制造:工程与设计的交叉

关键的外卖

• PCB制造的生产前计划。

• 设计过程从头到尾是怎样的?

• 可以帮助和授权设计师的工具。

PCB工程和设计需要几个小时的工作时间，即使是一个简单的电路板。

任何工程过程都是一组相互关联的步骤，最终产品需要数小时的试错才能实现最初设定的设计目标。重要的是要意识到设计必须严格地进行探测和测试，因为开发团队无法发现的任何错误或疏忽都不可避免地会被最终用户发现。PCB工程和设计过程与任何系统一样复杂，考虑到现代工业中电子产品的普遍存在，它必须结合多个学科的知识来实现所需的性能和可靠性，这并不奇怪。

生产前准备

设计听起来很简单:修改现有的设计以提高性能和增加功能，或者利用现有的理论、制造技术和最佳布局实践设计出全新的东西。实际上，设计有各种各样的风格。并不是每一种布局都必须进行制造，即使是这样，制造本身也可能因生产数量的不同而有很大差异。由于工程、设计和制造是一组共生关系，随着设计的变化，其他过程的需求和目标自然也会发生变化。

开发概念证明

对于新的设计，第一步是开发一个概念证明，以建立可行性。由于全球供应链仍在从停工和异常积压中恢复，因此进行多轮评估的必要性比以往任何时候都更加重要。在正常情况下，这部分设计还评估理论性能，当与电路模拟器和技术数据等分析工具结合使用时，可以提供对电路板参数的极其准确的估计。在开发的这个阶段，更重要的不一定是材料成本(可能会有像航空航天这样极端要求的板除外)，而是对组装板的研发时间表进行时间成本审查。

预期的变化

冰冻三尺非一日之寒;任何PCB都是如此。虽然在整个生产范围内投入了大量精力以避免错误，但结合了一系列工程主题和学科的项目的绝对复杂性几乎肯定会遇到一些不可预见的挫折。这是任何工程过程中非常正常的结果。更改甚至可能由于大多数设计的生活性质而产生:由于客户需求、市场可用性或许多其他输入的紧急趋势，需要进行的更改不是产品开发团队的任何部分的错误。

预见错误，清晰沟通

尽管如此，一个好的设计团队会预测一些常见的错误，并制定实践来减少它们的普遍性和重要性。在任何协作过程中，沟通都是王道;消除歧义可以减少误解文档的机会，并有助于从头到尾保持设计意图。

PCB开发是一个高度协作的过程。

建立设计约束

特别是对于跨部门的团队，工程、布局和制造需要设计一个设计规则列表，在坚持制造设备的复杂性的同时，封装电路板最苛刻的设备和功能的性能。一个重要的例外是只用于测试的板子。在这里，可以设置设计约束以最大限度地提高布局速度和效率，因为设计(至少在这一阶段)不是为制造而设计的。布局设计师可能会无视一些常见的最小规则，这将导致无法生产的功能或要求处理远远超出每个板的可接受程度。

部分设计约束是由于最终板的可靠性需求。不同的工业部门可能更允许制造过程中的特定缺陷。就绝对而言，这代表了不同质量等级的电路板的成本自动上升，因为设备和工艺保持不变，但产量下降。这些类别的编号从1到3，编号更高的类别代表更严格的可靠性以及板本身的整体价值。例如，当单板出现故障时，制造商通常认为一级板是一次性的，但在这种情况下，对二级或三级板进行修复可能更具成本效益。

可制造性设计

为可制造性而设计(DFM)计数器设计用于测试，将制造设备的能力和复杂性作为设计电路板规则集的决定因素。从这个意义上说，这是一个正向和反向的过程:制造能力定义了电路板的操作，而电路板的需求有助于推动制造能力达到其可实现的极限性能。DFM作为一个更持久的开发周期，因为可以不断修改和改进电路板的性能或提高成品率，而测试设计只需要一个单一的电路板文件，只要网表保持不变。由于测试设计完全与任何制造问题隔离，其大部分工作集中在模拟上，这将有助于指导制造指南的实际设置。

