嵌入式工程师成长之路（3）——PCB设计

前言

中国计算机技术职业资格网
上海市工程系列计算机专业中级专业技术职务任职资格评审

带有目的的学：要知道，PCB板子做出来需要我们给厂家哪些东西，我们设计板子的时候，需要遵循哪些设计规范，防止画好也是块废板子。然后再逐步开始学习画板。

零、PCB生产需要东西——做板工艺要求

我们要求厂商做的工艺

厂商的实际工艺（需要自己问厂商要）
别自己定的做板要求，厂家做不出来
厂家一：

厂家二：

一、了解PCB设计——拼板作业指引与设计规范

两块板边是直的话可以，用V-CUT 工艺。不是直的话用邮票孔，过炉不会断的

先试着使用下这个软件，以后板子行不行，可不可靠，可全都靠他了啊，到时候急着用的时候你再不会用，那板子不就凉凉了嘛。。。。

三、学习PCB设计——实战教程（AD、allegro、pads）

1、【凡亿】Altium Designer 21最小系统板电子设计全流程实战教程（共54集全）
https://pan.baidu.com/s/1HMbB7a2HSqM8NTJYDfW_Pg
提取码：1234

2、PCB设计精品课程+资料
https://pan.baidu.com/s/1vJLVp-UxMHyLtJYBcFcJyQ
提取码：qpm0

3、Altium中国官方账号

课件目录

四、定向学习PCB设计——跟着项目熟读用到的芯片数据手册

比如：

当然也可以看看书籍，比如《高速电路设计实践》，《高速电路设计与仿真分析:Cadence实例设计详解》，《Cadence Allegro实战攻略与高速PCB设计》，《信号完整性揭秘》，《ADS信号完整性仿真与实战》，《HyperLynx高速电路仿真实战》等。

五、安装PCB设计工具——Altium Designer(AD)安装及其他画板工具

1、Altium Designer(AD)安装

AltiumDesigner18的安装教程，亲测有效适用

百度云 链接：https://pan.baidu.com/s/1WoSISGOWC_1E2Bm2GcLfLQ
提取码：fyuk

2、Cadence安装

【名称】：Cadence SPB Allegro and OrCAD 17.4

【大小】：12G

【语言】：英文

【适用系统】：win【简介】：Cadence17.4深受电子设计自动化套件总设计师的青睐，该软件内置了新的数据存储技术，能够帮助客户实现最高的工艺技术，使工程师轻松实现电路原理图，电路仿真和各种程序的分析，很好地满足了它们所有使用的需求。Cadence可以提供PCB集成解决方案，还可以提供良好的交互工作界面和强大完善的功能，除了内置多功能PCB原理图输入工具外，还可以大大提高电路设计的效率。：

推荐看看吴川斌的博客。

3、PCB走线过孔计算器

推荐查看博客——PCB走线计算软件ProPCB

4、PCB特征阻抗计算工具

Polar SI9000，这个软件自行搜索下载

六、实操训练

⭕、教程

1、 视频

在B站可搜到官方的课程。

2、文章

PCB模块化设计

①、原理图绘制

1、AD如何画多图纸原理图

AD如何画多图纸原理图

2、【AD使用】Altium Designer 的entry sheet ，offsheet和port作用

【AD使用】Altium Designer 的entry sheet ，offsheet和port作用

3、同一个器件多个Part的封装问题

同一个器件多个Part的封装问题

4、AD中制作自己的原理图模板

AD中制作自己的原理图模板1
AD中制作自己的原理图模板2

更改前：

更改后：

5、多图纸设计

Altium Designer之多图纸设计
在设计过程可能会重复使用某个图纸，此时我们可通过两个方法实现：
1）通过多图表符重复调用同一个子图纸；
2）通过具有Repeat关键字的图表符。这里具体介绍下第二种方法：在图表符的“Designator”区域输入包含Repeat的语句，其格式如下：

Repeat(SheetSymbolDesignator, FirstInstance, LastInstance)

②、PCB绘制

1、Altium Designer的PCB中ROOM的功用、放置、修改

下面给大家讲解Altium Designer的ROOM方面的知识：
Room是在PCB板上划分出的一个空间，用于把整体电路中的一部分（子电路）布局在ROOM内，使这部分电路零件限定在ROOM内布局，可以对ROOM内的电路，设计专门的布线规则。在PCB编辑器上放置ROOM，特别适合于多通道电路。达到简化PCB板的设计。
ROOM的自动创建：当画完一个SCH电路图，更新到PCB编辑器时，会在PCB主工作区自动产生一个ROOM。

ROOM的手动创建：
放置矩形ROOM：
1、单击菜单Design » Rooms » Place Rectangular Room 运行命令之后光标变成十字，进入 Room 放置模式：
2、定位并单击 (或按 ENTER 键) 确定 Room 的第一个边角。
3、移动光标调整 Room 的大小，然后单击 (或按 ENTER 键)放置 Room 的斜对角，从而完成一个 Room 的放置。
4、继续放置其它的 room，或右键单击或按 ESC 键退出放置 Room 模式

放置多边形 Room：单击菜单 Design » Rooms » Place Polygonal Room 运行命令之后光标会变成十字形，进入 Room 放置模 式：

1. 定位并单击 (或按ENTER键) 确定Room的第一个边角。
2. 定位光标，单击 (或按 ENTER 键)定义多边形的一系列的端点。
3. 一旦结束放置最后一个端点，右键单击 (或按 ESC) 退出放置 Room 模式。没有必要手动闭合多边形，软件会自动连接起始点和终止点闭合多边形。
4. 继续放置多边形 room，或右键单击 (或按 ESC) 退出放置 Room 模式。
   定义 Room 外形时，可以使用以下的快捷键：SHIFT+ Spacebar 在多种转角模式之间切换，包括：任意角度，45°，45°圆弧，90°和 90°圆弧。圆弧半径可以通过 SHIFT+. (句号) 或 SHIFT+, (逗号) 变大或变小。 使用 Spacebar 在转角方向之间切换。在放置时使用 BACKSPACE 键，可以删除刚刚放置的上一个端点，重复该操作可以删除多边形，返回起始点。

