13 podstawowych zasad projektowania PCB (i zapobieganych przez nie usterek)

Schemat dowodzi, że pomysł może się sprawdzić; układ PCB decyduje o jego rzeczywistym działaniu po zbudowaniu. Ta sama lista połączeń może dać cichą, nadającą się do produkcji płytkę lub taką, która emituje hałas, psuje się z dużą prędkością, przegrzewa się i generuje błędy montażowe — różnica tkwi wyłącznie w rozmieszczeniu i trasowaniu ścieżek. Trzynaście poniższych zasad to te, które nasi inżynierowie najczęściej ignorowali w projektach przychodzących, uporządkowane w kolejności, w jakiej faktycznie układa się płytkę, i określone konkretnymi liczbami, które czynią je użytecznymi. Żadna z nich nie jest egzotyczna; solidny projekt i układ PCB zapobiegają znacznej większości możliwych do uniknięcia ponownych uruchomień.

Poniższe informacje odzwierciedlają to, na co zwraca uwagę nasz zespół DFM w Highleap Electronics podczas przeglądu projektu przed rozpoczęciem produkcji.

1. Dlaczego układ PCB jest ważniejszy niż schemat

Każda sieć na płytce to fizyczna struktura z rezystancją, indukcyjnością i pojemnością oraz prądem powrotnym, który musi dotrzeć do domu. Schemat ukrywa to wszystko; układ to ujawnia. Zachowanie elektromagnetyczne, integralność sygnału o dużej szybkości, wydajność termiczna, a nawet wydajność produkcji zależą od rozmieszczenia elementów i sposobu ich łączenia miedzią – dlatego doświadczony inżynier może uratować zawodny projekt, a niedbały może zrujnować dobry schemat. Traktowanie najlepszych praktyk projektowania PCB jako reguł, a nie preferencji, sprawia, że ​​płytka jest przewidywalna w całym procesie produkcyjnym.

2. Zasady układu PCB 1–7: Plan piętra, uziemienie i zasilanie

Pierwsze decyzje — jeszcze przed pierwszym śladem — wyznaczają górną granicę tego, jak dobra może być rada.

Zasada 1 — Plan piętra przed wyznaczeniem trasy

Najpierw rozmieść złącza, otwory montażowe i główne bloki funkcjonalne, grupując elementy według funkcji, aby sygnały przepływały w jednym kierunku na całej płytce. Przemyślany plan piętra skraca krytyczne sieci i zapobiega splątaniu połączeń, które wymusza późniejsze kompromisy.

Zasada 2 — Utrzymuj małe pętle prądowe

Każda ścieżka sygnału i zasilania tworzy pętlę z powrotem, a obszar pętli to element promieniujący i zbierający zakłócenia. Elementy i trasy należy rozmieszczać tak, aby każda pętla – zwłaszcza szybkie sygnały i gorące pętle regulatorów przełączających – była jak najmniejsza; emisja promieniowania jest skalowana wraz z obszarem pętli.

Zasada 3 — Zapewnij płycie solidną płaszczyznę uziemienia

Ciągła płaszczyzna uziemienia to najskuteczniejsze narzędzie do układania. Zapewnia powrót o niskiej impedancji bezpośrednio pod każdym sygnałem i nie należy jej dzielić ani rozdzielać pod ścieżkami o dużej szybkości, ponieważ sygnał przechodzący przez przerwę traci ścieżkę powrotu, jego impedancja skacze i promieniuje.

Zasada 4 — Odłącz się na dołku

Umieść kondensator odsprzęgający (zwykle o pojemności 0.1 µF, dobrany do rozmiaru układu) tuż przy pinie zasilania każdego układu scalonego, z krótką, szeroką ścieżką do płaszczyzny zasilania i masy, a następnie uzupełnij go pojemnością zbiorczą płytki. Kondensator umieszczony daleko lub podłączony przez długą, cienką ścieżkę dodaje indukcyjność i nie jest w stanie dostarczyć szybkiego prądu przejściowego wymaganego przez układ.

Zasada 5 — Oddzielne wejścia analogowe, cyfrowe i zasilania

Utrzymuj szumiące sekcje cyfrowe i impulsowe z dala od wrażliwych sekcji analogowych i RF oraz kieruj ich prądy powrotne tak, aby szum cyfrowy nie przepływał przez masę analogową. Podział według funkcji na planie piętra i łączenie mas w jednym, celowym punkcie tam, gdzie wymagają tego części o mieszanym sygnale.

Zasada 6 — Zaplanuj sieć dystrybucji energii

Zapewnij każdej szynie ścieżkę o niskiej impedancji: szerokie ścieżki lub dedykowane płaszczyzny, ścisłe połączenie zasilania z masą dla zapewnienia pojemności międzypłaszczyznowej oraz wystarczającą ilość miedzi, aby szyna nie opadała pod obciążeniem przejściowym. Słaba sieć dystrybucji zasilania objawia się jako zakłócenia maskujące błędy logiczne.

