從面包板上的原型電路，到設計我們自己的印刷電路板（PCB），就像脫離訓練輪一樣。關于此過程有很多要了解的內容，所以讓我們開始吧。 PCB設計在電氣工程（EE）流程中進行。EE創建了設備工作方式的“大腦”。沒有電子設備，您手中幾乎就只有一堆金屬和塑料。

開始PCB設計之前要了解的事項： 1. PCB尺寸-這取決于您的產品尺寸（或外殼尺寸）。產品尺寸是在電子工程設計過程中定義的。您可以在此處觀看有關它的視頻。 2. PCB層-層數越多，PCB的制造越復雜。（注意：即使單層PCB也可能是一個復雜的PCB，但在這里我們談論的是制造PCB的復雜性。PCB的層數越多，制造成本就越高。）

2層通常用于簡單的玩具產品

物聯網相關產品通常為4層

通常用于智能手機或智能手表的6到8層。

3.您的PCB制造商要求。在開始設計之前，請確保已閱讀有關節奏，跡線大小，電源隔離和文件命名的準則。

您需要提供給PCB制造商的信息：

層數（例如2、4、6等）

材料（FR-2（酚醛棉紙），FR-3（棉紙和環氧樹脂），FR-4（玻璃纖維和環氧樹脂……等）

厚度（0.5毫米，1.0毫米…等）

顏色（紅色，黑色，綠色……等）

表面處理（ENIG（化學鎳/浸金），DIG（直接浸金），OSP（有機可焊性防腐劑等）

銅重量（1盎司（35微米），2盎司（70微米），0.5盎司（18微米）…等）

Gerber文件

PCB設計過程：

電路設計

對于此步驟，您需要創建原理圖。這是一個文檔，就像一個藍圖，它描述了組件之間如何相互關聯以及如何協同工作。要創建原理圖文件，您將需要一個軟件工具。我們喜歡Quadcept，因為它經過優化，可用于設計制造用的PCB（例如，您可以直接從工具中導出物料清單（BoM））），并且基于云，因此可以方便地在任何地方使用。（他們還為制造商和學生提供了該工具的免費社區版本）。

您還可以選擇許多其他選項：

Altium

ExpressPCB

升頻器

KiCad

Cadence快板

墊

計算機輔助設計

DipTrace

安裝所選工具后，需要獲取每個所選組件的組件規格。通常可以在供應商的網站上找到它們。模型文件將幫助您繪制原理圖。當您將模型上傳到軟件工具時，該組件將在數據庫中可用。然后，您要做的就是遵循數據手冊，將線路連接到組件中的每個引腳。（注意：設計過程的細節將取決于所選擇的軟件工具）。

每個原理圖符號都需要具有相關的PCB占位面積，以定義組件的物理尺寸以及銅焊盤或PCB上的通孔的位置。您應該已經選擇了組件（或現在選擇它們），并且我們在EE設計流程視頻（請參閱視頻）中介紹了此過程。

示例示意圖

好的原理圖確實很重要，在進行調試時它將用作參考文件，并且是與其他工程師的很好的通訊工具。此外，制造商可以通過本文檔上的測試點來測試設備。

PCB布局+ Gerber文件

要設計PCB布局并創建Gerber文件，您可以使用我們在電路設計中提到的相同軟件工具。與原理圖不同，PCB布局是將實際組件分配到PCB上的確切位置，并顯示將PCB層之間的每個組件連接在一起的軌跡。如本文開頭所述，層數越多，所需的制造越復雜，成本也就越高。

根據功能（例如電源，音頻輸出等）將PCB分成邏輯部分。然后，確保將每個部分的組件分組到同一區域。這樣，您可以使導電跡線短，并減少噪聲和干擾。

在設計PCB時，用戶界面（UI）也需要牢記。需要調整組件的位置，例如音頻插孔，連接器，LED等，以實現最佳的用戶體驗。

完成布局設計后，將生成一個Gerber文件。您的PCBA制造商將使用此文件。有許多公司提供這些服務，并且從HWTrek的專家庫中我們推薦Kingbrother，NexPCB和HQPCB。

