什么是PCB設(shè)計？

• PCB設(shè)計：城市景觀

• PCB設(shè)計師的角色

• 印刷電路工程：定義

• IPC-22XX 1.X。印刷電路工程布局專業(yè)的定義

• PCB 設(shè)計最佳實踐

• PCB設(shè)計已經(jīng)發(fā)展

PCB設(shè)計是通過多學(xué)科和多領(lǐng)域之間的協(xié)作和集成來創(chuàng)建印刷電路板（PCB）的整個過程，包括電氣、機械、軟件、系統(tǒng)、測試和制造。這是一項需要持續(xù)雙向溝通的團隊努力。

由于最近的 COVID-19 大流行對供應(yīng)鏈漏洞方面的所有行業(yè)產(chǎn)生了負面影響，現(xiàn)在 PCB 設(shè)計的成功還包括為電子系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)供應(yīng)鏈彈性。這包括通過在設(shè)計點左移最知名的零件可用性、BOM 驗證和備選方案驗證來實施具有供應(yīng)鏈智能的由外向內(nèi)方法。在設(shè)計方面擁有知識、智慧和優(yōu)化是在 PCB 設(shè)計方面實現(xiàn)彈性設(shè)計成功的關(guān)鍵。

當(dāng)今電子產(chǎn)品的設(shè)計狀態(tài)比以往任何時候都更加復(fù)雜和緊張。設(shè)計團隊必須在更緊湊的時間表內(nèi)交付更復(fù)雜的產(chǎn)品，但他們會在非生產(chǎn)性任務(wù)上浪費寶貴的時間。通過所有工程學(xué)科將他們聯(lián)系起來，并為他們提供一流的解決方案，以通過電子系統(tǒng)設(shè)計的協(xié)作方法蓬勃發(fā)展。

我真正喜歡的 PCB 設(shè)計最簡單的解釋或隱喻之一就是它就像“設(shè)計一座城市”。一個城市，土地（房地產(chǎn)）、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、建筑物、房屋和道路都相互連接。一個城市的土地（房地產(chǎn)）和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)代表了PCB的堆疊。建筑物和房屋代表放置在 PCB 上的電氣和機械組件，道路代表根據(jù)需要連接一切的銅線和過孔。

裸露的 PCB 由用于將組件連接/焊接到 PCB 上的焊盤圖案組成。它們通過稱為非導(dǎo)電基板上跡線的導(dǎo)電印刷線互連。它們?yōu)殡娐钒l(fā)揮作用提供了途徑。這通常稱為印刷線路板 (PWB)。重要的是要注意，在所有必需的組件都焊接到 PWB 上之前，它不被視為組件。一旦焊接到 PWB 上，電路就完成了。完全組裝/填充的 PCB 產(chǎn)生了一個功能齊全的生態(tài)系統(tǒng)，這是 PCB 設(shè)計和設(shè)計城市之間的隱喻比較。

一旦 PCB 完全填充了所有必要的組件，在這個階段或組裝級別，它通常被稱為印刷電路組件 (PCA)、印刷電路板組件 (PWBA) 或電路卡組件，具體取決于您如何選擇引用完全填充的印刷電路板。

圖 1 – 項目利益相關(guān)者（部門）

與許多與 PCB 設(shè)計（電子系統(tǒng)設(shè)計）相關(guān)的工程學(xué)科一樣，PCB 設(shè)計師（印刷電路布局專業(yè)人員）扮演著通常位于電氣工程部門的重要角色。請參閱圖 1 查看主要利益相關(guān)者（部門），他們通常在整個設(shè)計過程中協(xié)作以實現(xiàn)項目最終目標，無論是公司內(nèi)部目標/里程碑，還是外部客戶要求。

由于內(nèi)部和外部的關(guān)鍵利益相關(guān)者如此多樣化，有組織的復(fù)雜性需要多學(xué)科協(xié)作和整合。請參閱圖 2，了解當(dāng)今系統(tǒng)級連接性的示例 - 組織復(fù)雜性。

圖 2 – 系統(tǒng)級連接性 – 有組織的復(fù)雜性需要多學(xué)科協(xié)作

由于內(nèi)部和外部的關(guān)鍵利益相關(guān)者如此多樣化，有組織的復(fù)雜性需要多學(xué)科協(xié)作和整合。請參閱圖 2，了解當(dāng)今系統(tǒng)級連接性的示例 - 組織復(fù)雜性。

通常，PCB 設(shè)計屬于工程的硬件 (HW) 設(shè)計類別。它與電氣、機械、軟件、系統(tǒng)、測試和制造學(xué)科聯(lián)系在一起，包括電氣 (ECAD) 和機械 (MCAD) 設(shè)計師。

PCB 設(shè)計需要來自多個學(xué)科及其各自領(lǐng)域的大量輸入和細節(jié)，以幫助定義、驗證和生產(chǎn)最終產(chǎn)品。其中的一個例子如下：

