談?wù)凱CB設(shè)計(jì)電子與機(jī)械之間的那些事

? ? ? ?一款完美的電子產(chǎn)品誕生只有優(yōu)秀的電路板PCB設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如同好花襯好錦，好馬配好鞍；良禽擇木而棲，賢士擇主而事。承載著您絕妙設(shè)計(jì)靈感的PCB電子部分，也需要精準(zhǔn)的機(jī)械部分及外殼設(shè)計(jì)與之匹配，更需要PCB板制造和裝配環(huán)節(jié)的精心處理和打磨。這些各個(gè)團(tuán)隊(duì)之間的有機(jī)合作，才能成功交付一款完美的電子產(chǎn)品。

??????電子與機(jī)械設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的合作通過(guò)3D元件庫(kù)貫穿PCB設(shè)計(jì)的始末。另外包括設(shè)計(jì)后期與電路板相關(guān)的機(jī)械外殼匹配設(shè)計(jì)。制造和裝配環(huán)節(jié)同樣需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的元件清單BOM信息，也同樣需要遵守電子部分設(shè)計(jì)要求和機(jī)械要求。這幾個(gè)團(tuán)隊(duì)的有機(jī)合作會(huì)大大提高產(chǎn)品成功良率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，有效避免諸多問(wèn)題隱患。

PCB設(shè)計(jì)電子與機(jī)械

??????PCB電路板設(shè)計(jì)中總免不了要裝貼元器件，那么絕對(duì)免不了需要考慮元器件的機(jī)械尺寸，元器件的大小高度體積，才能做到精確的PCB布局設(shè)計(jì)。而整個(gè)板形以及相應(yīng)的安裝孔也需要與機(jī)械外殼相匹配。并且需要按照PCB制造，裝配完成之后，對(duì)實(shí)體電路板立體各方位保證機(jī)械外殼的契合度。

通常情況下，電子設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不能夠很好統(tǒng)一起來(lái)并實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)的話，下面這樣的經(jīng)歷您一定不會(huì)陌生并深深為之苦惱。比如你會(huì)這樣去手動(dòng)測(cè)量元器件相關(guān)尺寸，來(lái)進(jìn)行元器件PCB封裝設(shè)計(jì)：

??????然后，當(dāng)你需要用到多塊PCB互相嵌套組裝的時(shí)候，你需要精確計(jì)算每塊PCB板需要挖去的凹槽尺寸，所對(duì)應(yīng)的位置，以免到時(shí)候裝配不上。

??????接下來(lái)，當(dāng)電路板都打樣制造，裝配，測(cè)試完成之后，需要手工和肉眼來(lái)檢查它們各個(gè)元件與元件之間，板與板之間，連接件之間是否有空間上的沖突。如下圖所示，水平方向上的和垂直方向上的PCB各個(gè)齒腳是否契合？大的儲(chǔ)能電容和繼電器在空間上擺放是否與其他物體有沖突？該WIFI控制的智能電源插座的三個(gè)金屬插片尺寸設(shè)計(jì)的是否合理？與電路板之間的裝貼是否匹配？?jī)H僅這些電子與機(jī)械部分的匹配問(wèn)題就導(dǎo)致PCB電路板設(shè)計(jì)和機(jī)械Mechanical設(shè)計(jì)來(lái)回修改更正無(wú)數(shù)回合??！

??????再然后，是將整個(gè)裝配好的PCB電路板內(nèi)核電子部分與產(chǎn)品外殼的匹配。智能電源插座的外殼中間有一圈透明塑料做成的透光帶，如下圖左邊所示。該透光帶正對(duì)電源按鈕的地方有兩個(gè)感光頭，這兩個(gè)感光頭對(duì)應(yīng)到豎立裝配的PCB上兩顆LED燈。產(chǎn)品效果是該LED燈根據(jù)不能狀態(tài)發(fā)出RGB不同顏色的光帶，并且晚上可做夜燈night light使用。但是很不幸的是，由于空間上的沖突，塑料感光頭擠斷了一個(gè)??！。

最后，當(dāng)安裝上整個(gè)外殼的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)上蓋與整體之間有一圈縫隙，不能完全契合匹配！！

????????這些問(wèn)題，在Altium Designer中就不是問(wèn)題了。親們都懂的哦！在創(chuàng)建元件庫(kù)封裝的時(shí)候自動(dòng)創(chuàng)建STEP模型，保證了PCB上各元器件的空間配合度。然后有ECAD-MCAD協(xié)作，保證整個(gè)產(chǎn)品的電子內(nèi)核與機(jī)械外殼之間的匹配。

PCB設(shè)計(jì)與制造

???????PCB設(shè)計(jì)完成之后，就需要輸出所需文件給下游PCB制造和裝配。Output輸出分兩大部分，一個(gè)是Fabrication Outputs即制造文件輸出。一個(gè)是Assembly Outputs即裝配文件輸出。

