目錄
1、電路是什么？PCB/PCBA是什么？
2、為什么要有PCB
3、PCB的結(jié)構(gòu)和組成
4、PCB/PCBA的生產(chǎn)流程
5、PCB/PCBA的設(shè)計流程
6、炫酷的PCB小技巧
正文
上次寫了PCB和PCBA的生產(chǎn)流程，這次來講一講PCB和PCBA的設(shè)計流程。
利用PCB的EDA軟件，可以較為輕松的在電腦上進行電路的設(shè)計和光繪文件生成，但由于PCB本身的結(jié)構(gòu)復雜，實際的步驟還是比較繁瑣的。
這篇文章，不會涉及什么功能應(yīng)該用什么電路來實現(xiàn)，只是展示PCB的設(shè)計過程，包括：封裝繪制、原理圖繪制、PCB繪制、光繪文件導出等，既有大致的流程，也有細節(jié)的描述，以此幫助大家了解PCB的設(shè)計過程，并將設(shè)計過程中的每一步和實際生產(chǎn)的每一步對應(yīng)起來。
第1步，選擇合適的EDA工具。
我所知的使用人數(shù)較多的PCB的EDA工具有三款，Altium Designer、Mentor PADS和Cadence（包含OrCAD和Allegro），我還接觸過EAGLE、Protel、立創(chuàng)EDA等。
對于初學者，推薦使用Altium Designer，對于可能成為專業(yè)人士的人，推薦使用Cadence。
學習PCB設(shè)計，入門的一大部分都在學習EDA軟件的使用，等你熟悉了軟件的使用，學習內(nèi)容就變成了電路設(shè)計和電路生產(chǎn)工藝，再往后，學習內(nèi)容就是協(xié)議、軟件等內(nèi)容，或者高速信號、EMC等，此時的EDA就只是工具了，不再是學習的目標。
第2步，確定電路原理圖。
用之前文章中的內(nèi)容來舉例，一個手電筒的電路原理圖，可以長成下面的樣子。
2個紐扣電池座、一個開關(guān)、一個限流電阻、一個LED燈，這樣就組成了一個非常簡單的原理圖。
如果是復雜一些的功能電路，比如之前舉例中的SPI網(wǎng)口芯片KSZ8851SNL的demo板，如下圖所示，就會需要幾十種、幾百個元器件和幾百根連接線。
這樣的原理圖如何才能知道該畫成什么樣呢？
這個問題，真的不是一篇文章能說的明白的，這里只給大家科普一下PCB的設(shè)計流程。
第3步，繪制封裝。
在上面的原理圖繪制之前，會分別繪制各個元器件的封裝，封裝完成后，再將元器件一個一個放到原理圖中。
之所以要進行封裝繪制，而不是直接在原理圖中進行元器件的繪制，是因為使用同一種元器件時，不會每個元器件都畫一遍，而是直接擺放已經(jīng)畫好的元器件封裝，這樣極大的避免重復勞動。
如果能把所有元器件的封裝都分享出來的話，大家就能省去繪制元器件的原理圖封裝這一步。
上面手電筒的原理圖是抽象出來的4種元器件，每種元器件用不同的圖標來繪制，根據(jù)需要連接的引線數(shù)量，加上對應(yīng)數(shù)量的引腳，再給每個引腳寫上名稱，這樣就完成了一個器件的封裝的繪制。
在demo板的原理圖中，電阻、電容的封裝被重復的利用了幾十次，這也是為什么EDA軟件會把封裝和原理圖分成2步的直觀原因。
對于電容、電阻、電感等常見的簡單器件，大多EDA軟件都會給出示例的圖標，可以從官方的封裝庫中取出來，保存在自己的封裝庫中。
一個電容在庫里的封裝
對于一些不常見的器件，比如芯片、連接器等，大多時候則需要自己按照芯片的手冊進行繪制。
比如下圖，下圖是安川公司的Mechatrolink的協(xié)議芯片，這個芯片只有安川生產(chǎn)，但他們只提供了芯片的手冊，并沒有針對市面上所有的EDA軟件提供對應(yīng)的封裝，因此，我也只好將其100個引腳一個一個的按序列擺上、輸入名字和序號。
再過分一些，比如ZYNQ的芯片，XC7Z010-1CLG400I，這是一片400個引腳的BGA封裝的SOC芯片，它的實物引腳長成下圖這樣。
想象一下，你得自己畫原理圖封裝，擺放400個引腳，再給它們輸入序號和名稱，想想這個工作量是不是很酸爽。
