Piirilevysuunnittelun hallitseminen: strategiat, ohjeet ja parhaat käytännöt

PCB on analoginen elektronisten piirien luuston ja hermoston kanssa, ja sillä on keskeinen rooli elektroniikkasuunnitteluprojekteissa. Monilla henkilöillä ei kuitenkaan ole ymmärrystä tai heillä ei ole riittävästi tietoa piirilevyjen suunnittelusta.

Yliopistovuosinani kiinnostuin erityisesti piirilevy- ja laitteistopiirisuunnittelusta ja opiskelin näitä aineita ahkerasti. Tuolloin uskoin, että tietokoneavusteisen suunnittelun (CAD) työpaikan saaminen toimistoympäristöön valmistumisen jälkeen olisi ihanteellista. Valmistuttuani työskentelin onnistuneesti elektroniikkayrityksessä Guangzhoussa, jossa työskentelin piirilevy-insinöörinä. Aluksi minun piti olla perehtynyt erilaisiin tehtäviin, mukaan lukien kaaviopiirrokset, komponenttien valinta, piirilevyjen asettelu, prototyyppien juottaminen, virheenkorjaus, materiaaliluettelon (BOM) luominen ja työohjeiden valmistelu. Tämä kokemus merkitsi alkua matkalleni elektroniikkateollisuudessa.

Kaaviokaavioiden ratkaiseva rooli piirilevyjen suunnittelussa

Vaikka hyvä kaavio ei voi taata hyvää reititystä, laadukas reititys alkaa hyvästä kaaviosta. Kaaviokaaviota luotaessa vaaditaan perusteellinen harkinta, ja koko piirin signaalivirtaan on kiinnitettävä erityistä huomiota. Tasaisen ja tasaisen signaalin virtauksen vasemmalta oikealle kaaviossa pitäisi kääntää yhtä hyvä signaalivirta PCB:llä. Kaavioon on suositeltavaa antaa mahdollisimman paljon hyödyllistä tietoa.

Joskus, kun piirisuunnitteluinsinöörit eivät ole tavoitettavissa, asiakkaat saattavat pyytää apuamme piiriongelmien ratkaisemisessa. Tähän työhön osallistuvat suunnittelijat, teknikot ja insinöörit ovat usein kiitollisia, kuten mekin. Mitä muita tietoja kytkentäkaavioon tulisi sisällyttää yleisten tietojen, kuten viitenumeroiden, virrankulutuksen ja toleranssin, lisäksi? Seuraavat ehdotukset voivat nostaa tavallisen kytkentäkaavion huippuluokkaiseksi: sisällytä aaltomuodot, koteloa koskevat mekaaniset tiedot, painetut viivojen pituudet, tyhjät alueet; osoita, mitkä komponentit tulisi sijoittaa piirilevylle; anna säätötiedot, komponenttien arvoalueet, lämmönhukkatiedot, ohjatun impedanssin painetut viivat, merkinnät, tiiviit piiritoimintojen kuvaukset ja paljon muuta.

Ohjeita tehokkaalle yhteistyölle piirilevysuunnittelussa

Jos et ole suunnitellut reititystä itse, on tärkeää varata riittävästi aikaa reitityssuunnittelijan työn huolelliseen tarkasteluun. Tässä vaiheessa pieni varotoimi voi painaa enemmän kuin sata korjaustoimenpidettä. Älä oleta, että reitityshenkilö voi ymmärtää ideasi. Mielipiteesi ja opastuksesi ovat erittäin tärkeitä reitityksen suunnitteluprosessin alkuvaiheissa. Mitä enemmän tietoja annat ja mitä enemmän olet mukana koko reititysprosessissa, sitä parempi tuloksena oleva PCB on. Väliaikaisen valmistumispisteen määrittäminen reitityssuunnittelijalle – reitityksen edistymisen nopea tarkistaminen haluamasi reitityksen mukaan – voi estää reititystä harhautumasta pois kurssilta, mikä minimoi uudelleentyöskentelyn todennäköisyyden.

