就像所有的新技術一樣,工程師當初花了好一段時間才接受並推廣印刷電路板(PCB)。在1960年代,美國老牌電子業者Zeneth總愛標榜他們使用點對點接線(point-to-point wiring),如圖1;而現在,幾乎所有電子產品都是以PCB打造。

但多年來,PCB似乎在電子工程領域被「降級」,成了只在幕後默默付出的無名英雄,經理們認為PCB佈線是微不足道的製造問題,並非設計工程師需要關心的;但隨著數位電路變得越來越快,以及RF電路也被放進PCB,電路板在很多設計中變成了限制因素,電腦輔助設計(CAD)工具雖然能幫助工程師設計電路板,但CAD的自動繞線功能通常會帶來更多問題。

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圖1 1948年Motorola的VT-71「Golden View」7吋電視機就是採用點對點接線。(圖片來源:Wikimedia/Westernelectric555)



我的師父,John Massa老大教過我PCB在設計工作中的中心性(centrality);Massa老大總是會尋找設計、打造電路板的新方法。當我們的同業還在討論68020晶片的指令快取(instruction-caching)架構時,Massa已經在談電路板佈線程式以及只要一個晚上就能完成的原型製作。

Massa說過:「在我40年的電子設計經驗裡,電路板總是阻礙每個設計專案的限制因素;」你不應該只是為了應付工作而製作電路圖,你有更高等級的責任看著那些電路圖轉化成能夠被打造出來並且銷售的某種產品。

現代的PCB不只是時間殺手,也是擁有精確設計要求的關鍵零組件;電子裝置的運作頻率以及訊號上升/下降時間變得越來越快,因此PCB已經變得越來越重要。看看以下幾個真實發生過的小故事,你會獲得一些啟示。

一個關於PC主機板的故事

在1985年,PC晶片組出現了33MHz的匯流排;Massa當時接到一家本地PC主機板製造商的電話,說他們的新主機板不會動了。IC供應商的參考設計是可以運作,但這家公司做了客製化的產品外形;而Massa注意到,他們在零組件之間的繞線,讓PCB走線出現很多尖銳的角度。

他還發現有幾個關鍵訊號被放在大型迴路,電路板上還有很多通孔;那些小洞是讓走線能從電路板正面轉到背面。那家公司表示,他們的PCB是找美國科羅拉多州的某個人設計的,費用很便宜而且速度很快,只要一、兩天就能完成。Massa很禮貌地告訴他們,其實那種佈線是用自動化軟體工具做的,因此永遠無法讓跑33MHz訊號的電路板成功運作。

自動繞線工具很容易出錯,早期的PCB軟體只能確保訊號到接腳的電流連接,不會考量高速訊號需要較短走線,該先佈置所需通孔,或是因為通孔、線寬變化導致的阻抗不匹配等等問題,最後導致整個PCB設計失敗。

一個關於視訊晶片的故事

在1995年,我有個老兄弟是在一家視訊晶片公司工作,遇到了跟前面一樣的狀況──參考設計沒問題,但他們有個台灣的大客戶抱怨他們家的晶片無法在新PCB上運作;而該PCB設計也是有類似的佈線錯誤。

那家視訊晶片公司面臨兩個選擇,一個是坦白指出客戶的設計有問題請他們重做,二是讓他們自己的視訊晶片做個便宜的金屬光罩修改,以彌補客戶的不良PCB佈線;後來他們選了第二種方法,客戶當然很開心、覺得自己永遠是對的,而且對於那家視訊晶片公司寄給他們能順利運作之新晶片的客戶服務十分滿意。

我那位朋友說,這對一家半導體公司來說是明智的策略;IC業者應該是為自家的晶片導入IP,而不是花錢教自己的客戶怎麼設計。你可以在晶片內做些改變,反過來向客戶收錢。

一個關於F-16戰鬥機的故事

筆者曾參與F-16戰鬥機的雷達干擾裝置設計,了解到有些公司可能也遭遇過的系統性PCB問題;電路板佈線被認為是機械工程任務,因此我們的電子工程師把電路圖丟出來,讓其他部門去做電路板佈線工作。