這種時候，最好不要自己畫原理圖封裝，大廠的通用芯片，基本是一定會在官網(wǎng)上提供可以下載的芯片封裝的，對于流行的EDA軟件基本都有適配的格式。
下面的鏈接，就是Xilinx官方提供的ZYNQ芯片的原理圖的封裝引腳列表，可以利用EDA軟件的工具導入引腳的信息，從而創(chuàng)建原理圖封裝，而不需要手動的輸入400個引腳的信息。
對于很多常見一些的芯片，大多也可以通過網(wǎng)上下載的方式獲取到封裝，可以參考我下面的回答里提供的方法。
第4步，創(chuàng)建工程、創(chuàng)建頁面、擺放器件
第5步，連接器件
第6步，導出/導入網(wǎng)表（netlist）
原理圖表示了一個電路中所有器件引腳以及相互之間的連接關(guān)系，完成原理圖設(shè)計后，即可開始相應(yīng)的PCB繪制。
對于PADS和Cadence而言，原理圖繪制和PCB繪制使用的是不同的軟件，因此需要從原理圖軟件中導出所有元器件的引腳及其連接關(guān)系，再將其導入PCB軟件，中間生成的文件，一般稱其為網(wǎng)絡(luò)表格（netlist），但對于Altium Designer而言，其原理圖設(shè)計軟件和PCB設(shè)計軟件統(tǒng)一在同一個界面內(nèi)了，因此只需要一個按鍵即可完成PCB的網(wǎng)表導入，并不需要先導出再導入。
原理圖的設(shè)計和PCB的設(shè)計并不是必須使用同一套軟件，netlist的表示方法和標準，也是很多軟件共享的，可以實現(xiàn)很多不同原理圖軟件和PCB軟件之間相互的導出導入。
Cadence所包含的OrCAD和Allegro以前其實是2家公司的2套軟件，被同一家公司收購之后才合并為了Cadence。
第7步，繪制PCB封裝
跟原理圖封裝一樣，每個器件都需要一個PCB封裝。
PCB封裝是什么呢？PCB封裝就是一個器件在PCB上的焊盤、絲印、占據(jù)空間等元素組成的合集，直觀的說，就跟下面的圖片一樣。
芯片的實物外形長這樣。
芯片的引腳定義和順序長這樣。
有了上面的兩張圖，就可以繪制芯片的電路原理圖封裝了。
芯片的實物雖然從照片中可以看出來，但繪制PCB封裝的話，還需要下面這張圖。
根據(jù)上圖詳細的尺寸，就可以知道對應(yīng)的PCB封裝應(yīng)該如何繪制了，一般而言，焊盤要比引腳大一些，焊盤的阻焊層要再大一些，鋼網(wǎng)層跟焊盤一樣大，如果是直插引腳，還需要指定內(nèi)層的連接層負片的圖樣，不過，對于Altium Designer而言，阻焊、鋼網(wǎng)和負片層都是不需要設(shè)置的，只需要設(shè)置焊盤的外形和尺寸即可。
封裝里的絲印一般要表示芯片的輪廓，但有伸出引腳的側(cè)面一般不把絲印畫在最外面，絲印也需要表示出芯片的方向和第一引腳的位置。
SO14的PCB封裝在Altium里大概長這樣。
但其實對于這種常見的封裝，比如74HC08芯片的SO14封裝，完全可以從已經(jīng)繪制好的PCB封裝中復制過來使用，因為芯片大多使用標準封裝，很少會有芯片使用市面上罕見的PCB封裝的。
關(guān)于封裝的常見分類，大家可以看看下面的鏈接，里邊有好多我都沒見過的封裝。
如果非常不幸，你需要使用不太常見的器件，比如連接器、電源模塊、功能模塊等，你就需要自己對照著datasheet中的封裝圖進行PCB封裝繪制了。
第8步，設(shè)置PCB板的基礎(chǔ)參數(shù)
完成了網(wǎng)表的導出和導入后，如果沒有修改或錯漏的彌補，原理圖的流程即不再需要了，之后就開始在PCB設(shè)計軟件中進行PCB的設(shè)計。
PCB板的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置包括板厚、層數(shù)和層間距，雖然這3項是最基礎(chǔ)的設(shè)計，但除了層數(shù)，另外兩項并不能自然的被表示在設(shè)計輸出文檔中，因此一般都是直接用文字告知PCB生產(chǎn)廠家。
