什么是PCB設計？

• PCB設計：城市景觀

• PCB設計師的角色

• 印刷電路工程：定義

• IPC-22XX 1.X。印刷電路工程布局專業(yè)的定義

• PCB 設計最佳實踐

• PCB設計已經(jīng)發(fā)展

PCB設計是通過多學科和多領域之間的協(xié)作和集成來創(chuàng)建印刷電路板（PCB）的整個過程，包括電氣、機械、軟件、系統(tǒng)、測試和制造。這是一項需要持續(xù)雙向溝通的團隊努力。

由于最近的 COVID-19 大流行對供應鏈漏洞方面的所有行業(yè)產(chǎn)生了負面影響，現(xiàn)在 PCB 設計的成功還包括為電子系統(tǒng)設計實現(xiàn)供應鏈彈性。這包括通過在設計點左移最知名的零件可用性、BOM 驗證和備選方案驗證來實施具有供應鏈智能的由外向內方法。在設計方面擁有知識、智慧和優(yōu)化是在 PCB 設計方面實現(xiàn)彈性設計成功的關鍵。

當今電子產(chǎn)品的設計狀態(tài)比以往任何時候都更加復雜和緊張。設計團隊必須在更緊湊的時間表內交付更復雜的產(chǎn)品，但他們會在非生產(chǎn)性任務上浪費寶貴的時間。通過所有工程學科將他們聯(lián)系起來，并為他們提供一流的解決方案，以通過電子系統(tǒng)設計的協(xié)作方法蓬勃發(fā)展。

我真正喜歡的 PCB 設計最簡單的解釋或隱喻之一就是它就像“設計一座城市”。一個城市，土地（房地產(chǎn)）、結構基礎、建筑物、房屋和道路都相互連接。一個城市的土地（房地產(chǎn)）和結構基礎代表了PCB的堆疊。建筑物和房屋代表放置在 PCB 上的電氣和機械組件，道路代表根據(jù)需要連接一切的銅線和過孔。

裸露的 PCB 由用于將組件連接/焊接到 PCB 上的焊盤圖案組成。它們通過稱為非導電基板上跡線的導電印刷線互連。它們?yōu)殡娐钒l(fā)揮作用提供了途徑。這通常稱為印刷線路板 (PWB)。重要的是要注意，在所有必需的組件都焊接到 PWB 上之前，它不被視為組件。一旦焊接到 PWB 上，電路就完成了。完全組裝/填充的 PCB 產(chǎn)生了一個功能齊全的生態(tài)系統(tǒng)，這是 PCB 設計和設計城市之間的隱喻比較。

一旦 PCB 完全填充了所有必要的組件，在這個階段或組裝級別，它通常被稱為印刷電路組件 (PCA)、印刷電路板組件 (PWBA) 或電路卡組件，具體取決于您如何選擇引用完全填充的印刷電路板。

圖 1 – 項目利益相關者（部門）

與許多與 PCB 設計（電子系統(tǒng)設計）相關的工程學科一樣，PCB 設計師（印刷電路布局專業(yè)人員）扮演著通常位于電氣工程部門的重要角色。請參閱圖 1 查看主要利益相關者（部門），他們通常在整個設計過程中協(xié)作以實現(xiàn)項目最終目標，無論是公司內部目標/里程碑，還是外部客戶要求。

由于內部和外部的關鍵利益相關者如此多樣化，有組織的復雜性需要多學科協(xié)作和整合。請參閱圖 2，了解當今系統(tǒng)級連接性的示例 - 組織復雜性。

圖 2 – 系統(tǒng)級連接性 – 有組織的復雜性需要多學科協(xié)作

由于內部和外部的關鍵利益相關者如此多樣化，有組織的復雜性需要多學科協(xié)作和整合。請參閱圖 2，了解當今系統(tǒng)級連接性的示例 - 組織復雜性。

通常，PCB 設計屬于工程的硬件 (HW) 設計類別。它與電氣、機械、軟件、系統(tǒng)、測試和制造學科聯(lián)系在一起，包括電氣 (ECAD) 和機械 (MCAD) 設計師。