使用菜单或工具栏命令创建 Room 非直角的、直角的和矩形 Room ：可以通过在设计空间选择元器件来自动创建。它们由 Design » Rooms 的子菜单执行，相关命令包括：
从选择的零件创建非直角ROOM-------Create Non-Orthogonal Room from select components
从选择的零件创建直角ROOM------- Create Orthogonal Room from selected components
从选择的零件创建矩形ROOM--------Create Rectangle Room from selected components
上述三种情况下的创建方法都是一样的：

1. 保证所有期望包含在 Room 中的的元件被选中。
2. 执行相关的命令 Design » Rooms » Create … Room from selected components。 一个新的 Room 和 Component Class 会自动创建，Room 尺寸会按照元件边界裁剪到适合所有选 中的元件，并且关联到 Component Class。
   

上图：选择3个芯片，创建直角的ROOM

上图：选择3个芯片，创建矩形ROOM。注意 U17 不包含在 Rectangular Room 中，即使它被 Room 包围。这是因为 U17 在运 行命令之前并未选中。

在PCB主工作区每创建或放置一个 Room图形 时，会在design-----rools----placement-------room definition自动产生与这个 Room关联的设计规则。反之，当用户在上述位置添加一个 Room 新规则，在PCB主工作区也会相应的创建一个 Room空间。查看ROOM空间的设计规则单击菜单design------rools------placement-------room definition：见下图左侧。
怎样通过添加一个ROOM规则------实现在PCB主工作区添加一个ROOM:
在下图 PCB Rules and Constraints Editor对话框的Placement列表的Room Definition入口右键单击， 在右键菜单中选择 New Rule 命令来添加一个新的 Room 定义。新的 Room 会被添加到左侧的文件树中，并显示在下图右侧对话框主编辑窗口的规则类型列表中。

要编辑/定义新添加的 Room 的范围大小和在PCB板中的位置，点击它在文件树中的入口 (或双击汇总列表的设计规则入口) 打开 Room 定义的细节：见下图------点击 Define 按钮会跳转到PCB设计空间，用户在PCB编辑器设置 Room 的位置、外形和尺寸 - 无论是多边形 或矩形 Room 都一样。定义完 Room 的边界后会返回 PCB Rules and Constraints Editor 对 话框，点击 OK 退出对话框，满足设计规则的一个 Room 就会出现在设计空间。

在PCB编辑器中手工放置的ROOM，怎样与PCB编辑器中的元器件联系起来：
围绕一个或多个元器件放置矩形或多边形 Room，使这些元器件完全落入 Room 之中，这些元器件会自动与 Room 关联。

SCH原理图更新成PCB文件时，ROOM与零件的自动关联：
单击菜单project------project options------class generaiong-------生成room：打钩。在画完SCH原理图后------Design » UpdatePCB document-------执行完毕后，会为每个原理图页创建一个 Room，并 且关联到原理图页上所有的元件。

对ROOM属性的修改和编辑：
在PCB编辑器上绘制ROOM时，按下 TAB 键修改。
双击已经放置的ROOM。
右键点击 Room，在右键菜单中选择 Properties。
选择 Edit » Change 命令，然后点击需要编辑的 Room。 Room 定义的约束规则可以直接在 PCB Rules and Constraints Editor 对话框(Design » Rules) 中编辑
在PCB编辑器中选中一个 Room，无论该 Room 是何种类型，它周围会出现一些可编辑的端点句柄。见下图

拖动边角的端点 (A) 可以在水平和垂直方向同时缩放 Room 尺寸，拖动边线 (B) 可以在水平或垂 直方向改变 Room 尺寸。在拖动 Room 时可以将其旋转或翻转：按 SPACEBAR 逆时针旋转，按 SHIFT+SPACEBAR 顺时针旋转。旋转角度与 Rotation Step 值相 关，它在 Preferences 对话框(Tools » Preferences)的 PCB Editor » General 页面中定义。按 X 或 Y 键沿 X 轴或 Y 轴翻转对象。按 L 键翻转对象到电路板的另一面。如果 Room 有相关联的元器件，那些元器件会随着 Room 一起翻转。Room 对象也可以通过菜单命令 Design » Rooms » Move Room 来移动。

分配到一个 Room内的元件，在 Room 移动时元件也随之移动。如果希望移动一个 Room 而不移动元器件，设置方法：design-----rules------placement-------room definition-------勾选下图：锁定的元件。

勾选上图中：空间的锁定，启用 Room 的 Locked 选项可以锁定一个 Room，从而避免偶然移动它。如果 Room 初始使用 Create … Room from selected components 命令创建，任何 Wrap-based 命令将无效，因为 Room 的形状已经最优。
当使用 PCB Inspector 或 PCB List 面板编辑 Room 关联的 Room Definition 设计规则时， 选中的 Room 会显示为 Object Kind: Confinement Constraint Rule。
除了本身作为一个设计规则，Room 也可以在定义其它规则时作为一个对象。如果 Room 仅仅 作为其它规则的对象，它的 Room Definition 可以禁用。
下面两个查询语句用来定义 Room 的范围：
a) TouchesRoom(RoomName) -用于查找完全或部分位于 Room 中的对象。
b) WithinRoom(RoomName) -用于查找完全位于 Room 中的对象。
Room 可以用来定义电路板上自动走线或不走线的区域。相关命令可以从 Room 相关的右键菜单访问，或通过 Auto Route » Room and Tools » Unroute » Room 访问。

2、四层高速dsp开发板制作

四层高速dsp开发板制作

3、PCB走线开窗上锡如何实现

PCB走线开窗上锡如何实现

这里要注意的两点，1:Paste 是焊锡层，2:Solder是阻焊层(绿油)的, PCB板厂按照阻焊层做完阻焊后才做喷锡(沉金)工艺.

所以需要走线上开窗只需要在 Solder是阻焊层的 画出相应图形即可.