除了層數(shù)，疊層設(shè)計也是很重要的，哪些層走線、哪些層鋪平面、哪些層混合平面和走線。
單層板不需要這個設(shè)置，雙層板一般雙面走線，空余的地方敷銅并設(shè)置為GND或VCC，多層板的話則會有所要求的，4層板一般2和3層設(shè)置為GND和VCC，表層和底層走線，VCC層也可以適當走線，6層板的話，如果對地平面要求高一些，則將2/5層設(shè)為GND，3或4層設(shè)置為VCC，其它層都用來走線。8層板、10層板或更高層數(shù)，就比較靈活了，就不在這里闡述了。
第9步，繪制外框
第10步，放置器件
在PCB中防止器件的前提是所有器件的PCB封裝都已經(jīng)繪制好，并能被軟件正常調(diào)用，如果有個別器件的PCB封裝因為沒拿到實物而不敢確定的話，也可以先把其他的器件放好，繼續(xù)后續(xù)的設(shè)計工作，等那個器件確定之后，再修改封裝，放入設(shè)計中。
第11步，設(shè)置過孔、線寬、線距等常用參數(shù)和規(guī)則
所有的PCB設(shè)計，都需要指定默認的線寬、線距以及過孔的大小，在布線時會默認使用此參數(shù)，如果需要布特殊的線或過孔再進行臨時調(diào)整。
第12步，設(shè)置高級規(guī)則
如果涉及到高速信號，就需要根據(jù)需求設(shè)置相應(yīng)的規(guī)則，從而便于布線時利用規(guī)則自動或輔助實現(xiàn)布線約束。
高級規(guī)則包括：差分線（線寬、線距、不耦合長度等）、等長線（等長誤差等）、焊盤線預(yù)收縮（Neck）、間隙（線、孔、塊、焊盤等各種元素之間的最小距離）。
舉例來說，對于DDR3的信號，地址線、時鐘線、命令線等需要保持相等的長度，數(shù)據(jù)線、DQS、DQM則需要保持相等的長度，如果等長保持的不好，很有可能使得某位數(shù)據(jù)或地址不滿足時序要求，使得讀寫DDR的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不穩(wěn)定，不得不降低DDR的運行速率。
回到設(shè)置規(guī)則這一步，有一些規(guī)則是需要先完成布線，再進行規(guī)則設(shè)置，最后根據(jù)規(guī)則所產(chǎn)生的提示調(diào)整布線，從而滿足規(guī)則。
第12步，布線和繪制塊狀網(wǎng)絡(luò)（shape）
布線就是實現(xiàn)電路原理圖中各個引腳的連接，通過設(shè)置好線寬和線距的銅線，在EDA軟件中實現(xiàn)互聯(lián)。
繪制PCB的大部分時間都花在布線上了，雖然各個軟件都提供自動布線功能，但遇到多層板和交叉走線時，自動布線的結(jié)果大都難以接受，不過也有大牛能夠設(shè)置好規(guī)則，非常好的利用自動布線的技巧。
對于有些電流需求較大的連接，一般要求非常粗的線，但也可以直接繪制一塊區(qū)域的銅層，通過設(shè)置焊盤與區(qū)域銅層的連接，實現(xiàn)塊狀網(wǎng)絡(luò)的連接。
PCB的布線有很多需要注意的事項，線寬、線距、角度、方向等等，這些注意事項就以后再寫吧。
第13步，調(diào)整絲印
調(diào)整絲印的大小、位置、方向，使得絲印能夠準確的表示各個器件的位號，便于焊接、測試和替換。
PCB的生產(chǎn)廠家一般會在空白處印上自家的logo，以及生產(chǎn)日期相關(guān)的信息，設(shè)計者也可以自己留下標明PCB設(shè)計信息相關(guān)的內(nèi)容。
第14步，導出鉆孔文件（drill）和光繪文件（gerber）
PCB完成了器件布局、布線和絲印調(diào)整之后，基本就完成了主要的工作，沒有特殊要求的話，就可以導出生產(chǎn)相關(guān)的文件了。
如果使用Altium Designer的話，很多國內(nèi)的廠家都接受發(fā)送工程文件作為生產(chǎn)文件，但對于PADS和Cadence，都必須要導出鉆孔文件和光繪文件。