Zasada 7 — Użyj wystarczającej liczby warstw, aby spełnić zasady 3–6

Jeśli nie możesz zapewnić każdej warstwie sygnału sąsiedniej płaszczyzny odniesienia i zapewnić czystego przebiegu szyn, dodaj parę warstw. Płytka czterowarstwowa z odpowiednimi płaszczyznami zazwyczaj przewyższa ciasną płytkę dwuwarstwową, a dodanie miedzi jest tańsze niż koszt niezawodności uszkodzonego stosu.

3. Zasady projektowania płytek PCB 8–13: Trasowanie, impedancja i produkcja

Po ustaleniu planu piętra i płaszczyzn, można zaprojektować trasę, która przekształci plan w konstrukcję miedzianą bez jego zmiany.

Zasada 8 — Rozmiar śladów prądu i ciepła

Szerokość i waga ścieżki określają, ile prądu ona przenosi przy danym wzroście temperatury, zgodnie z normą IPC-2152 (i starszą normą IPC-2221). Świadomie dobieraj rozmiar ścieżek zasilania i masy, zamiast stosować domyślną szerokość sygnału, i poszerzaj je tam, gdzie prąd jest wysoki.

Zasada 9 — Utrzymuj sieci dużej prędkości krótkie, odpowiednio dobrane i dopasowane

Kieruj szybkie sygnały krótkimi i bezpośrednimi liniami, zawsze nad ciągłą płaszczyzną odniesienia, i określ dla nich kontrolowaną impedancję w stosie (zwykle 50 Ω dla pojedynczego końca, 90–100 Ω dla różnicowego). Dopasuj długość grup krytycznych czasowo i par różnicowych, a także trzymaj zegary i linie szybkiego przesyłu z dala od krawędzi płytki i wrażliwych sieci.

Zasada 10 — Kontrola przesłuchów i krawędzi płaszczyzn

Zastosuj zasadę 3W – odstęp między środkami ścieżek o szerokości co najmniej trzech ścieżek – aby ograniczyć przesłuchy między wrażliwymi ścieżkami równoległymi, oraz zasadę 20H , polegającą na odsunięciu płaszczyzn od krawędzi płytki w celu zmniejszenia promieniowania krawędziowego. Te tanie heurystyki zapobiegają kosztownym niespodziankom związanym z kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC).

Zasada 11 — Trasa o czystej geometrii

Stosuj zagięcia pod kątem 45° zamiast ostrych skrętów i unikaj ostrych kątów, które mogą zatrzymywać wytrawiacz podczas produkcji. Unikaj przelotek w padach, chyba że są wypełnione i pokryte powłoką, i minimalizuj zmiany warstw w szybkich sieciach, ponieważ każda przelotka dodaje kępkę i nieciągłość. Rozsądnie zalewaj i zszywaj miedź — nasze uwagi dotyczące zalewania miedzią i zszywania przelotek obejmują zszywanie przelotek zarówno w celu ekranowania, jak i rozpraszania ciepła.

Zasada 12 — Zarządzaj ścieżką cieplną i projektuj pod kątem montażu

Nałóż miedź na rozgrzane elementy, aby rozprowadzić ciepło, przelotki termiczne pod padami zasilania oraz połączenia termiczne na płaszczyznach, aby pady nadal dobrze się lutowały. Jednocześnie zwracaj uwagę na rozmieszczenie i odstępy między elementami, konsekwentnie ustawiaj podobne części, aby przyspieszyć inspekcję, i zostaw miejsce na poprawki wokół elementów i złącz o małym rozstawie – układ wpływa zarówno na niezawodność, jak i wydajność montażu.

Zasada 13 — Dodaj dostęp testowy i projekt do możliwości fabryki

Zapewnij punkty odniesienia dla maszyn do rozmieszczania, punkty testowe do testów w obwodzie lub testów funkcjonalnych oraz mechaniczne zabezpieczenia złączy i obudów – a następnie zachowaj minimalne limity producenta dotyczące ścieżek/przestrzeni, pierścienia, rozmiaru wierteł i liczby warstw. Teoretycznie idealna płytka, która przekracza możliwości produkcyjne, po prostu nie może zostać wyprodukowana, a dodanie dostępu testowego później zazwyczaj wymusza ponowne uruchomienie.

4. Typowe błędy w projektowaniu PCB, których należy unikać

Przedstawione powyżej zasady odnoszą się bezpośrednio do najczęściej występujących usterek, a ich rozpoznanie pomaga w ustaleniu objawów, a nie tylko przyczyn.

• Awaria emisji promieniowania podczas testu EMC zwykle prowadzi do rozdzielonego lub szczelinowego gruntu pod szybkimi sygnałami lub płaszczyznami nieodciągniętymi od krawędzi.
• Losowe błędy, które znikają po zbadaniu są to zazwyczaj problemy z integralnością zasilania: zbyt duże odsprzęgnięcie od układu scalonego lub szyna, która ugina się pod wpływem chwilowego obciążenia.
• Przegrzanie lub spadek napięcia na szynie pochodzi ze śladów zasilania o domyślnej szerokości, które nigdy nie zostały dostosowane do ich obecnego rozmiaru.
• Szybkie łącze, które nie zostanie zablokowane często oznacza, że ​​impedancja została zdefiniowana po przeprowadzeniu trasowania lub para różnicowa nigdy nie została dopasowana pod względem długości.
• Płyta, której nie można dokładnie przetestować ani umieścić oznacza, że ​​pominięto punkty odniesienia lub punkty testowe — odkryto je zbyt późno, aby można je było naprawić bez obracania.
• Późne „nie możemy tego zbudować” z fabryki wskazuje na ostre kąty, odstępy mniejsze od minimalnych lub niemożliwy do wykonania współczynnik proporcji wiertła.

