硬件工程师工作流程

硬件工程师通常的工作流程是：看元器件规格书，画原理图，画PCB图，出各种资料，测试各种信号和性能，修各种故障板。

顾名思义，标识原理的图纸。不管学过没学过电子的，应该很少有人不知道原理图是什么。但是原理图有什么用？为什么需要原理图？


电路的基本构成是元器件，元器件上又有一些引脚，每个引脚实现一定的功能。用线把这些引脚连起来，就形成了电路。可以直接用导线把这些引脚焊接起来，也可以通过PCB上的线路把引脚连起来。但是硬件工程师需要怎么接线，不能只靠嘴说，要画出来才行。因此原理图就是实物的简化，把实物用线条在文档中描绘出来：元器件用逻辑符号标识，引脚用线段表示，每个引脚之间通过网络线连起来。

原理图的英文叫“schematic”，字面意思是“示意图”。
原理图上的网络线，叫做“net”。网络。把元器件连成网。
芯片上的引脚，叫做“pin”。有时候也叫“管脚”。Pin的字面意思是“针”，好奇怪的感觉吧？现在的元器件看起来都不像针了，但是老式的元器件，像带色环的电阻器，电子管，插针式的晶体，这些都带有尖尖几根脚，pin的意思就是由此而来。现在没有外露的引脚的元器件的引脚，也按照惯例叫做了“pin”。
原理图和实物，是一一对应的。原理图上的元器件，在实物中都是存在的，原理图上的线路，在实物中也是存在的。如果对应不上，就出错了。

理论基础之PCB和FPC

PCB，Printed Circuit Board。如其字面意思，一块板子，上面有电路，印刷上去的。就是印刷电路板。也叫硬板。


FPC，Flexible Printed Circuit。如字面所述，这是一个电路，也是印刷上去的，并且是柔性的。就是柔性电路板。也叫软板。一般是黄色的。
还有一种电路板，一部分是硬的，一部分是软的，一般叫做软硬结合板，或者刚挠板。（刚性和挠性）
电路板的工作原理：一块板子，上面有电路。用来搭载和联通各种元器件。将元器件焊接到电路板上以后，元器件的管脚之间通过电路板上的电路连接起来，互相传递电信号。就像家里的电灯和开关之间用电线连接起来一样，把灯泡、开关、电路缩小了放在一块板子上，就是电路板了。


PCB、电路板、主板、板子，这些常用的说法通常都是表示电路板，后续文章不对这些概念做具体的区分。
FPC和PCB最大的区别在于，一个是软的，一个是硬的。软板可以卷曲弯折。但注意软板不是任意弯曲的，毕竟有厚度，折的次数太多了，或者弯折半径太小了，也会折断。以前翻盖手机用久了容易出现花屏现象，就是因为连接屏幕和主板的FPC弯折次数多了断掉了。
PCB和FPC，是由硬件工程师手工画出来的。从原理图输出网表netlist，结构工程师给出板框图纸，然后导入到PCB文件中。将一大堆元器件，逐个摆好，根据网络把实际的线路画出来，一块PCB就设计完成了。
PCB图纸，和PCB的实物是完全对应的，图纸上怎么画的，拿到手的PCB就是什么样子的。
有些多层电路板产品，例如8-12层的电脑、手机等，因为PCB图画起来太复杂了，往往会设有专门的PCB工程师的岗位，专门负责画图。也叫Layout工程师。
这里我们抛砖引玉的提几个问题：
如果线路太多了，一面画不下，怎么办？那就用两面。两面也画不下怎么办？可以再加两面，变成4层的。这就是多层线路板的概念。注意，层是Layer，不是floor，别闹笑话了。4层不够再继续往上加，几十层的都可以。像电脑主板，因为尺寸大，一般都是4层或6层。像手机主板，因为尺寸紧凑，一般都是8层到12层。很多军工的主板，对信号隔离度要求很高，经常做到二十多层。
空间思维不够强，可能想象不出来为什么需要走多层板。在单层电路上，两条不同的电路是不能交叉的，直接交叉就短路了。不交叉又要穿过去，也可以绕过去呀？不错，两根线交叉了可以绕过去，如果再来一根线，就绕不过去了。必须从空间上跨过去。于是就需要增加一层。所以对于多层板，每一层线路的绘制的方向一般是统一的，某一层都是横向的，另一层都是纵向的，这样总有办法能够通过空间交错开。
这么多层电路，怎么连接起来了？这个就通过过孔（via）来实现了。过孔，通过（电信号）的孔。类似于楼层中的楼梯，从一层楼下到另一层楼，需要通过楼梯。从一层电路连接到另一层电路，需要过孔。
为什么是4，6，8层电路板？没有3，5，7层？其实要做也能做，多层板的制作工艺是，先做里面的2层，再在外面贴2层，做完了再贴2层。如果先做完了里面的2层，再在外面贴1层，技术上可行，但工序和贴2层没什么区别，同样的价格下，肯定选择加2层，而不是加1层。
“手工画的”？现在汽车都自动驾驶了，alpha Go都打的人类抬不起头了，怎么画线路板这么“简单”的事情还要手工画？的确这个大问题。PCB发明的这几十年来，绘图软件公司都很想做自动布线。但是元器件种类太多太多了，每个元器件对线路的要求都有不同，每个信号对线路的要求也不同，使用者光建模就要花很久的时间。每根线的走线方法，是存放在硬件工程师脑子里的，很难把所有的规则都录入进去，遇到随机应变的地方，电脑程序根本比不过人脑。所以，简单的电路板用人手工画更快，复杂的电路板用程序很难画出来人想要的东西，自动布线普及率非常低，几乎没有人用。

