了解PCB原型和制造工艺事项

在设计用于原型的PCB时，缺乏信息会成为很大的问题。例如，不知道与合同制造商（CM）的设备功能相符的制造设计（DFM）规则和准则可能会导致来回无休止地实现可制造的设计并获得准确的报价。相反，了解板的构造方式使你可以进行设计以简化制造过程。让我们看一下可用的PCB原型和制造工艺选项，以及如何设计以促进其成功执行。

 

为什么PCB原型制作很重要？

首先清楚地定义电路板开发过程，就可以最好地理解PCB原型的本质。电路板通常是周期性的，并且包含许多迭代。每次迭代都包括设计，构建和测试阶段，旨在提高设计质量。不断修改电路板，直到纠正所有错误并获得所需质量的技术称为PCB原型设计。

 

制造在PCB原型制作中的作用

开发的构建阶段是构建设计的物理体现的阶段。在原型设计周期的每次迭代中，一个新的板被建立或制造，然后被测试。在原型设计期间，测试主要是为了验证功能和操作。

 

如上所示，该制造过程将产生PCB或裸板，其中未连接任何元件。虽然，电子元件放置或覆盖区的位置以及相应的焊盘被布置了。随后，使用通孔焊接，表面贴装技术（SMT）或两者的组合将组件连接到板上，以生产最终的PCB组件（PCBA），准备进行测试。根据电路板的复杂程度和CM的制造情况，此过程可能需要数天甚至数周才能生成原型。

为了提高总体开发速度，出现了采用增材制造的快速成型技术。这些增材制造工艺可以在不到一天的时间内构建原型。而且，有许多可供选择的PCB原型。

 

使用增材制造方法构建PCB原型

增材制造通常与3D打印互换使用，3D打印是一种通过连续添加材料层来制造对象的方法。这种方法为工程师和电路板设计师提供了在他们的办公桌上制造单个或少量PCB原型的便利。让我们看一下一些用于PCB原型制作和制造的增材制造技术。

 

顾名思义，熔融沉积建模（FDM）通过堆叠图层并将它们融合在一起来创建对象。每层通常由可通过加热和冷却过程熔合的热塑性塑料组成，例如以下所列：

FDM材料

l 丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）

l 聚对苯二甲酸乙二酯（PET）

l 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）

l 热塑性聚氨酯（TPU）

通过将FDM与立体光刻（SLA），激光直接写入（LDW）和其他工艺相结合以添加导电材料和嵌入式组件，可以创建PCB原型。

 

PCB原型构建的SLS技术

选择性激光烧结（SLS）是动力床融合技术之一，它使用激光制造尼龙或聚酰胺零件。该过程从粉末状物质开始，然后将其加热以形成不同的形状而不会液化。

 

全自动附加PCB原型制作

快速成型技术的优点之一是使制造所需的设备或机械最少。通常，仅需要一台机器（例如3D打印机），而不需要用于常规PCB制造的工具设备（例如车床或钻头）。表现出这种缺乏工具以及计算机模型和最终产品之间没有人工干预的过程就是固态自由形式制造或SFF的示例。

除了上述讨论的加成工艺外，还有用于PCB原型制造的加减法制造技术。

PCB制造的加减法制造工艺

与增材制造相反的是减法制造，其中通过从较大的固体中去除或切掉多余的物料来创建对象或产品。当同时需要这两种技术时，该过程需减去加法，也可用于制造PCB原型

通过层压物体制造构造PCB层

另一种快速成型技术是层压制品制造（LOM）。LOM过程与上一节中讨论的方法类似，因为对象构造包括添加连续图层的自底向上过程。但是，通常是纸，塑料或什至是金属的这些层通常被粘在一起，并且通过使用刀或激光工具切掉多余的材料来形成最终产品。

 

如何优化PCB叠层和布局制作

尽管快速原型技术的使用正在扩展，但到目前为止，大多数PCB都是采用加减法工艺制造的。PCB叠层的示例如下所示，是通过添加连续的层并使用粘合剂固定它们来构建的，就像LOM一样。

由于存在多个导体层。除非导体层是固体平面，否则必须将多余的铜蚀刻掉，以形成表面的走线路径和组件焊盘。去除铜，再加上未填充的孔（例如通孔和安装孔），是一种减法制造工艺。

 

其他PCB原型设计注意事项

在几乎所有的情况下，制造产生一个PCB没有组件。因此，完成原型需要装配或装配部件。正如前面所讨论的，对于快速原型设计来说，嵌入组件存在一些问题。

另外，已经开发了一种新的增材制造制造技术，其中可以在制造期间嵌入某些类型的组件。尽管不广泛，但该技术和其他技术正在逐渐普及。减法制造示例是flex（CIF）组件，该组件试图通过将组件嵌入内部层来最大程度地利用内部板空间。

所有这些PCB原型制造方法的共同点是，它们要求您拥有适当的设计工具，以实现最佳的工艺简化。

 

PCB原型设计和制造的设计工具

并非所有PCB设计软件都具有促进增材制造工艺使用的功能。例如，这些方法要求您设计一个3D模型，如下所示，并以制造设备可以使用的格式将其导出。

与当代的PCBA原型制造工艺相反，在组装过程中可以进行返工以纠正错误，而3D打印电子产品则不适合维修。因此，应在设计过程中纠正消除可能导致制造错误的潜在问题的能力。如果您具有以下设计工具，这将是最好的实现。

PCB原型制作设计工具：

设计中分析

设计时检查并进行更正的能力是主要优势。与CM的规则和准则结合使用时，可以进行实时制造设计（DFM）验证，从而可以加快设计速度并减少或消除制造延迟和后续的重新设计。

综合约束管理

大多数PCB设计软件包都包含一定程度的设计规则检查（DRC）。但是，对于快速的PCB原型制作，规格和尺寸的准确性至关重要。并且，强大的约束管理是必要的。      

设计可制造性

PCB原型制作过程的最终度量标准是它是否支持和辅助可制造性。这包括3D文件格式导出和设计签核等功能，以与CM的规格进行比较。