硬件工程师需要掌握的PCB设计常用知识点
Posted 嘎哈像啥
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了硬件工程师需要掌握的PCB设计常用知识点相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
一个优秀的硬件工程师设计的产品一定是既满足设计需求又满足生产工艺的，某个方面有瑕疵都不能算是一次完美的产品设计。规范产品的电路设计，工艺设计，PCB设计的相关工艺参数，使得生产出来的实物产品满足可生产性、可测试性、可维修性等的技术规范要求，在产品的设计过程中构建产品的工艺、技术、质量、成本的优势。
本文将从初学者的角度出发，一文带你快速了解PCB设计中的常用基本概念：
1、FR4板材
FR-4就是玻璃纤维环氧树脂覆铜板，线路板中的一种基材，可以分为一般FR4板材和高Tg FR4板材，Tg是玻璃转化温度，即熔点。电路板必须耐燃，在一定温度下不能燃烧，只能软化。这时的温度点就叫做玻璃态转化温度(Tg点)，这个值关系到PCB板的尺寸安定性。
一般Tg的板材为130度以上，高Tg一般大于170度，中等Tg约大于150度。通常Tg≥170℃的PCB印制板，称作高Tg印制板。基板的Tg提高了，印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高和改善。TG值越高，板材的耐温度性能越好，尤其在无铅制程中，高Tg应用比较多。
2、阻抗匹配
阻抗匹配（impedance matching）主要用于传输线上，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。PCB中常见的阻抗控制值有：100欧姆差分阻抗，90欧姆差分阻抗以及单端50欧姆阻抗。
3、表面处理
PCB 板表面处理一般分为几种，为了更好的了解自己的PCB设计各项问题，现进行简单介绍：
①喷锡。喷锡是电路板行内最常见的表面处理工艺，它具有良好的可焊接性，可用于大部分电子产品。喷锡板对其他表面处理来说，它具有成本低、可焊接性好的优点；其不足之处是表面没有沉金平整，特别是大面积开窗的时候，更容易出现锡不平整的现象。
②沉锡。沉锡跟喷锡的不同点在于它的平整度好，但不足之处是极容易氧化发黑。
③沉金。只要是“沉”其平整度都比“喷”的工艺要好。沉金是无铅的，沉金一般用于金手指、按键板，因为金的电阻小，所以接触性的必须要用到金，如手机的按键板灯。沉金是软金，对于经常要插拔的要用镀金，沉金主要是沉镍金。
④镀金。在沉金中已经提到镀金，镀金有个致命的不足是其焊接性差，但其硬度比沉金好。在MID和VR的设计中一般不用这种工艺。建议：如果对于平整度有要求，如对频率有要求的阻抗电路板（如微带线）尽量用沉金工艺；一般带有BGA的MID板卡都用沉金工艺。
⑤OSP。它主要靠药水与焊接铜皮之间的反应产生可焊接性，唯一的好处是生产快，成本低；但是因其可焊接性差、容易氧化，电路板行内一般用得比较少。
4、芯板（core）/PP片（半固化片）
将补强材料浸以树脂，一面或两面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料，称为覆铜箔层压板。它是做PCB的基本材料，常叫基材。当它用于多层板生产时，也叫芯板（CORE）。
树脂与载体合成的一种片状粘结材料称为PP片。
芯板和半固化片是用于制作压合多层板的常见材料。
5、差分线
差分信号就是驱动器端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。差分信号，有些也称差动信号，用两根完全一样，极性相反的信号传输一路数据，依靠两根信号电平差进行判决。为了保证两根信号完全一致，在布线时要保持并行，线宽、线间距保持不变。
