Navigeren door de PCB-indeling: beste praktijken voor ingenieurs

De lay-out van een printplaat is meer dan alleen het uiterlijk. Een succesvolle PCB-layout regelt de circuits fysiek om optimale elektronische prestaties te bereiken en tegelijkertijd volledig produceerbaar te zijn. Dit vereist een zorgvuldig beheer van componentbibliotheken, CAD-instellingen en -parameters, componentplaatsing, routing en het ontwerp van het stroomdistributienetwerk (PDN). Bovendien moeten lay-outontwerpers ervoor zorgen dat hun werk volledig gedocumenteerd is en dat het eindproduct klaar is om in het beoogde elektronische systeem te worden opgenomen.

Er is veel werk aan de winkel, vooral voor ingenieurs die niet bekend zijn met het PCB-lay-outproces. Om u bij deze workflow te helpen, is het raadzaam om ter referentie een uitgebreide set PCB-layoutrichtlijnen te hebben. Industrie- en bedrijfsnormen zullen de details van het ontwerp bepalen, maar lay-outrichtlijnen zijn essentieel om ingenieurs te helpen bij het navigeren door het PCB-ontwikkelingsproces van begin tot eind. Hier zijn enkele basisrichtlijnen voor de lay-out van PCB's die kunnen worden gebruikt om uw eigen PCB-ontwikkelgids te formuleren.

Voordat u begint met de PCB-lay-out

Om een ​​succesvol ontwerp te garanderen, moeten er verschillende taken worden uitgevoerd voordat het lay-outproces begint. Een van de eerste taken is het opzetten van de PCB-voetafdrukbibliotheek die moet worden gebruikt.

Bij het bouwen van uw PCB-lay-outbibliotheek is het van cruciaal belang om industriestandaarden (zoals IPC) of fabrikantspecificaties voor verpakkingsgroottes en afmetingen te gebruiken. Persoonlijke, bedrijfs- of technische vereisten kunnen echter ook variaties voor bepaalde onderdelen vereisen. Voor pakketten in RF-ontwerpen kunnen bijvoorbeeld kleinere padformaten nodig zijn dan bij standaard digitale ontwerpen. Hier zijn enkele aanvullende richtlijnen voor het bouwen van uw eigen PCB-componentvoetafdrukbibliotheek:

• Zorg ervoor dat alle bibliotheekcomponenten die u bouwt aanvaardbare padpatroongroottes hebben met een tussenruimte die voldoet aan de normen van de component.
• PCB-voetafdrukken moeten alle noodzakelijke elementen bevatten, zoals onderdeelcontouren, zeefdrukmarkeringen en referentie-aanduidingen.
• Een goede vuistregel is ervoor te zorgen dat uw fabrikant de onderdelen die u ontwerpt, kan bouwen voordat deze aan het definitieve ontwerp wordt voorgelegd.

Een andere optie is het gebruik van PCB-footprints van externe CAD-bibliotheekaanbieders. Fabrikanten van onderdelen bouwen vaak vooraf hun eigen componenten voor uw ontwerpsysteem, en sommige tools hebben browsers waarmee u deze onderdelen gemakkelijk kunt downloaden.

PCB-overzicht en laagstapeling

Voordat u met de PCB-indeling begint, moet u samenwerken met mechanische ontwerpers om een ​​goede omtrekvorm te verkrijgen. Hoewel ontwerpfactoren later kunnen worden gewijzigd, kunnen eventuele wijzigingen een aanzienlijk herontwerp van het circuit afdwingen om aan de nieuwe vorm tegemoet te komen. Bovendien accepteren de meeste CAD-tools gegevens die zijn geïmporteerd uit mechanische ontwerpsystemen, waardoor uw werk eenvoudiger wordt. Maar zelfs met geïmporteerde gegevens moet u er nog steeds voor zorgen dat de PCB-omtrek correct is en alle noodzakelijke CAD-elementen bevat die nodig zijn voor uw ontwerp, zoals uitsluitingszones.

De lagenopbouw moet ook voltooid zijn voordat met de lay-out wordt begonnen. Deze kan later weliswaar worden aangepast, maar de mogelijke impact op bestaande circuits kan uw ontwerpplanning en budget verstoren. De lagenopbouw moet ook nauwkeurig worden afgestemd op uw specifieke ontwerp om ervoor te zorgen dat de juiste laagconfiguratie wordt geboden voor impedantiegestuurde routing en andere signaalintegriteitsvereisten. De keuze van het PCB-materiaal is in dit stadium ook cruciaal, zodat de juiste spoorbreedtes en andere ontwerpberekeningen kunnen worden gemaakt op basis van de fysische eigenschappen van het materiaal. Deze eigenschappen omvatten de diëlektrische constante, isolatiekwaliteit, vochtabsorptiesnelheid en dissipatiefactor.

