Padroneggiare la progettazione PCB: strategie, linee guida e migliori pratiche

Il PCB è analogo allo scheletro e al sistema nervoso dei circuiti elettronici e svolge un ruolo fondamentale nei progetti di ingegneria elettronica. Tuttavia, molte persone non comprendono o possiedono una conoscenza insufficiente riguardo alla progettazione PCB.

Durante gli anni universitari ho sviluppato un particolare interesse per la progettazione di circuiti stampati e hardware e ho studiato diligentemente questi argomenti. All'epoca, credevo che assicurarmi un lavoro che prevedesse la progettazione assistita da computer (CAD) in un ufficio dopo la laurea sarebbe stato l'ideale. Dopo la laurea, ho ottenuto con successo una posizione presso un'azienda elettronica a Guangzhou, dove ho lavorato come ingegnere PCB. Inizialmente, dovevo essere esperto in varie attività, tra cui il disegno di schemi, la selezione dei componenti, il layout del PCB, la saldatura dei prototipi, il debug, la creazione della distinta base (BOM) e la preparazione delle istruzioni di lavoro. Questa esperienza ha segnato l'inizio del mio percorso nel settore dell'elettronica.

Il ruolo cruciale dei diagrammi schematici nella progettazione PCB

Mentre un buon diagramma schematico non può garantire un buon instradamento, un instradamento di qualità inizia con un buon schema. Quando si crea uno schema è necessaria un'analisi approfondita, con particolare attenzione al flusso del segnale dell'intero circuito. Un flusso di segnale regolare e costante da sinistra a destra nello schema dovrebbe tradursi in un flusso di segnale altrettanto buono sul PCB. Si consiglia di fornire quante più informazioni utili possibili nello schema.

A volte, quando i progettisti di circuiti non sono disponibili, i clienti possono richiedere il nostro aiuto per risolvere problemi relativi ai circuiti. Progettisti, tecnici e ingegneri impegnati in questo lavoro spesso apprezzano il nostro supporto, così come noi. Oltre alle informazioni comuni come i designatori di riferimento, il consumo energetico e le tolleranze, quali altre informazioni dovrebbero essere incluse nello schema? I seguenti suggerimenti possono trasformare uno schema ordinario in uno di altissima qualità: includere forme d'onda, informazioni meccaniche relative all'involucro, lunghezze delle linee stampate, aree vuote; indicare quali componenti devono essere posizionati sul PCB; fornire informazioni sulle regolazioni, intervalli di valori dei componenti, informazioni sulla dissipazione del calore, linee stampate a impedenza controllata , annotazioni, descrizioni concise del funzionamento del circuito e altro ancora.

Linee guida per una collaborazione efficace nella progettazione PCB

Se non sei stato tu a progettare il routing, è essenziale dedicare tutto il tempo necessario per rivedere meticolosamente il lavoro del progettista del routing. In questo frangente, una piccola precauzione può valere più di cento rimedi. Non dare per scontato che l'individuo che fa il routing possa cogliere le tue idee. Le tue opinioni e la tua guida sono cruciali nelle fasi iniziali del processo di progettazione del percorso. Più informazioni fornisci e più sei coinvolto durante il processo di routing, migliore sarà il PCB risultante. Stabilire un punto di completamento provvisorio per il progettista del routing, ovvero rivedere rapidamente l'avanzamento del routing in base al routing desiderato, può impedire che il routing si allontani dal percorso, riducendo così al minimo la probabilità di rielaborazione.

Le istruzioni per il routing engineer dovrebbero includere: una breve descrizione della funzione del circuito, uno schema del PCB che indichi le posizioni degli ingressi e delle uscite, informazioni sullo stack-up del PCB (ad esempio, spessore della scheda, numero di strati, informazioni dettagliate su ciascuno strato di segnale e messa a terra aereo (alimentazione, terra, segnale analogico, segnale digitale e segnale RF); quali segnali richiede ciascun livello; requisiti di posizionamento per i componenti critici; posizioni esatte dei componenti di bypass; quali linee stampate sono critiche; quali linee richiedono la stampa ad impedenza controllata; quali linee richiedono lunghezze corrispondenti; dimensioni dei componenti; quali linee stampate devono essere tenute separate (o vicine); quali linee devono essere tenute separate (o vicine); quali componenti devono essere tenuti separati (o vicini); quali componenti devono essere posizionati sopra il PCB e quali devono essere posizionati sotto. Non lamentarti mai di fornire troppe informazioni agli altri: sono troppo poche? SÌ; È troppo? NO.

Imparare dagli errori: l'importanza del posizionamento dei componenti nelle progettazioni PCB complesse

Circa 10 anni fa, ho progettato un circuito stampato multistrato a montaggio superficiale: entrambi i lati della scheda avevano componenti. La scheda è stata fissata in un alloggiamento di alluminio placcato oro con molte viti (a causa dei severi requisiti di resistenza agli urti). I perni per l'alimentazione bias sono stati forniti attraverso la scheda. Questo era un dispositivo molto complesso. Alcuni componenti della scheda sono stati utilizzati per i test di impostazione (SAT). Tuttavia, avevo chiaramente specificato la posizione di questi componenti. Riesci a indovinare dove sono stati installati tutti questi componenti? Esatto, sono stati installati nella parte inferiore del tabellone. Quando l'ingegnere del prodotto e il tecnico hanno dovuto smontare l'intero dispositivo, completare l'impostazione e quindi rimontarlo, non sono rimasti soddisfatti. Da allora non ho più commesso questo errore.

Miglioramento dell'efficienza del PCB attraverso il layout strategico del circuito

Proprio come nei PCB, la posizione determina tutto. Il punto in cui un circuito è posizionato su un PCB, dove sono installati i suoi elementi circuitali specifici e quali altri circuiti sono adiacenti ad esso sono tutti aspetti cruciali.

