13 piirilevyasettelun perussääntöä (ja niiden estävät viat)

Kytkentäkaavio todistaa idean toimivuuden; piirilevyn asettelu ratkaisee, toimiiko se todella, kun se on rakennettu. Sama verkkoluettelo voi tuottaa hiljaisen, valmistettavissa olevan piirilevyn tai sellaisen, joka säteilee, vikaantuu nopeasti, kuumenee ja kerää kokoonpanovirheitä – ero on kokonaan sijoittelussa ja reitityksessä. Alla olevat kolmetoista sääntöä ovat ne, joita insinöörimme näkevät useimmiten jätettävän huomiotta tulevissa suunnitteluissa. Sääntöjä on järjestetty kortin todelliseen asettelujärjestykseen ja ne on esitetty konkreettisilla numeroilla, jotka tekevät niistä käyttökelpoisia. Mikään niistä ei ole eksoottinen; yhdessä järkevä piirilevyn suunnittelu ja asettelu estävät suurimman osan vältettävissä olevista uudelleenpyörityksistä.

Seuraavassa kuvataan, mitä DFM-tiimimme Highleap Electronicsilla etsii tarkistaessaan suunnitelman asettelua ennen valmistusta.

1. Miksi piirilevyn asettelulla on enemmän merkitystä kuin kytkentäkaaviolla

Jokainen piirilevyn verkko on fyysinen rakenne, jolla on vastus, induktanssi ja kapasitanssi sekä paluuvirta, jonka on päästävä kotiin. Kytkentäkaavio piilottaa kaiken tämän; asettelu paljastaa sen. Sähkömagneettinen käyttäytyminen, nopea signaalin eheys, terminen suorituskyky ja jopa valmistuksen saanto määräytyvät sen mukaan, missä osat sijaitsevat ja miten kupari yhdistää ne – siksi kokenut insinööri voi pelastaa marginaalisen suunnitelman asettelussa ja huolimaton voi pilata hyvän kytkentäkaavion. Piirilevyn asettelun parhaiden käytäntöjen käsitteleminen sääntöinä eikä mieltymyksinä tekee piirilevystä ennustettavan koko tuotannon ajan.

2. Piirilevyn asettelusäännöt 1–7: Pohjapiirros, maadoitus ja virta

Ensimmäiset päätökset – ennen yhtäkään jälkiä – asettivat rajan sille, kuinka hyvä levy voi olla.

Sääntö 1 – Pohjapiirros ennen reititystä

Aseta liittimet, kiinnitysreiät ja tärkeimmät toiminnalliset lohkot ensin ryhmittelemällä osat toiminnon mukaan, jotta signaalit kulkevat yhteen suuntaan koko piirilevyn poikki. Harkittu pohjaratkaisu lyhentää kriittisiä verkkoja ja estää sotkuisen reitityksen, joka pakottaa kompromisseihin myöhemmin.

Sääntö 2 — Pidä virtasilmukat pieninä

Jokainen signaali- ja tehoreitti muodostaa silmukan paluunsa kanssa, ja silmukan pinta-ala on se, mikä säteilee ja mikä vastaanottaa kohinaa. Sijoita osat ja reititä niin, että jokainen silmukka – erityisesti nopeat signaalit ja kytkentäsäätimen kuumat silmukat – pysyy mahdollisimman pienenä; säteilypäästöt skaalautuvat silmukan pinta-alan mukaan.

Sääntö 3 — Anna piirilevylle kiinteä maataso

Jatkuva maataso on tehokkain yksittäinen asettelutyökalu. Se tarjoaa matalan impedanssin paluun suoraan jokaisen signaalin alle, eikä sitä saa jakaa tai lokeroida suurnopeusjuovien alle, koska raon ylittävä signaali menettää paluureittinsä, sen impedanssi hyppää ja se säteilee.

