PCB 設計流程

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概述
單純從 PCB 物理設計方面來分，可將 PCB 設計流程分為器件佈局、佈線、後處理三大階段。每個階段設計品質好壞，將直接影響下一階段的設計難易度及效率。PCB 設計涉及硬體電路原理、訊號/電源完整性、印刷電路加工/組裝等等，要實現高品質高效率地交付，需要設計者具備較為廣泛的知識面。
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總體流程
為便於理解，透過一個流程圖來闡述 PCB 設計總體流程。該流程圖只概述 PCB 設計整體流程，各階段之間不是完全獨立，也不一定嚴格遵照該順序。比如，佈局階段也可進行佈線，該階段的佈線即是 Fanout，即把器件的引線都設計完成。
PCB 設計的各環節不完全獨立，其設計順序與各公司的設計流程相關，可根據公司流程要求，自行隨意調整。例如，如果把 DFM 的檢查嵌入到設計流程中---即透過設定 DFM 規則，確保設計過程中就滿足可制造型，這將有效提升我們的設計效率及品質，避免後期的重複修改。對於設計者來說，也可免除很多重複不增產值的勞動。
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各階段詳述
前期準備
前期準備階段，電路圖、機構圖、DFx 規則、SI/PI 設計規則等都是 PCB 設計啟動的輸入條件。輸入條件準備得越充分，後續的設計工作將越順暢。但是，在實際專案開發中，電路圖、機構圖、PCB 圖都在同步設計，所以就會出現 PCB 設計返工的情況。我們需要儘量考慮周全，最大程度地減少返工，提升設計品質和效率。
PCB 設計工程師應在已有條件下，儘量做好前期準備，才能交付高品質的 PCB 設計文件。這些前期準備包括但不限於如下幾個內容，涉及需要舉例圖示的部分，以 Cadence 的 Allegro PCB Designer 為範例，因為我從業期間用的是該工具。
1.	電路圖---網表導入
	基於電路圖生成能夠成功導入 PCB 設計工具的網表。網表承載的是各元器件之間的邏輯互連關係。在此，默認 PCB 設計所需器件的 footprints 已準備就緒。我們只需執行網表導入命令（File>>Import>>Logic/Netlist），即可將器件邏輯連線關係從電路圖轉化到 PCB 設計工具中。如圖所示。
2.	機構要素圖導入
	導入機構工程師提供的機構要素圖，繪製 PCB 外形，擺放有特殊位置要求的元件，例如金手指、連接器、LED 指示燈等等。（命令：File>>Import>>DXF）
3.	DFx 規則設定
	DFx 規則指 PCB 加工要求、PCB 所使用的器件組裝要求、PCB 測試要求等，這些要求都資料化並以規則的形式在 PCB 設計工具（例如 Allegro）中設置，用於驅動設計實現。
4.	SI/PI 設計規則
	訊號完整性和電源完整性要求，資料化後透過規則設定，落實到 PCB 設計中。
Allegro 的 CM 圖示
佈局階段
佈局階段分為模組佈局及整體佈局兩個大的階段。
1.	模組佈局
	將電路圖各功能模組的器件都按照訊號流向佈局完成。根據個人設計習慣不同，這個階段的工作內容也會不同，我習慣於同時完成所有器件的 Fanout，並將其定義成一些獨立的模組。在此階段，如果我們所用的工具能夠支撐佈局複用，那能為我們的設計進度帶來質的飛躍。
2.	整體佈局
	把各功能模組按照他們的邏輯互連關係，一一擺放到 PCB 的 outline 內。這時候，我們需要對各功能模組非常熟悉，還要理解該 PCB 的訊號流向，電源樹結構等，這有利於整理佈局的合理性。同時也要考慮工藝加工要求、單板散熱要求、系統組裝要求等，確保整體佈局完成後，DFx 的規則都得到落實。
模組佈局實例
