本文將探討印刷電路板(PCB)設計新手和老手都適用的七個基本(而且關鍵的)技巧和策略,只要在設計過程中對這些技巧多加注意,就能為你與你的團隊減少重新設計次數、縮短設計時間以及減輕整體設計結果診斷的任務;以下讓我們一一看來。

1.熟悉工廠製造流程

在這個無晶圓廠IC業者當道的時代,許多工程師其實不清楚根據他們的設計檔案製造之PCB生產步驟與化學處理製程;這並不令人驚訝。不過這種實作知識的缺乏,往往導致新手工程師做出不必要的較複雜設計決策。

設計真的需要那麼複雜嗎?難道不能用更大的網格來進行佈線,從而降低電路板成本並提高可靠性?設計新手容易犯的其他錯誤,還有不必要的過小通孔尺寸以及盲孔(blind via)和埋孔(buried via)。那些先進的通孔結構是PCB設計師的利器,但其有效性高度情境化(effectiveness),它們雖然是可用的工具,但並不表示一定要使用。

PCB設計專家Bert Simonovich的一篇部落格文章就談到了通孔尺寸比例的問題:「長寬比6:1的通孔,能確保你的電路板可以在任何地方生產。」對於大多數設計來說,只要稍加思考和規劃,就可以避免那些高密度(HDI)特徵並再次節省成本、提高設計的可製造性。

那些超小尺寸或單端(dead-ended)通孔進行鍍銅所要求的物理學和流體力學能力,並不是所有PCB代工廠都擅長的。記住,只要有一個不良通孔就可以毀掉整片電路板;如果你的設計裡有2萬個通孔,那麼你就有2萬次失敗的機會。不必要地使用HDI通孔,失敗率立刻飆升。

2.電路圖能簡化設計任務

有時候只是設計一片簡單電路板,畫電路圖(schematic)似乎是在浪費時間;特別是如果你已經有過完成一、兩個設計的經驗。但對於初次設計PCB的人來說,畫電路圖也會是個艱鉅任務。跳過電路圖是新手和具備中等程度經驗的設計工程師經常採取的一種戰略,但請從一個可以做為參考的完整電路圖為起點來發展你的佈線,有助於確保你的佈線連結能全部完成;以下是其理由。

首先,電路圖是PCB電路的視覺呈現,能傳達多個層次的資訊;電路的子區域分好幾頁詳細繪製,功能相對應的零組件能安排在鄰近的位置,無論其最終實體佈局為何。其次,由於電路圖符號會標示每個零組件的每一支接腳,很容易檢查出未連線的接腳;換句話說,無論描述電路的正式規則是否被遵循,電路圖有助於你快速以視覺判定,確保電路的完整。

在設計PCB時如果有一個電路圖可做為基礎範本,能簡化佈線任務。利用電路圖符號來完成連結,同時你就在不需要反覆思索那些連結的前提下克服了走線挑戰;最後你會因為抓到了在第一次修訂時遺漏的走線連結而節省了設計重做。

3.使用自動佈線器但勿依賴

大多數專業級PCB CAD工具都有自動佈線器,不過除非你設計PCB很專業,自動佈線器充其量只能被用來讓設計初步過關;對PCB電路連結來說,自動佈線器並非一次點擊就能完成的解決方案,你仍然應該要知道如何以手工佈線。

自動佈線器是一種高度可配置的工具,為充分發揮它們的作用,每次任務都要對佈線器參數進行仔細、考慮周全的設置,甚至對單片PCB上的各個模組都要個別考量,總之就是沒有任何恰當的基本通用預設值。

當你問一個經驗豐富的設計工程師:「哪種自動佈線器最好用?」他們會回答:「兩邊耳朵中間的的東西(眼睛);」而且他們是認真的。佈線這個過程如同演算法一般更像是一種藝術,本身就是啟發式(heuristic)的,因此很類似傳統的回溯演算法(backtracking algorithm)。

回溯演算法很適合用來尋找解決方案,特別是迷宮或拼圖等路徑選擇受限的場合;但在一個開放、不受限制的場合,例如預先放置了零組件的PCB,回溯演算法就無法發揮尋找最佳化解決方案的強項。除非自動佈線器的約束條件經過工程師仔細微調,其佈線成品還是需要人工檢查回溯演算法結果中的弱點。