6、信号完整性（signal integrity）
信号完整性是指信号在传输线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。
7、信号反射
反射就是在传输线上的回波。信号功率(电压和电流)的一部分传输到线上并达到负载处，但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素的变化均会导致此类反射。反射会造成信号过冲overshoot、下冲undershoot、振铃ringing、边沿迟缓也就是阶梯电压波。
8、串扰（crosstalk）
串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
9、内电层（Inner Layer）
内电层是PCB的一种负片层，主要作用是当做电源或地的层，必要时进行电源分割。
10、盲埋孔
①盲孔。从中间层延伸到PCB一个表面层的过孔。常见的有一阶，二阶之称，比如一阶盲孔是指第二层到TOP层的过孔或者倒数第二层到Bottom的过孔。
②埋孔。从一个中间到另一个中间之间的过孔，不会延伸到PCB表面层。
11、测试点
一般指独立的PTH孔、SMT PAD、金手指、Bonding手指、IC手指、BGA焊接点、以及客户于插件后测试的测试点。
12、MARK点
Mark点是电路板设计中PCB应用于自动贴片机上的位置识别点，又称光学点位点。Mark点的选用直接影响到自动贴片机的贴片效率。一般Mark点的选用与自动贴片机的机型有关。Mark点一般设计成Ф1 mm（40 mil）的圆形图形。考虑到材料颜色与环境的反差，留出比光学定位基准符号大0.5 mm（19.7 mil）的无阻焊区，也不允许有任何字符，见图所示。同一板上的光学定位基准符号与其相邻内层背景要相同，即三个基准符号下有无铜箔应一致。周围10mm无布线的孤立光学定位符号应设计一个内径为2mm环宽1mm的保护圈，且周围有上下边直径为2.8mm的8边形隔离铜环。
13、PTH（金属化孔）/NPTH（非金属化孔）
孔壁沉积有金属层的孔称为金属化孔，其主要用于层间导电图形的电气连接。反之，则为非金属孔，一般用来作为定位孔或安装孔。
嵌入式学习基本
嵌入式工程师需要掌握的内容非常广泛，主要包括嵌入式软件、嵌入式硬件、以及相关行业、产品的专业知识。作为嵌入式初学者，我们不可能，也没有那么多精力把所有的知识到搞的很精通，我们要学会抓住重点，学会取舍，达到一通百通，事半功倍的学习效果。
首先嵌入式技术主要分为嵌入式软件和嵌入式硬件2大方向。
嵌入式硬件方向
嵌入式硬件工程师主要工作职责是为产品设计硬件电路原理图，设计硬件PCB板，选择合适的元器件，焊接调试硬件电路板，保证硬件电路板的可靠性、稳定性和抗干扰能力。因为现在集成电路发展迅速，大部分集成电路厂商都会提供参考电路，所以硬件电路原理图的设计相对来说比较简单，硬件工程师工作的含金量主要体现在产品的可靠性和稳定性设计、以及电磁兼容设计，这才是硬件设计工程师的含金量所在。 一个资深的嵌入式硬件工程师年薪都在10万~ 30万之间。
要成为一个资深的嵌入式工程师相当难，一方面要有非常扎实的理论知识，同时也要有相当的那种大型的、高频CPU、多层PCB板的设计经验。嵌入式硬件工程师要学的课程主要有模拟电路设计、数字电路设计、电磁波理论等。熟悉常用的放大电路、滤波电路、电源电路设计和分析。
嵌入式软件方向
嵌入式软件工程师的职责主要是根据产品的功能需求设计好软件，让硬件工作起来。嵌入式电子产品硬件部分，大部分都是相同的，核心的都是由CPU、RAM和FLASH 几大部分组成，而软件就千差万别了。产品的具体功能都是由软件来实现的，一般来讲一个产品的实现，软件设计的工作量是硬件设计的4~5倍。所以一般情况下，一个公司的软件工程师数量是硬件硬件工程师的4~5倍，嵌入式软件工程师需求比硬件工程师大很多，同时跟硬件工程师相比，嵌入式软件工程师学起来相对容易些，所以这里我重点和大家谈一下嵌入式软件工程的学习路线。
