多层PCB如何实现智能锁的高可靠性设计？

从校园、地铁站点、公交站点到居民区，共享单车已经成为人们出行的主要选择之一。共享单车的出现，不仅有利于解决人们“最后一公里”的出行问题，而且可助力推广绿色出行，成为城市公共交通的重要补充。

如今，共享单车拼的不仅是速度，更重要的是质量。而PCB作为共享单车所有功能的载体就更重要。共享的产品因面向所有人，应用的频率高、环境差、条件恶劣，对质量要求高，所以设计出高可靠性、高质量的产品尤为重要。

PCB层叠设计

共享单车智能锁的PCB层叠结构要根据不同的成本、MCU的封装形式和PCB大小来决定。

如果主芯片用MTK2503，不论PCB是4层、6层还是8层，可能要用到HDI工艺。因为MTK2503芯片PAD的中心间距是0.4mm，如果使用通孔（0.2mm孔环0.4mm），那么这么大的孔是不能打在MTK2503的PAD脚之间。因此，该条件决定必须使用HDI板。

根据PCB的外形和元器件的多少来决定板子层数。在板子外框比较正常主芯片在正面的情况下的层叠一般是这样分布：

L1元件层—L2信号层（此层只是MCU下面出线大部分空间还是地）—L3主地层—L4信号层—L5地层—L6元件层

孔的分布是L1-L2和L5-L6是激光孔，L2-L5是内层埋孔，L1-L6是通孔。

随着4G的普及，智能锁也在快速迭代，4G产品一般应用4G模组，而这类智能锁的PCB叠构设计就主要取决于主MCU，比如GD32F450VGT6芯片的封装是LQFP100。由于封装比较大，所以大部分情况下都是设计为通孔板，即能满足布线需求又可以节约成本。

主MCU在TOP面时的叠层结构为L1元件层—L2主地层—L3信号层—L4主地层—L5信号层—L6元件层。

使用6层板的话，可以先在嘉立创打样。该公司不仅免费提供盘中孔工艺，而且沉金厚度免费升级为2u"。盘中孔不仅可以提高PCB设计工程师的效率，而且使过孔可以直接打在焊盘上，成品焊盘表面平整，布线空间更大，提高PCB的良率。

此外，嘉立创交期快，6层板加急，48小时即可出货，非常快。

当然，叠层结构对PCB的性能至关重要，所以在确定叠构时一定要综合考虑各方面的因素，确保后续的布线能顺利进行。

天线的PCB设计

天线的放置位置直接影响各个天线的功能，而智能锁的天线一般有WIFI、BLE、GPS、2G、4G天线。

其中，2G和4G是为了连网和软件的升级。GPS和WIFI是定位用，主要靠GPS定位，WIFI定位只是在室内或GPS信号弱的地方搜索热点。BLE可以用来开关锁，适配道钉。

每个天线的功能不同，因此设计要求也不同。

不管是用户找车，还是共享单车运维，都需要定位功能，因此GPS天线尤为重要。由于陶瓷天线灵敏度高、工作稳定，所以一般使用陶瓷天线。而陶瓷天线要占用很大的PCB布局空间，因此要焊到PCB板上。

WIFI、BLE和GPS一般采用顶针或弹片与天线相连。智能锁的天线弹片布局和布线注意事项如下：

● 布局时，要注意天线弹片或顶针旁边的元件不要高于它，特别是一些金属件，因为金属件对天线性能影响较大；

● 天线与天线之间要留出足够的空间，因为天线与天线也会相互干扰；

● 天线最好放在PCB的板边位置，这些位置比较容易外接天线，结构工程师和射频工程师放置天线时有足够空间，特别是4G的天线弹片，因为4G天线需要的面积比较大；

● 天线弹片的匹配电路尽量离弹片近；

● 与天线有关的布线要做50欧姆阻抗控制，天线弹片到对应芯片的PIN脚处的布线要做包地处理，走线上下左右包地，还要保证射频线与地线之间2倍间距，射频信号线两旁要均匀的打地孔，并且地孔不能露出参考边，要保证参考地的平滑不能因为地孔而使参考面凸起；

● 为保证表层的射频线宽度，要根据PCB的叠层结构来选择合适的参考层，比如6层HDI，一般1到2层比较薄做出来的阻抗线就比较细，线细了损耗就大，对射频的调试不利，这时就要参考次下层做阻抗控制。

封装设计

封装是PCB设计最重要的部分，也是基础。如果封装建错将会造成整个PCB不能用，不仅浪费成本，还会影响整个项目的进度。

由于PCB是所有后续工作的基础，包括硬件调试、软件调试、整机测试等都是在PCB的基础上进行，所以PCB的设计是重中之重，而封装设计是PCB设计的基础，只有封装设计正确才能与电子元件进行很好的匹配。

封装设计时，除了按照电子元件的规格书上的尺寸图、PIN脚顺序以及图纸的视角是正视图还是底面视图等常规参考资料设计外，还要根据PCB制造商实际的制程能力和制板公差、元件实物等来设计封装。

封装设计时，要注意PCB制造商的制程能力，即可制造的最小PAD和最小的PAD与PAD之间的间距。

封装设计时要加上PCB的制板公差。封装制作时，一定要考虑到PCB的制板公差，如不考虑就很容易出现元器件和PCB配合不好的问题。

插件的封装还要结合实物设计。很多插件的封装，只看封装尺寸图很难判断实物的PIN脚是圆的还是方形的。

此外，还需要注意连接器和电源模块的设计、G-sensor和SPK的设计要点。可以说，智能锁的PCB设计每一步都至关重要，一个小细节就会影响整个PCB的性能。