trykker ofte deres logo eller datokode. Designere kan efterlade deres egne noter.
Trin 15 - Eksportér borefiler og Gerbers (plotfiler)
Efter placering, routing og silketryk kan du eksportere produktionsfiler. For Altium accepterer nogle kinesiske leverandører projektfiler direkte. Til PADS og Cadence skal du eksportere borefiler og Gerbers. Hvis der findes ikke-runde huller, skal du også eksportere fræsefiler til fræsere.
Trin 16 - Angiv fabrikationsparametre og procesnoter
Designfiler indeholder ikke alle parametre. Du skal sende tekstinstruktioner til parametre og krav, der ikke kan udtrykkes i designfilerne. For de muligheder, der skal specificeres, kan du tjekke online-bestillingssiderne på Philifast (https://flj-pcb.com/).
Nedenfor er der skærmbilleder, der viser eksempler på parametre. For komplekse kort kan der være behov for yderligere parametre ud over det viste. Online PCB-prototyper dækker normalt enklere krav.
Trin 17 - Justering af impedans og stackup
For højhastighedssignaler skal du angive den karakteristiske målimpedans. Når du sender til fabrikken, skal du designe din stackup og beregne linjebredder og -afstande for målimpedansen. Brug dine beregnede værdier ved routing. Efter routing skal du give fabrikken din stackup og impedansmål. Fabrikken vil tjekke med deres materialer og processer og fortælle dig, om der er brug for justeringer, og hvad den forventede impedansfejl er. Derefter kan du bekræfte, om målet er realistisk. Hvis du ikke beregner impedansen først og bare vælger stackup og bredder tilfældigt, er det ikke sikkert, at fabrikken kan opfylde kravene til både impedans og crosstalk.
Trin 18 - PCBA (samling og lodning)
Når du er færdig med PCB-filerne, og fabrikken har lavet pladerne, er næste skridt PCBA. Til masseproduktion bruges SMT-linjer. Til små serier eller prototyper kan mange dele (undtagen BGA, store jordpuder eller meget små 0201-dele) loddes i hånden. Ved små serier på under 10 boards kan manuel lodning være billigere og hurtigere end linjemontage.
Til samling skal du eksportere og sende:
- BOM (Bill of Materials),
- Pick-and-place-fil (delkoordinater og orientering),
- Indsæt maske Gerber (fra laget pastemask).
Mærk alle dele, og send styklister og referencer. Vent derefter på, at PCBA'en bliver færdig.