注意本文高级技巧在这里: 如何使最终的产品锡量均匀美观呢?

已知工艺: SMT(TOP面) + THC(TOP面),TOP面和BOT面都有开窗, BOM面可以用波峰焊工艺解决. TOP面都是人工加上的.

问题点: 人工添加的不均匀.可控性不好.

解决方案, 将加锡工序前移到SMT工段. 使用锡膏印刷工艺解决人工控制不均匀的问题. 高效稳定.

实施关键点: 开窗的图形也开钢网.

复制 Solder 层图形到 Paste . 告知钢网供应商:此位置也需要开窗

4、Altium Designer – 差分布线和阻抗匹配

Altium Designer – 差分布线和阻抗匹配

5、如何设置铺铜对相同网络的走线实现覆盖

这个需要你双击铜皮 然后再属性里面进行选择就可以了

6、AD18 所有过孔盖油

记住要在3D模式下才能看出来

7、AD拼版工具 Embedded board array

或者嘉立创下单帮忙拼版

AD的Embedde board array拼版工具很方便用于PCB拼板,使用教程我就不在说了,网上有很多.但有一点要注意:AD拼版完成之后,产生的拼板PCB文件是不能直接用来PCB生产.

正确做法是:

1.把单板PCB文件和拼版PCB文件同时交给生产厂家. 2.生产gerber和钻孔文件交给生产厂家,

原因:

把单板PCB文件打包,然后删除单板PCB文件,再打开拼板PCB文件看看.就会明白为什么. 其实,Embedde board array拼板工具文件只给你画了"田"字格,内容都是单板PCB文件的映射,拼版PCB文件不保存单板PCB文件内容.在pcb尺寸不改的情况下,单板PCB内容可以任意修改,在完成之后更新一下拼板PCB文件就行了.这样就避免出现只要单板PCB改动一个,拼版PCB就要改动n个的局面.工具的设计考虑比较周全了.

8、PCB添加测试点

PCB板为什么需要设计测试点？

9、什么是PCB的“曼哈顿”现象？

就是元器件翘起来了，也就是立碑。

10、1mm线宽能走多大电流？

在了解PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系之前先让我们了解一下PCB 敷铜厚度的单位盎司、英寸和毫米之间的换算："在很多数据表中，PCB 的敷铜厚度常常用盎司做单位，它与英寸和毫米的转换关系如下：

1 盎司 = 0.0014 英寸 = 0.0356 毫米（mm）=35um
2 盎司 = 0.0028 英寸 = 0.0712 毫米（mm）

盎司是重量单位，之所以可以转化为长度单位毫米是因为pcb的敷铜厚度是盎司/平方英寸"

1oz代表PCB的铜箔厚度约为36um，它来源于把1oz重的8.9g/cm^3密度的纯铜平铺到1平方英尺（=144inches）的面积上所形成的厚度。

PCB设计：不同电流的线宽与承载方案

11、AD中原理图和PCB的交互

AD中原理图和PCB的交互

③、热设计

1、电子元器件热阻

热设计是可靠性设计中的重要内容，良好的热设计能够避免板卡出现热故障，提高工作可靠性。长期来讲，也能够延长板卡的工作寿命。

大多数元器件的规格书，针对元器件的工作结温TJ都有明确的说明，如下图元器件的最高工作温度TJ-MAX=150℃。热设计的目标是保证元器件工作时的最高结点温度小于等于安全值。

在实际工程设计中，很多因素都会影响 元器件的工作结温 T J，如下图为贴装好的板载开关电源的切片示意图，可以看到，元器件的封装，PCB外层和内层的铜厚，元器件下导热孔、散热铜的面积等因素最终都会影响到元器件工作时的最高结点温度。

元器件的工作结温TJ，通常可以通过计算得到。

环境温度（TA）: 通常来讲，环境温度（T A ）由应用场景决定，产品的最高工作环境温度通常来说是一个固定值。 当环境温度（TA）和最大结温（TJ-MAX）都是确定值后，根据结温TJ的计算公式，只能调整元器件的耗散功率和热阻。

耗散功率（PD）： 耗散功率是指电路在工作过程中产生的热量或能量损耗。较小的耗散功率意味着电路能够更高效地转换电能，能够提高能源利用率的同时还有助于降低电路工作温度。

热阻（θJA）：指的是元器件结点到周围空气的总热阻，单位是°C/W。功率损耗乘以θJA即可得出温度的变化值。热阻越低，在给定的功率损耗和环境温度下，结点的温度就会越低。

通常来讲，只能通过降低耗散功率和降低热阻，来满足 结温 T J 的要求。在实际设计中，通常会使用高效率的开关电源芯片来降低耗散功率，选用热阻低的芯片封装和设计PCB板材，增大PCB散热面积来降低热阻。也可以使用散热鳍片和风冷/液冷来降低元器件的工作温度，但是这种散热方案价格更加昂贵而且会导致产品体积变大。

2、PCB热设计指南

分割散热平面
根据热量耗散饼图，热量是围绕着热源径向向外辐射，随着距离的增加，辐射的热量逐步衰减。饼图覆盖的区域内，元器件都会受到热源的影响，导致环境温度升高，不同温度环的环境温升不同。

在切割散热平面的时候，应该尽可能的进行径向切割，尽量避免在散热路径上面出现热瓶颈，让热量能够径向有效扩散。同时要保证靠近热源的铜皮和热源良好连接，这样整个散热平面才能起到散热作用。

3、控制不同热源的间距

对于开关电源来讲，DC/DC转换器和电感都是能量损耗的关键部分，通常的设计指南会让电感尽量靠近DC/DC转换器，减少EMI辐射。但是这会造成两个热源相互叠加，出现局部热区。

发热元器件的“热足迹”是PCB上参与元器件封装辐射和对流的区域，其面积大约是元件封装面积的18倍。如果热足迹重叠，元件的温度会急剧上升。当封装之间的距离小于封装尺寸的两倍时，影响最为明显。