走線尺寸是另一個問題點,自動佈線器無法百分之百確定你打算在一條走線上通過多大的電流,所以也不能幫你確定要用多寬的走線;結果是大多數自動佈線器產生的走線寬度不符規格。

當你考慮使用自動佈線器時,先問問自己:「在我為板子設置好自動佈線器約束條件、甚至為電路圖上的每條走線都設置了約束條件之後,還有多少時間讓我用手工佈線?」設計工程師老手會把大部份精力放在最初的零件佈局上,幾乎整個設計時間的一半都致力於從以下三個方面最佳化元件佈局:

˙佈線簡化—儘量減少飛線(rat's nest,或譯鼠線、鼠跡網)的交叉等等。 ˙元件的近接—繞線越短越好。 ˙訊號時序(signal timing)考量。

老前輩們經常使用混合方法來佈線—用手工進行關鍵佈線,固定它們的位置,然後以自動佈線器處理非關鍵走線;設計中的自動佈線區域有助於管理在佈線演算法中的「失控(runaway)狀態」,這種方法有時能在手工佈線的可掌控性與自動佈線的速度之間取得良好折衷。

4.考量電路板尺寸和電流

大多數從事電子設計的人都知道,就像沿著河道走的河流,流動的電子也可能會遇到咽喉點和瓶頸;這一點被直接應用在車用保險絲(automotive fuse)的設計中。透過控制走線的厚度和形狀(U型彎曲、V型彎曲、S形等),保險絲可以經過校準,在電流超載時熔斷於咽喉點。

問題是,設計工程師偶爾會在他們的PCB設計中遭遇類似的電氣咽喉點;舉例來說:在用兩個陡峭45度也可以的地方,使用90度彎角;當彎曲度大於90度時,採用之字形狀。充 其量那些導線只會讓訊號傳播速度變慢;最糟糕的情況是它們會像汽車保險絲一樣在電阻點熔斷。

5.避開裂片風險

裂片(sliver)是一種製造上的失誤,可透過適當的電路板設計獲得最佳管理(如圖1);為了理解裂片問題,我們需要複習一下化學蝕刻製程。化學蝕刻是為了分解不需要的銅,但如果要蝕刻的部分特別長、薄、呈片狀,那些形狀有時候會在完全被分解之前整塊剝離;這種裂片會飄浮在化學溶液中,有可能隨機落在另一片電路板上。

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圖1 在這個案例中,走線之間的窄屏蔽對電路基板來說是安全的。



同樣有可能發生的風險是,裂片仍留在原來那片電路板上;如果裂片夠窄,酸液池可能會腐蝕掉下方足夠多的銅,使裂片部分剝離。於是裂片像旗子一樣黏著電路板四處飄,最後還是免不了落到那片板子上導致其他走線短路。

那麼該去哪裡尋找潛在的裂片?又如何避免裂片產生呢?在進行PCB佈線時,最好避免留下非常窄的銅線區域(如圖2);這種區域通常是走線與焊墊間隙出現交叉、平面被填滿的情況造成(圖3)。將銅線的最小寬度設置為大於製造商允許的最小值,你的設計應該就不會有這方面的問題。標準的最小蝕刻寬度是0.006英吋。

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圖2 一個非常狹窄的裂片風險區域,例如圖中這個原始設計檔內的案例,在製造時可能不受控制地剝離,導致短路和良率問題。



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圖3 在這個案例中,化學蝕刻會改變狹窄裂片填充的形狀/尺寸;裂片剝離時會產生意料不到的碎屑或漂浮物。



6.關注DRC

自動佈線器的設置通常是針對設計功能,而設計規則檢查器(Design Rule Checker,DRC)一般是用來擷取製造商的設計約束;雖然設置過程同樣繁瑣,跟自動佈線器比起來要好得多。大多數設計團隊最終都會建立一整套設計規則,目的是標準化裸板製作成本、最大化良率,並讓組裝、檢查和測試盡可能一致。