Schemat we wszystkich jest ten sam: koszt przestrzegania zasady podczas układania jest znikomy, a koszt jej złamania to ponowny obrót, błąd na polu lub odrzucenie partii. Dyscyplina zwraca się już za pierwszym razem, gdy oszczędzi turę na planszy.

5. Projekt PCB i przegląd DFM w Highleap

Nawet staranny układ zyskuje na dodatkowej parze oczu, która zna ograniczenia fabryki. Kiedy wysyłasz projekt do Highleap, nasi inżynierowie przeprowadzają bezpłatną analizę DFM pod kątem powyższych zasad i naszych rzeczywistych możliwości – sprawdzając ścieżki i odstępy, pierścień pierścieniowy, rozmiary wierteł, układ warstw i impedancję, odciążenie termiczne, odstępy między elementami napięciowymi oraz dostęp testowy – zanim cokolwiek zostanie wyprodukowane. Celem nie jest przeprojektowanie płytki, ale wychwycenie kilku problemów, które w przeciwnym razie mogłyby się ujawnić jako problem z ponownym obrotem lub ugięciem.

Prześlij swoje pliki Gerber lub ODB++, a my prześlemy Ci konkretne, praktyczne uwagi, a następnie wykonamy i złożymy układ, który chcesz. Złapanie szczeliny lub niemożliwego do zbudowania odstępu na ekranie nic nie kosztuje; znalezienie go po pierwszym zbudowaniu kosztuje turę.

Uzyskaj bezpłatną ocenę DFM swojego układu

6. Często zadawane pytania dotyczące układu PCB

Jaka jest najważniejsza zasada projektowania PCB?

Zapewnij płytce solidną, ciągłą płaszczyznę uziemienia i nigdy jej nie przerywaj pod wpływem sygnałów o dużej prędkości. Zapewnia to ścieżkę powrotną o niskiej impedancji bezpośrednio pod każdą ścieżką, co pozwala kontrolować impedancję i minimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) – najważniejszy czynnik w układzie.

Gdzie należy umieścić kondensatory odsprzęgające?

Tuż przy pinie zasilania każdego układu scalonego, z krótkim, szerokim połączeniem z płaszczyzną zasilania i masą, wspieranym przez pojemność płyty. Kondensator umieszczony daleko lub podłączony przez długą, cienką ścieżkę dodaje indukcyjność i nie jest w stanie dostarczyć szybkiego prądu przejściowego układu.

Jak szeroka powinna być ścieżka PCB?

Wystarczająco szerokie, aby przenosić prąd przy akceptowalnym wzroście temperatury, w oparciu o masę miedzi, zgodnie z normami IPC-2152 lub IPC-2221. Ścieżki sygnałowe mogą być wąskie, ale ścieżki zasilania i masy powinny być przemyślanie dopasowane i poszerzone w miejscach o dużym natężeniu prądu.

Jakie są zasady 3W i 20H?

Zasada 3W oddziela wrażliwe ścieżki równoległe od siebie o co najmniej trzy szerokości ścieżek, od środka do środka, aby ograniczyć przesłuchy. Zasada 20H odsuwa płaszczyzny zasilania i masy od krawędzi płytki o około dwudziestokrotność grubości dielektryka, aby zmniejszyć promieniowanie krawędziowe.

Czy kąty proste rzeczywiście stanowią problem?

Efekt elektromagnetyczny narożników 90° jest niewielki przy większości prędkości, ale należy unikać ostrych kątów, ponieważ mogą one zatrzymywać trawiony materiał podczas obróbki. Frezowanie z zagięciami 45° to standardowa, czysta praktyka.

Dlaczego potrzebuję punktów odniesienia i punktów testowych?

Punkty odniesienia pozwalają maszynom układającym płytkę precyzyjnie zlokalizować ją, a punkty testowe umożliwiają testowanie w obwodzie lub testowanie funkcjonalne. Oba te elementy można praktycznie dowolnie dodawać podczas układania, ale często wymuszają ponowne rozkręcenie, jeśli zostaną pominięte i będą potrzebne później.

Ile warstw potrzebuję, aby uzyskać dobry układ?

Wystarczająco dużo, aby zapewnić każdej warstwie sygnału sąsiednią płaszczyznę odniesienia i przenieść szyny zasilania. Proste projekty działają na 2 lub 4 warstwach; gęste lub szybkie projekty wymagają 6 lub więcej warstw, aby spełnić zasady uziemienia i impedancji.