原理图PCB工具

对于非硬件部门，驱动工程师、固件/嵌入式系统工程师，都需要会看原理图和PCB图。主要事项有：缩放、选择元器件和网络、查看元器件属性、查找元器件位置、查看网络这些。
对于硬件部门，如何操作工具有太多的教程了，这里不多讨论。后面会在硬件工程师工作流程部分，讲到工具使用的技巧。
常用的产品级硬件开发工具，Altium Designer用的并不多，主要是Mentor PADS和Cadence两家。AD就是以前的Protel，简单好上手，所以成为了学校首选。几乎所有的电子类高校，学的都是AD。但在正规硬件开发公司，几乎没有用AD的，普遍情况是：

AD：高校、研究所。简单，快速，约束少，但规范度不够。

PADS：简单产品的公司。不复杂，通用性强，但器件库管理不方便。

Cadence：复杂产品的公司。复杂，麻烦，适合复杂电路，元器件库的管理很好，但看线路费劲。

一般情况下，一家公司选定了开发工具，几乎就不会变了。工具虽然是工具，但连着各种库，牵一发东全身。而公司创始人或者硬件负责人决定用什么工具，主要取决于之前待过的公司用什么工具。于是就这么传承下来了，造就了这三家当前的局面。

高校从简单的Protel开始教学，导致了学生和研究所用AD的非常多。电脑公司是整个科技公司的起源，几乎都在用Cadence，部分公司用Cadence+PADS，这些大公司的人出来创业，自然也就沿用了Cadence和PADS。

不过用什么工具，和工程师的能力没什么关系，最多只是个熟练度而已。就像很多软件工程师也会陷入“我只做C不做Java”，“只做Java不做C++”之类的唯工具论，殊不知高手比拼算法和逻辑，新手才天天盯着工具。不管用什么工具，做的好、做的快、不出错，才是王道。所以我们的培养思路，也是重视理念和方法，不把工具做重点。

PADS的工具中，用的最多是PADS logic和PADS pcb，分别用来画原理图和PCB图。Cadence中，用的最多的是Orcad和Allegro，分别用来画原理图和PCB图。

这两个软件，在原理图设计上，最大的差别在Allegro能够和元器件库同步，元器件库改了，原理图也可以刷新过来，而PADS不行。这种情况非常常见，例如一颗电阻从厂家A变成了厂家B，如果是Orcad，跟着器件库刷新一遍，原理图上所有的同一规格的电阻都会改。如果是PADS，就只能手动一个一个改了。至于为什么在原理图库之外还有一个器件库，请见后面关于元器件的概述章节。

Orcad也不是什么都好，最比不上PADS的是查看网络。PADS的原理图，可以一键高亮选择网络，而Orcad需要选中网络再多点几次才能看到其他页面的网络，并且Orcad高亮显示的效果远不如PADS看的清楚。