嵌入式软件工程师学习路线
1、打好嵌入式软件编程的基础
这一阶段重点打好嵌入式软件编程的基础，包括学习Linux系统的基本应用，Linux的常用命令、C语言编程基础、常用的数据结构。
特别是C语言中对指针的理解和应用。这一阶段的主要目的是学习编程语言、开发环境、和培养自己的编程思维，为进一步学习嵌入式开发打下良好的基础。 这一阶段推荐的嵌入式学习书籍如下：《C程序设计语言》，《C语言核心技术》，《数据结构与算法分析－－C语言描述》，《C和指针》，《C陷阱与缺陷》，《C＋＋ Primer》
2、学习ARM体系结构编程
这一阶段才是真正的嵌入式编程，首先我们要选择一款嵌入式CPU和一款嵌入式开发平台，目前ARM 嵌入式CPU应用最广泛，这一阶段重点是学习嵌入式CPU的裸机编程，熟悉中断、定时器、串口、NAND FLASH、网络控制器、LCD屏、触摸屏等常用嵌入式外围设备的硬件工作原理，以及如何使用C语言来编程、控制这些硬件。这一阶段除了要学习对硬件编程之外，还需要学习嵌入式硬件的知识，但是对于嵌入式软件工程师来讲，重点是学习硬件的工作原理，在掌握硬件工作原理的基础上，对硬件进行编程控制。这和硬件工程师学习的侧重点有所不同。这一阶段对应的学校的课程主要包括模拟电路、数字电路、微机原理和单片机。这一阶段重点是要看CPU的芯片手册，大部分的参考书也是对芯片手册的翻译。推荐的参考书籍如下：《ARM嵌入式系统开发－－
软件设计与优化》，《ARM处理器开发详解 基于ARM Cｏｒtex-A8处理器的开发设计》
3、学习嵌入式系统的构建
这一阶段主要学习带有操作系统的嵌入式系统的构建，包括系统的启动流程、Bootloader的工作流程、UBOOT的编译、裁剪与移植、嵌入式Linux内核的裁剪、移植与编译，嵌入式根文件系统的定制、BootLoader、内核和根文件系统的烧写。 这一阶段的主要目的是掌握带有操作系统的嵌入式系统的构建和烧写过程，以及对嵌入式系统软件的总体构成有个整体认识，为我们接下来学习嵌入式应用和驱动开发打下坚实的基础。 这一阶段推荐的书籍如下：《构建嵌入式Linux核心软件系统实战》
4、学习嵌入式Linux应用程序开发
这一阶段主要学习上层的嵌入式Linux应用程序开发，包括基于Linux多进程、多线程、网络、文件与目录和QT编程。掌握嵌入式Linux环境下应用程序开发技术。这一阶段推荐的书籍有： 《UNIX环境高级编程》， 《Unix网络编程》，《Qt Creatｏｒ快速入门》， 《精通Qt4编程》
5、学习嵌入式Linux驱动程序开发
这一阶段主要学习底层嵌入式Linux设备驱动程序开发设计，包括常用的字符设备驱动、块设备驱动、LCD设备驱动、触摸屏设备驱动以及驱动程序开发中的核心技术。这一阶段推荐的参考书籍有：《Linux设备驱动程序》，《Linux设备驱动开发详解》
6、完成一个综合项目
嵌入式技术关键在于理论和实践的结合，要能够学以致用，完成了以上的所有阶段的知识点学习后，到底有没有学会，会不会用，能不能应用所学知识来解决实际开发中的问题，我们需要来完成一个综合的嵌入式实训项目，例如： 基于嵌入式Linux平台实现的飞行器、 基于嵌入式Linux平台实现的智能机器人等，这些项目都综合应用了嵌入式开发当中的应用，驱动和QT开发技术。
以上就是我建议的比较系统的嵌入式学习路线。系统学习并能灵活应用以上知识后，嵌入式基本上就算入门了，具备企业项目的嵌入式研发能力了，这时候去应聘企业的嵌入式研发工程师岗位就不会有什么问题了。
以上是关于硬件工程师需要掌握的PCB设计常用知识点的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章