我拿到的電路板上有非常高速的發射耦合邏輯(ECL)振盪器,但該8層電路板原型無法運作;因為有非常充足的電路板層面空間,我很疑惑他們到底是怎麼把設計搞砸的。結果發現,機械工程師為了簡化位於所有零件下方的鋁製散熱器設計,是按照形狀來安排零組件位置的;那顆ECL晶片位於電路板左上方,電阻被放在中間,晶體振盪器則在右下角,距離ECL晶片整整8吋。

從那時候我們都會確保機械工程師在進行PCB上的零組件佈置時,旁邊有坐一個電子工程師,而且會在準備製造之前審查整個佈局(圖2)。

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圖2 F-16戰鬥機的雷達干擾裝置PCB,在所有的零組件下方有一個鋁製散熱器;千萬別讓機械工程師為了散熱器設計而自作主張佈局PCB,以免犧牲電子功能。



一個關於電源供應器的故事

我在1998年為HP擔任顧問時,曾在設計中用了一顆凌力爾特(Linear)的SEPIC轉換器晶片LT1513IR;我看了產品規格表,還跟與我接洽的Linear應用工程師Jon Dutra說,他們公司規格表裡面的佈線圖有錯。好啦…別笑了,我那時候還年輕、有點蠢。

現在已經轉到微軟(Microsoft)工作的Dutra很有耐心地看了規格表裡的應用實例部分,並解釋為何他們建議用那樣的方式來佈署轉換器。我有幾個好朋友是從Linear退休的,他們都對我保證,很多客戶都是該公司元件的忠實愛用者,因為他們的應用工程支援能幫客戶把錯的設計變成對的;而我用Linear建議的方式佈署那顆SEPIC,第一次繞線就成功(如圖3)。

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圖3 這是自動測試設備的PCB,因為事先了解過那顆SEPIC轉換器(以紅框標示),我的設計第一次就成功。



一個關於掌上型電腦的故事

我在一家掌上型電腦公司工作時,曾犯過一個錯誤,用SPECCTRA軟體工具進行一片12層PCB的自動繞線(圖4);我那時覺得SPECCTRA超有智慧(而且很貴),應該可以不需要人為監督或干預,讓它自動繞線。

在PCI匯流排無法運作時,我們做了一個夾具來探測PCI匯流排上的每一個訊號;它們都在那裡,時序也收斂了,但顯然收斂得不夠、無法與掛在匯流排上的晶片共同運作。而且那是一個沒有連接器的匯流排,只有長度約4或5吋走線…我再也不信任沒有人為監督的自動佈線器了,永遠都不會!

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圖4 這片掌上型電腦的12層電路板原型看起來很厲害,但是因為自動佈線器搞砸了PCI匯流排的時序,根本無法運作。



一個關於消費性DVD播放器的故事

我在某家半導體公司任職時,做的是驅動PC用DVD燒錄機內雷射頭的晶片;我看了一眼某客戶設計的軟性電路板原型,就知道他們缺乏高速或散熱設計方面的經驗,畢竟他們之前做的CD燒錄機資料速率比較低,而且用的晶片不會產生太多熱度。而我們花了大半年的時間教客戶該怎麼設計他們的PCB(圖5)。

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圖5 DVD燒錄機的雷射驅動器軟性電路,需要具備PC主機板或是其他高速、對溫度敏感之設計的專業經驗。



你可以尋求幫助!

不要輕忽你的PCB設計,要非常注意元件規格表的建議;半導體廠商的應用工程師能給你很多幫助。但要注意的是,半導體廠商的應用工程師是IC專家,不是系統工程師,因此他們今天可能會告訴你,把類比與數位接地面分開,再以類比數位轉換器(ADC)晶片來連結;但他們不會告訴你如果板子上有5顆ADC該怎麼辦。

要進一步了解PCB設計訣竅,有很多訓練課程、技術研討會可以參加,專業的資深工程師會教你如何妥善利用零組件佈置與繞線規則,讓你的設計避免產生雜訊或是對雜訊敏感;你也可以透過學習確保你的設計有良好的訊號與電源完整性。

如果你不希望你的產品設計是七零八落或是問題重重,絕對需要去學習所有關於PCB設計與製造的知識,那是你的產品設計基礎,就像是房子的地基一樣,沒有人希望它搖搖晃晃!

編譯:Judith Cheng

(參考原文:The PCB is the most important component of your design,by Paul Rako)