CAD-parameters en instellingen

Het is niet ongebruikelijk dat ontwerpers met de standaardinstellingen van hun CAD-systemen werken. De meeste CAD-systemen bieden gebruikers echter uitgebreide controle over kleuren, opvulpatronen, arcering en lettergroottes en -breedtes. Ook kunt u de weergave van bepaalde objecten wijzigen, het ene designelement boven het andere plaatsen, rasters instellen en lay-out- en routingvoorkeuren opgeven. Deze instellingen zijn ontworpen om uw werkefficiëntie te verbeteren en u kunt tijd besparen door de instellingen vooraf te optimaliseren.

Richtlijnen voor plaatsing van componenten

Zodra de CAD-bibliotheken, het PCB-overzicht en andere installatietaken zijn voltooid, kan het ontwerp beginnen. De eerste stap in dit proces is het plaatsen van de voetafdrukken van de PCB-componenten op het bord. Het plaatsen van componenten op het bord moet aan drie hoofdvereisten voldoen: circuitprestaties, maakbaarheid en toegankelijkheid.

Circuitprestaties

Bij hogesnelheidscircuits moeten de componenten zo dicht mogelijk bij elkaar worden geplaatst om korte, directe signaalpaden te realiseren, maar ze zijn niet de enige componenten met deze vereiste. Analoge circuits en voedingscomponenten moeten ook zo worden geplaatst dat hun gevoelige of hoge stroompaden zo kort mogelijk zijn. Dit helpt de inductie te verminderen en verbetert de signaal- en vermogensintegriteit. In sommige gevallen moeten deze componenten echter mogelijk worden gescheiden om busroutering of thermische isolatie mogelijk te maken.

Vervaardigbaarheid

Om de productiekosten zoveel mogelijk te minimaliseren, is het belangrijk om componenten zo eenvoudig mogelijk te vervaardigen. Componenten die te dicht bij elkaar staan, kunnen bijvoorbeeld niet automatisch worden geassembleerd of kunnen moeilijk te solderen zijn met geautomatiseerde soldeerprocessen. Hogere chipcomponenten zullen een schaduweffect veroorzaken wanneer golfsolderen wordt uitgevoerd in kleinere delen ervoor, wat resulteert in slechte soldeerverbindingen. Ongebalanceerd koper tussen twee soldeervlakken van kleine chipcomponenten zal een ongelijkmatige verwarming veroorzaken, waardoor het ene soldeervlak eerder smelt dan het andere, waardoor de andere kant naar boven wordt getrokken.

Toegankelijkheid

Printplaten moeten doorgaans handmatig worden getest en herwerkt, waarvoor toegang nodig is tot de componenten die moeten worden aangepakt. Als grotere componenten deze componenten aan het zicht onttrekken, kan dit hun werk tijdrovender maken of incidentele schade aan aangrenzende componenten veroorzaken. Op dezelfde manier kunnen connectoren, schakelaars en andere mens-machine-interfaces die ontoegankelijk zijn, ook de productie van de printplaat vertragen.

Een belangrijk leidend principe is dat de lay-out moet beginnen met een basisoverzicht van de componenten op het ontwikkelbord. Hierdoor kunt u strategieën bedenken voor het verdelen van de verschillende circuitgebieden op het bord om overlapping van analoge en digitale signalen te voorkomen.

Richtlijnen voor PCB-indeling: Effectieve plaatsing van componenten leidt tot routering

Richtlijnen voor PCB-routering

Voor ontwerpers van printplaten is het van cruciaal belang dat hun printplaten zodanig worden ingedeeld dat een optimale signaal- en stroomintegriteit wordt gecreëerd. Componenten moeten in optimale posities worden geplaatst om een ​​korte, directe routing te bereiken. Tegelijkertijd moet de printplaat zo worden ingericht dat alle netwerken volledig kunnen worden gerouteerd. Het balanceren van deze vereisten kan een behoorlijke uitdaging zijn bij ontwerpen met een hoge dichtheid. De eerste richtlijn voor de lay-out van een PCB-ontwerp is het opstellen van ontwerpregels en beperkingen voor routering.

Ontwerpregels en beperkingen

Technisch gezien moeten de configuratie van ontwerpregels en -beperkingen worden opgenomen in de parameters en instellingen. Omdat de meeste regels echter rechtstreeks van toepassing zijn op spoorroutering, nemen we ze hier op. Regels en beperkingen worden gebruikt om spoorbreedtes en -afstanden te regelen en kunnen worden ingesteld voor individuele netten, groepen netten die netklassen worden genoemd, of als standaardinstellingen voor alle niet-gespecificeerde netten. Ontwerpregels worden ook gebruikt om te bepalen welke via's worden geselecteerd voor verschillende netten, routeringslengtes en bijpassende lengtes, en welke lagen zijn toegestaan ​​voor het routeren van specifieke netten en routeringtopologieën. Bovendien worden ontwerpregels gebruikt om de afstand tussen componenten, zeefdrukregels, mechanische spelingen en vele andere beperkingen te controleren.

