PCB 設計工具全面解析:從零成本到企業級
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每片 PCB 都始於合適的工具組,從簡單的免費編輯器到百萬美元套裝軟體。現代 EDA 工具涵蓋完整流程,從線路圖到佈局與走線。某些 EDA 工具內建訊號模擬器,能自動化 PCB 設計的繁瑣部分。如今,一套簡單工具即可處理線路圖繪製、佈局、走線、封裝建立與 BOM 產生。使用這類軟體就像為電路板提供藍圖。本文將探討不同 EDA 工具的專長,並觀察它們在複雜或嚴苛設計上的表現。
線路圖繪製 → 佈局 → 模擬 → 發布
線路圖繪製:在線路圖編輯器中繪製含元件與網路的電路。這份邏輯圖即 PCB 的藍圖,所有網路與元件皆在此定義。優秀的擷取工具可檢查電氣規則(ERC)並對線路圖執行 SPICE 模擬。現代套裝軟體可自動從線路圖產生網表與 BOM,確保資訊完整。
PCB 佈局:接著進行實體設計。設定板尺寸與疊構後,將元件封裝拖曳到電路板上並佈線銅跡。EDA 會執行設計規則檢查,如間距、走線寬度與阻抗規則。實務上,佈局工具會協助結合線路圖資料、擺放與佈線,簡言之,將整齊的線路圖轉化為實體電路板。
模擬與驗證:送製造前應先模擬或驗證設計。基礎 SPICE 或訊號完整性模擬器可在線路圖或已佈線的電路板上執行。許多 EDA 套裝軟體內建 SPICE 引擎,如 KiCad 的整合模擬器。此步驟確保 PCB 在原理上可行後再蝕刻銅跡。也常對關鍵網路執行 3D 場求解器以驗證阻抗。
發布與製造:最後匯出製造資料,包括 Gerber/ODB++ 檔案、NC 鑽孔檔、取放座標與組裝圖。優秀的 EDA 工具可一鍵產生所有資料,部分甚至連結 PCB 製造服務。實務上,只需將 Gerber 上傳至如 JLCPCB 的板廠即可製造。
每套主要 EDA 都能端到端處理這些任務(線路圖 → 佈局 → 模擬 → 發布)。
免費與開源 PCB 設計工具勝過付費軟體
誰說免費就等於低品質?越來越多開源 PCB 工具可媲美商業套裝軟體。對預算有限的學生與新創公司,這些免費選項意外地強大,以下三款特別突出:
KiCad 8 – 新一代業界寵兒
KiCad 是跨平台開源 PCB 設計套裝軟體。第 8 版帶來重大改進,包含超過 1,500 個新符號與 760 個封裝。匯入匯出支援也擴充,現在可匯入 EasyEDA、Altium 與 Eagle 專案,亦可輕鬆匯出 IPC-2581 或 Allegro。還提供強大的命令列介面,可執行 DRC/ERC 檢查。KiCad 結合零成本與專業功能,深受創客喜愛。
EasyEDA 標準版 vs 專業版
JLCPCB 的 EasyEDA 是瀏覽器型工具,提供兩種版本。舊版 EasyEDA 標準版免費,適合初學者,但使用舊 SVG 引擎,在大板上會卡頓。新版 EasyEDA Pro 亦免費試用,基於 WebGL,效能更佳,支援 50,000 個元件跨 500 頁,內建自動佈線與階層線路圖,可處理標準版難以負荷的大型設計。兩版皆與 JLCPCB 製造服務緊密整合。
LibrePCB、Horizon EDA 與 gEDA
還有更多開源新秀值得一提。LibrePCB主打易用,提供線路圖與電路板編輯,具「智慧」資料庫概念與可讀檔案格式,並內建 PCB 製造服務連結,方便快速下單。Horizon EDA是支援 Linux 與 Windows 的開源套裝軟體,支援線路圖與 PCB 佈局,內建 3D 預覽。gEDA則是經典的 Linux 平台 EDA,已發展數十年。這些免費工具或許不如 Altium 精緻,但許多任務上仍能勝過付費軟體。
雲端與線上 PCB 設計工具
雲端正吞噬軟體,PCB EDA 也不例外。瀏覽器型工具讓團隊即時協作,並常直接連結電路板製造。
即時協作贏家(Upverter 與 Flux):
Altium 的Upverter是全方位網頁型 EDA,從線路圖、PCB 佈局、自動佈線到 3D 預覽皆在瀏覽器內完成,甚至可從設計直接下單精確規格的電路板。Upverter 協作能力強,多位工程師可即時在同一專案上工作。Flux更進一步加入 AI 輔助設計功能,具備 Upverter 的所有功能,並新增版本控制、模組化設計區塊與內建 SPICE 模擬器,非常適合教育、學生與新創。
零安裝工具直接下單製造:
