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PCB 绘制

板级电路在测试过程中为芯片提供电源、时钟、GPIO 配置接口等。

1. 整体流程

TLDR
  1. 新建 project。
  2. 新建 library，并导入 socket 以及其他常用元器件（电阻、电容、排针等）对应的原理图库（.SCHLIB）和封装库（.PCBLIB）。
  3. 新建原理图（.SCHDOC），绘制电路图。
  4. 绘制 PCB。
    • 新建 PCB（.PCBDOC），导入原理图。
    • 修改 PCB 设计规则（Designs -> Rules）。
    • 定义 PCB 尺寸（KeepOut Layer）。
    • 修改 PCB 层数（Design -> Layer Stack Manager）。
    • 摆放元器件。
    • 走线（电源 + 信号）。
    • 划分电源和地平面。
    • 整体铺铜（Tools -> Polygon Pour）。
    • 添加地信号的缝合孔（Tools -> Via Stitching/Shielding）。
    • 滴泪（Tools -> Teardrops）。
  5. 检查 DRC。
  6. 打包 PCB 文件（.PCBDOC）为压缩包，使用嘉立创下单助手下单安排生产。

原理图设计 —— PCB 绘制 —— DRC 检查 —— PCB 下单 ——（SMT 下单）

原理图设计：设计电路板的原理图，这个过程中需要对调用的元器件进行选型。 PCB 绘制：电路板真实的物理实现，包括电路板的大小边界、元器件位置摆放、走线链接。 DRC: 检查设计的 PCB 是否符合 Design Rule、PCB 是否与原理图一致。 PCB 下单：完成原理图 PCB 设计后，将设计好的 PCB 压缩可以通过嘉立创下单助手下单安排生产。 （空 PCB 无元器件） SMT 下单：SMT 是 PCB 厂家根据提供的 PCB 信息将所需要的元器件通过回流焊方式焊接。（PCB+元器件）

1.1 元器件与 EDA 工具

1.1.1 元器件分类

为测试芯片绘制的 PCB 所用到的元器件通常可以分为三类：有源器件、无源器件、连接器。

有源器件：芯片、二极管、LED 等需要供电的器件。 无源器件：R、C、开关等无需供电的器件。 连接器：排针，电源接口等传递电源和信号的接口。

提示

对于数字芯片测试来说，如果使用外部稳压源来供电的话，通常无需使用板级 LDO/BUCK 来产生电源，因此只需要用到无源器件和连接器。

1.1.2 元器件封装

封装从结构上可以分为插件与贴片两种，插件是通过通孔焊接在 PCB 上，贴片则是通过 PCB 的焊盘进行焊接。插件的机械稳定性更好，贴片的寄生参数更小。

  • 有源器件的封装种类繁多，不一一赘述，可以在立创商城自行选型。

  • 无源器件封装 RC 通常使用贴片封装 0402、0603、0805、1206。器件的尺寸与数字大小成正相关

RC Package

  • 连接器封装

    • 2.54 - 1(2) - 2/3/4/8P 排针, 常用为 GPIO 配置引脚，低频低电流下也可以作为信号 IO 和电源输入。

      • 2.54：排针 pin 间距为 2.54mm
      • 1(2)：单排(双排)
      • 2/3/4/8P：2/3/4/8 个 pin

    • 5557 - 2P 电源接口

    • SMA，可用作高频信号传输，例如时钟

1.1.3 EDA 工具

常用的 PCB 设计 EDA 工具主要是 Altimu Designer，嘉立创 EDA。Altimu Designer 在北大软件中心中没有提供，需要从其他途径下载，嘉立创 EDA 可以免费试用。下面教程主要是基于 Altimu Designer，但两者的操作是很类似的。

1.2 元件库添加

在进行原理图与 PCB 绘制前，我们需要添加元件库（R，C，芯片， 接口等等）。一个元器件主要包括 Schematic 与 Footprint 两部分。元器件引脚在 schematic 中的标号与 Footprint 的焊盘是一一对应的。元器件可以自行绘制或者通过嘉立创下载进行添加。

1.2.1 元件库导入

元件库分为.SCHLIB, .PCBLIB, .INTLIB，其中.SCHLIB 只有元件的 schematic，.PCBLIB 只有元件的 pcb，.INTLIB 则是两者都有。

  1. 在右下角的 Panels 中把 Components选中，选择 File-based Libraries Preferences
Open Lib
  1. 选择 Lib 所在的路径然后 install
Install Lib

1.2.2 添加元器件至元件库

如果元件库中没有想要的元件，需要自行添加，常用的方法是通过立创商城添中找到它，点击数据手册，在网页版嘉立创中打开它的封装，导出他的 Schematic 与 Footprint 为 Altimu Designer。

