一、布局面临的挑战
众所周知,手机的发展是十分迅猛的,抛开“大哥大”这种当时少数人才能拥有的紧俏货,从数字功能机开始,手机就开始真正的融入到大家的生活中,起初手机只能满足我们通讯,计时等一些简单的要求,后来加入了音乐、电影、拍照、游戏等,最后发展成我们现在几乎人手一个的智能机,它像一个电脑一样,有独立的操作系统,独立的运行空间,可以由用户自行安装软件、游戏、导航等第三方服务商提供的程序,并且可以通过移动通信网络来实现无线网络接入手机。
随着手机功能的飞速增多,手机的外观也一直在改变,当然藏在手机内部的电路板这个元器件的组织者(手机中核心部件和实现各种功能的元器件都被集中在此)面临着前所未有的挑战。
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板子越来越小
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板子越来越薄
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功能越来越多
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器件管脚变多
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器件速率变快
由上述这些因素,手机的电路板设计变得越来越复杂,这种小型化高密度的电路设计,需要设计者时时刻刻小心谨慎,所以我们在设计初,需要了解手机各个模块的布局方法,注意事项等,并借助EDA设计软件,来帮助我们合理、安全、高效的完成设计。
合理的PCB布局,对整块PCB板的性能而言非常重要,这也就是为什么元器件布局通常在手机PCB板设计中占大部分时间的原因。
二、布局基本要求
当我们实际布局时,面对复杂烦乱的线路图时,往往脑海里一团乱麻,不知从何下手,这时候我们需要整理下思路,从了解布局的基本要求开始。
手机布局应尽量满足以下要求:
在手机开始布局前,一些基础的要求需要时刻围绕在脑海里
① 按照均匀集中,重心平衡。
(避免发生板子翘曲)
② 器件摆放整齐,美观。
(便于检查和维修)
③ 器件间的连线尽可能顺和短,特别是关键信号。
(便于后期的布线,避免走线过长,或者走线不顺,造成loss过大)
④ 高电压、大电流信号与小电流、低电压的弱信号完全分开。
(譬如:VBAT电源或者一些DCDC电源信号需要和RF这边的弱信号分开)
⑤ 数字信号与模拟信号分开。
(譬如:DDR,LVDS,IQ,MIPI等与Audio,RF等)
⑥ 高频信号与低频信号分开。
(同上)
⑦ 保持不同部分信号的回路的通畅和相对独立。
⑧ 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置,同一种类型的有极性分立元件也要 力争在X或Y方向上保持一致。
(便于生产和检验)
⑨ 小元件周围不能放置大元件、需调试的元、器件周 围要有足够的空间。
(元器件的排列要便于调试和维修)
⑩ 发热元件要一般应均匀分布,以利于单板和整机的散热,除温度检测元件以外的温度敏感 器件应远离发热量大的元器件。
(譬如 温度检测器件或者热敏电阻等需要远离PMU charge这些发热器件)
⑪ IC 去偶电容的布局要尽量靠近 IC 的电源管脚,并使之与电源和地之间形成的回路最短。
⑫ 元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于将来的电源分隔。
⑬ 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局,要根据其属性合理布置。
⑭ 串联匹配电阻的布局要靠近该信号的驱动端,距离一般不超过 500mil。
⑮ 匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与终端,对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹配。
三、整理布局思路
有了前面对手机布局的认识,了解了一些布局的基础,我们应该在布局中首先参考原理框图,按照板子上的主信号流向,规律安排主要元器件。
此设计选用高通MSM8xxx平台, 八核2.2GHz,14nm工艺 的,低功耗芯片,
内存:32GB(EMMC)+16GB(LPDDR3),平台搭配 PM8953和PMI8952,其中PM8953就是普通电源管理芯片,主要负责电源和音频部分,PMI8952主要负责充电和电源路径管理,还有背光、闪光灯驱动、LCD偏压、马达驱动等。在射频方面搭配射频收发器WTR 2965,可支持4G+网络,支持双卡双待,并且搭配WCN3680Wi-Fi/蓝牙/FM芯片,为手机提供了高吞吐量,能够快速传送数据且耗能低。从框图中可见此设计为双摄1300W+500W,前摄800W,并且可见外部搭配6inch的1080P的触摸屏。。。