1. 系統(tǒng)級需求/架構(gòu)定義

2. 機械、電氣、軟件、系統(tǒng)和測試要求/約束

3. 信號完整性 (SI) / 電磁兼容性 (EMC)、電源完整性 (PI) / 熱分析

4. 可制造性設(shè)計 (DFM) 和可生產(chǎn)性指南

5. 關(guān)于組件采購的供應(yīng)鏈彈性

硬件通常由機械定義和約束創(chuàng)建，這些定義和約束與電氣輸入/要求一起饋入 PCB 布局，包括原理圖（描述電子電路的圖形符號和圖表）以及滿足最終產(chǎn)品定義/要求的電氣和物理約束。

PCB 設(shè)計已經(jīng)從早期的粘性背面組件圖案和膠帶發(fā)展到聚酯薄膜片上，然后將其拍照以創(chuàng)建用于制造的生產(chǎn)工具母版圖。隨著 PCB 設(shè)計幾十年來的發(fā)展，關(guān)鍵利益相關(guān)者的流程和個人角色（誰在設(shè)計過程中做什么以及何時在設(shè)計過程中）也發(fā)生了變化。

原理圖由電氣或電子工程師創(chuàng)建。機械工程師提供具有所有物理要求和約束的物理包裝或封套。此機械信息會輸入 PCB 布局。然后，布局專家（電氣設(shè)計師）設(shè)計 PCB 布局，這是多學(xué)科協(xié)作的結(jié)果。該專家一直充當(dāng)項目團隊的樞紐或焦點，以收集所有需要實施到 PCB 設(shè)計中的輸入/要求。

在 PCB 設(shè)計中取得成功所需的知識、技能組合和經(jīng)驗已經(jīng)演變成今天眾所周知的印刷電路工程。這種演變需要對包裝可溶性、性能和制造的設(shè)計有全面的了解。當(dāng)今行業(yè)中的印刷電路布局專業(yè)人員/專業(yè)現(xiàn)在交叉授粉電氣、機械、軟件、測試和制造學(xué)科之間的必要技能集。您現(xiàn)在可以理解為什么可以肯定地說 PCB 設(shè)計過程已經(jīng)從孤立的/個人的努力演變?yōu)槎鄬W(xué)科、多領(lǐng)域的團隊努力以及印刷電路布局本身的專業(yè)。

為了幫助指導(dǎo)個人進入或繼續(xù)從事該行業(yè)，IPC 技術(shù)活動執(zhí)行委員會 (TAEC) 在 2017 年接受了印刷電路工程布局專業(yè)人士的推薦定義，該定義將被納入 IPC-2200 系列標準。重要的是要注意，印刷電路工程布局專業(yè)人員只是 PCB 設(shè)計宏偉計劃中的重要角色之一。它并未涵蓋 PCB 設(shè)計中的所有角色。公認的推薦定義如下所示，并以圖形方式顯示。

圖 3 – 設(shè)計工程三角 – 成功的 3 個視角

以下概述描述了作為獨立專業(yè)人員或作為履行此職責(zé)的工程師最好地擔(dān)任印刷電路工程布局角色的核心知識和能力。今天的設(shè)計師必須解決 3 個成功的角度，目標是使第一次迭代按預(yù)期工作。

• 布局可解決性——復(fù)雜的封裝技能集

• 性能——所有層的信號、PWR 和熱性能

• 可制造性——DFX 對高產(chǎn)量和低成本的考慮

結(jié)果提供了可實現(xiàn)的最大元件放置/布線密度、最佳電氣性能以及高效、高產(chǎn)量和無缺陷制造。

在 PCB 設(shè)計過程的初始階段讓所有必需的利益相關(guān)者參與進來，并通過實施行業(yè) PCB 設(shè)計最佳實踐是全面成功的關(guān)鍵。多學(xué)科和多領(lǐng)域的協(xié)作和整合以及所有利益相關(guān)者之間的持續(xù)雙向溝通對于打破壁壘和孤立工作至關(guān)重要。強烈推薦行業(yè) PCB 設(shè)計最佳實踐的 5 個支柱，以實現(xiàn) PCB 設(shè)計的成功。這5個支柱如下：

1. 數(shù)字集成和優(yōu)化

2. 工程生產(chǎn)力和效率

3. 數(shù)字原型驅(qū)動驗證

4. 系統(tǒng)級基于模型的工程

5. 供應(yīng)鏈彈性

反思最初的問題：“什么是 PCB 設(shè)計？”，可以看出為什么包含 PCB 設(shè)計的內(nèi)容如此之多，以及為什么它需要的不僅僅是一個簡單的定義。PCB設(shè)計已經(jīng)發(fā)展成為電子系統(tǒng)設(shè)計的印刷電路工程。簡而言之，PCB 設(shè)計已成為一個多學(xué)科、多領(lǐng)域的過程，需要協(xié)作/集成和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。