Sääntö 4 — Irrota syöttöpisteestä

Aseta irrotuskondensaattori (yleensä 0.1 µF, laitteen mukaan mitoitettu) aivan jokaisen integroidun piirin virtanastan viereen lyhyellä ja leveällä polulla virta- ja maadoitustasoihin ja tue sitä piirilevyn bulkkikapasitanssilla. Kaukana sijaitseva tai pitkän ohuen johtimen kautta kytketty kondensaattori lisää induktanssia eikä pysty syöttämään sirun vaatimaa nopeaa transienttivirtaa.

Sääntö 5 — Erota analoginen, digitaalinen ja teholähde

Pidä kohinaiset digitaaliset ja kytkentävirtaosat erillään herkistä analogisista ja radiotaajuusosista ja reititä niiden paluuvirrat siten, että digitaalinen kohina ei kulje analogisen maan kautta. Jaa toiminnoittain pohjapiirroksessa ja yhdistä maat yhteen tarkoitukselliseen pisteeseen siellä, missä sekasignaaliosat sitä vaativat.

Sääntö 6 — Suunnittele sähkönjakeluverkko

Anna jokaiselle kiskolle matalaimpedanssinen polku: leveät johdinradat tai erilliset tasot, tiukka teho-maakytkentä tasojen välisen kapasitanssin takaamiseksi ja riittävästi kuparia, jotta kisko ei roiku transienttikuormituksen aikana. Heikko sähkönjakeluverkko näkyy häiriöinä, jotka naamioituvat logiikkavirheiksi.

Sääntö 7 — Käytä riittävästi kerroksia sääntöjen 3–6 suorittamiseen

Jos et voi antaa jokaiselle signaalikerrokselle vierekkäistä referenssitasoa ja kantaa kiskoja siististi, lisää kerrospari. Nelikerroksinen piirilevy oikeilla tasoilla suoriutuu rutiininomaisesti paremmin kuin ahdas kaksikerroksinen piirilevy, ja kuparin lisääminen on halvempaa kuin heikentyneen piirilevyn luotettavuuskustannukset.

3. Piirilevyn asettelusäännöt 8–13: Reititys, impedanssi ja valmistus

Kun pohjapiirros ja tasot on asetettu, reititys muuttaa suunnitelman kupariksi peruuttamatta sitä.

Sääntö 8 — Virran ja lämmön kokokäyrät

Johdinjohtimen leveys ja kuparin paino määrittävät, kuinka paljon virtaa se kuljettaa tietyllä lämpötilan nousulla IPC-2152: n (ja vanhemman IPC-2221:n) mukaisesti. Mitoita teho- ja maadoitusjohtimet tarkoituksella oletussignaalileveyden käyttämisen sijaan ja levennä niitä siellä, missä virta on suuri.

Sääntö 9 — Pidä suurnopeusverkot lyhyinä, referensoituina ja sovitettuina

Reititä nopeat signaalit lyhyinä ja suorina, aina jatkuvan referenssitason yli, ja määritä niille kontrolloitu impedanssi pinossa (yleensä 50 Ω yksipäinen, 90–100 Ω differentiaalinen). Sovita pituus ajoituskriittisillä ryhmillä ja differentiaalisilla pareilla ja pidä kellot ja suurnopeuslinjat poissa piirilevyjen reunoista ja herkistä verkoista.

Sääntö 10 — Ylikuulumisen ja tasoreunojen hallinta

Käytä 3W-sääntöä – vähintään kolmen johtimen leveyden mittaista keskipisteiden välistä etäisyyttä – rajoittaaksesi herkkien rinnakkaisjohtimien välistä ylikuulumista ja 20H-sääntöä , jossa tasoja vedetään taaksepäin levyn reunasta reunasäteilyn vähentämiseksi. Nämä halvat heuristiikat estävät kalliit EMC-yllätykset.

Sääntö 11 — Reitti, jossa on puhdas geometria

Käytä 45° mutkia äkillisten käännösten sijaan ja vältä teräviä kulmia, jotka voivat tarttua syövytysaineeseen valmistuksen aikana. Pidä läpiviennit poissa liitäntäpisteistä, ellei niitä ole täytetty ja pinnoitettu, ja minimoi kerrosten muutokset nopeissa verkoissa, koska jokainen läpivienti lisää tynkän ja epäjatkuvuuden. Vala ja ompele kuparia järkevästi – kuparivalua ja läpivientien ompelua koskevat huomautuksemme kattavat läpivientien ompelu sekä suojauksen että lämpölevityksen kannalta.