Reititysinsinöörin ohjeiden tulee sisältää: lyhyt kuvaus piirin toiminnasta, piirilevykaavio, joka osoittaa tulojen ja lähtöjen sijainnit, PCB-pinotiedot (esim. levyn paksuus, kerrosten lukumäärä, yksityiskohtaiset tiedot jokaisesta signaalikerroksesta ja maatasosta – teho, maa, analoginen signaali, digitaalinen signaali ja RF-signaali); mitä signaaleja kukin kerros vaatii; kriittisten komponenttien sijoitusvaatimukset; Ohituskomponenttien tarkat sijainnit; mitkä painetut rivit ovat kriittisiä; mitkä linjat vaativat ohjattua impedanssitulostusta; mitkä rivit vaativat sovitetut pituudet; komponenttien mitat; mitkä painetut rivit on pidettävä erillään (tai lähellä toisiaan); mitkä linjat on pidettävä erillään (tai lähellä toisiaan); mitkä osat on pidettävä erillään (tai lähellä toisiaan); mitkä komponentit on asetettava piirilevyn päälle ja mitkä sen alle. Älä koskaan valita siitä, että annat muille liikaa tietoa – onko se liian vähän? Kyllä; Onko se liikaa? Ei.

Virheistä oppiminen: Komponenttien sijoittamisen merkitys monimutkaisissa piirilevymalleissa

Noin 10 vuotta sitten suunnittelin monikerroksisen pinta-asennuspiirilevyn – levyn molemmilla puolilla oli komponentteja. Levy kiinnitettiin kullatulla alumiinikotelolla useilla ruuveilla (erittäin tiukkojen iskunkestovaatimusten vuoksi). Pinnat bias-syöttöä varten toimitettiin taulun kautta. Tämä oli erittäin monimutkainen laite. Joitakin levyn komponentteja käytettiin asetusten (SAT) testaamiseen. Olin kuitenkin määritellyt selkeästi näiden komponenttien sijainnit. Voitko arvata, mihin nämä komponentit on asennettu? Aivan oikein, ne asennettiin laudan pohjalle. Kun tuoteinsinöörin ja teknikon piti purkaa koko laite, suorittaa asetukset ja sitten koota se uudelleen, he eivät olleet tyytyväisiä. En ole tehnyt sitä virhettä uudelleen sen jälkeen.

Paranna piirilevyjen tehokkuutta strategisella piiriasettelulla

Aivan kuten piirilevyissä, sijainti määrää kaiken. Se, missä piiri sijoitetaan piirilevylle, mihin sen tietyt piirielementit on asennettu ja mitkä muut piirit ovat sen vieressä, ovat kaikki ratkaisevia.

Yleensä tulojen, lähtöjen ja virtalähteiden paikat ovat ennalta määrättyjä, mutta niiden väliset piirit vaativat jonkin verran "luovuutta". Siksi reitityksen yksityiskohtiin huomioiminen tuottaa merkittäviä tuottoja. Avainkomponenttien sijainnista alkaen harkitse tiettyä piiriä ja koko piirilevyä. Avainkomponenttien sijainnin ja signaalipolkujen määrittäminen alusta alkaen auttaa varmistamaan, että suunnittelussa saavutetaan odotetut toiminnalliset tavoitteet. Suunnittelu oikein ensimmäisellä kerralla voi vähentää kustannuksia ja stressiä – ja lyhentää kehityssykliä.

Lisäksi keskustellaan näistä "erikoistyynyistä" PCB:llä:

Ensinnäkin kyyneltyyny Kyynelpisara on pisaraliitos tyynyn ja johtimen tai johtimen ja läpiviennin välillä. Pisaran asettamisen tarkoituksena on estää johtimen ja tyynyn tai johtimen ja läpiviennin välinen kosketuskohta irtoamasta, kun piirilevyyn kohdistuu valtava ulkoinen voima, ja myös saada PCB-piirilevy näyttämään kauniimmalta. Kyyneleen tehtävänä on estää signaalilinjan leveyden äkillinen kapeneminen, mikä voi tehdä reitityksen ja komponenttityynyn välisestä yhteyden tasaisemmasta ja ratkaista tyynyn ja reitityksen välisen yhteyden helpon katkeamisen ongelman.