????????制造板廠根據(jù)Altium Designer 輸出的Gerber文件或ODB++文件數(shù)據(jù)了解到印刷電路板所需的繪圖數(shù)據(jù)信息。另外還需要NC Drill鉆孔信息，以及Netlist and Test數(shù)據(jù)等等。這些所需文件和數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行打包發(fā)送給板廠，并附帶上加工工藝要求。

板廠會(huì)根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)以及制版加工工藝要求，對(duì)有疑問(wèn)的地方列出與工程師進(jìn)行溝通確認(rèn)。如下圖所示。對(duì)PCB板上的絲印二維碼進(jìn)行顏色的確認(rèn)。

???????確認(rèn)過(guò)程中為了有效溝通，會(huì)使用Alitum的Draftsman文檔記錄工具，進(jìn)行有效溝通和意圖傳遞。雙方獲得共識(shí)之后，就可以進(jìn)行PCB生產(chǎn)加工和測(cè)試等后續(xù)工序。

如下圖所示為列出的PCB制造工廠進(jìn)行加工生產(chǎn)所需要的設(shè)備。PCB加工所需工序和設(shè)備眾多，這里僅僅挑出兩三樣自動(dòng)生產(chǎn)線的設(shè)備給各位看官一個(gè)大概的印象。具體詳細(xì)的生產(chǎn)流程和復(fù)雜技術(shù)細(xì)節(jié)請(qǐng)參考各加工工廠的專(zhuān)業(yè)人員。

PCB設(shè)計(jì)與裝配

???????如PCB設(shè)計(jì)到制造一樣，PCB設(shè)計(jì)到裝配也需要Altium Designer打包輸出裝配廠所需要的Assembly Outputs即裝配文件。包含BOM原材料清單信息，Pick and Place貼片機(jī)需要的文件以及In Circuit Test（ICT測(cè)試）文件等。

其實(shí)在Altium Designer軟件內(nèi)部，PCB布局布線階段已經(jīng)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的元器件模型以及產(chǎn)品外殼等機(jī)械部分進(jìn)行了匹配，確保所選元件型號(hào)和尺寸無(wú)誤，確保產(chǎn)品的PCB裝配之后的電子內(nèi)核與產(chǎn)品的機(jī)械加工外殼相匹配。如下圖所示，這款電源插線板里面包含8個(gè)電源插座模塊，每個(gè)模塊里面的電子部分（電阻電容繼電器變壓器等等電子元件和PCB線路板）都分別與相應(yīng)的機(jī)械外殼配合完美。

???????因此，在進(jìn)行PCB裝配生產(chǎn)的時(shí)候，只要加工出來(lái)的PCB裸板以及按照設(shè)計(jì)要求采購(gòu)的電子元器件和其他部件的BOM清單清楚并保證質(zhì)量，那么按照Pick and Place 文件進(jìn)行元件放置與焊接，以及其他部件進(jìn)行裝配，流程就變得標(biāo)準(zhǔn)而且精確。所有元件裝配好之后進(jìn)行ICT電路測(cè)試以及功能測(cè)試。

參見(jiàn)下圖為一些裝配生產(chǎn)線的相關(guān)設(shè)備。PCB裝配分SMT貼片元器件貼片，焊接；接插件部分放置，焊接；產(chǎn)品測(cè)試；表面處理及添加保護(hù)涂層；產(chǎn)品包裝（有的會(huì)與產(chǎn)品機(jī)械外殼一起組裝完畢）。在PCB裝配的過(guò)程中，Altium Designer設(shè)計(jì)軟件需要提供準(zhǔn)確的BOM清單，Pick and Place文件，鋼網(wǎng)文件等等數(shù)據(jù)用于自動(dòng)化裝貼。此外，還需要與裝配廠家協(xié)同合作，提供產(chǎn)品測(cè)試文件，并配置好測(cè)試架，對(duì)產(chǎn)品良率進(jìn)行檢測(cè)。

???????如果PCB電子設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)，制造和裝配這幾個(gè)團(tuán)隊(duì)之間的數(shù)據(jù)不能做到實(shí)時(shí)共享并分工協(xié)作，在裝配生產(chǎn)完成之后，一旦發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品電子部分與機(jī)械外殼不能很好地匹配，此時(shí)要么重新修改電子PCB部分，要么重新修改機(jī)械外殼部分設(shè)計(jì)。無(wú)論修改哪一部分，都需要重新更改設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，再加工生產(chǎn)，再最終匹配，這樣一次次的問(wèn)題和修改對(duì)所有團(tuán)隊(duì)都是一種折磨。因此，一個(gè)完美的電子產(chǎn)品，要避免這種耗時(shí)耗力的多次迭代，就必須要在設(shè)計(jì)階段就將各個(gè)團(tuán)隊(duì)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，共享所需數(shù)據(jù)，各個(gè)團(tuán)隊(duì)成員之間做到有機(jī)合作，避免數(shù)據(jù)誤差和可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題。