在板载开关电源layout的工程实践中，热设计只是需要考虑的诸多因素之一。甚至很多设计指南会和热设计的原则相冲突，例如：为了最小化开关器件的布线区域，MOSFET和电感都需要尽可能的靠近开关电源芯片。开关路径上的径向散热平面，过宽的走线会加剧EMI辐射。因此，在工程实践中需要多方面综合考虑进行设计，可以参考以下设计实践：

尽量选择封装热阻低的元器件，优选使用DAP封装的器件，封装最靠近发热核心，封装热阻低能大幅降低整体的热阻（θJA）。

热源同侧的散热铜面尽可能做到面积最大，做为和热源连接最紧密的铜皮，散热效率是最高的。

使用厚铜工艺，根据设计需要可以选择3oz以上的厚铜工艺，铜厚越厚，热阻越低。

尽可能加宽热源元器件引脚扇出的走线宽度，走线宽度越宽，热阻越低。

尽可能避免破坏连续的散热平面，保证热源的径向散热方向有连续的散热平面。

使用足够多的过孔将散热平面连接在一起，从而降低整个散热平面的热阻，避免出现热瓶颈。

尽量避免将热源挤在一起，如果空间有限，多个热源布局在相近，需要评估使用散热片或者风冷散热。

④、文件导入与导出

1、gerber，光绘文件，坐标文件，钻孔文件有何区别？

Gerber的PCB文件导出的文件，是送给PCB板工厂做PCB用的。其实就是光绘文件啦

坐标文件是SMD贴片机用于器件定位用的数据文件。

钻孔文件是PCB工厂钻孔时需要的文件。

这么讲应该可以理解了。

2、制版文件Gerber导出和钻孔文件导出

gerber文件_Altium Desinger 18.19版本制版文件Gerber导出详细教程

3、AD坐标文件的导出

AD坐标文件的导出

4、Altium Designer 18 怎么导出CAD文件

Altium Designer 18 怎么导出CAD文件

5、从Altium Designer导出PCB的3D模型至Solidworks

从Altium Designer导出PCB的3D模型至Solidworks

6、AltiumDesigner导入AutoCAD文件DXF,DWG格式

AltiumDesigner导入AutoCAD文件DXF,DWG格式

7、AD18输出BOM表

AD18输出BOM表

8、AD21生成交互式BOM文件

9、如何将立创的3D模型导入AD

视频操作

⑤、其他功能

1、PCB添加图片或logo

PCB添加图片或logo

2、AD封装库

个人制作：AD库、元件库、封装库及3D模型，免费

七、检查PCB设计的是否规范——DFM及PCB审核

1、华秋DFM

八、发给工厂生产——PCB的生产技术工艺流程

从头到尾！图文详解PCB的生产技术工艺流程
阿昆聊在工厂中对于电子产品的“交货期”是有哪些环节组成？
交货周期=订单处理时间+生产计划时间+原材料采购时间+处发加工时间+来料检验时间+入库时间+生产准备时间+生产作业时间+成品检验+入库时间+运送物流时间+其它时间

1、工厂全自动生产视频

工厂全自动生产视频

2、喷三防漆

作业要求：
涂刷区域的三防漆厚度要求: 厚度0.03mm-0.13mm
喷涂区域：哪里不想喷，框哪里（常规不可涂覆器件：大功率带散热面或散热元器件、功率电阻、功率二极管、水泥电阻、拨码开关、可调电阻、蜂鸣器、电池座、保险丝座、IC座、轻触开关、继电器、所有类型的插座、排针、接线端子及DB9、插式或贴片式发光二极管（非指示作用）、数码管，接地螺丝孔。一般连接器、插座、开关、敏感器件、插板区域等是不允许有涂覆材料的，必须使用相应的遮盖工艺。），喷涂三防前要确认板子上是否有助焊剂残留或污渍残留，确认干净后再三防作业。（ 板子聚三防，是因上工序未清洗干净，板子上有助焊剂残留或污渍残留， 板子聚三防异常达到20%以上，退回上站工序清洗。）
1、PCB表面不能有流漆.漏漆现象，不可有半湿润现象。
2、三防漆层应平整.光亮.薄厚均匀.将焊盘.贴式元件或导体表面保护好.
3、漆层表面不能有桔皮形.气泡.针孔.波纹现象。
4、需要防护的器件或元器件上不需刷涂三防漆。
5、三防后的PCBA板应干净整洁，没有元器件损伤现象。
6、板面和元器件上没有异物.手印.波纹.缩孔.灰尘等缺陷和外来物，无起皮现象。
7、 涂刷区域的三防漆要均匀覆盖，不要出现滴露现象与三防聚开现象，以免流到不该涂三防漆的地方。
8、 涂刷一面后要固化后再涂刷另一面，保证涂刷后三防漆不起皱，无气泡，不起皮，均匀平整，使用效果持久。
9、 涂刷，固化好之后，再检验、包装。
10、 做业过程需佩戴好静电手环或静电脚环，作业取放板时要戴硅胶手套或手指套。
注：三防涂覆首片找品质/工程师确认无误后，才能进行正常生产作业。

3、灌封电路板

为了提供对冲击和振动的保护，可将印刷电路板安装在一个容器中，将树脂倒入其中，将其完全封装。树脂层越高，保护程度越好。除非印刷电路板上的所有元件都有统一的高度，否则树脂层的厚度在整个电路板上会有所不同，对每个元件的保护程度也会略有不同。因此，在最坏的情况下，最薄的树脂层与整个板子的保护水平相对应。在考虑树脂封装之前，必须对PCB进行彻底清洗。表面污染会对封装所提供的保护水平产生负面影响，特别是在耐化学性的情况下（因为它为化学品的进入提供了一个更容易的途径）。此外，污染物会对树脂吸收物理和热冲击的能力产生负面影响，因为树脂和PCB之间形成的层很薄弱，最终会导致分层。保持PCB的清洁和干燥还能确保防止生锈和离子污染。腐蚀可以通过保形涂料的应用以及HASL（将PCB浸泡在锡和液化铅的合金中，随后用热空气喷射使合金沉积物平整）和ENIG（浸金）等表面处理来避免。

