Mastering PCB Design: Strategies, Guidelines & Best Practices

PCB er analog med skelettet og nervesystemet i elektroniske kredsløb, og spiller en central rolle i elektroniske ingeniørprojekter. Men mange individer mangler forståelse eller besidder utilstrækkelig viden om PCB-design.

I løbet af mine universitetsår udviklede jeg en særlig interesse for design af printkort og hardware, og jeg studerede disse emner flittigt. På det tidspunkt troede jeg, at det ville være ideelt at sikre mig et job, der involverede computerstøttet design (CAD) i et kontormiljø. Efter endt uddannelse fik jeg med succes en stilling hos en elektronisk virksomhed i Guangzhou, hvor jeg arbejdede som PCB-ingeniør. I starten skulle jeg være velbevandret i forskellige opgaver, herunder skematisk tegning, komponentvalg, printkortlayout, prototypelodning, fejlfinding, udarbejdelse af styklister og udarbejdelse af arbejdsinstruktioner. Denne oplevelse markerede begyndelsen på min rejse i elektronikindustrien.

Skematiske diagrammers afgørende rolle i PCB-design

Mens et godt skematisk diagram ikke kan garantere god routing, begynder kvalitets routing med en god skematisk. Når du opretter en skematisk, kræves grundig overvejelse med omhyggelig opmærksomhed på hele kredsløbets signalflow. Et jævnt og stabilt signalflow fra venstre mod højre i skemaet skulle oversættes til et tilsvarende godt signalflow på printkortet. Det er tilrådeligt at give så mange nyttige oplysninger som muligt i skemaet.

Når kredsløbsdesigningeniører ikke er tilgængelige, kan kunder bede om vores hjælp til at løse kredsløbsproblemer. Designere, teknikere og ingeniører, der er involveret i dette arbejde, er ofte taknemmelige, ligesom vi er. Ud over almindelige oplysninger såsom referencebetegnelser, strømforbrug og tolerance, hvilke andre oplysninger bør inkluderes i diagrammet? Følgende forslag kan hæve et almindeligt diagram til et topklasse: inkluder bølgeformer, mekaniske oplysninger om huset, trykte linjelængder, blanke områder; angiv hvilke komponenter, der skal placeres på printkortet; angiv justeringsoplysninger, komponentværdiområder, varmeafledningsoplysninger, trykte linjer med kontrolleret impedans , annotationer, præcise beskrivelser af kredsløbshandlinger og mere.

Retningslinjer for effektivt samarbejde i PCB-design

Hvis du ikke selv har designet routingen, er det vigtigt at afsætte rigelig tid til omhyggeligt at gennemgå routingdesignerens arbejde. På dette tidspunkt kan en lille forholdsregel opveje hundrede midler. Gå ikke ud fra, at routingpersonen kan forstå dine ideer. Dine meninger og vejledning er mest afgørende i de indledende faser af routingdesignprocessen. Jo flere oplysninger du giver, og jo mere involveret du er i hele routingprocessen, jo bedre bliver det resulterende PCB. Etablering af et foreløbigt afslutningspunkt for routingdesigneren – hurtig gennemgang af routingens fremskridt i overensstemmelse med din ønskede routing – kan forhindre routingen i at komme ud af kurs og dermed minimere sandsynligheden for omarbejdelse.

Instruktioner til routingingeniøren bør omfatte: en kort beskrivelse af kredsløbsfunktionen, et PCB-skema, der angiver placeringen af ​​input og output, PCB-stack-up-information (f.eks. korttykkelse, antal lag, detaljerede oplysninger om hvert signallag og jordplan – effekt, jord, analogt signal, digitalt signal og RF-signal); hvilke signaler hvert lag kræver; krav til placering af kritiske komponenter; nøjagtige placeringer af bypass-komponenter; hvilke trykte linjer er kritiske; hvilke linjer kræver kontrolleret impedansudskrivning; hvilke linjer kræver matchede længder; komponent dimensioner; hvilke udskrevne linjer skal holdes adskilt (eller tæt sammen); hvilke linjer skal holdes adskilt (eller tæt sammen); hvilke komponenter skal holdes adskilt (eller tæt sammen); hvilke komponenter der skal placeres oven på printet, og hvilke der skal placeres nedenunder. Klag aldrig over at give for meget information til andre – er det for lidt? Ja; Er det for meget? Ingen.

Lær af fejl: Vigtigheden af ​​komponentplacering i komplekse PCB-designs

For omkring 10 år siden designede jeg et flerlags overflademonteret kredsløbskort - begge sider af kortet havde komponenter. Pladen var fastgjort i et forgyldt aluminiumshus med mange skruer (på grund af meget strenge krav til stødmodstand). Pins til bias fodring blev leveret gennem brættet. Dette var en meget kompleks enhed. Nogle komponenter på kortet blev brugt til test af indstilling (SAT). Jeg havde dog klart specificeret placeringen af ​​disse komponenter. Kan du gætte, hvor alle disse komponenter blev installeret? Det er rigtigt, de blev installeret på bunden af ​​brættet. Da produktingeniøren og teknikeren skulle skille hele enheden ad, fuldføre indstillingen og derefter samle den igen, var de ikke tilfredse. Jeg har ikke lavet den fejl igen siden da.