因此有些公司，以Orcad画图，但是会用PADS来辅助看图和检查。比如我们自己。

简单讲一下常用的技巧：

缩放：每个软件都有缩放的按钮，点按钮去缩放太傻了，要用鼠标或快捷键，快速方法比点击按钮的效率高的多。PADS logic可以按住鼠标中间键来缩放，拉出来的框框住的区域，就是要放大的区域。Orcad主要用快捷键I和O，围绕着鼠标的位置放大或缩小。

选择和查看信息：原理图上的信息各种各样的都有，元器件、网络、文本、引脚，多种多样，要用过滤器去选择你要选择什么内容。选中了可以双击或者右键查看属性。

查找元器件：对于PADS画的原理图和PCB，可以连接起来，点了原理图，PCB也会亮，反之亦然。Orcad和Allegro画的图，也可以同步亮起来。看原图会比较方便的查找元器件的位置。不过有些时候不能把原图发出去，就需要Ctrl+F，根据元器件的位号在PDF的位号图上查找了。

有一些要命的问题：

用Orcad画原理图，最重要的是要从元器件库中调取元器件，而不是从图上复制一个类似的再改过来。例如，你要一个1K的电阻，如果是从原理图上copy一个10k的电阻过来，把value改成1K，一旦跟元器件库同步，就会被刷新回去，变回10K。

用Orcad画原理图，因为查看网络连接不太方便，很容易出现网络连接错误，该连的网络没有连起来，且DRC检查查不到。主要集中在电源和地的网络上。

焊接基础知识
通常用的手工焊接工具，是烙铁和热风枪。


烙铁大家都很熟悉了，就一个旋钮，调温度的。烙铁手握的部分有一个电热丝，用来加热烙铁头。还有一个热敏电阻，用来检测烙铁头的温度。

用烙铁头紧挨着焊锡，焊锡被加热到熔点以上，就融化了。

这里再讲一个常识：一根长铁丝，一头插到火炉里面烧红了，另一头你敢不敢用手拿着？肯定敢，因为热量还没有传到手上就已经散的差不多了。同样对于烙铁头，在一段加热，另一端在散热，温度肯定是不均匀的。所以烙铁的设定温度，也就只是拿来做个参考，如果不知道烙铁热不热，别用手去摸哈，找根焊锡丝看看能不能被融化掉，就知道了。
烙铁使用最大的差别，在于烙铁头，有尖头、刀头、圆头（马蹄形）三种主要形状。三种各有优劣，分别应用于不同的场景里。（配图）

尖头截面最小，容易插入缝隙里焊接，但是和焊锡以及元器件的接触面积小啊，传热速度就慢了，焊锡融化的速度就要慢一些。圆头烙铁主要依靠头上的平面传热，速度快，焊出来的焊点很平整，但是太粗，不容易下到缝隙里去。这两种烙铁刀头烙铁属于万金油类型的，需要尖的时候可以尖，需要平面的时候也有平面，因此大部分开发实验室里都是刀头烙铁。

烙铁头一般都特殊镀层，能够很好的粘上焊锡，但是要注意保养。不用的时候关掉、少拿烙铁烫塑料，有助于烙铁头用的更久。

烙铁台一般会配有一个吸水海绵，用于擦拭烙铁上的多余的焊锡或者脏污。也可以在烙铁台上甩动或轻敲烙铁头，把焊锡甩下来。（动作不要太大，避免甩到其他地方去了。）

烙铁焊接导线类的东西很容易，但用来焊接电阻电容这些元器件就很困难了，如果用来焊接芯片的话就更加是不可完成的任务。所以有另外一种工具叫热风枪，顾名思义就是一种能够吹出热风的设备，长得像一把枪的样子。热风枪可能大家之前用的会少一些，但是热风枪的优势在于，不需要去接触到东西就可以把焊锡融化。所以应用场景比烙铁要更多。
有一种小的热风枪，看起来跟台式烙铁的形状相近，风力小，吹出来的热风也少一些，主要用来焊接小元器件。其缺点和烙铁也差不多，温度控制不够精确，有时候会因为温度过高把塑料的元器件吹糊了。还有一种手持的大号的热风枪，价格贵，风力足，温度精确。大风枪的风力大，吹小元器件的时候容易吹飞，且把整个电路板都加热了，容易碰掉背面的器件。