重要的是要理解随着设计在修订过程中的成熟，DFM有许多不同的风格。从一个相对简单的原型开始，随着基于生产线反馈的更好的布局技术的使用，它会迅速演变成一个精致的形式。最终，DFM达到了一个非常优化的构建和布局，用于高产量，低产量或低效率很快就会变得昂贵;但在此之前，工程团队也会使用原型板来测试软件。电子产品的美妙之处在于，几乎任何问题都可以通过纯硬件、软件或混合解决方案来解决。开发团队将不仅为了验证目的而测试软件，而且还要确定迭代设计过程是否可以通过该途径得到改进。

生产:工程和设计的关键

设计过程工作流是一种工具，可以帮助您理解组成板项目中工作的各个任务，还可以帮助您了解这些工作项的年表以及为什么以这种方式安排这些工作项。目前，原理图从工程团队传递到布局团队，为了设计出有利于提高产量的电路板，必须遵循一组复杂的步骤。虽然这个列表并不全面，因为个别的电路板需求或结构可能需要额外的处理步骤，但它提供了在设计过程中预期的良好基础:

• 土地格局设计-根据BOM，设计师(或者可能是专门的图书管理员)将需要使用向导工具部件生成器或制造商的数据表来创建准确的组件可焊性模式。在极化组件的情况下，这些模式还将包括部件旋转的指示器，这对于精确布线是必要的。
• 原理图捕捉-从原理图中提取网表。虽然EDA很幸运地让这个过程在几次按键或点击中就可以实现，但在后端它仍然是一个非常复杂的过程:提取相关的土地、部件引用和其他参数，为布局设计人员提供一个图形，以便在电路板文件中进行操作。从原理图到电路板的数据提取还提供了两个文档之间的链接，可用于从原理图更新电路板文件(在任何原理图更新的情况下)，或从电路板文件更新到原理图。这些注释样式，分别称为前向和后向，强调了建立控制文档作为项目变更或纠正错误时的恢复点的重要性。
• 合成,使用高级编程或编程来描述电路的功能可能会更快或更容易逻辑语言并将描述转换为维护电气关系的原理图文件。从软件方面处理项目的一个优势是，它很容易转换到目标设备，如微控制器或fpga用于快速测试在电路板制造之前，还要进行改进。
• 仿真,除了电路的软件表示之外，模拟还提供了制造前的早期反馈和定位。设计人员可以快速探测电路，并使用极其精确的模型注入波形进行分析。
• 布局,设计师的大部分工作将致力于安排土地格局、路线和铜的特征，不仅要满足网络列表，还要满足设备的热和电气需求。首先，设计人员需要专注于按子电路排列组件，包括任何相关的“附近”设备，如去耦电容器。组件之间需要有足够的空间来允许路由和通过风扇;特别是对于双面装配，除非使用一些更高级的通孔功能(通孔衬垫，微通孔等)，否则请考虑在板的两侧安装风扇。在顶部和底部图层上填充任何铜特征，以及电源总线的电源平面上的形状。然后开始路由，首先从最关键的信号开始，优先考虑它们的完整性。现在，所有剩下的制造是清理板的视觉数据和输出艺术作品和制造/组装文件。
• 制造业,这就是橡胶遇到的道路:在早期的原型板，优化和变化将很快到来，但最终，一个板将被生产出来，是最终产品的一个很好的代表。该电路板将进行测试，以评估其性能并验证制造步骤，任何额外的设计改进都可以与物理系统反馈一起工作。

幸运的是，纸质原理图大多是过去的遗物，但这种转变是惊人的!

Cadence工具可以辅助产品开发

PCB工程和设计是一个复杂的制造主题，涉及多个学科;然而，工作流程是直截了当的，并给予一个专门的团队和足够的时间，制造的板将反映其预期的功能和特点。在任何生产过程中，我们都很容易忽略一些小错误，而这些小错误最终会导致昂贵的修订和返工延迟，或者设计过程不尽如人意的其他后果。幸运的是,抑扬顿挫的PCB设计和分析软件提供丰富的验证工具，以确保维护您的设计意图。包含在OrCAD PCB Designer是健壮的约束管理器，它通过自动检查放置的特征是否符合规则来节省时间和挫败感。

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