這些網頁工具的美妙之處在於無需安裝軟體,任何筆電皆可設計,所有內容自動儲存至雲端。許多工具與 PCB 製造緊密整合,例如 EasyEDA 的下單整合,Upverter 可匯出 Gerber 並順暢進入製造。意味著從線路圖到報價只需幾分鐘,無需煩惱檔案格式。
最適合學習與快速原型:
初學者與玩家常偏好最簡單的工具。對於快速簡易電路板,可選免費雲端編輯器如 EasyEDA,其擁有透過 LCSC 提供的數十萬元件龐大資料庫。Autodesk Tinkercad 或 Fritzing 等工具可幫助學習者理解基礎電路,但不適合專業或複雜 PCB 設計。
重量級專業 PCB 設計工具
當預算不是問題時,企業會選用頂級 EDA 套裝軟體,三大巨頭為 Altium Designer、Cadence Allegro/OrCAD X 與 Siemens Xpedition:
Altium Designer vs Cadence Allegro vs Siemens Xpedition
Altium Designer 以現代化且友善的介面著稱;Cadence Allegro 則以強大功能與 SKILL 腳本客製化聞名;Siemens Xpedition 常見於航太/汽車領域,多板系統與 MCAD 整合至關重要。
各有擁護者;某產業調查指出,Altium 與 Allegro PCB 佈局工具擁有比簡易工具更先進的功能與更大用戶群。這些工具皆能處理 3D 建模與高速設計等進階 PCB 功能。
Zuken CR-8000 與 Pulsonix – 黑馬
Zuken CR-8000是針對最複雜系統的超高端企業套裝軟體,涵蓋 IC 封裝共同設計與深度 SI/PI 分析。Zuken 將其宣傳為業界最先進的 PCB 設計平台,用於授權費用百萬美元也不罕見的大型企業。另一方面,Pulsonix是較小型套裝軟體,以易用性著稱,其開發者強調設計上比傳統 EDA 工具需要更少訓練。兩者皆為黑馬,但知名度不如 Altium/Allegro。
利基與專業化 PCB 設計工具
某些設計需求超越通用 EDA,這些利基領域中,專業化工具大放異彩:
RF 與微波(Keysight ADS、AWR):
RF 電路、無線模組、天線與毫米波鏈路常需 3D EM 共同模擬。Keysight ADS 是此領域業界標準,為經業界驗證的多技術 3D 佈局與整合 EM-電路共同模擬平台,用於設計 RF 模組。
Cadence 收購 AWR 後提供類似套裝軟體 Genesys,加速 RF/微波產品開發。這些工具整合波形、網路與場求解器,使 RF 工程師能預測 EM 頻譜。Sonnet 或 HFSS 等工具亦存在於純 EM 建模,但未與 PCB 流程緊密整合。
軟性/軟硬結合板:
設計可彎折 PCB 需額外規則且常需機構檢查。多數頂級 EDA 皆能處理,如 Altium Designer 的專用軟硬結合模式,Cadence Allegro/OrCAD X 完整支援軟硬結構。這些工具的功能確保每個軟性區段正確繪製。
高速與 SI/PI 分析:
在極高資料速率下,訊號完整性(SI)與電源完整性(PI)至關重要。此領域領導者為 Siemens HyperLynx 與 Cadence Sigrity。Allegro 整合先進 Sigrity 工具,支援設計內 SI/PI 分析,讓工程師驗證阻抗、串擾、IR 壓降與 PDN 性能。這些工具使用快速求解器與平行演算法,捕捉一般 PCB 工具無法發現的振鈴與反射問題,是先進 PCB 設計技術的必要部分。
自動化與腳本 – 真正的遊戲改變者
除 GUI 導向設計外,腳本與自動化正重塑 PCB 設計。幾乎所有現代 EDA 皆支援客製化自動化:
Python / API:KiCad 具備廣泛 Python 腳本與命令列介面,可自動化線路圖產生、從建置腳本執行 DRC 與 ERC,或以程式產生 BOM/PCB 檔案。
SKILL(Allegro 中的 LISP):Cadence Allegro/OrCAD 工具內嵌 SKILL 解譯器以供客製化。SKILL 提供 PCB 編輯器資料庫的存取權,讓您撰寫自訂命令與擴充功能,如元件擺放腳本或自訂 DRC。
Tcl 腳本:Tcl 長期以來一直是 EDA 的實際腳本語言。Synopsys/Xilinx 與許多其他 EDA 工具皆內嵌 Tcl,讓使用者能以簡單腳本自動化任務。正如 Tcl 聯盟所言,「單一共通命令語言意味著設計者只需學習 Tcl 即可自動化多種工具。