Sääntö 12 — Lämmönkulun hallinta ja kokoonpanon suunnittelu

Lisää kuumille komponenteille kuparia lämmön levittämiseksi, lämpöreikiä virtajohtojen alle ja lämpöpoistoliitäntöjä tasoissa, jotta liitäntäpinnat juotetaan hyvin. Samalla on otettava huomioon komponenttien sisätilat ja välykset, asetettava samanlaiset osat johdonmukaisesti tarkastuksen nopeuttamiseksi ja jätettävä tilaa uudelleentyöstölle hienojakoisten osien ja liittimien ympärillä – asettelu parantaa sekä luotettavuutta että kokoonpanon tuottoa.

Sääntö 13 — Lisää testioikeudet ja suunnittelu tehdasominaisuuksiin

Varmista, että piirilevylle on viitepisteet sijoittelukoneiden testausta varten, testipisteet piirin sisäistä tai toiminnallista testausta varten sekä mekaaniset suojat liittimille ja koteloille – ja pysy sitten valmistajan asettamissa vähimmäisjohtimien/välien, rengasmaisen renkaan, poran koon ja kerrosmäärän rajoissa. Teoreettisesti ihanteellista piirilevyä, joka ylittää valmistuskapasiteetin, ei yksinkertaisesti voida valmistaa, ja myöhemmin lisätty testiyhteys yleensä pakottaa uudelleenpyöritykseen.

4. Yleisiä piirilevyasettelun virheitä, joita kannattaa välttää

Yllä olevat säännöt liittyvät suoraan useimmin näkemiimme epäonnistumisiin, ja on hyödyllistä tunnistaa jokainen niistä oireen eikä vain syyn perusteella.

• Säteilypäästöjen vika EMC-testissä yleensä jälkiä haljenneeseen tai uritettuun maahan nopeiden signaalien alla tai lentokoneita, joita ei vedetä takaisin reunalta.
• Satunnaisia ​​häiriöitä, jotka katoavat, kun tutkit ovat tyypillisesti tehon eheysongelmia: irtikytkentä liian kaukana sirusta tai kisko, joka roikkuu ohimenevän kuormituksen alla.
• Ylikuumeneminen tai jännitehäviö kiskossa tulee oletusleveyksisistä tehojäljistä, joita ei koskaan mitoitettu niiden virran mukaan.
• Nopea yhteys, joka ei lukkiudu tarkoittaa usein, että impedanssi määritettiin reitityksen jälkeen tai differentiaaliparia ei koskaan sovitettu pituudeltaan.
• Lauta, jota ei voida testata tai asettaa tarkasti tarkoittaa, että vertailupisteet tai testipisteet jätettiin pois — havaittiin liian myöhään korjattaviksi ilman vuoroa.
• Myöhäinen "emme voi rakentaa tätä" tehtaalta viittaa teräviin kulmiin, liian pieneen väliin tai mahdottomaan porauskulmaan.

Kaikissa niissä pätee sama kaava: säännön noudattamisen hinta pelin aikana on mitätön, kun taas sen rikkomisen hintana on uudelleenpyöräytys, kentän epäonnistuminen tai erän romuttaminen. Kurinalaisuus maksaa itsensä takaisin ensimmäisellä kerralla, kun se pelastaa pelivuoron.

5. Piirilevyjen asettelu ja DFM-tarkistus Highleapissa

Jopa huolellinen ulkoasu hyötyy toisesta silmäparista, joka tuntee tehtaan rajat. Kun lähetät suunnitelmasi Highleapille, insinöörimme suorittavat ilmaisen DFM-tarkistuksen yllä olevien sääntöjen ja todellisten kykyjemme perusteella – tarkistamalla johtimet ja välit, rengasmaisen renkaan, porakoot, pinoamisen ja impedanssin, lämpöpoiston, jännitevälit ja testiyhteydet – ennen kuin mitään valmistetaan. Tarkoituksena ei ole suunnitella piirilevyäsi uudelleen, vaan havaita ne muutamat ongelmat, jotka muuten ilmenisivät uudelleenpyörityksenä tai saanto-ongelmana.