Add new component

对于导出的 Schematic/Footprint，在 Altimu designer 中打开它后在 Tools-Make Schematic/PCB Library

打开对应的 Library，copy 对应的 component，然后在右侧的Components中选择对应的库，随便找一个元件右键选择Edit来打开这个库，再将刚刚复制的 component 粘贴进去即可。

Copy component
Paste Component

1.3 原理图绘制

下面操作基于 Altium Designer 软件进行（嘉立创的操作也是类似的，可能快捷键有所差别）

  1. File-New-Project 创建一个 project
Creat project
  1. 在创建的 project 下添加新的 schematic 与 PCB
creat new schematic and PCB

  1. 现在可以在 schematic 绘制电路图，P 键可以弹出绘制的选择面板，Place Part会在右侧现实 component 的 SCHLIB，将想要的器件拖到 schematic 中，然后进行连接。

  2. 连接可以通过Wire或者Net Label进行，Power Port用来识别电源端口作用与 Label 相同 选中器件后空格键可以对器件进行旋转

Place Part
  1. 对于元器件，右键可以查看其 Properties，修改 Comment（PCB 的丝印）以及 Footprint

1.4 PCB 绘制

  1. 在进行 PCB 设计前我们需要先修改一下 Design rule 来满足我们的需求，通过Design-Rules打开面板，主要是修改间距与连接方式，因为默认设置很保守且适用面也较窄。（后续设计过程中也可以进一步继续调整满足需求）
    • 修改Electrical-Clearance，调整 clearance，PCB 中的间距不太重要，可以尽可能往小设，不会出错。
    • 修改Electrical-Short Circuits，勾掉 Allow Short Circuit。
    • 修改Routing-Width/Routing Via Style，调整 minimum（6）与 maximum（100）范围。
    • 修改Plane-Power Plane Connect Style/Polygon Connect Style，修改 connect style 为 Direct Connect。
    • 修改Manufacturing-Hole Size/Silk To Solder Mask Clearance/Silk To Silk Clearance，修改 clearance，其中 silk 的 clearance 无所谓，即使重合也没事。
PCB Rules
  1. 设置 PCB 层数：PCB 我们可能用到 2 层板或者 4 层板，2 层板组合为 signal-signal，4 层板组合常用 signal-power-ground-signal。其中 signal layer 是正铜层所绘制的为真正的线路，plane layer 是负铜层所绘制的是没有线路的地方。 在Design-Layer Stack Manager中可以添加层。推荐使用 4 层板。
PCB Layer
  1. 定义 PCB 形状：选中 KeepOut Layer 或者 Mechanical Layer，用 wire 画出想要的形状后，选中所有，Design-Board Shape-Define Board Shape from Selected Objects

提示

COB 对 PCB 尺寸有要求，10 cm x 15 cm

  1. 导入 Schematic 的器件至 PCB Design-Import Changes from xxx，同时也可以反向将 PCB 中的修改同步至 Schematic Design-Update Schematics in xxx。

  2. 现在可以进行 PCB 绘制了，主要就是器件摆放，连线，以及给电源平面铺铜。下面是一些常用的快捷键：

    • 1 2 3 切换视图
    • q 切换公制/英制
    • ctrl + F 翻面
    • ctrl + M 尺子
    • shift + s 切换多层还是单层显示, ctrl + shift + 鼠标滑轮切换层/键盘"-", "+"
    • ctrl + w 走线
    • shift + w 切换线宽
    • P + R 铺铜
    • shift + 空格 切换走线模式（45°/45°圆角/90°）

  3. 铺铜设置，调整为Pour Over All Same Net Objects并且勾选去除死铜。然后对铺铜进行平滑倒角，按住角 拖动（shift + 空格调整形状）。 完成设计后最后在 Top 与 Bottom layer 空余地方上都铺上 GND，即拉一个很大的铺铜罩住整个板子。 （右键-Polygon Actions-Polygon Manager可以设置不同网络铺铜的优先级）

Polygon Smooth

  1. 缝合孔：在 TOP/BOTTOM 的 signal layer 以及 Power/Ground plane layer 中都会存在 power/gnd 的铺铜，同一网络在不同 layer 的铺铜层需要用缝合孔进行连接。 Tools-Via Stitching/Shielding-Add Stitching to Net...

  2. 滴泪：在 TOP/BOTTOM 的 signal layer 以及 Power/Ground plane layer 中都会存在 power/gnd 的铺铜，同一网络在不同 layer 的铺铜层需要用缝合孔进行连接。 Tools-Via Stitching/Shielding-Add Stitching to Net...

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