PCB 設計需要來自多個學科及其各自領域的大量輸入和細節(jié)，以幫助定義、驗證和生產(chǎn)最終產(chǎn)品。其中的一個例子如下：

1. 系統(tǒng)級需求/架構定義

2. 機械、電氣、軟件、系統(tǒng)和測試要求/約束

3. 信號完整性 (SI) / 電磁兼容性 (EMC)、電源完整性 (PI) / 熱分析

4. 可制造性設計 (DFM) 和可生產(chǎn)性指南

5. 關于組件采購的供應鏈彈性

硬件通常由機械定義和約束創(chuàng)建，這些定義和約束與電氣輸入/要求一起饋入 PCB 布局，包括原理圖（描述電子電路的圖形符號和圖表）以及滿足最終產(chǎn)品定義/要求的電氣和物理約束。

PCB 設計已經(jīng)從早期的粘性背面組件圖案和膠帶發(fā)展到聚酯薄膜片上，然后將其拍照以創(chuàng)建用于制造的生產(chǎn)工具母版圖。隨著 PCB 設計幾十年來的發(fā)展，關鍵利益相關者的流程和個人角色（誰在設計過程中做什么以及何時在設計過程中）也發(fā)生了變化。

原理圖由電氣或電子工程師創(chuàng)建。機械工程師提供具有所有物理要求和約束的物理包裝或封套。此機械信息會輸入 PCB 布局。然后，布局專家（電氣設計師）設計 PCB 布局，這是多學科協(xié)作的結果。該專家一直充當項目團隊的樞紐或焦點，以收集所有需要實施到 PCB 設計中的輸入/要求。

在 PCB 設計中取得成功所需的知識、技能組合和經(jīng)驗已經(jīng)演變成今天眾所周知的印刷電路工程。這種演變需要對包裝可溶性、性能和制造的設計有全面的了解。當今行業(yè)中的印刷電路布局專業(yè)人員/專業(yè)現(xiàn)在交叉授粉電氣、機械、軟件、測試和制造學科之間的必要技能集。您現(xiàn)在可以理解為什么可以肯定地說 PCB 設計過程已經(jīng)從孤立的/個人的努力演變?yōu)槎鄬W科、多領域的團隊努力以及印刷電路布局本身的專業(yè)。

為了幫助指導個人進入或繼續(xù)從事該行業(yè)，IPC 技術活動執(zhí)行委員會 (TAEC) 在 2017 年接受了印刷電路工程布局專業(yè)人士的推薦定義，該定義將被納入 IPC-2200 系列標準。重要的是要注意，印刷電路工程布局專業(yè)人員只是 PCB 設計宏偉計劃中的重要角色之一。它并未涵蓋 PCB 設計中的所有角色。公認的推薦定義如下所示，并以圖形方式顯示。

圖 3 – 設計工程三角 – 成功的 3 個視角

以下概述描述了作為獨立專業(yè)人員或作為履行此職責的工程師最好地擔任印刷電路工程布局角色的核心知識和能力。今天的設計師必須解決 3 個成功的角度，目標是使第一次迭代按預期工作。

• 布局可解決性——復雜的封裝技能集

• 性能——所有層的信號、PWR 和熱性能

• 可制造性——DFX 對高產(chǎn)量和低成本的考慮

結果提供了可實現(xiàn)的最大元件放置/布線密度、最佳電氣性能以及高效、高產(chǎn)量和無缺陷制造。

在 PCB 設計過程的初始階段讓所有必需的利益相關者參與進來，并通過實施行業(yè) PCB 設計最佳實踐是全面成功的關鍵。多學科和多領域的協(xié)作和整合以及所有利益相關者之間的持續(xù)雙向溝通對于打破壁壘和孤立工作至關重要。強烈推薦行業(yè) PCB 設計最佳實踐的 5 個支柱，以實現(xiàn) PCB 設計的成功。這5個支柱如下：

1. 數(shù)字集成和優(yōu)化

2. 工程生產(chǎn)力和效率

3. 數(shù)字原型驅動驗證

4. 系統(tǒng)級基于模型的工程

5. 供應鏈彈性

反思最初的問題：“什么是 PCB 設計？”，可以看出為什么包含 PCB 設計的內容如此之多，以及為什么它需要的不僅僅是一個簡單的定義。PCB設計已經(jīng)發(fā)展成為電子系統(tǒng)設計的印刷電路工程。簡而言之，PCB 設計已成為一個多學科、多領域的過程，需要協(xié)作/集成和數(shù)字化轉型。