Forbedring af PCB-effektivitet gennem strategisk kredsløbslayout

Ligesom i PCB'er bestemmer position alt. Hvor et kredsløb er placeret på et printkort, hvor dets specifikke kredsløbselementer er installeret, og hvilke andre kredsløb der støder op til det, er alt sammen afgørende.

Normalt er positionerne af input, output og strømforsyninger forudbestemt, men kredsløbene mellem dem kræver en vis "kreativitet". Det er derfor, at opmærksomhed på routingdetaljer vil give betydelige afkast. Start fra placeringen af ​​nøglekomponenter, overvej det specifikke kredsløb og hele printkortet. At specificere placeringen af ​​nøglekomponenter og signalvejene fra begyndelsen er med til at sikre, at designet når de forventede operationelle mål. At få designet rigtigt første gang kan reducere omkostninger og stress – og forkorte udviklingscyklussen.

Lad os desuden diskutere disse "særlige puder" på printkortet:

For det første, dråbepude Dråben er en dråbeforbindelse mellem en pude og en leder eller mellem en leder og en via. Formålet med at sætte dråben er at forhindre kontaktpunktet mellem lederen og puden eller lederen og via'en i at afbrydes, når printpladen udsættes for en enorm ydre kraft, og også at få printkortet til at se smukkere ud. Tåredråbens funktion er at forhindre, at signallinjens bredde pludselig indsnævres, hvilket kan gøre forbindelsen mellem routing og komponentpuden glattere og løse problemet med let brud på forbindelsen mellem routing og routing.

1. Ved svejsning kan den beskytte puden og forhindre puden i at falde af under flere svejsninger.
2. Forbedre pålideligheden af ​​forbindelsen (for at undgå revner forårsaget af ujævn ætsning og forskydning af vias i produktionen)
3. Glat impedans, reducerer den skarpe ændring af impedans I PCB-design, for at gøre puden mere robust og forhindre puden i at afbrydes fra lederen under mekanisk pladefremstilling, er der ofte arrangeret en overgangszone mellem puden og lederen, formet som en dråbe, derfor ofte kaldet en tåre (Teardrops).

For det andet, afladningstand. Denne ting kaldes en afladningstand, et afladningsgab eller et gnistgab. Gnistgabet er et par trekanter med skarpe vinkler, der peger mod hinanden, med spidserne af trekanterne placeret med en afstand på maksimalt 10 mil til mindst 6 mil. Den ene trekant er jordet, og den anden er forbundet til signalledningen. Denne trekant er ikke en komponent, men er lavet af kobberfolielag, der bruges i printkortets routingproces. Disse trekanter skal placeres på printkortets øverste lag (komponentside) og kan ikke dækkes af loddebestandig materiale.

1. Under overspændingstest af skiftende strømforsyninger eller ESD-test vil der blive genereret højspænding i begge ender af common mode induktoren, hvilket forårsager lysbuedannelse. Hvis afstanden til omgivende komponenter er tæt, kan det beskadige de omgivende komponenter. Derfor kan et udladningsrør eller en varistor forbindes parallelt i sine to ender for at begrænse dets spænding og dermed spille en rolle i at slukke lysbuen. Selvom det er effektivt at placere en overspændingsbeskytter, er det relativt dyrt.
2. En anden måde er at tilføje en afladningstand i begge ender af common-mode-induktoren i PCB-designet, så induktoren aflades gennem de to spidse ender af afladningstanden, og undgår afladning gennem andre veje, og dermed minimerer påvirkningen på omgivende komponenter og komponenter i efterfølgende trin.

Udledningsgab kræver ikke ekstra omkostninger, tegn dem blot på printet, når du tegner tavlen, men det er vigtigt at bemærke, at denne form for udledningsgab er en luftform udledningsspalte og kan kun bruges i miljøer, hvor ESD forekommer lejlighedsvis. Hvis det bruges i miljøer, hvor ESD forekommer hyppigt, vil kulstofaflejringer akkumuleres i trekantens to punkter på grund af hyppig udledning, hvilket i sidste ende forårsager en kortslutning på udledningsgabet og forårsager en permanent kortslutning af signalledningen til jorden, hvilket resulterer i en systemfejl.

Faktisk er der mange glæder ved PCB-design, men kun ved at øve vil du få en dyb forståelse. Hvis venner har nogen følelser omkring PCB-design efter at have læst denne artikel, kan de kontakte os for udveksling.

I forbindelse med produktionsplanlægning er det også nyttigt at sammenligne dette emne med valg af printkortmateriale og sammenligning af overfladefinish, inden fremstillingen eller monteringspakken færdiggøres.

Designbeslutninger fra skematisk design til produktionsfrigivelse

Skematisk intention, placering, routing og de eksporterede produktionsfiler besvarer forskellige spørgsmål. Brug designfasen og den fysiske begrænsning til at identificere de relevante kontroller.

Konklusion

PCB-design er afgørende i elektronik, der danner kredsløbets kerne. Alligevel er forståelsen ofte begrænset. Grundige skemaer, detaljerede bølgeformer, mekanik og placeringer understøtter kvalitetsrouting. Omhyggelig gennemgang, klar kommunikation og tidlig sti/komponentspecifikation forhindrer problemer, sikrer tilfredshed og optimerer effektiviteten. Specialiserede puder (dråber, afladningstænder) øger pålideligheden ved at forhindre løsrivelse og dæmpe højspænding. Erfaring og videndeling er nøglen til at mestre PCB-design.