一般情况下，小风枪用于快速更换电容、电阻、电感、尺寸小于10mm的芯片等，大风枪主要用来吹大尺寸的元器件、屏蔽盖、结构件等。每个器材都会有一些妙用技巧，后面会慢慢讲述。

焊接基础知识之辅料

辅助材料


焊锡
咱们电子产品上的焊接，没办法像工业上直接把金属和金属加热融合到一起去，而是要通过介质，就是焊锡来连接两块不同的金属。实验室最常用的是焊锡丝，一圈丝状的焊锡，中空，含有助焊剂。SMT工厂加工的时候用的是锡膏，用来通过钢网（模版）涂抹在电路板上。

焊锡丝有有铅和无铅的两种，有铅的熔点低，无铅的熔点高。研发实验室里，用有铅的会比较多一些，更容易焊接。

焊锡丝的规格上，主要差别在粗细，例如0.5mm、0.8mm、1mm直径等。对性能没有影响，用起来也没有特殊差异。

镊子

怎么把元器件放到电路板上去？元器件被吹的东倒西歪的时候怎么扶正？用手指头，恐怕有点烫手。只要是产品开发工程师，不管是硬件还是结构还是软件，镊子都是人手至少一把的。很多人说，镊子我知道，经常用，太简单了。你还真别说简单，镊子里面也有玄机，不多干几年活，还真不一定发现的了。

形状上看，主要是弯头和直头的镊子，不同的形状，握在手上的时候，尖头的方向不同。具体怎么用着顺手，多摸摸就知道了。颜色上有黑色和银色两种，黑色的带有一层绝缘漆，银色的是不锈钢。因此黑色的部分不导电，银色的部分是导电的。还有一种陶瓷镊子，耐高温，用的很少，这里就不讨论了。镊子的头都是尖的，不上锡（就是说一般的焊锡焊不到镊子上去）。

镊子有很多妙用，除了夹着元器件之外，可以夹到万用表上当探针，可以清除短路的锡珠，可以当作跳线来夹在两个元器件之间，还可以用来拆快递：）

有时候会遇到镊子粘元器件的情况。本来打算用镊子把元器件放到电路板上的，但元器件不会掉下来，而是粘到镊子上了。此时需要把镊子尖擦干净。或者粘一点助焊剂，依靠助焊剂的粘性把元器件放在电路板上。

导线

调试主板的时候，需要焊电源线、下载线、测量线、飞线等，都需要用到各种型号的导线。常用的导线，按粗细划分，粗的用来做电源线，中等的用来做调试用，特别细的用来做精密焊接。

导线外表一般都有一层绝缘塑料皮，用来绝缘。内芯有多股的，有单股的，每股也有粗细不同。主要材质是铜或者铝。铜的导电性更好、质地柔软、价格高。铝线价格低，要硬一些。多芯线比单芯线要软一些。需要根据不同的应用场景选择不同的线材。例如家用220v电线、网线，一般都是单根的铜线，弯折好了就不会变形。电路板上焊的线，大多是多芯线或者很细的单芯线，线材柔软，应力小，不容易把电路板上的焊盘扯掉。粗的线通过电流的能力强，细的线通过的电流小，这也是高中物理学的。

导线的颜色有很多种，电源线一般是黑色或红色，信号线一般用其他的五颜六色的。不同颜色的线和性能没什么关系，但使用的时候最好用约定俗成的颜色。例如红色电源黑色地。用反了，容易对其他人造成误解。尤其是电源线，如果你非得把红色当地线，黑色当电源线，别的同事拿到你的电路板，按照经验一加电就会短路烧毁。插个题外话，做设计，自己不犯错误，同时也要杜绝诱导别人犯错误的地方，切莫当“猪队友”

漆包线

外面包了层塑料或橡胶绝缘层的导线，里面一般是纯金属，没有其他绝缘层了，拨开就可以焊接。但有些地方，例如电动机里面的线圈、喇叭的线圈、RFID卡的天线的线圈，这些暗金色的导线，一圈一圈的缠绕在一起，但却不会短路，因为外面刷了一层绝缘漆。这些线，用做电路板上的飞线再好不过了，0.1mm的线径，足够柔软，还不会引起短路。
如果从桌子上捡了一段细线，最好量量到底是铜丝还是漆包线，如果把铜丝当漆包线来用了，很容易引起短路。