Lähetä Gerber- tai ODB++-tiedostosi, niin palautamme sinulle yksityiskohtaista ja toimintakelpoista palautetta. Tämän jälkeen valmistamme ja kokoamme haluamasi mallin. Uritetun tason tai rakentamattoman tilan löytäminen näytöltä ei maksa mitään; sen löytäminen ensimmäisen koonnoksen jälkeen maksaa yhden vuoron.

Hanki ilmainen DFM-tarkistus asettelustasi

6. Piirilevyasettelun usein kysytyt kysymykset

Mikä on piirilevyasettelun tärkein sääntö?

Varmista, että piirilevyllä on vankka ja jatkuva maataso, äläkä koskaan riko sitä nopeiden signaalien aikana. Se tarjoaa pieni-impedanssisen paluureitin suoraan jokaisen johtimen alle, mikä hallitsee impedanssia ja minimoi sähkömagneettiset häiriöt – piirilevyn suurimman yksittäisen vivun.

Minne irrotuskondensaattorit kannattaisi sijoittaa?

Heti jokaisen IC:n virtanastan kohdalla, lyhyt ja leveä liitäntä virta- ja maatasoon, jota tukee levyn bulkkikapasitanssi. Kaukana sijaitseva tai pitkän ohuen johtimen kautta kytketty kondensaattori lisää induktanssia eikä pysty syöttämään sirun nopeaa transienttivirtaa.

Kuinka leveä piirilevyn johtimen tulisi olla?

Riittävän leveä kuljettamaan virtaansa hyväksyttävällä lämpötilan nousulla kuparin painoon perustuen IPC-2152- tai IPC-2221-standardin mukaisesti. Signaalijohtimet voivat olla kapeita, mutta teho- ja maadoitusjohtimet tulee mitoittaa tarkoituksella ja leventää paikoissa, joissa virta on suuri.

Mitä ovat 3W- ja 20H-säännöt?

3W-sääntö asettaa herkät rinnakkaisjohtimet vähintään kolmen johtimen leveyden päähän toisistaan, keskeltä keskelle, ylikuulumisen rajoittamiseksi. 20H-sääntö vetää teho- ja maadoitustasoja taaksepäin levyn reunasta noin kaksikymmentä kertaa dielektrisen paksuuden verran reunakiipeilyn vähentämiseksi.

Ovatko 90 asteen kulman jälkikuviot todella ongelma?

90° kulmien sähkömagneettinen vaikutus on vähäinen useimmilla nopeuksilla, mutta teräviä kulmia tulisi välttää, koska ne voivat loukkuuntua syövytysaineeseen valmistuksen aikana. Jyrsintä 45° mutkilla on vakiokäytäntö ja siisti käytäntö.

Miksi tarvitsen vertailuarvoja ja testipisteitä?

Vertailupisteiden avulla sijoituskoneet voivat paikantaa piirilevyn tarkasti, ja testipisteet mahdollistavat piirin sisäisen tai toiminnallisen testauksen. Molemmat ovat lähes vapaita lisäämään piirron aikana, mutta usein ne pakottavat uudelleenpyörityksen, jos ne jätetään pois ja niitä tarvitaan myöhemmin.

Kuinka monta kerrosta tarvitsen hyvään asetteluun?

Riittää antamaan jokaiselle signaalikerrokselle viereisen referenssitason ja kannattelemaan virtakiskoja. Yksinkertaiset rakenteet toimivat 2 tai 4 kerroksella; tiheät tai nopeat rakenteet tarvitsevat 6 tai enemmän, jotta maadoitus- ja impedanssisäännöt voidaan täyttää.