結論 – 立即打造您的完美工具鏈
沒有單一最佳 PCB 工具,只有最適合您需求的工具。玩家可能樂於使用 KiCad 或 EasyEDA,教育者可能偏好 CircuitMaker 或瀏覽器工具。高速團隊會結合 Allegro 與 HyperLynx,或 Xpedition 與 Sigrity。RF 設計師則會採用 ADS/AWR。關鍵是組裝涵蓋線路圖、佈局、模擬與輸出需求的工具鏈。
因此,選擇符合專案複雜度的 PCB 設計軟體,善用線上協作,並利用腳本自動化重複性任務。準備製造時,記得 JLCPCB 歡迎來自任何這些工具的 Gerber 檔案。
持續學習
PCB 設計中銅箔走線的創新應用
銅導線是印刷電路板(PCB)中不可或缺的元件,為電流在整個電路板上提供傳導路徑。銅導線的表面處理對其功能性與可靠性有決定性影響。目前有多種表面處理可供選擇,每種都有其優勢,正確的選擇取決於銅導線的預期用途。本文將探討銅導線在 PCB 設計中的創新應用,以及可提升其功能的表面處理方式。 為 PCB 設計中的銅導線選擇合適的表面處理 銅導線的表面處理對其功能性與可靠性影響重大。常見的表面處理包括 ENIG、HASL、沉積銀、OSP 與沉積錫,每種都有其優點,需依銅導線的用途選擇。 ENIG 適用於需要高可靠性與抗腐蝕性的銅導線,常見於航太與工業電子。HASL 成本較低,導電性良好,但可靠性不如 ENIG 且較易腐蝕。沉積銀導電性佳、接觸電阻低,但長時間易氧化。OSP 價格低廉、焊錫性良好,但可靠性較低且易氧化。沉積錫表面均勻、焊錫性優異,但可靠性較低且易產生晶鬚導致短路。 銅導線作為電容與電感:實現高效 PCB 的設計技巧 銅導線可設計成電容或電感以儲存電能。透過特定形狀設計,可省去額外元件,縮小體積並降低成本。表面處理需依用途選擇:作為電容時,ENIG 提供優異抗腐蝕性與可靠性;作為電感時,HASL......
如何避免 PCB 設計中的陷阱
設計印刷電路板(PCB)時,必須仔細考量多項因素,才能確保製程順利並避免潛在陷阱。從孔徑與槽孔設計,到線寬與銅箔灌注,掌握這些要點對於打造可靠且功能正常的 PCB 至關重要。本文將探討 PCB 設計中的常見陷阱,並提供克服建議。 導通孔孔徑設計 在 PCB 製造中,0.3 mm 的孔被視為標準孔,小於 0.3 mm 則歸類為小孔。 小孔可能對生產造成多項負面影響: 電鍍困難:孔徑越小,越容易發生電鍍不良或無電鍍。針對小孔,JLCPCB 採用四線低阻製程以確保可靠度。 加工效率降低:小孔需降低鑽孔速度並使用更短鑽頭,導致一次可鑽板材數量減少。因此設計時建議優先採用 0.3 mm 以上孔徑,僅在空間受限時才考慮小孔。 JLCPCB 的最小製程能力: 單/雙面板:0.3 mm(內徑)/0.45 mm(外徑) 多層板:0.15 mm(內徑)/0.25 mm(外徑) 外徑應比內徑大 0.1 mm 以上,建議差距 ≥0.15 mm。 導通孔槽孔設計 PCB 鑽孔中的短槽:長度小於寬度兩倍的槽孔稱為短槽。短槽的最佳長寬比為長度/寬度 ≥2.5(極限值 ≥2)。 長槽選用噴錫處理:若槽孔需經噴錫,建議單邊最小寬度......
5 個常見的 PCB 設計新手錯誤(以及如何避免)
印刷電路板(PCB)是現代電子產品中不可或缺的元件,從智慧型手機、筆記型電腦到汽車與家電都能見到它的身影。PCB 提供了一種高效連接電子元件的方式,能以精簡且可靠的途徑傳輸訊號與電力。然而,設計 PCB 並非易事,尤其對初學者而言。 本文將探討初學者最常犯的 5 大 PCB 設計錯誤及其解決方法。這些錯誤可能導致訊號干擾、散熱問題、電源供應異常,甚至損壞元件。避開這些陷阱,才能確保你的 PCB 既穩定又可靠。 錯誤一:未使用接地層 接地層是 PCB 上大面積且連接到地的銅面,可作為屏蔽層,防止電磁干擾(EMI)影響板上的訊號。若未使用接地層,訊號容易夾雜雜訊,進而降低電路效能。 解決方法:在設計中加入接地層。大多數 PCB 設計軟體都內建快速添加接地層的功能,只需新增一層並將其連接到地網路,即可形成大面積銅面作為接地層。 錯誤二:未檢查間距規則 間距規則(DRC)指的是 PCB 上兩個導電物件(如兩條走線或走線與焊墊)之間的最小距離。忽略間距規則可能導致短路或訊號干擾。 解決方法:在PCB 設計軟體中設定間距規則。多數軟體提供「Rooms」功能,可針對不同區域或物件設定最小間距,避免元件過於靠近而......