4、芯片围坝点胶

芯片围坝点胶（视频）

九、拿到实物——PCBA可靠性测试

PCBA测试是PCBA制程中控制产品品质的一个重要环节，是为了检测PCBA板是否有足够的可靠性来完成以后的工作，这会直接关系到以后的用户体验和返修率，所以PCBA可靠性测试显得尤为重要。一般的PCBA可靠性测试分为ICT测试、FCT测试、疲劳测试、模拟环境测试、老化测试。

1、ICT测试

ICT测试主要是元器件焊接情况、电路的通断、电压和电流数值及波动曲线、振幅、噪音的测试。

2、FCT测试

FCT测试需要进行IC程序烧制，然后将PCBA板连接负载，模拟用户输入输出，对PCBA板进行功能检测，发现硬件和软件中存在的问题,实现软硬件联调，确保前端制造和焊接正常。

3、疲劳测试

老化测试主要是对PCBA板进行抽样，模拟用户使用进行功能的高频、长时间操作，观察是否出现失效，判断测试出现故障的概率，以此反馈电子产品内PCBA板的工作性能。

4、模拟环境测试

模拟环境测试主要是将PCBA板暴露在极限值的温度、湿度、跌落、溅水、振动下，获得随机样本的测试结果，从而推断整个PCBA板批次产品的可靠性。

5、老化测试

老化测试是对PCBA板进行长时间的通电测试，模拟用户使用，保持其工作并观察是否出现任何失效故障，经过老化测试后的电子产品才能批量出厂销售。
老化测试专栏
什么是电子设备的老化测试？

1、光老化测试：

光老化是户外使用材料受到的主要老化破坏，对于室内使用材料，也会受到一定程度的光老化。模拟光老化主要的三种灯源各有优异，碳弧灯最早发明使用，建立的测量体系较早、很多日本标准和纤维材料方面的标准都使用碳弧灯，但由于碳弧灯价格较高、性能不够稳定（灯管使用90小时后需要更换），已经逐渐被氙弧灯、紫外灯代替。氙灯在模拟自然光方面有较大优势，价格也相对较低，适合多数产品的使用。紫外灯产生的是400nm以下的光，能较好地加速模拟自然光中紫外线对材料的破坏作用，加速因子比氙灯要高，光源稳定性也比氙灯要好，但容易产生非自然光产出的破坏（尤其是UVB灯）。QLH-010 主要应用范围：户外、室内使用的橡塑、涂料、油墨产品，通讯、电器等设备外壳，汽车件、摩托车配件。

2、热老化

主要参考标准：GB/T 7141、ASTM D3045、JIS K 6257等 热老化箱具备程序功能，可以通过程序设定温度变化，适合各种产品热老化的需要呢。 主要应用范围：各种产品耐热老化测试，如PCB板、电器中绝缘橡胶、长寿命需求产品（如斜拉索大桥用外套料，使用年限要20年以上）等，考察材料随着使用时间的推移，产品性能的变化状况，考察产品使用的可靠性。

3、湿热老化

主要参考标准：通用标准有GB/T 15905、GB/T 2573等。 另外还可以根据不同的产品标准、企业标准设定湿度、温度的变化曲线，适合各种复杂的湿热老化测试。产品使用过程中，容易受到温度和湿度的双重影响，对于一些对水敏感的材料，如PET、PBT等，需要进行湿热老化测试，以评定是否适合在潮湿的环境下长期使用。

4、盐雾老化

主要参考标准： GB/T 10125、GB/T 12000\、ASTM D117 、JISZ2371等标准 进行中性盐雾、酸性盐雾、铜离子加速盐雾测试。主要用于模拟大气中的溶解于水蒸汽中的氯化钠对涂层、镀层等保护程以及金属地材的腐蚀作用，尤其是沿海地区及内陆盐湖周边地区，空气中盐分较高，产品很容易受到盐雾腐蚀。主要适用产品：各类涂料，如建筑外墙涂料、船用涂料、货柜用涂料等，各类镀层。

5、臭氧老化

主要参考标准：GB/T 7762、GB/T 24134、GB/T 13642、HG/T 2869、JIS K 6259、ASTM D 1149。 主要考察橡胶耐臭氧性能（橡胶中含有大量双键，容易受到臭氧攻击，尤其是在动态使用或者是拉伸时，臭氧对橡胶的破坏更加严重），也可以考察TPU、EPDM等新型弹性体的抗臭氧性能。。

6、高低温循环

主要参考标准：GB/T 2423，JG/T 25建筑涂料涂层耐冻融循环性测定法等标准，可以按照不同产品标准中，关于高低温循环、冻融循环的相关测试方法来开展试验。主要用于建筑涂料、特殊环境使用设备等检测。

7、电子元器件老化测试注意事项

为了使老化取得满意的效果，应注意下面几点： ① 老化设备应有良好的防自激振荡措施。 ② 给器件施加电压时，要从零开始缓慢地增加，去电压时也要缓慢地减小，否则电源电压的突变所产生的瞬间脉冲可能会损伤器件。老化后要在标准或规范规定的时间内及时测量，否则某些老化时超差的参数会恢复到原来的数值。 ③ 为保证晶体管能在最高结温下老化，应准确测量晶体管热阻。 对于集成电路来说，由于其工作电压和工作电流都受到较大的限制，自身的结温温升很少，如不提高环境温度很难达到有效地老化所需的温度。因此，常温静态功率老化只在部分集成电路（线性电路和数字电路）中应用。

十、产品发布——机器性能跟踪

1、浴缸曲线

浴盆曲线是工程中的重要工具，特别是在退化建模中。它是一个数学函数，它将给定产品（在本例中为半导体或其他电子设备）的故障率与该产品的持续使用时间联系起来。它被称为浴缸曲线，因为它通常具有半卵形形状，有点类似于浴缸的轮廓。

