概述
單純從 PCB 物(wù)理(lǐ)設計方面來分(fēn)，可(kě)將 PCB 設計流程分(fēn)為器件佈局、佈線、後處理(lǐ)三大(dà)階段。每個階段設計品質好壞，將直接影(yǐng)響下(xià)一階段的(de)設計難易度及效率。PCB 設計涉及硬體電路原理(lǐ)、訊號/電源完整性、印刷電路加工/組裝等等，要實現高(gāo)品質高(gāo)效率地交付，需要設計者具備較為廣泛的(de)知識面。
總體流程
為便於理(lǐ)解，透過一個流程圖來闡述 PCB 設計總體流程。該流程圖隻概述 PCB 設計整體流程，各階段之間不是完全獨立，也(yě)不一定嚴格遵照(zhào)該順序。比如，佈局階段也(yě)可(kě)進行佈線，該階段的(de)佈線即是 Fanout，即把器件的(de)引線都設計完成。
PCB 設計的(de)各環節不完全獨立，其設計順序與各公司的(de)設計流程相關，可(kě)根據公司流程要求，自行隨意調整。例如，如果把 DFM 的(de)檢查嵌入到設計流程中---即透過設定 DFM 規則，確保設計過程中就滿足可(kě)制造型，這將有效提升我們的(de)設計效率及品質，避免後期的(de)重複修改。對於設計者來說，也(yě)可(kě)免除很多(duō)重複不增產值的(de)勞動。
各階段詳述
前期準備
前期準備階段，電路圖、機構圖、DFx 規則、SI/PI 設計規則等都是 PCB 設計啟動的(de)輸入條件。輸入條件準備得(de)越充分(fēn)，後續的(de)設計工作將越順暢。但是，在實際專案開發中，電路圖、機構圖、PCB 圖都在同步設計，所以就會出現 PCB 設計返工的(de)情況。我們需要儘量考慮周全，最大(dà)程度地減少返工，提升設計品質和(hé)效率。
PCB 設計工程師應在已有條件下(xià)，儘量做(zuò)好前期準備，才能交付高(gāo)品質的(de) PCB 設計文件。這些前期準備包括但不限於如下(xià)幾個內容，涉及需要舉例圖示的(de)部分(fēn)，以 Cadence 的(de) Allegro PCB Designer 為範例，因為我從業期間用(yòng)的(de)是該工具。
1. |
電路圖 --- 網表導入 |
|---|---|
基於電路圖生成能夠成功導入 PCB 設計工具的(de)網表。網表承載的(de)是各元器件之間的(de)邏輯互連關係。在此，默認 PCB 設計所需器件的(de) footprints 已準備就緒。我們隻需執行網表導入命令（File >> Import >> Logic / Netlist），即可(kě)將器件邏輯連線關係從電路圖轉化(huà)到 PCB 設計工具中。如圖所示。 |
2. |
機構要素圖導入 |
|---|---|
導入機構工程師提供的(de)機構要素圖，繪製 PCB 外形，擺放有特殊位置要求的(de)元件，例如金手指、連接器、LED 指示燈等等。（命令：File >> Import >> DXF） |
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3. |
DFx 規則設定 |
DFx 規則指 PCB 加工要求、PCB 所使用(yòng)的(de)器件組裝要求、PCB 測試要求等，這些要求都資料化(huà)並以規則的(de)形式在 PCB 設計工具（例如 Allegro）中設置，用(yòng)於驅動設計實現。 |
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4. |
SI / PI 設計規則 |
訊號完整性和(hé)電源完整性要求，資料化(huà)後透過規則設定，落實到 PCB 設計中。 |
Allegro 的(de) CM 圖示
佈局階段
佈局階段分(fēn)為模組佈局及整體佈局兩個大(dà)的(de)階段。
1. |
模組佈局 |
|---|---|
將電路圖各功能模組的(de)器件都按照(zhào)訊號流向佈局完成。根據個人(rén)設計習慣不同，這個階段的(de)工作內容也(yě)會不同，我習慣於同時完成所有器件的(de) Fanout，並將其定義成一些獨立的(de)模組。在此階段，如果我們所用(yòng)的(de)工具能夠支撐佈局複用(yòng)，那能為我們的(de)設計進度帶來質的(de)飛躍。 |
|
2. |
整體佈局 |
把各功能模組按照(zhào)他(tā)們的(de)邏輯互連關係，一一擺放到 PCB 的(de) outline 內。這時候，我們需要對各功能模組非常熟悉，還要理(lǐ)解該 PCB 的(de)訊號流向，電源樹結構等，這有利於整理(lǐ)佈局的(de)合理(lǐ)性。同時也(yě)要考慮工藝加工要求、單闆散熱要求、系統組裝要求等，確保整體佈局完成後，DFx 的(de)規則都得(de)到落實。 |
模組佈局實例
說明(míng)：上文提到的(de)佈局複用(yòng)，是針對一個 PCB 中有很多(duō)個相同模組的(de)設計。在這種情況下(xià)，如果工具支援佈局複用(yòng)，那我們隻需要佈局一個模組，其他(tā)相同模組就可(kě)以在幾秒-幾分(fēn)鐘內複用(yòng)完成，可(kě)以大(dà)幅提升設計效率。
佈線階段
佈線階段的(de)難易程度與佈局的(de)合理(lǐ)性相關，如果佈局時的(de)佈線方案考慮得(de)比較成熟，那此時隻需按照(zhào)規劃完成連結。但如果佈局時隻是簡單的(de)完成器件擺放，那到了(le)佈線階段就會比較痛苦，我們將發現我們不得(de)不邊佈線邊調整佈局，因為佈線實在是太混亂了(le)，完全沒有頭緒。這種情況一般出現在初入行的(de)時候，那真的(de)會讓我們返工很多(duō)次。在此，我將按照(zhào)我的(de)流程給大(dà)家介紹佈線階段的(de)詳細步驟。