說明：上文提到的佈局複用，是針對一個PCB中有很多個相同模組的設計。在這種情況下，如果工具支援佈局複用，那我們只需要佈局一個模組，其他相同模組就可以在幾秒-幾分鐘內複用完成，可以大幅提升設計效率。
佈線階段
佈線階段的難易程度與佈局的合理性相關，如果佈局時的佈線方案考慮得比較成熟，那此時只需按照規劃完成連結。但如果佈局時只是簡單的完成器件擺放，那到了佈線階段就會比較痛苦，我們將發現我們不得不邊佈線邊調整佈局，因為佈線實在是太混亂了，完全沒有頭緒。這種情況一般出現在初入行的時候，那真的會讓我們返工很多次。在此，我將按照我的流程給大家介紹佈線階段的詳細步驟。
1.	規則審視
	審視各類規則-SI/PI 規則、DFx 規則、DFT 規則等，確保這類檔都是最新稿，並將它們資料化後設定完成。
2.	檔更新
	保證機構圖和電路圖都是最新稿，儘量將修改的風險降至最低。
3.	層疊設定
	根據設計要求和各訊號的空間順序，規劃合理的層數。此處需要考慮諸多細節因素，比如阻抗控制、高速訊號、介面處設計、電源結構等等。
4.	平面層處理
	PCB 設計中的平面層，通常是用於處理電源和地訊號的。我喜歡優先把電源設計完成，保證足夠的通流能力，同時也能在訊號設計時考慮下訊號回流路徑的設計。當然，我們也是可以把電源地的處理放到後期來設計的。
5.	模組佈線
	按照各功能模組的布局，將其內部的訊號全部連接，同時將其與其他模組互連的訊號引出該模組的區域。這個設計步驟非常重要，如果此時我們遺留了一個訊號在模組中間，未將其引出，有可能會導致我們返工該模組的佈線。
6.	模組間主要訊號佈線
	將各模組之間的訊號連接。此時，需要考慮如何按照規劃完成這些訊號的實體互連，且要保證訊號完整性，比如回流路徑、過孔數量、阻抗突變等等。
7.	其他訊號佈線
	PCB 設計到最後，會有一些控制類或者偵測類的低速訊號，這些訊號佈線要求低，但是要確保他們都有連接通道。
8.	線長調整
	根據 SI 的設計，我們需要對一些訊號進行補償。我習慣在佈線完成後再來進行該調整。因為這時能夠看到佈線的實際效果，可以即時關注調整部分的訊號走向，避免出現跨分割、相鄰層重疊等設計。
9.	添加測試點
	給需要測試的網路添加測試點，其實就是替換過孔的過程，同時給測試過孔打上標誌。這個就是按照要求設計完成即可，沒有太多注意事項。
10.	調整絲印
	PCB 設計過程中，器件位置根據需要被調整，所以絲印也不會是整齊的。因此，設計完成後，我們就必須把它們擺放整齊，且不能錯位。這看似一個很簡單的工作，但是哪怕小小的失誤都會引起較嚴重的品質事故，導致單板報廢。所以，此階段需要耐心和細心。每個企業都會根據自身需要，或者行業要求在 PCB 上增加一些額外的文字，我們也需要確保這些文字清晰可見。
佈線階段至此結束。到此時，我們需確保網表是最新的，未擺放器件數為零，未連接數為零，規則管理器中的規則都得到滿足。
檢查階段
設計完成後，為了確保設計品質，我們需嚴格審查 PCB。我來分享一些從業時期的檢查心得，供大家參考。
1.	後模擬驗證
	設計完成後，針對關鍵訊號，需要進行後模擬驗證，以確認設計符合 SI/PI 的要求，確保訊號高品質傳遞。
2.	規則審查
	根據 SI/PI、DFx 等設計要求，檢查規則資料的正確性。在資料正確無誤的前提下，確保所有規則都得到滿足。
3.	佈線優化
	根據自己積累的checklist，逐項檢查設計品質。這些檢查項包括多餘孔、冗餘走線、跨分割佈線等等。
4.	工具輔助檢查
	類似短斷路這樣的設計失誤，必須依賴於一些工具來檢查，人工很難發現。
品質保證的過程完成後，PCB 設計階段就結束了，PCB可發到 PCB 廠家去加工，整個設計流程結束。

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小鑫鑫

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我是沙雕

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