手机布局时按照“先大后小,先难后易”的布局原则,也就是说重要的单元电路,核心元器件应当优先布局。我们这边先了解一下主要的一些模块器件,后面我们会对每个模块详细的讲解布局要求。
四、布局前期准备
手机的结构比较复杂,关系到力学,材料学,工艺。。。不是随便设计的。所以绝大多数的板框都不是自己手绘而是通过结构工程师提供DXF,然后通过软件导入。
第一步导入板框
执行菜单栏中File-Import-DXF/DWG命令,选择DXF文件,按下图所示进行设置。
点击OK按钮以后,就可得到下图的机构图,
①对于手机的外边框可以通过:先选中闭合的外框的任意一段,然后按Tab键即可选中整个外框,最后通过Design-Board Shape-Define from Selected Objects即可得到外边框。
②对于手机的内边框,即手机结构内部开槽掏空部分可以通过:先选中内部闭合边框的任意一段,然后按Tab键即可选中整个内部边框,最后通过Tool-Convert-Creat Board Cutout from Selected Primitives命令来得到内边框。
最后得到的完整板框,如下图所示
第二步 添加禁止布局区域
我们需要在布局前,先规划好禁止布局的范围,譬如:板边的预留,天线处的禁空,传感器旁的禁布范围,等等。我们尽量把一些已知的禁布要求在布局前就添加好,这样可以避免后面布局时的一时疏忽,也可以避免多人协作时的沟通遗漏。
① 为了加工生产所需,器件的焊盘和板子的外边框需要留有一定的距离,一般需要5mm(留有的空间是为了制版时的夹具所需的夹持边),手机板通常都是要做拼板的,非单独加工,所以夹持边是加在拼板上的,故一般只需和板边留有0.5mm的安全距离。
通过Design-Board Shape-Create Primitives From Board Shape
设置完成后打开keepout 层面即可得到下图:
②天线处的净空
例如:天线处的净空,这个属于所有层面的彻底净空。
我们可以通过Place-Keepout-Fill来绘制keep out 区域,并且在属性中可以选择禁止的层面和对象。(建议在布局初选择禁布所有对象,在布线完成后可以考虑为了消除可存在的DRC而修改禁布的对象)
③ 其它禁区域的添加
我们只需要在上图的Restricted for layer处选择需要给哪一层做禁布,在Keepout Restriction中选择要对那些对象进行禁布。
第三步 综合考虑PCB性能和加工效率,选择加工流程
加工工艺的优选顺序为:元件面单面贴装——元件面贴,插混装(元件面插装焊接面贴装一次波峰成型)—— 双面贴装——元件面贴插混装,焊接面贴装。
五、器件间距规则设定
为了避免在手机布局时不慎违反规设计要求,器件间距的规则应该在布局前就设定好。
随着板框的导入,工艺的确定,我们可以将原理图同步到PCB(这里不专门讨论如何将原理图同步到PCB,如有这方面的需求可以关注Altium Designer的一些网站),原理图同步到PCB后,我们需要为器件的间距设定规则。
手机板子的布局和布线都是超高密度的,手机板子上的器件也比较小,所以一般器件间的间距设的也都比较小,像一些阻容感器件就不能使用通用的间距,譬如像一些0201的阻容感或者更小的0105,间距值就设置的更加的小了。
当然各家公司都有自己的一些设计标准,但是仔细追溯规则的来源都是参考IPC,和贴片厂的贴片能力的(需要和板厂沟通和查询)。
下面我们以常规的手机布局要求来进行设定:
① 0201和0201之间 设为0.2mm
② 0201和其它器件设为 0.25mm
③ 其它器件之间设置0.3mm
注:下面规则设定的前提是器件都需要有3D体,这个3D体需要描述出器件的实体大小和高度。
接着我们看一下在AD中如何设定不同器件之间的间距规则
① 首先打开规则管理器 Design-Rules(DR快捷键)
② Design-Rules-Placement-Component Clearance-创建规则
在Minimum Horizontal Clearance中输入间距值
③指定使用规则的使用条件
0201和0201封装的间距规则如下图
0201器件和其它器件的间距规则如下图
其它器件之间的间距规则如下图
④ 指定规则的优先级(优先级不能搞错,越上面的优先级越高)
这边只是做一个规则的演示,大家可以按照实际要求去设定但是方法如上面的描述,先设定规则,再指定规则的条件,最后指定优先级。