Di solito, le posizioni degli ingressi, delle uscite e degli alimentatori sono predeterminate, ma i circuiti tra loro richiedono una certa “creatività”. Ecco perché prestare attenzione ai dettagli del routing produrrà ritorni significativi. Partendo dalla posizione dei componenti chiave, considera il circuito specifico e l'intero PCB. Specificare le posizioni dei componenti chiave e i percorsi del segnale fin dall'inizio aiuta a garantire che il progetto raggiunga gli obiettivi operativi attesi. Realizzare il progetto correttamente al primo tentativo può ridurre costi e stress e abbreviare il ciclo di sviluppo.

Inoltre, discutiamo di quei "pad speciali" sul PCB:

Innanzitutto, il pad a goccia Il pad a goccia è una connessione drop tra un pad e un conduttore o tra un conduttore e un via. Lo scopo dell'impostazione della goccia è quello di impedire che il punto di contatto tra il conduttore e il pad o il conduttore e il via si scolleghino quando il circuito è sottoposto a un'enorme forza esterna e anche per rendere il circuito PCB più bello. La funzione del Teardrop è quella di impedire che la larghezza della linea del segnale si restringa improvvisamente, il che può rendere più fluida la connessione tra il pad e il pad del componente e risolvere il problema della facile rottura della connessione tra il pad e il routing.

1. Durante la saldatura, può proteggere la ventosa e impedire che questa cada durante saldature multiple.
2. Migliorare l'affidabilità della connessione (per evitare crepe causate da incisione irregolare e offset delle vie in produzione)
3. Impedenza uniforme, riduce il brusco cambiamento di impedenza Nella progettazione del PCB, per rendere il pad più robusto e impedire che si scolleghi dal conduttore durante la realizzazione meccanica della scheda, viene spesso disposta una zona di transizione tra il pad e il conduttore, a forma di una lacrima, quindi spesso chiamata lacrima (Teardrops).

In secondo luogo, il dente di scarica. Questo elemento è chiamato dente di scarica, traferro di scarica o spinterometro. Lo spinterometro è costituito da una coppia di triangoli con angoli acuti rivolti l'uno verso l'altro, con le punte dei triangoli distanziate da un massimo di 10 mils a un minimo di 6 mils. Un triangolo è collegato a massa e l'altro è collegato alla linea del segnale. Questo triangolo non è un componente, ma è costituito da strati di lamina di rame utilizzati nel processo di instradamento del PCB. Questi triangoli devono essere posizionati sullo strato superiore (lato componenti) del PCB e non possono essere ricoperti da una maschera di saldatura.

1. Durante i test di sovratensione sugli alimentatori a commutazione o i test ESD, verrà generata alta tensione su entrambe le estremità dell'induttore di modo comune, provocando un arco. Se la distanza dai componenti circostanti è ravvicinata, i componenti circostanti potrebbero danneggiarsi. Pertanto è possibile collegare in parallelo alle sue due estremità un tubo a scarica o varistore per limitarne la tensione e svolgere così un ruolo nell'estinzione dell'arco. Sebbene l'installazione di un dispositivo di protezione da sovratensione sia efficace, è relativamente costosa.
2. Un altro modo è quello di aggiungere un dente di scarica su entrambe le estremità dell'induttore di modo comune nella progettazione del PCB, in modo che l'induttore si scarichi attraverso le due estremità appuntite del dente di scarica, evitando la scarica attraverso altri percorsi, minimizzando così l'impatto sull'ambiente circostante e susseguente. -componenti scenici.

Gli spazi di scarico non richiedono costi aggiuntivi, basta disegnarli sul PCB quando si disegna la scheda, ma è importante notare che questa forma di spazio di scarico è un spazio di scarico in forma di aria e può essere utilizzato solo in ambienti in cui si verificano occasionalmente ESD. Se utilizzato in ambienti in cui si verificano frequentemente scariche elettrostatiche, i depositi di carbonio si accumuleranno nei due punti del triangolo a causa delle scariche frequenti, provocando eventualmente un cortocircuito sull'intervallo di scarica e un cortocircuito permanente della linea del segnale a terra, con conseguente un fallimento del sistema.

In effetti, ci sono molte gioie nella progettazione di PCB, ma solo esercitandosi si avrà una comprensione profonda. Se gli amici hanno qualche opinione sulla progettazione PCB dopo aver letto questo articolo, possono contattarci per uno scambio.

Ai fini della pianificazione della produzione, è utile confrontare questo argomento anche con la selezione dei materiali per PCB e il confronto delle finiture superficiali prima di finalizzare il processo di fabbricazione o assemblaggio.

Decisioni di progettazione, dallo schema alla fase di produzione.

L'intento schematico, il posizionamento, il percorso e i file di produzione esportati rispondono a domande diverse. Utilizzare la fase di progettazione e i vincoli fisici per identificare i controlli pertinenti.

Conclusione

La progettazione del PCB è fondamentale nell'elettronica, poiché costituisce il nucleo del circuito. Tuttavia, la comprensione è spesso limitata. Schemi approfonditi, forme d'onda dettagliate, meccanica e posizionamenti sono alla base del routing di qualità. Una revisione rigorosa, una comunicazione chiara e una specifica tempestiva del percorso/componente prevengono i problemi, garantiscono la soddisfazione e ottimizzano l'efficienza. I cuscinetti specializzati (gocce, denti di scarico) aumentano l'affidabilità prevenendo il distacco e mitigando l'alta tensione. L'esperienza e la condivisione delle conoscenze sono fondamentali per padroneggiare la progettazione PCB.