導出鉆孔文件的時候還需要注意，如果有不是圓形的孔，還需要額外的銑刀路徑相關(guān)的文件。
第15步，指定PCB的加工技術(shù)參數(shù)和工藝要求
通過PCB的生產(chǎn)文件，并不能了解所有相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和工藝要求，這些無法在設(shè)計文件中表達的內(nèi)容，都需要通過文本的方式傳遞給生產(chǎn)廠家。
大家可以去在線投板的PCB板廠官網(wǎng)看看，有很多需要指定的內(nèi)容。
我知道的PCB板廠有：嘉立創(chuàng)、華強北PCB、捷配PCB、迅捷興、興森快捷、立創(chuàng)等。
下圖是嘉立創(chuàng)的參數(shù)，其實還有一些下面看不到的參數(shù)在復雜一些的PCB中也需要指定，不過在線做的PCB一般都是打樣的，所以很少會涉及。
第16步，給定阻抗要求，調(diào)整疊層設(shè)計
對于某些高速信號的PCB，需要指定其某些信號線的特性阻抗，在給PCB板廠加工時，需要先自己設(shè)計疊層，根據(jù)疊層計算出指定特性阻抗的線寬、線距等參數(shù)，使用自己計算出的參數(shù)進行布線，完成布線后，將指定的參數(shù)和設(shè)計文檔一起給PCB廠商。
廠商會根據(jù)你給出的設(shè)計文檔和阻抗要求，按照他們的能力和當前合適的板材，計算出你的疊層、線寬、線距是否合適，如何調(diào)整，然后將他們調(diào)整后的結(jié)果和預(yù)期的特性阻抗誤差告訴你，這樣一來一回，就能確認你的特性阻抗要求是否能滿足了。
如果你沒有提前自己計算好阻抗，隨意的指定了疊層和線寬、線距，很有可能最后無法調(diào)整出合適的參數(shù)，實現(xiàn)要求的特性阻抗，或者實現(xiàn)了特性阻抗，但線寬、線距又不滿足防止串擾的要求。
第17步，PCBA焊接
完整的PCB設(shè)計流程到交付鉆孔和光繪文件就完成了，等PCB加工完成，就要開始PCBA的生產(chǎn)了，也就是PCBA的焊接。
對于批量生產(chǎn)的PCBA，必定是需要使用貼片焊接生產(chǎn)線進行自動化焊接的，但對于小批量的打樣，除了BGA封裝、地焊盤封裝和特別小的0201封裝，大部分貼片芯片都是可以使用手焊來完成的。
目前國內(nèi)的手工焊接價格，如果是10片以內(nèi)的小面積樣板，相比于上貼片機的流水線，成本和時間上還是有優(yōu)勢的。
PCBA的焊接并不需要設(shè)計額外的東西，但需要將PCB設(shè)計中的一些東西導出發(fā)送給焊接商，包括：BOM（物料清單）、器件坐標和方向列表、鋼網(wǎng)的光繪文件（由pastemask層生成）。將這些材料和所有的物料標記好名稱或料號，即可等待PCBA焊接完成了。
結(jié)尾
以上的內(nèi)容就是這一節(jié)的全部內(nèi)容了。
PCB/PCBA的設(shè)計其實是非常復雜的，流程說起來只有這十幾步，但每一步都需要學習和練習好幾次才能慢慢的熟悉和掌握。
具體的學習過程，EDA軟件的操作占了一大部分，等軟件操作熟悉后，才開始真正學習電路設(shè)計，學習哪些電路能實現(xiàn)哪些功能。
針對PCB的EDA軟件的學習，推薦1本書給大家，《Cadence高速電路板設(shè)計與仿真——原理圖與PCB設(shè)計》。
我學習和使用過Altium Designer、PADS、Eagle和Cadence，只有Cadence是完整的閱讀了一本書籍，這幾年一直在持續(xù)的使用Cadence，感覺這本書還是很詳盡的。
其實網(wǎng)上也能找到很多相關(guān)的資料和視頻教程，大家也可以找來看看，我當年第一次學習Altium Designer，也是從“郭天祥”那份不太優(yōu)質(zhì)的視頻開始的，不過Altium每年都推出新版本，如果愿意的話，從20版本開始也不錯，推薦初學者看看。
終于寫完了，歡迎大家吐槽~