選擇合適的 PCB 形狀
為 PCB 選擇合適的外形是至關重要的決策,會大幅影響電子裝置的整體效能、可製造性與美觀。雖然矩形 PCB 最常見且用途廣泛,但還有各種其他形狀能在特定應用中提供獨特優勢。在這份全面指南中,我們將探討不同的 PCB 形狀,為每種形狀提供範例,並展示它們如何優化設計與功能。透過了解 PCB 外形的重要性並參考具體範例,您就能做出明智決策,提升電子系統的表現。 矩形 PCB:經典之選 矩形 PCB 是歷經考驗的可靠選擇,廣泛應用於各行各業。其矩形外形簡單、易於製造,且與標準製程相容。這種形狀可讓元件高效擺放、訊號走線簡單,並能與標準外殼整合。例如,高階筆電通常採用矩形 PCB,以最大化內部空間利用率。矩形設計讓處理器、記憶體、儲存裝置及其他元件得以緊湊排列,造就輕巧而強大的運算裝置。 圓形 PCB:緊湊設計的最佳解 圓形 PCB 在空間有限或追求獨特外觀的應用中特別有利。圓形無尖角,可減少應力集中點,提升機械可靠性。智慧手錶、健身追蹤器與小型醫療裝置常見圓形 PCB。舉例來說,採用圓形外觀的健身追蹤器 PCB,能在手腕上最佳化空間利用,同時提供吸引人且符合人體工學的造型。圓形設計讓感測器、電池與顯示模......
提升您的電路設計技巧:改善效能的提示與技術
電路設計是現代電子學的關鍵環節,直接影響電子裝置的功能、效能與可靠度。因此,電子工程師與設計人員必須掌握最優秀的電路設計軟體工具。本文將介紹 2023 年最受歡迎的電路設計軟體,並提供專家建議與最佳實務,助您完成高品質的電路設計。 為何電路設計如此重要? 電路設計涵蓋從簡單電路到複雜整合系統的創建過程。電路由 電子元件(如電阻、電容、電晶體)依特定方式排列,以產生所需的電氣輸出。設計好壞將決定功能、效能與可靠度,是工程師與設計人員不可忽視的核心課題。 1. 功能性 電路設計的首要任務,是確保裝置能完成預定功能。設計必須符合電壓、電流、頻率等規格,並在印刷電路板(PCB)的尺寸與形狀限制下完成佈局。優秀的設計能讓裝置如預期運作,滿足終端使用者需求。 2. 可靠度 電路設計直接關係到產品壽命。設計不良可能導致失效或異常,例如電源電路不穩,使電壓波動並損壞其他元件。穩健的設計可提升可靠度,降低故障率。 3. 效能 電路設計決定裝置能否在最低功耗下達到最高效率。設計時需抑制雜訊與干擾,並確保裝置在溫濕度等容許範圍內穩定運作。 4. 成本 設計階段就決定後續生產成本。不良設計會增加製造與測試時間,推高整體費......
空白 PCB 與零件:在空板上的建構之旅
空白 PCB 指的是尚未放置任何元件的未組裝電路板。它由覆銅基板製成,經過鑽孔、阻焊與表面處理,是工程師進行原型、實驗與 DIY 專案的畫布。這類單純的 PCB 不含元件。讓我們深入探討產業採用的標準與技術。 通用空白板 vs 預佈線原型板 通用空白板為覆銅板與通用洞洞板,屬於覆蓋銅箔的絕緣基板,可自行蝕刻或手動配線,適合客製形狀與一次性實驗,常用於實驗室、小量蝕刻或手動設計走線。 預佈線原型板則為洞洞板與 SMD 網格板,已預製孔陣列或 SMD 焊盤,方便由麵包板過渡到 PCB,適合 DIY 專案,優勢在於快速而非客製走線。兩者各有定位:通用空白板重客製,預佈線原型板重速度。 覆銅類型:單面 vs 雙面 vs 多層 單面 (1 層): 僅在電路板一側覆銅,成本低、機械穩定性佳,適合不需複雜走線且可接受跳線的專案。 雙面 (2 層): 雙面覆銅並有鍍通孔與導通孔,可在兩面走線,最常見。通常一面為地平面,另一面為訊號走線,是複雜度較低 PCB 的經濟選擇。 多層 (4 層以上): 針對高密度與複雜設計,需多層與適當疊構,以控制阻抗或高雜訊/高速電路。高速設計時須兼顧訊號與電源完整性。 空白 PCB ......