有些工程师感叹,过去那种能够在实验室中快速地对电路构想进行测试和验证的“面包板”原型时代,已经一去不复返。生育高峰时期出生的工程师们尚在深深地怀念过去晚上在餐巾纸上画好电路草图、明天就在实验室用电线搭成电路、在工作台上就可以通过验证实际工作情况和观察波形来试验设计思想的时光。不过,这并不意味着他们习惯于一些乱七八糟的接线。即使在面包板问世以前,设计人员也是非常仔细地考虑元件的布置和信号线的走向问题以避免串扰、飘移电感和电容对电路造成负面影响。
无论如何,今天精巧的SOIC和QFN封装技术从根本上对手工焊接造成了困难,信号带宽也提高到无法与点对点“鼠穴”状接线兼容。另外特别是像ASIC这样的许多半导体元件只有表面贴装形式。这样,在设计一个SOIC时一般都不会选择双列封装的原型。即使有便于手工焊接的封装元件,在信号传播和相位关系方面,原型与生产设计的高密度布局也可能存在差别。
快速将PCB转换为原型
在过去制作PCB时,要将胶带和粘结占位木模按放大了2倍或4倍的版图人工粘贴在一片聚脂薄膜上(以便于照相缩版处理和制作出1:1的接触式感光胶片)。很早以前,精心开发的PCBCAD布局软件已经取代了过去这种单调乏味的、通过手工“掩膜”来制作PCB艺术品的工作。
现在,工程师可以依靠软件自动进行布线设计的调试过程,最新的CAD软件提供了直观的图形用户界面,而且还支持从相关的原理图(原理俘获)程序中导入元件和接线信息(即网表信息)。
如果这些原理捕获/PCB布局软件包与基于互联网的快速转换PCB原型库结合起来,就可以获得过去的那种便捷的面包板功能,仍然可以设计出接近于最终设计的原型。目前有许多比一次工作午餐还要便宜的软件包可供选择,学习掌握这些软件也只需要几小时的时间。许多软件附带有包含数千个公用元件的库,因此不需要实地选择元件并将它们布置在实验板上。
按如下5个步骤使用CAD软件可以快速而简便地制作出
一个原型:
1.首先使用原理捕获软件绘出电路,从库中选择元件,将引线和总线连接起来。
2.将捕获的电路原理导入到PCB布局软件,移动元件封装直到获得紊乱最小的元件座,然后进行布线,软件即可以生成一个CAM文件。
3.在线订购板件和焊接模板,上载CAM文件。
4.一旦接受所订购的板件,就可以制做印刷版。
5.装配原型。
由于有了PCB后就可以进行装配,所以前端原理捕获和电路布局就比制作过程需要更多的时间。实际上,采用焊接模版将焊料印在PCB上,装配就成了一件将元件放置在相应的占位,然后将装配好元件的电路板放进回流炉这样一件简单的工作(注意:一个专用的“烘烤炉”更适合于回流工作)。
原型设计中的问题?
