PCB可制造性设计

在制造可以轻松、廉价和快速制造的电气平台时适当考虑的指南。讨论了从小规模到大规模生产的正确电路板设计、验证、测试和技术支持的目的和方法。

如何制造可以轻松、廉价、快速制造的电气平台。

假设你有一个好主意。它涉及电子产品，它有效，并且会销售。你有它，人们想买它。您创建了一个原理图、几个原型和投资回报的估计值。让我们赚点钱，把这个东西交到人们的手中！

然而，在制造方面，你一无所有。

一个伟大的想法来自一个伟大的工程师——即使你有一个充实的概念——和能够制造出一千或一百万个产品之间存在着巨大的差距。使用软件很容易，但使用硬件呢？这是一条漫长的道路，充满了危险、文书工作和痛苦的设计修改，除非你第一次就做对了。正确规划您的电子设计至关重要。在设计中适当考虑大规模生产更为关键。

您的前两个决定是围绕原型板或印刷电路板进行设计，以及使用通孔组件、表面贴装器件 （SMD） 或两者兼而有之。

典型的PCB

原型板通常对于小规模生产来说更便宜，因为它们不需要昂贵的专用设备，而 PCB 需要投资阻焊机、拾放机和回流焊炉，或第三方为您完成这一切。这大大增加了前期成本，因此表面贴装板通常更昂贵，除非您将制造数以万计的板。使用原型板的设计可以快速、廉价地使用您可以在当地技术商店买到的零件制成，并且不需要熟练使用电子设计自动化软件（即电气工程师的 CAD）;然而，对于大规模电路板生产来说，稳健的PCB设计在成本要求方面更加灵活。

第一步通常是确定一种方法是否由于某些外部限制（例如您公司的常用方法）而不适用于您的设计。如果这两种方法都可供您使用，则应根据每种方法的成本估算做出明智的工程决策。然而，当它们同时使用这两种方法时，一些设计是最便宜的：用于大型电阻器和电容器的通孔元件，以及用于集成电路和低功耗部件的表面贴装元件。

通孔组件

现代电子产品的小型化很大程度上来自精心设计且极其专业化的“定制”印制板，而不是仅使用通孔部件的原型板。使用各种尺寸的表面贴装器件，包括小至五分之一毫米宽的电阻器和在平方英寸内具有 100 多个引脚的集成电路，可以使 PCB 变得非常紧凑。原型板的集成电路通常仅限于双列直插式封装（DIP-xx，就其引脚数而言），其引脚远大于 PCB 上 IC 的可用引脚。这些 IC 封装可以通过在封装本身下方放置大量引脚，然后在 PCB 经历的专用回流焊过程中固定这些引脚，从而在给定的表面积内具有更高浓度的引脚。除非大尺寸的通孔部件在散热方面派上用场，否则通常最好使用 PCB 和 SMD 板进行大规模自动化生产。

典型的 SMD 板

在设计阶段，基于PCB的设计有几个方面需要特别注意。虽然原型板尺寸由供应商预先确定，但设计人员可以自由选择任何尺寸的走线（PCB 线）以及 PCB 上走线或组件之间的任何距离。由于在可能的布局范围内具有完全的灵活性，电路信号的特性和物理电路板结构使得有必要谨慎设计和布置电路板。例如，对噪声非常敏感的信号不应靠近任何电源、大电流或磁性元件，并且两条走线的距离是有限制的。组件焊盘的尺寸应适当，以便正确的部件可以安装在其上而不会悬垂到另一个焊盘上。要在电路板上钻孔和将信号从一个平面传送到另一个平面的电镀通孔需要正确测量，并在最终确定之前具有与之相关的最大公差。太小的过孔可能无法接收到正确数量的镀铜来传导其信号，而最终太大的孔可能会夹住或破坏附近的焊盘。在创建印制板时考虑可能的制造错误也是确保您的布局符合规格的关键步骤。有大量的因素，包括电气和机械因素，限制了电路板的物理布局，需要彻底了解哪些限制适用于您的设计。归根结底，除了花时间布局电路板之外，不可能用任何东西来取代电路板布局过程的经验。

典型的电路板布局

在创建印制板本身后，下一步是应用丝网印刷并添加组件。为了支持此制造步骤，您的电路板应清楚地贴上标签，以帮助装配、修订和零件编号以及零件轮廓。虽然制造商应该有对电路板有技术知识的人，但将这些信息整合到电路板本身中可以很容易地防止许多常见问题。确保技术人员、装配人员和其他任何可能看到或处理 PCB 的人都可以轻松找到产品是什么、处于哪个阶段、应该如何进行组装以及零件是否已正确放置在电路板上。请记住，您为制造商提供的板文本有时是您与他们沟通的唯一形式，即使是轻微的错误也会使整个板或板板一文不值。

确保 PCB 的文本正确无误对于项目的成功至关重要

但是，如果在将电路板运送到其应用程序之前没有发现错误，则后果要严重得多。通常，最好的情况是您的公司让客户失望，并且必须支付可能数千美元的运费和零件成本，而最坏的情况是生命损失。高效而可靠地测试您的电路板，并制定一个计划，无论是粗略的还是广泛的，以验证您的电路板是否已准备好用于其应用，是整个工程设计过程中的关键步骤。

一种更直接的测试方法是在产品离开制造中心之前简单地将其放入其应用中。这适用于简单的电子设备，如灯、电源和模拟设备，但不足以证明您的设计能够承受重复使用、“时间考验”或复杂的用户界面。这种方法对于大量产品，或者当产品耗时或难以投入应用时，也可能无效。常见的工业实践是构建测试夹具，这可能是他们自己的设计项目，可以很容易地提供一系列输入，并向测试人员清楚地表明成功或失败。考虑创建专用钉床设备的优势，该设备可以轻松同时测试PCB批次中的所有电路板。

针床测试

对于必须经得起人机交互或在现场耐受数小时的产品，通常最好从每批产品中抽取一小部分样品，并在较短的时间内对其进行压力测试，或者在产品上市销售之前开始进行测试。许多先进的系统，如计算机、航空电子设备和移动设备，都过于灵活，无法在硬件级别测试所有可能的条件和输入，需要更彻底的验证。这些产品必须设计为能够承受不同的输入，并具有内置的误用安全系数，并且仍然必须在其应用中进行彻底测试。

一旦设计完成，是时候开始试运行你的产品了，设计师的角色就会退缩，制造商的角色就会接管。工程师在继续下一个项目的同时，仍然必须在项目从设计过渡到产品时提供支持。问问自己或他人，您能提供什么帮助。该过程的每个阶段都会有问题。也许制造电路板的公司没有能力为一组引脚钻出您想要的尺寸的孔。组件供应商在收到您的订单之前就用完了您的电源设备。将组件放置在电路板上的公司似乎无法让 R1、R3 和 D2 很好地焊接到焊盘上。不可预见的情况很难避免，但适当的监督可以简化这一过程。

使用万用表进行测试有助于解决问题

请记住始终定期验证您的测试;来自人类的简单检查可以走很长的路。雇用一个有万用表的人来检查电路中两点之间的连续性，即使他只接触您产品的 1%，也是确保您不会接到客户愤怒电话的简单方法。访问制造中心并测试您的测试夹具本身在几个月后是否仍然工作可以防止数千美元的损失。制造团队可能有能力也可能没有能力在这些问题成为您的巨大痛苦之前发现或解决这些问题，并且当产品工作从您手中拿走并交给制造商时，您有责任成为一双警惕的眼睛。