1. |
規則審視 |
|---|---|
審視各類規則 - SI / PI 規則、DFx 規則、DFT 規則等，確保這類檔都是最新稿，並將它們資料化(huà)後設定完成。 |
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2. |
檔更新 |
保證機構圖和(hé)電路圖都是最新稿，儘量將修改的(de)風險降至最低。 |
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3. |
層疊設定 |
根據設計要求和(hé)各訊號的(de)空間順序，規劃合理(lǐ)的(de)層數。此處需要考慮諸多(duō)細節因素，比如阻抗控制、高(gāo)速訊號、介面處設計、電源結構等等。 |
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4. |
平面層處理(lǐ) |
PCB 設計中的(de)平面層，通(tōng)常是用(yòng)於處理(lǐ)電源和(hé)地訊號的(de)。我喜歡優先把電源設計完成，保證足夠的(de)通(tōng)流能力，同時也(yě)能在訊號設計時考慮下(xià)訊號回流路徑的(de)設計。當然，我們也(yě)是可(kě)以把電源地的(de)處理(lǐ)放到後期來設計的(de)。 |
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5. |
模組佈線 |
按照(zhào)各功能模組的(de)布局，將其內部的(de)訊號全部連接，同時將其與其他(tā)模組互連的(de)訊號引出該模組的(de)區域。這個設計步驟非常重要，如果此時我們遺留了(le)一個訊號在模組中間，未將其引出，有可(kě)能會導緻我們返工該模組的(de)佈線。 |
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6. |
模組間主要訊號佈線 |
將各模組之間的(de)訊號連接。此時，需要考慮如何按照(zhào)規劃完成這些訊號的(de)實體互連，且要保證訊號完整性，比如回流路徑、過孔數量、阻抗突變等等。 |
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7. |
其他(tā)訊號佈線 |
PCB 設計到最後，會有一些控制類或者偵測類的(de)低速訊號，這些訊號佈線要求低，但是要確保他(tā)們都有連接通(tōng)道。 |
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8. |
線長調整 |
根據 SI 的(de)設計，我們需要對一些訊號進行補償。我習慣在佈線完成後再來進行該調整。因為這時能夠看到佈線的(de)實際效果，可(kě)以即時關注調整部分(fēn)的(de)訊號走向，避免出現跨分(fēn)割、相鄰層重疊等設計。 |
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9. |
添加測試點 |
給需要測試的(de)網路添加測試點，其實就是替換過孔的(de)過程，同時給測試過孔打上標誌。這個就是按照(zhào)要求設計完成即可(kě)，沒有太多(duō)注意事項。 |
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10. |
調整絲印 |
PCB 設計過程中，器件位置根據需要被調整，所以絲印也(yě)不會是整齊的(de)。因此，設計完成後，我們就必須把它們擺放整齊，且不能錯位。這看似一個很簡單的(de)工作，但是哪怕小小的(de)失誤都會引起較嚴重的(de)品質事故，導緻單闆報廢。所以，此階段需要耐心和(hé)細心。每個企業都會根據自身需要，或者行業要求在 PCB 上增加一些額外的(de)文字，我們也(yě)需要確保這些文字清晰可(kě)見。 |
佈線階段至此結束。到此時，我們需確保網表是最新的(de)，未擺放器件數為零，未連接數為零，規則管理(lǐ)器中的(de)規則都得(de)到滿足。
檢查階段
設計完成後，為了(le)確保設計品質，我們需嚴格審查 PCB。我來分(fēn)享一些從業時期的(de)檢查心得(de)，供大(dà)家參考。
1. |
後模擬驗證 |
|---|---|
設計完成後，針對關鍵訊號，需要進行後模擬驗證，以確認設計符合 SI/PI 的(de)要求，確保訊號高(gāo)品質傳遞。 |
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2. |
規則審查 |
根據 SI / PI、DFx 等設計要求，檢查規則資料的(de)正確性。在資料正確無誤的(de)前提下(xià)，確保所有規則都得(de)到滿足。 |
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3. |
佈線優化(huà) |
根據自己積累的(de) checklist，逐項檢查設計品質。這些檢查項包括多(duō)餘孔、冗餘走線、跨分(fēn)割佈線等等。 |
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4. |
工具輔助檢查 |
類似短斷路這樣的(de)設計失誤，必須依賴於一些工具來檢查，人(rén)工很難發現。 |
品質保證的(de)過程完成後，PCB 設計階段就結束了(le)，PCB 可(kě)發到 PCB 廠家去加工，整個設計流程結束。
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