用烙铁头粘一些焊锡，把漆包线线头插进去，烫几秒钟，闻到漆皮烧焦了的味道，然后拿出来，就可以看到线头变成银色了，已经被镀上了一层焊锡，此时就可以焊接了。如果拿出来还是暗金色的，说明油漆没有被烫掉，此时是无法用来焊接的。

吸锡线

顾名思义，把焊锡吸走。为什么要吸走呢？有时候给电路板上的焊盘上锡的时候，一不小心弄了一大块锡上去，或者一排密密麻麻的元器件或焊盘短路了，这时候就需要用到吸锡线了。吸锡线是用铜丝编织起来的一根带子，焊锡碰到了铜丝编成的网，就像一滴水滴到了棉线编织成的布一样，很快就浸进去了。就像用抹布擦水一样，用铜网擦融化了的焊锡也是一样的。

使用的时候，烙铁是压在吸锡线上，吸锡线再压到电路板上的焊锡上的。而焊锡要加热之后才会变成“水”，而铜网和电路板也都要达到焊锡融化的温度才能够让焊锡流动起来。因此使用吸锡线的关键是，要能够有足够的多的热量从烙铁传递过去，让焊锡融化并流动起来。说起来简单，但实际操作需要技巧，因为烙铁头和吸锡线的接触面积不大，吸锡线是铜丝做的散热很快，还需要隔着吸锡线把下面的焊锡融化了。所以一般都是用刀头烙铁，用侧面平整区域压着吸锡线用来传热。这里还有个小窍门，把用完的吸锡线剪掉，这样热量只朝一个方向散，另一个方向的热不会散出去，升温就更容易一些了。

像QFN封装的元器件焊接的时候，中间接地焊盘一定要用吸锡线弄平整了。BGA芯片焊接的时候，也需要用吸锡线把每一个pin脚上的锡都抹平了，才能够保证焊接质量。（如果是读者是从头开始读的，到这里会发现QFN、BGA、封装、接地、pin脚这些单词之前都没有听说过，就会导致看不懂这段话。怎么办呢？去网上搜搜呗。）

热熔胶

热熔胶=热了就熔化了的胶。一般是以胶棒的形状存在的。有点像焊锡，冷却的时候没有粘性，加热熔化了就有粘性了。熔点不高，100度上下即可熔化。用于固定线缆、固定电路板、修补外壳等。只要是干净的、没有油污或液体表面的，几乎都可以用热熔胶来粘起来，实在粘不上的，也可以用一大坨热熔胶包裹起来。总之就是用来固定用。

正统的使用方法，是用胶枪，把胶棒插到胶枪里面，胶枪通电加热，捏一下，就把熔化的胶水挤出来了。但是传统胶枪功率都不大，插上电要等好几分钟才能热起来，断了电之后，余热还会继续加热胶棒，枪头会有胶水滴下来。用起来效率低、不方便，只适合不间断的使用。

但咱们做产品，用到热熔胶的时间并不连续，于是我们丢弃了热熔胶枪，转而用热风枪。热风枪的升温速度快，几十秒钟就能出来两三百度的温度，拿来吹胶棒，很快就会熔化，效率非常高。

烙铁也有几百度，但一般情况下不要用烙铁去烫热熔胶，传热效果不好，并且烙铁头上沾满了热熔胶，很难清理，也影响寿命。

焊接支架

实际工作中，很多电路板都是双面放置元器件的。如果放在桌面上，电路板背面也会受力，就经常会出现吹熔化了这一面的焊锡，另一面的元器件就被碰掉下来了的情况。因此需要用一个架子夹住电路板，并悬空起来。这样就不会碰到背面的元器件。或者有些电路板很小，用风枪一吹就吹跑了，也需要用架子固定住。这个就是焊接支架。也有叫维修支架、维修台、焊接夹具等。

