开始PCB设计之前要了解的事项

从面包板上的原型电路，到设计我们自己的印刷电路板（PCB），就像脱离训练轮一样。关于此过程有很多要了解的内容，所以让我们开始吧。 PCB设计在电气工程（EE）流程中进行。EE创建了设备工作方式的“大脑”。没有电子设备，您手中几乎就只有一堆金属和塑料。

开始PCB设计之前要了解的事项： 1. PCB尺寸-这取决于您的产品尺寸（或外壳尺寸）。产品尺寸是在电子工程设计过程中定义的。您可以在此处观看有关它的视频。 2. PCB层-层数越多，PCB的制造越复杂。（注意：即使单层PCB也可能是一个复杂的PCB，但在这里我们谈论的是制造PCB的复杂性。PCB的层数越多，制造成本就越高。）

2层通常用于简单的玩具产品

物联网相关产品通常为4层

通常用于智能手机或智能手表的6到8层。

3.您的PCB制造商要求。在开始设计之前，请确保已阅读有关节奏，迹线大小，电源隔离和文件命名的准则。

您需要提供给PCB制造商的信息：

层数（例如2、4、6等）

材料（FR-2（酚醛棉纸），FR-3（棉纸和环氧树脂），FR-4（玻璃纤维和环氧树脂……等）

厚度（0.5毫米，1.0毫米…等）

颜色（红色，黑色，绿色……等）

表面处理（ENIG（化学镍/浸金），DIG（直接浸金），OSP（有机可焊性防腐剂等）

铜重量（1盎司（35微米），2盎司（70微米），0.5盎司（18微米）…等）

Gerber文件

PCB设计过程：

电路设计

对于此步骤，您需要创建原理图。这是一个文档，就像一个蓝图，它描述了组件之间如何相互关联以及如何协同工作。要创建原理图文件，您将需要一个软件工具。我们喜欢Quadcept，因为它经过优化，可用于设计制造用的PCB（例如，您可以直接从工具中导出物料清单（BoM））），并且基于云，因此可以方便地在任何地方使用。（他们还为制造商和学生提供了该工具的免费社区版本）。

您还可以选择许多其他选项：

Altium

ExpressPCB

升频器

KiCad

Cadence快板

垫

计算机辅助设计

DipTrace

安装所选工具后，需要获取每个所选组件的组件规格。通常可以在供应商的网站上找到它们。模型文件将帮助您绘制原理图。当您将模型上传到软件工具时，该组件将在数据库中可用。然后，您要做的就是遵循数据手册，将线路连接到组件中的每个引脚。（注意：设计过程的细节将取决于所选择的软件工具）。

每个原理图符号都需要具有相关的PCB占位面积，以定义组件的物理尺寸以及铜焊盘或PCB上的通孔的位置。您应该已经选择了组件（或现在选择它们），并且我们在EE设计流程视频（请参阅视频）中介绍了此过程。

示例示意图

好的原理图确实很重要，在进行调试时它将用作参考文件，并且是与其他工程师的很好的通讯工具。此外，制造商可以通过本文档上的测试点来测试设备。

PCB布局+ Gerber文件

要设计PCB布局并创建Gerber文件，您可以使用我们在电路设计中提到的相同软件工具。与原理图不同，PCB布局是将实际组件分配到PCB上的确切位置，并显示将PCB层之间的每个组件连接在一起的轨迹。如本文开头所述，层数越多，所需的制造越复杂，成本也就越高。

根据功能（例如电源，音频输出等）将PCB分成逻辑部分。然后，确保将每个部分的组件分组到同一区域。这样，您可以使导电迹线短，并减少噪声和干扰。

在设计PCB时，用户界面（UI）也需要牢记。需要调整组件的位置，例如音频插孔，连接器，LED等，以实现最佳的用户体验。

完成布局设计后，将生成一个Gerber文件。您的PCBA制造商将使用此文件。有许多公司提供这些服务，并且从HWTrek的专家库中我们推荐Kingbrother，NexPCB和HQPCB。

示例Gerber文件

元件在PCB上的放置非常重要。某些组件可能会相互干扰并导致意外行为。例如，如果您同时拥有蓝牙和Wi-Fi模块，则它们具有相同的2.4 GHz带宽，如果放置不正确，则会相互干扰。

PCB制作

当您将Gerber文件发送给PCB制造商时，他们可以打印出电路板。这将是进一步建立基础，将组件添加到PCB并制造PCBA（印刷电路板组件）的基础。

未组装的PCB

PCBA（组装）

材料准备

此时，在EE设计中，您应该已经选择了组件。您可以要求PCBA制造商为您订购所需的组件，或者如果您选择了供应商，则可以自己完成。注意事项：

交货时间：由于这些组件来自不同的供应商，因此请记住交货时间。对于某些组件，最长可能需要8-16周。

包装：订购用于SMT机器自动拾取的卷轴中的组件，而不是单独包装。

最小订购量：检查组件的最小起订量。如果您购买的数量少于最低数量，请确保所选组件有库存。对于小批量（最多50个），您可以从DigiKey或Mouser在线订购。如需更多数量，请向您的制造商寻求建议。

损失：多订购10％以弥补损失（不适用于昂贵的组件）

在PCB上安装组件

将元件放置在PCB表面上的主要方法有两种：

通孔（通孔）是将带有导线的组件装配到PCB表面上的孔中的手动方法。它通常也称为DIP或双列直插式包装过程。（请参见此视频中正在进行的SMT）

SMT（表面贴装技术）方法是批量生产中使用最广泛的方法。它由快速，精确的SMT机器完成，可节省您的时间，金钱并避免人为错误。

要记住的事情：

您的组件类型编号不得超过制造商的SMT机器可以支持的卷轴数量。

优化和整合您的组件，以便只运行一个SMT。

检查制造商支持的脚印垫尺寸。否则，SMT机器将无法正确安装组件。

一些较大的组件无法由机器安装，仍然需要手动通孔工作。因此，这两种技术都可以在同一板上使用。

您需要通过通孔方法手动添加的任何组件都会增加制造成本。

回流焊

回流焊接是使组件“粘”在PCB上的过程。PCBA通过回流炉或红外灯加热电路板，直到焊料熔化，从而将组件永久连接到电路板上。

这里最棘手的部分是不会使组件过热或损坏，因为每个封装的热特性都不同。可靠的PCBA制造商将负责此过程，您所需要做的就是向他们提供组件规格。

回流工艺。

其他焊接方法：

波峰焊主要用于通过通孔方法手动添加的组件。在这种情况下，您的PCBA将首先通过回流焊炉，然后手动添加其他组件后，将通过波峰焊机。

铁焊接可用于特定情况，但不适用于批量生产。

测试与质量检查

在此步骤中，将对PCBA样品进行测试以确保质量。常见的错误是：未连接的组件，未对齐的组件和连接不应连接的电路部分的短路。最常见的测试：

ICT（在线测试）。设计PCB时，通常会保留一些测试点用于调试，编程和其他目的。ICT机器将使用这些测试点进行开路/短路测试，并检查无源组件（电阻器，电感器，电容器）的值是否在规格范围内。

AOI（自动光学检查）。制造商使用“黄金样本”（参考PCBA）与其他样本进行比较。对于此测试，硬件创建者将需要向制造商提供规格和公差以设置参数。

X射线。PCBA制造商将使用X射线检查BGA（球栅阵列）组件的焊接条件。观看此视频中进行的X射线测试。

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