Signaal- en stroomintegriteit

Om optimale prestaties en signaalintegriteit te bereiken, moeten PCB-layoutontwerpers specifieke eisen stellen aan de routing van hun circuits. Ontwerpregels en -beperkingen zijn hierbij van pas komen, omdat ontwerpers hiermee fysieke routingparameters in CAD-systemen kunnen invoeren. Hoewel de exacte waarden variëren afhankelijk van de behoeften van de PCB, stellen ontwerpers doorgaans regels op om ervoor te zorgen dat de volgende richtlijnen worden gevolgd:

• Routes voor hogesnelheidstransmissie moeten kort en direct zijn.
• Spoorbreedtes, afstanden en toegestane lagen voor gecontroleerde impedantieroutering.
• Gespecificeerde spoorlengtes en lengtetoleranties voor routering met aangepaste lengte.
• Breedtes en afstanden voor differentiële paren.
• Breedtes en afstanden voor gevoelige signalen zoals klokken en bedieningselementen.
• Via typen voor verschillende netten.
• Spoorbreedtes en -afstanden voor analoge circuits.
• Spoorbreedtes en kopergewichten voor stroomcircuits met hoge stroomsterkte.

Een andere belangrijke richtlijn om te onthouden is het vermijden van het kruisen van gebieden tussen analoge en digitale routes bij routering in ontwerpen met gemengde signalen.

Effectieve richtlijnen voor stroom- en grondvlak

Voor moderne, snelle ontwerpen is de optimale aardingsstrategie vaak het gebruik van een of meer doorlopende aardingslagen op de binnenste lagen. Dit biedt uitstekende bescherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI) en zorgt voor duidelijke signaalpaden, wat de algehele signaalintegriteit verbetert. In gebieden waar aardingsvlakken onderbroken zijn vanwege unieke PCB-contouren of -kenmerken, moet routing in eventuele aardingsgaten op de printplaat worden vermeden. Als er geen doorlopende en aangrenzende aardingsvlakken zijn die als duidelijke retourpaden voor signalen dienen, kan uw ontwerp veel ongewenste ruis genereren. Hier volgen enkele richtlijnen voor voedings- en aardingsvlakken om in gedachten te houden:

• Grondlagen moeten grenzen aan signaallagen in a PCB-stapeling met hogesnelheidsroutering. Dit helpt hogesnelheidsroutering te beschermen tegen interferentie en zorgt voor een goed referentievlak voor signaalretourpaden.
• Gebruik thermische pads en beheer zorgvuldig de stroom- en aardverbindingen met het vliegtuig. De padradius van de kussenstrip moet breed genoeg zijn om hoge stroom te kunnen voeren, terwijl de mogelijkheid voor deze verbindingen om als radiatoren te fungeren wordt geëlimineerd.
• Plan de stroomaansluitingen en splits de stroomvlakken zorgvuldig om ervoor te zorgen dat er voldoende stroom wordt geleverd aan alle aangesloten componenten op de printplaat.

Vermijd het gelijktijdig routeren van analoge en digitale circuits in ontwerpen met gemengde signalen

Richtlijnen voor zeefdruk- en PCB-tests

Zodra het PCB-ontwerp klaar is, is het tijd om de lay-out af te ronden door de zeefdruklaag te verfijnen en testpunten toe te voegen. Referentiemarkeringen, onderdeelnummers en andere bedrijfsgegevens worden met inkt op de PCB aangebracht via het zeefdrukproces. Ontwerpers gebruiken hiervoor doorgaans de "zeefdruk"-laag in hun CAD-systeem.

Om ervoor te zorgen dat markeringen op de zeefdruklaag leesbaar zijn, volgen ontwerpers deze richtlijnen:

• Lijndiktes mogen niet minder zijn dan 4 mil.
• De lettergrootte mag niet kleiner zijn dan 24 mil.

Componentreferentieaanduidingen moeten worden hernoemd op basis van het rasterpatroon van het bedrijf om specifieke onderdelen op de printplaat te kunnen lokaliseren. Verplaats en roteer referentiemarkeringen zodat ze gemakkelijk leesbaar zijn. Vermeld indien nodig de polariteit en pin-one-markeringen.

Testpunten zijn cruciaal voor printplaten die bedoeld zijn voor massaproductie voor geautomatiseerde assemblageverificatie. Elk netwerk in het ontwerp moet een testpunt hebben, of het nu een bestaande doorlopende pin, via of een toegevoegd testpad voor oppervlaktemontage is. Testpunten moeten minstens 50 mil verwijderd zijn van andere objecten op de PCB, zoals componenten of pads, en minstens 100 mil verwijderd van de rand van de PCB. Deze waarden kunnen echter per leverancier verschillen, dus zorg ervoor dat u controleert wat de testpuntvereisten van de fabrikant zijn.