示例Gerber文件

元件在PCB上的放置非常重要。某些組件可能會相互干擾并導致意外行為。例如，如果您同時擁有藍牙和Wi-Fi模塊，則它們具有相同的2.4 GHz帶寬，如果放置不正確，則會相互干擾。

PCB制作

當您將Gerber文件發送給PCB制造商時，他們可以打印出電路板。這將是進一步建立基礎，將組件添加到PCB并制造PCBA（印刷電路板組件）的基礎。

未組裝的PCB

PCBA（組裝）

材料準備

此時，在EE設計中，您應該已經選擇了組件。您可以要求PCBA制造商為您訂購所需的組件，或者如果您選擇了供應商，則可以自己完成。注意事項：

交貨時間：由于這些組件來自不同的供應商，因此請記住交貨時間。對于某些組件，最長可能需要8-16周。

包裝：訂購用于SMT機器自動拾取的卷軸中的組件，而不是單獨包裝。

最小訂購量：檢查組件的最小起訂量。如果您購買的數量少于最低數量，請確保所選組件有庫存。對于小批量（最多50個），您可以從DigiKey或Mouser在線訂購。如需更多數量，請向您的制造商尋求建議。

損失：多訂購10％以彌補損失（不適用于昂貴的組件）

在PCB上安裝組件

將元件放置在PCB表面上的主要方法有兩種：

通孔（通孔）是將帶有導線的組件裝配到PCB表面上的孔中的手動方法。它通常也稱為DIP或雙列直插式包裝過程。（請參見此視頻中正在進行的SMT）

SMT（表面貼裝技術）方法是批量生產中使用最廣泛的方法。它由快速，精確的SMT機器完成，可節省您的時間，金錢并避免人為錯誤。

要記住的事情：

您的組件類型編號不得超過制造商的SMT機器可以支持的卷軸數量。

優化和整合您的組件，以便只運行一個SMT。

檢查制造商支持的腳印墊尺寸。否則，SMT機器將無法正確安裝組件。

一些較大的組件無法由機器安裝，仍然需要手動通孔工作。因此，這兩種技術都可以在同一板上使用。

您需要通過通孔方法手動添加的任何組件都會增加制造成本。

回流焊

回流焊接是使組件“粘”在PCB上的過程。PCBA通過回流爐或紅外燈加熱電路板，直到焊料熔化，從而將組件永久連接到電路板上。

這里最棘手的部分是不會使組件過熱或損壞，因為每個封裝的熱特性都不同。可靠的PCBA制造商將負責此過程，您所需要做的就是向他們提供組件規格。

回流工藝。

其他焊接方法：

波峰焊主要用于通過通孔方法手動添加的組件。在這種情況下，您的PCBA將首先通過回流焊爐，然后手動添加其他組件后，將通過波峰焊機。

鐵焊接可用于特定情況，但不適用于批量生產。

測試與質量檢查

在此步驟中，將對PCBA樣品進行測試以確保質量。常見的錯誤是：未連接的組件，未對齊的組件和連接不應連接的電路部分的短路。最常見的測試：

ICT（在線測試）。設計PCB時，通常會保留一些測試點用于調試，編程和其他目的。ICT機器將使用這些測試點進行開路/短路測試，并檢查無源組件（電阻器，電感器，電容器）的值是否在規格范圍內。

AOI（自動光學檢查）。制造商使用“黃金樣本”（參考PCBA）與其他樣本進行比較。對于此測試，硬件創建者將需要向制造商提供規格和公差以設置參數。

X射線。PCBA制造商將使用X射線檢查BGA（球柵陣列）組件的焊接條件。觀看此視頻中進行的X射線測試。

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