如何设计一款低成本的计算机载板 - 第二部分

2016年10月13日星期四
简介

Carrier Board计算机载板的开发可以分为三个主要任务:系统设计、原理图设计和PCB布局。在我以前的博客中,已经谈到了系统设计和原理图设计。 在这里,想给你关于第三阶段设计的一些见解,PCB布局。 我个人很喜欢这个阶段,因为它需要很多的想象力和经验。 在这一部分,我想重点关注为Toradex计算机模块设计一个低成本载板。

布线

但在我们开始PCB布线走线之前,我们必须决定什么样的PCB叠层和技术适合我们的载板。 由于我们希望设计一个低成本的载板,首先需要花一些时间优化成本。

PCB 尺寸: PCB的成本几乎随其尺寸线性增加。这是另一个原因很好的解释为什么一个计算机模块比较适合你的预算。小封装的芯片SoC和高速DDR3接口需要昂贵的PCB布线技术。具有昂贵的高密度HDI技术的PCB的尺寸仅被应用于计算机模块部分。相对大的计算机载板可以用更便宜的标准技术制造。

PCB 层数: 根据外围电路的复杂性,四层甚至两层板对于载板已经是足够了。随着你在你的载板上有足够的空间,你需要更少的层。例如,我们的评估板由四层PCB制成,而Ixora由于其组件密度而需要六层板。

PCB 厚度: 你是否真的需要一个1.6mm厚的PCB? 在不考虑PCB刚性前提下,或许1mm板厚已经足够了。减少PCB厚度意味着减少材料需求。 此外,如果PCB更薄,在钻孔过程中可以堆叠更多的板,这减少了机器加工时间。不要低估使用更薄的 PCB 所节省的成本。请注意,PCB的刚度随厚度的三次方减小。 特别是当你的板上有大型BGA器件,易于弯曲PCB可能会导致焊球裂纹。

路径线宽和间距: 通过将走线宽度和间隙保持在最小150µm(6mil),可以降低PCB成本。 走线和间隙常常由器件封装决定。 也许值得检查一个不同的器件封装。 应避免走线间隔低于100µm(4mil),因为价格将大量增加。

阻抗控制: 阻抗控制增加了额外的成本。即使在我们的布局设计指南中建议控制某些信号的阻抗,也有例外,你可以避免它。 最重要的因素是载板上的信号走线长度。 如果你只有很短的走线例如。100Mbit / s以太网和USB 2.0(480 Mbit / s)接口,实际上不需要考虑阻抗控制,当然接口速度也需要考虑。 例如,如果SD卡接口的标准速度(25MHz)足够,则阻抗控制则不是真正必要的。没有一个通用的准则来衡量是否需要阻抗控制。这里有很多经验涉及。如果你决定不控制阻抗,一个干净的布线路由甚至更重要。尝试避免树状布线考虑信号的电流返回路径。

钻孔和铣削公差 : 不要过于约束你的设计。严格公差增加生产成本。在通孔和直插THT孔处的较大环形环将给PCB制造商留下更多的公差。 添加泪滴将进一步放松钻孔公差并提高产量。 如果使用较大的钻头直径作为过孔,制造商能够在钻孔过程中堆叠更多的PCB,钻头可以使用更长时间。

表面清理: 不要低估PCB表面处理的成本。计算机模块PCB需要相当昂贵的表面光洁度:带镀金边缘连接器焊盘的无电镀镍浸金(ENIG)表面涂层。 这是由于细间距BGA器件所需要的。 你应该检查是否可以通过使用热空气焊料水平(HASL)或有机表面保护(OSP)来节省一些钱。 与你的PCB制造商和你的EMS生产商谈谈表面光洁度的指标。

表面贴片和直插混合工艺: 这个部分的优化与装配成本有关。 如果设计采用表贴SMD和直插THT元件(例如连接器),则应尝试SMD元件仅位于一侧(参见Apalis和Colibri评估板)。这允许使用成本优化的波峰焊接技术。或者可以采用过孔盖油。 如果因电路板密度需要在两侧都有SMD元件(参见Ixora和Iris板),则需要选择性焊接直插THT元件。 在THT焊盘和SMD元件之间留出至少5mm的空间。 否则手工焊接无法避免。

在优化PCB本身的成本后,我想给你一些提示,可以帮助你在第一个版本就取得成功。首先,建议仔细阅读我们的布局设计指南。在本指南中,我们努力集中收集一系列的建议,以避免布局设计中的常见错误,特别是对于高速信号。多年来,我看到了很多的PCB布局,可以很容易地改进,无需任何额外的PCB制造成本。

我通常从已经确定为最敏感的信号开始PCB布局。 这样的信号例如是PCIe和类似的高速接口。 即使我从这些信号开始,仍旧试图对低速信号以及电源轨布线会有一个规划。

我或许不需要建议你仔细使用布局工具的内置设计规则检查(DRC)。 此外,我建议使用第二个工具来独立于布局工具查看生产数据(Gerber文件)。 在这样工具检查的结果下,我已经发现在设置中创建Gerber文件已经有很多错误。 通常向一个同事提出这样的Gerber文件审查请求是值得的。一个有价值且免费的Gerber数据查看器例如是来自GraphiCode的GC-Prevue。

我希望在如何进行计算机载板成本优化方面给你一些建议,也许你有自己的策略优化你的硬件设计。请留下评论并分享你的经验。

参考
#Carrier Board Design #Support
Author Peter Lischer, Senior Hardware Development Engineer, Toradex AG

1 comments

warren - 1 year 9 months | Reply

A very good article, introduced in great detail

Toradex - 1 year 9 months | Reply

Thank you very much, Warren. We're glad you liked it.

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