这种浴缸形状是通过将三个组成功能组合在一起创建的，每个功能都与产品使用寿命中的一般时间间隔相关。
第一个时期有时称为“婴儿死亡率”函数，与产品生命周期的最早阶段有关。当时间为 0 时，婴儿死亡率函数通常以相当高的值开始，但随着产品走出生命的早期阶段而急剧下降。当时间进入产品寿命的中后期时，婴儿死亡率函数趋于稳定至较低值。这描述了电子元件和设备中经常出现的相当多的早期故障——通常是由于各种制造缺陷造成的。

第二个组件功能与产品生命周期的中期相关，旨在跟踪随机故障。由于此类故障是随机的，因此无法根据具体情况进行预测。因此，它们简单地表示为产品整个生命周期中的某个恒定值。这在图形上被描绘为一条水平线。

第三个组件功能映射了产品的“磨损故障”，即产品因组件老化和长期使用而不可避免地出现的故障。当时间为 0 时，该函数的值也从 0 开始，并且随着时间经过产品生命周期的早期和中期，它只会缓慢且非常逐渐地增加。然后，当我们进入后期时，磨损函数的值突然飙升。

浴盆曲线的形状——向下倾斜的早期部分、相对平坦的中间部分和向上倾斜的后期部分——来自这三个分量函数的每一个独特属性，正如它们最显着的各自时间间隔所体现的那样。

十一、量产注意事项

1、关于ICT测试点和FCT测试点的调查研究

PCB量产----关于ICT测试点和FCT测试点的调查研究

十二、相关知识

1、软硬结合板

与固定安装的设备不同，可移动式或便携式电子产品在工业设计上需要符合人体工程学，实际使用中产品会经历较大的物理冲击、温度波动、湿度变化、太阳辐射等一系列的考验。

因此对于PCB连接的紧固性，可靠性，耐久性与可弯折性都提出了新的要求，此时软硬软硬结合板就是最理想的选择。

使用软硬结合（刚挠）板进行一体化设计，柔性区域材料的重量只有同等尺寸硬板材料的10%左右，连接器的使用也会大幅减少，可以大幅减轻产品的重量。长时间使用后也不会出现连接器松动导致的故障。

在生产端，连接器数量的减少能够降低组装的工作量，彻底解决使用连接器时装配错误问题，同时软硬结合（刚挠）板可以弯曲、折叠的特性，让其在有限空间安装时具备无法比拟的优势。

信号完整性与EMC
工业相机/摄像头的图像传感器与ISP（图像信号处理器）之间需要在短时间内传输大量数据，信号传输速率极高。使用软硬结合（刚挠）板时，信号传输无需经过连接器，阻抗不连续变得更加可控，更符合信号完整性的要求。
软硬结合（刚挠）板可以在柔性区域可以进行良好的屏蔽设计，能够避免使用线缆时经常出现的屏蔽接触不良的问题，从而最大限度降低EMI辐射和外界RF干扰。

更高的可靠性与环境耐受力

众所周知，汽车会行驶在夏季炎热的吐鲁番，也会行驶在冬季寒冷的黑河。温度的冲击变换，会造成材料的热胀冷缩，经过多次冷热冲击，连接器可能会出现松动。同时汽车行驶过程中，会带来各种频率的振动传导到各个部分，车载电子设备也需要满足冲击振动的要求。

激光雷达做为汽车的重要部件，在可靠性和耐久性方面有更高的要求，使用软硬结合（刚挠）板可大幅降低互连点失效带来的产品故障，而且可以提高产品抗冲击和振动的能力。

软硬结合（刚挠）板具有良好的耐化学腐蚀和抗紫外线能力。散热方面与使用连接器相比，可以直接延伸PCB的铜面积，扩大PCB的散热面积，减小热阻，让产品工作时产生的热量更快扩散出去。提升产品的散热性能。

2、PCB叠层

①、什么是PCB叠层？

一般情况下，当设计普通单、双面板时，无需考虑PCB的叠层问题，通常直接选择铜厚和板厚符合设计要求的覆铜板直接加工。但设计4层以上的PCB时，叠层设计直接影响PCB的性能和价格。

多层PCB由覆铜芯板（Core）、半固化片（prepreg，简称PP）与铜箔，一起按照叠层设计组合，经过压合制成。

在PCB开始设计之前，Layout工程师会根据电路板的尺寸、电路的规模和电磁兼容（EMC）的要求确定PCB的层数，然后确定元器件的布局，最后确认信号层、电源层和地层的划分。

②、PCB叠层设计原则

PCB叠层需要从层数、信号类型、板厚、材料选择、铜厚、阻抗控制、EMI/EMC屏蔽、热管理、成本和可测试性等多方面考虑。

③、满足高速信号布线的信号完整性要求

对于关键信号线，需要构建GND/Signal/GND的叠层组合，相邻信号层的带状线，交叉垂直布线，以最小化串扰耦合。从信号完整性的角度来讲，关键高速信号使用带状线（Stripline）布线，非关键高速信号可以选择使用微带线（Microstrip）布线。

如非必要，不建议使用宽边耦合带状线（Broadside-Coupled Stripline ），PCB加工过程中的曝光和蚀刻的偏移都会造成重叠错位，加工过程困难而且难以保证阻抗的一致性。

④、PCB板材、PP和铜箔的选型

FR-4能够满足大多数PCB的需求，价格便宜而且电气性能良好，高速PCB会选用高速板材，比如松下的Megtron4/6等，射频PCB会选用 碳氢、Teflon或者陶瓷基板。如汽车灯板等对散热要求高的设计场景，会选用铝基或者铜基板材，在Mini LED等显示场景会使用玻璃基板材。

板材的关键性能指标如下：

⑤、高速PCB板材选型

高速PCB需要选择具有最低损耗角正切和较小介电常数的介电材料，高速PCB的设计需要特别注意材料明细，包括玻璃纤维(Fiberglass)，电介质矩阵(Dielectric Matrix)和铜(Copper)。在较高数据速率下的信号具有较高的频率单元，波长更短，阻抗不连续会产生更多反射。需要考虑玻纤效应和铜箔表面粗糙度的影响。