在设计中您可能会发现库中没有您所需要的元件,但这个问题确实是一个非常普遍的问题(在只包含一般元件的PCB布局软件的元件库中就可能没有ASIC或新型器件或特殊器件)。在这种情况下,电路设计师或原型师必须为软件包的元件库自己创建相应的器件。
这项工作不仅包括PCB铜层占位、也包括焊接模版、焊接掩膜、丝网图例、元件位置和方向的设计。不过,一个典型的双面板会包括几个与每个元件有关的特殊层,不过不需要担心,如果采用逐步逼近的方法,创建库中没有的器件也不是一件令人退缩的困难事情。
双层板的一般要求
一般设计工作先从确定PCB元件占位的层数开始。在电路板的上面(“元件侧”)必不可少的布线层是铜层、焊接掩膜层、焊接模版层和丝网图例层,另外还有元件质心/原点层和文档层可选。
当然,铜层是提供器件焊接连接面的主要板层,焊接掩膜层可以防止液态的光学成像(LPI)焊接掩膜漆料覆盖焊接区域,模版层(油膏层)为用来将焊料“印刷”在铜层的不锈钢模版提供光孔图案,丝网图例层包含元件轮廓和方向的工艺图、器件ID和元件号。
原点(元件质心层)提供贴装设备所需要的信息,而文档层一般用来给出器件的概略说明,这两层都不会出现在实际电路板上。
器件的数据册中可能会包含或不包含针对具体封装的推荐占位图纸(如果包含这样的图纸,则在铜层简单地再现同样大小和样式的焊盘即可),但在其它出版物中也可以找到这些信息。例如,Freescale应用笔记AN2409中就提供了整个微距SOIC封装系列器件的焊盘尺寸。
在使用PCB布局软件逐步创建一个表面贴装焊盘的过程中,我们假设没有提供占位图纸。在这个练习中,我们以四方扁平无引线(PQFN)封装电源器件做为例子。
在Freescale公司的应用笔记AN2467中是这样定义这个先进的封装电源器件的:“PQFN是一种表面贴装塑性封装器件,引线盘位于该封装元件的底面。所有PQFN封装器件都设计有单个裸露芯片安装盘(标记)或多个裸露芯片安装盘,这取决于器件要求和目标应用。工业标准化委员会JEDEC已经注册了一个标志符MO251用以描述单个裸露盘PQFN封装。”在本例中所使用的器件数据册是MC33922/MC3492 4.0A双电源H桥。
铜层
要布置占位,首先打开PCB布局软件的库编辑器,在现有库中创建一个新的元件或为新元件创建一个新库,然后选择菜单创建一个新的封装元件,这点上大多数PCB布局软件包都可以提供2D分层制图屏幕。
现在将您的注意力转到数据册第19页#146902组29端子PAFN塑性封装的封装尺寸图(图1)。注意尺寸单位,将制图屏幕上的栅格设置到同样的单位(在本例中为毫米)。另外也注意封装轮廓的尺寸(10×10mm),用后面就要删除的临时线以绘图原点为中心绘制此轮廓,做为参考。
下一步是获得与PCB紧密接触的端子(引线)部分的尺寸,这是因为需要根据这些端子的尺寸来确定相应铜层焊盘的尺寸。在本例中,有四种不同尺寸的端子:其中16个端子长1.525 mm(标称)、宽0.565 mm(标称);8个端子长0.775 mm(标称)、宽0.565 mm(标称);4个端子长1.005 mm(标称)、宽0.565 mm(标称);一个端子(裸露的散热盘)长达9.4 mm(标称)、宽6 mm(标称),每个角都带有一个半径近1mm的固定点。
最后,注意元件外围引脚中心与引脚中心之间的间距,在引脚中间部分标称间距为0.8 mm。现在已经获得了绘制元件占位所需要的基本尺寸数据。我们给出的第一条指南是:
指南1:对于间距非常小的精细间距端子,创建一个其宽度略微小于引线/端子宽度的焊盘,向外拉长一些,使其长度大于引线/端子长度。
这样可在端子之间保持一个最小的焊接掩膜,在端子的头部提供一个明显的焊接片,对于产品设计,这个焊盘宽度可以再宽一些。但是,对于原型设计,必须保证将端子之间搭接的危险减小到最低限度,这样才能避免将时间浪费因焊料过多引起短路故障的排除上(此情形类似于手工制版涂敷焊料的过程) 。
对于16个1.525×0.565mm的端子,可按1.675×0.515 mm的PCB焊盘尺寸对待,这样就可以用PCB布局软件来创建这种尺寸规格的焊盘(例如,选择“change”,再选择“Smd”,然后输入1.675 x 0.515即可)。特殊尺寸的焊盘也可以这样处理(尺寸较大的散热盘除外,将在后面介绍有关方法)。