除了有益於設計,這些設計規則——透過將設計維持在預定義的製造限制之內——也同樣有助於在採購部門建立一致性;如果電路板製造的價格是一致的,通常採購就能減少需要維護的特定PCB製造協議數量。

為了解決所有這些問題,許多PCB設計工具都內建了DRC——有些工具把它們叫做是「約束管理器 (constraint managers)」——當你在編輯時,DRC會以互動方式標記出設計違例;而一旦你針對選擇的製造商設置好DRC規則,就要準備好認真對待錯誤。

DRC工具一般在設計上很保守,它們在報告可能的錯誤時也會犯錯,而必須由你來判定;要篩選幾百個「可能的」問題會很繁瑣,但無論如何都得做。在這份問題清單中可能隱藏著你的第一次流片註定失敗的原因。除此之外,如果你的設計觸發大量的可能錯誤,代表你的走線方式需要改進。

擁有超過二十年豐富經驗的Sunstone Circuits電路板設計工程師Dave Baker建議:「花點時間去了解並正確地設置佈線工具提供的約束系統,並審閱所有層級的約束;約束工具可以是很強大且靈活的,但也會令人困惑和帶來危險。錯誤的約束很容易導致有缺陷或無法製造的電路板,約束設置中的錯誤很可能限制DRC或使其無法作用。」

他舉例指出:「可能發生的情形是,每次DRC都通過了,但電路板仍然無法製造或沒有功能。我以前見過這種情形,本來設計團隊因為電路板通過了DRC檢查都很高興,結果首批產品一放上測試台就冒煙;為了追蹤故障原因,團隊回到CAD工具的約束管理器;約束管理器沒有設計意識,它會讓你做任何事,無論事情多麼糟糕。」

舉例來說,Sunstone Circuits幾乎每天都會收到我們很容易打造出來的電路板設計報價要求,除非是在一些關鍵領域,其設計容差和間隙被大幅壓縮。這種情況使PCB代工廠(如Sunstone)不得不告知壞消息:因為容限超出我們的能力範圍,我們無法製作電路板;或是我們能夠製作電路板,但要加價而且有良率方面的風限。那類客戶如果在設計時就考量到特定製造商的能力,就會從中受益。

7.認識現有代工廠夥伴

在討論過DRC設置之後,最後的這個PCB設計祕訣這個技巧幾乎—但並不完全—是多餘的;除了能幫助你正確地設置DRC規則,對你的電路板設計即將被送往生產的廠家有所了解,能獲得一些額外的進廠前協助。

優良的代工廠會提供某些下單前的協助與建議,包括如何處理你的設計以減少設計反覆、減少在測試台上除錯時遇到的問題,還有提高電路板生產良率。美國卡內基美隆大學(Carnegie-Mellon University)的博士生Hugo在一篇部落文中針對了解製造商議題有以下評論:

「每家製造商都有自己的規格,如最小走線寬度、間距、層數等等;在開始設計之前,你應該考慮好自己的要求,然後找到一家能滿足你的製造商。你的需求還包括PCB材料等 級,從FR-1(紙-酚醛樹脂混合物)一直到FR-5(玻璃纖維和環氧樹脂);大多數PCB原型製造商使用FR-4,但FR-2也常用於大量消費性應用。材料種類會影響電路板的強度、耐用性、吸濕性和阻燃性(FR)。」

了解PCB製程,以及你的製造商會採用哪種製程和生產方法,有助於你做出更好的設計決策;去拜訪一下你中意的製造服務供應商,親自看看製程,你可能會很驚訝。還有,在把設計圖送去生產之前,善用可製造性設計(DFM)工具。

總結

如果以上七個基本技巧你都掌握了,代表你已經走在實現快速、可靠、專業品質PCB的道路上。

明智地使用CAD工具提供的所有設計工具,包括自動佈局和自動佈線,但在自動佈線器設置時一定有要耐心和周密,這樣才能取得良好的自動佈線結果。不要依賴自動佈線器做佈線以外的事情;如果有必要確保設計中的電流恰當,以手工調整走線尺寸。還有無論如何,一定要相信飛線。直到這些都完全做到了,你的電路設計才會成功。