在上图中，Typical FR4在28Gbps时每英寸有近2dB平均损耗(Nyquist为14GHz)，Megtron6在相同频率只有0.85dB。

⑥、玻纤布带来的玻纤效应

不同的玻纤对应的编织粗细不一样，开窗和交织的厚度也不一样，如果信号分别布在开窗上和玻纤上所表现的特性(阻抗、时延、损耗)也不一样（开窗和玻纤Dk/Df特性不一样导致的），这就是玻纤效应。

缓解玻纤效应的方法：

择最小化树脂窗口的玻纤类型材料；

使用Zig-Zag等10°走线方法；

在制板的时候让板厂旋转一定的角度；

使用扁平开纤玻布或者平织布。

⑦、铜箔粗糙度

铜箔粗糙度(铜牙)使线路的宽度、线间距不均匀，从而导致阻抗不可控，同时由于趋肤效应，电流集中在导体的表层，铜箔的表面粗糙度影响信号传输的长度。

如下图所示，在5GHz以下铜箔粗糙度的影响不是太明显，大于5GHz铜箔粗糙度的影响开始越来越大，在大于10Ghz的高速信号的设计时尤其需要重视。

⑧、PCB每层的铜厚

PCB铜箔的厚度以盎司（oz）为单位。常见的铜厚有三个尺寸，0.5oz（内层）、1oz（表层）和2oz，主要用在消费和通讯类产品上。3oz以上属于厚铜，常用于高压、大电流的电力电子产品。

叠层设计时必须平衡铜箔的厚度，使电源/地平面层铜的厚度满足载流要求。对于信号层铜的厚度来讲，线宽/线距较小，需要铜尽可能薄才能满足精确的蚀刻的要求。高速信号线由于趋肤效应的影响，电流只在铜箔表面附近流动，更厚的铜箔并不会带来更好的性能。所以内层信号层的铜厚通常为Hoz，即0.5盎司。

⑨、叠层的阻抗控制

PCB上很多接口信号线都有阻抗要求，常见的单端50Ω、差分100Ω等。阻抗控制，需要有参考平面，一般需要四层以上。

阻抗不匹配会导致信号失真、反射和辐射等信号完整性问题，影响PCB的性能。走线的铜厚、介电常数、线宽、线距都会影响阻抗。我们可以根据各种EDA工具去计算阻抗，然后按照设计的叠层结构，去调整走线的参数。目前常规的板厂都可以把阻抗控制在10%。

⑩、叠层的孔结构

通孔（PTH）贯穿整个PCB可以连接所有层。盲孔（Blind Via）可以将外层连接至一个或多个内层，但不穿过PCB。埋孔（Buried Via）只连接PCB的内层。

高密度（HDI）PCB经常会使用盲孔和埋孔来优化布线空间，盲孔和埋孔也造成了PCB需要多次压合增加了工序，PCB的制造难度上升，因此也更加昂贵。

在叠层设计时，需要根据设计需要来设计整板的孔结构，在满足设计的前提下，尽量简化孔的结构。

⑪、PCB叠层的EMC设计

PCB叠层EMC设计时遵循以下原则：

板内电源平面和地平面尽量相互邻近，一般地平面在电源平面之上，这样的设计可以有效利用层间电容作为电源的平滑电容，同时接地平面对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。

电源和地层分配在内层，地平面可视为屏蔽层，可以很好地抑制电路板上固有的共模RF干扰，减小高频电源的分布阻抗。

布线层应尽量安排与电源或地平面相邻以产生通量对消作用。

⑫、PCB叠层的热设计

PCB叠层设计需要考虑热管理，保证元器件散发的热量有效传导出去，防止热损坏提高电路可靠性。在设计流程中，我们会先根据元器件功耗进行热仿真，根据仿真结果优化元器件布局和设计相应的散热方案。

在叠层设计阶段，也可以针对性做散热设计：

优先选择导热系数高的板材，按需选择金属基板；

大功率器件下方设计散热焊盘，使用散热孔；

埋铜块，嵌铜柱，提高热传导效率；

增加地平面，空白区域铺地，增大散热面积。

⑬、板厚控制

常规的PCB成品厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、3.2mm、6.4mm等等。一般面积小的板厚相对较薄，经常插拔、安装应力较大、面积大的板子，从结构可靠性角度需要做厚一些。

⑭、PCB叠层设计步骤

PCB叠层设计一般遵循以下步骤：

1.确定层叠的总厚度，即板厚；

2.确定PCB层数，并分配信号层、地平面层和电源层；

3.确定内层和外层的铜厚；

4.确定阻抗线的分布；

5.确定过孔结构；

6.确定每层的残铜率，最好要对称；

7.选择满足设计要求的板材、PP和铜箔材料。

以12层板为例，设计好的叠层结构如下：

3、如何实现PCB板层间的互连

通孔是钻在PCB上的微型导电通路，用于在不同的PCB层之间建立电气连接。基本上，通孔是PCB上的一个垂直轨迹。

①、什么是通孔

在我们深入研究通孔之前，我将简单地定义一下什么是PCB。PCB是在受控参数下传输信号的艺术。印制电路板是元件相互连接的基础。其主要目的是在有源和无源元件之间形成电气连接，而不中断或干扰另一个信号或连接。因此，其基本思想是在不与另一连接相冲突的情况下形成连接网络。因此，印制电路板是各部件之间的连接，其连接不会相互重叠。

为了达到这一标准，PCB是由多层组成的。但是，这些多层板是如何相互连接以建立电气连续性的呢？这时通孔就出现了。

如前所述，通孔是连接PCB不同层的微小导电隧道，允许信号在其中流动。

②、通孔是怎样产生的

通孔是通过钻孔产生的。钻孔是PCB线路板制造中最昂贵和最耗时的过程。PCB钻孔过程必须小心实施，因为即使是很小的错误也会导致很大的损失。钻孔工艺是PCB制造过程中最关键的工艺。钻孔工艺是通孔和不同层之间连接的基础，因此钻孔技巧十分重要。