1. Hitsattaessa se voi suojata tyynyä ja estää sen putoamisen useiden hitsausten aikana.
2. Paranna liitoksen luotettavuutta (epätasaisen syövytyksen ja läpivientien siirtymien aiheuttamien halkeamien välttämiseksi tuotannossa)
3. Tasainen impedanssi, vähennä impedanssin jyrkkää muutosta Piirilevysuunnittelussa tyynyn tekemiseksi vankemmaksi ja tyynyn irtoamisen estämiseksi johtimesta mekaanisen levyn valmistuksen aikana tyynyn ja johtimen väliin on usein järjestetty pisaran muotoinen siirtymävyöhyke, jota kutsutaan usein kyynelpisaraksi (Teardrops).

Toiseksi, purkaushammas Tätä kutsutaan purkaushampaksi, purkausväliksi tai kipinäväliksi. Kipinäväli on pari kolmioita, joissa terävät kulmat osoittavat toisiaan kohti, ja kolmioiden kärkien välinen etäisyys on enintään 10 milliä ja vähintään 6 milliä. Toinen kolmio on maadoitettu ja toinen on kytketty signaalilinjaan. Tämä kolmio ei ole komponentti, vaan se on valmistettu kuparifoliokerroksista, joita käytetään piirilevyn reititysprosessissa. Nämä kolmiot on sijoitettava piirilevyn ylimmälle kerrokselle (komponentin puolelle), eikä niitä saa peittää juotteenestolla.

1. Hakkuriteholähteiden ylijännitetestauksen tai ESD-testauksen aikana yhteismuotoisen kelan molemmissa päissä syntyy korkea jännite, joka aiheuttaa kipinöintiä. Jos etäisyys ympäröiviin komponentteihin on lähellä, se voi vahingoittaa ympäröiviä osia. Siksi purkausputki tai varistori voidaan kytkeä rinnakkain sen kahdesta päästä rajoittamaan sen jännitettä ja siten osallistumaan valokaaren sammuttamiseen. Vaikka ylijännitesuojan sijoittaminen on tehokasta, se on suhteellisen kallista.
2. Toinen tapa on lisätä piirilevyn yhteismuotoisen induktorin molempiin päihin purkaushammas siten, että induktori purkautuu purkaushampaan kahden terävän pään kautta, jolloin vältetään purkaus muiden reittien kautta, mikä minimoi vaikutukset ympäröiviin ja myöhempien vaiheiden komponentteihin.

Purkausraot eivät vaadi lisäkustannuksia, piirrä ne vain piirilevylle piirilevyä piirtäessäsi, mutta on tärkeää huomioida, että tämä purkausväli on ilmamuotoinen purkausrako ja sitä voidaan käyttää vain ympäristöissä, joissa ESD:tä esiintyy satunnaisesti. Jos sitä käytetään ympäristöissä, joissa ESD:tä esiintyy usein, hiilikertymiä kerääntyy kolmion kahteen pisteeseen toistuvan purkauksen vuoksi, mikä lopulta aiheuttaa oikosulun purkausvälissä ja aiheuttaa pysyvän oikosulun signaalilinjasta maahan, mikä johtaa järjestelmävikaan.

Itse asiassa piirilevyjen suunnittelussa on monia iloja, mutta vain harjoittelemalla saat syvän ymmärryksen. Jos ystävillä on tunteita PCB-suunnittelusta tämän artikkelin lukemisen jälkeen, he voivat ottaa meihin yhteyttä vaihtoa varten.

Tuotannon suunnittelussa on myös hyödyllistä verrata tätä aihetta piirilevymateriaalien valintaan ja pintakäsittelyn vertailuun ennen valmistus- tai kokoonpanopaketin viimeistelyä.

Yhteenveto

PCB-suunnittelu on ratkaisevan tärkeä elektroniikassa, muodostaen piirin ytimen. Silti ymmärrys on usein rajallista. Perusteelliset kaaviot, yksityiskohtaiset aaltomuodot, mekaniikka ja sijoittelut tukevat laadukasta reititystä. Tiukka tarkistus, selkeä viestintä ja varhainen polku/komponenttimääritys ehkäisevät ongelmia, varmistavat tyytyväisyyden ja optimoivat tehokkuuden. Erikoistyynyt (kyyneleet, purkaushampaat) lisäävät luotettavuutta estämällä irtoamisen ja vähentämällä korkeaa jännitettä. Kokemus ja tiedon jakaminen ovat avainasemassa piirilevysuunnittelun hallitsemisessa.