这些支架一般都是金属的，带有弹簧固定位，夹持力度不能太大了，太大了容易把电路板挤变形。用热风枪吹元器件的时候，支架的局部温度也比较高，要小心不要被烫到了。

洗板水

助焊剂并不是完全没有残留的，焊接台也不是绝对干净的，锡珠也可能会飞溅到电路板上。脏兮兮的电路板，要处理干净了才能交付给下一个环节。怎么办？用水洗么？其实用水洗也没什么问题，手机掉到水里去，捞出来晒干了，几乎都可以正常开机使用。只不过用纯净水来洗电路板，晾干的速度慢，清理污渍的能力也比较弱。一般大家都用洗板水。可以用刷子沾一些洗板水来刷电路板，或者用超声波设备，像洗眼镜一样的洗电路板。

早期的时候有些实验室会用天拿水，毒性比较大，后来大多改成了环保洗板水。有些时候使用纯酒精。总之，能够把脏污和残留助焊剂冲洗掉，本身不导电，又能够快速挥发，就可以了。

这些易挥发品，通常都是易燃液体，务必要保证通风良好，以及防火安全。

这里补充一个常识，水，到底会对硬件设备造成什么影响？纯净水是不导电的，只要你愿意，把电路板泡在纯净水里，照样可以工作。不过日常中泡水了的设备，一般都不是泡在纯净水里面的，日常的水都是可以导电的，导电了就短路了，短路了就烧毁了。这种常见的观点不完全正确，肯定会短路，但不一定会烧毁，并且绝大部分情况下不会烧毁。把手机丢到水里面，电池是最先短路的，但是电池有短路保护的芯片，能让电路板上的芯片不会被烧毁。即便没有短路保护，电池的电也会绕过芯片，优先通过水来传递。芯片被旁路掉了，自身就没有大的电流通过，自然就不会被烧毁。

电路板泡水，最大的危害不是在烧毁芯片，而是在腐蚀。电路板受潮，也是一样的情况，水蒸气+氧气+金属=生锈=导电性下降或断路。会严重影响电路板的寿命。所以在产品可靠性测试的时候，会测“高温高湿”，产品在“蒸笼”里蒸上百个小时，如果还能安然无恙，说明防潮措施做的到位了。

如果在海里游泳的时候，手机掉到海水里了，恭喜你，有机会换新机了。海水盐分含量很高，导电性强，电化学腐蚀能力极强，即使用清水冲洗干净了，手机也没几天寿命了。

水对很多外围设备的影响在结构。例如水浸到LCD屏幕里去了，往往会把导管片打湿，产生屏幕上的水印。如果浸到摄像头中去了，拍照的时候就会模糊。

高温胶带

黄色半透明的胶布，粘性不强、不易变形、绝缘、能够耐高温。因其导热性不佳，可用于在用热风枪吹元器件的时候，遮挡热风，减少非焊接区域的受热。常用语遮挡塑料结构件，如卡座、连接器等。也可以用来在焊接的时候固定电路板，尤其是柔性电路板，将电路板贴在焊接台架上，使其不会被吹跑。

实验室里用普通的透明胶带的比较少，一是不耐高温，受热即熔化，二是很容易脱胶，一加热或者时间久了，胶就会掉下来，难以清理。

安全第一

看了这么多，要动手了。摆好姿势先。在硬件实验室里，虽然没有生命安危问题，但是还是有各种让你痛不欲生的办法。安全第一。

使用镊子的时候，首先不要扎到自己了，也不要扎到别人了。锋利的还带着助焊剂和细小的锡珠的镊子尖，捅到手上，定会感受到“十指连心”的酸爽。因此递镊子给别人的时候，别用尖头冲着别人，很不礼貌也危险。

用烙铁或风枪的时候，用完就放回支架上，避免一不小心摸上去了被烫到了。

对于被长期加热的其他部件，也要尽量远离操作区域。作者曾经干过这么一件事：把一块刚被吹下来的屏蔽盖（两三百度的一块铁片）丢在了实验台上，然后用胳膊压了上去。只听一声惨叫，“深深的烙印”就是这么来了。

被烫一下，还不算严重的，被烫了一下，人体自然会避开。但有些事情是避都避不掉的。锡珠滴到手上，甩是可以甩的掉的，热熔胶烧化了滴到手上，就是甩也甩不掉了，只有默默的等它凝固了再抠下来。

原文来自“燚智能硬件开发网”“燚智能周教授开讲智能硬件开发实战派”