PCB 钻孔技术主要分两种，机械钻孔和激光钻孔。

机械钻孔

特点：机械钻孔采用物理钻头进行作业，其操作简便，但精度相对较低。

孔径范围：能够钻出的最小孔径约为6密耳（0.006英寸），适用于大多数常规PCB需求。

优势：成本相对较低，技术成熟，易于大规模生产。

局限性：钻头寿命受材料硬度影响显著，软材料如FR4可达800次冲击，而高密度材料则减少至200次左右。若使用不当，易导致错误孔位，增加电路板报废风险。

激光钻孔

特点：非接触式工艺，通过高能激光束直接作用于电路板材料，实现高精度钻孔。

孔径范围：能够轻松钻出最小直径为2密耳（0.002英寸）的微孔，满足高密度互连（HDI）等高端需求。

优势：钻孔精度高，深度控制精确，适用于复杂电路板的微孔加工。

局限性：由于PCB材料（铜、玻璃纤维、树脂）的光学特性差异，激光钻孔效率可能受限，且整体工艺成本较高。

③、通孔种类

根据其功能，在PCB上钻的通孔有不同类型。

通孔–孔从顶部穿到底部层。连接是由顶层到底层的线路导通。

盲孔–孔从外部层穿出，在内部层结束。该孔不穿透整个电路板，但将PCB的外部层与至少一个内部层相连。要么是从顶层连接到中间的某一层，要么是从底层连接到中间的某一层。一旦层压完成，孔的另一端就看不到了。因此，它们被称为盲通孔。

埋孔（隐藏孔）-这些孔位于内层，没有通往外层的路径。它们连接内层，并隐藏在视线之外。

根据IPC标准，埋藏孔和盲孔的直径必须是6密耳（150微米）或更小。

最常见的通孔是微孔（µvias）。在PCB制造过程中，微孔是用激光钻出来的，与标准孔相比，它的直径更小（小到4密耳）。微孔是在高密度互连或HDI PCB中实现的。 微孔的深度通常不超过两层，因为这些小孔内的镀铜是一项繁琐的工作。正如前面所讨论的，通孔的直径越小，为实现无电解镀铜，镀液的抛射功率应该越高。

根据微孔在PCB层中的位置，可将其分为叠层孔和交错孔。此外，还有一种微孔叫做跳孔。跳过层，意味着它们穿过一个层，与该层没有电接触。被跳过的层将不会与该通孔形成电连接。因此而得名。

微通道改善了电气特性，也允许在更小的空间内实现更高的功能的微型化。这反过来又为智能手机和其他移动设备中的大针数芯片提供了空间。Microvias减少了印刷电路板设计中的层数，实现了更高的布线密度。这就消除了对通孔孔道的需求。微孔的微型尺寸和功能相继提高了处理能力。实施微孔而不是通孔可以减少印刷电路板的层数，也便于BGA的突破。如果没有微孔，你仍然会使用一个大的无绳电话，而不是光滑的小智能手机。

④、盘中孔

什么是盘中孔？盘中孔是指过孔打在焊盘上,焊盘为SMD盘,通常是指0603及以上的SMD及BGA焊盘,通常简称VIP(via in pad)。插件孔的焊盘不能称为盘中孔，因插件孔焊盘需插元器件焊接，所有插件引脚焊盘上都有孔。

根据设计者的要求，用不导电的环氧树脂填充通孔。之后，这个通孔被盖上盖子并进行电镀以提供导电性。这种技术缩小了信号路径的长度，因此，消除了寄生电感和电容效应。


孔中孔可以容纳更小的元件间距，并缩小了PCB的整体尺寸。这项技术是BGA脚印元件的理想选择，也是PCB组装的一个重要部分。

为了使事情变得更好，背钻工艺与孔中孔一起实施。背部钻孔是为了消除通孔中未使用部分的信号反射。对不需要的通孔残端进行钻孔以消除任何形式的信号反射。这确保了信号的完整性。

⑤、设计建议

这里有几个快速提示，你可以在设计中采用通孔时考虑：

除非设计上绝对需要，否则要避免盲孔和埋孔–这些孔需要更多的钻孔时间和额外的层压。这可能会增加整个PCB的成本。

叠层和交错通孔–选择交错通孔而不是叠层通孔，因为叠层通孔需要进行填充和平面化。这个过程很耗时，也很昂贵。

保持最小的纵横比。这能提供更好的电气性能和信号完整性。同时，这也导致了更低的噪音，更低的串扰，以及更低的EMI/RFI。

在高速设计中实施较小的通孔，因为杂散电容和电感会减少。

总是选择最简单的方案来满足你的设计需求。降低通孔的复杂性会导致周转时间和制造成本的降低。

非导电填充物通常足以满足信号布线的需要，而且更具有成本效益。因此，最好是尽可能地使用不导电的环氧树脂。

当你在布线高速信号时，如高清多媒体接口（HDMI），最好利用盲孔或埋孔来消除存根。

始终使用导热或高功率通孔的导电填料。较高的导热性能将有助于高功率元件所需的散热。

当使用填充通孔时，要确保填充后的焊盘表面是平面的，确保元件的水平放置，以避免墓碑状缺陷。墓碑缺陷是指在焊接过程中，元件的一侧从电路板上脱落。

在差分对上使用通孔–差分对布线要求导线的长度相等，以避免差分延时偏移。差分偏移是指一个信号比另一个信号更早到达接收器的情况。尽可能地避免在差分对上设置通孔。如果一个信号通过一个通孔，那么差分对中的另一个信号也必须通过一个通孔。在差分对中，每条线路上的通孔数量应该是相同的。

高速信号的通孔 - 通孔往往会给电路带来电感和电容。这种特性在频率较低的信号中通常可以忽略不计。当涉及到高速信号时，通孔可能会严重影响信号完整性。因此，最好避免在高速信号上使用通孔。

4、PCB学习路线