Mastering PCB Design: Strategies, Guidelines & Best Practices

PCB är analogt med skelettet och nervsystemet i elektroniska kretsar, och spelar en central roll i elektroniska ingenjörsprojekt. Men många individer saknar förståelse eller har otillräcklig kunskap om PCB-design.

Under mina universitetsår utvecklade jag ett särskilt intresse för design av kretskort och hårdvarukretsar, och jag studerade dessa ämnen flitigt. På den tiden trodde jag att det skulle vara idealiskt att säkra ett jobb som involverade datorstödd design (CAD) på en kontorsmiljö efter examen. Efter examen fick jag framgångsrikt en position på ett elektronikföretag i Guangzhou, där jag arbetade som PCB-ingenjör. Till en början var jag tvungen att vara väl insatt i olika uppgifter, inklusive schematisk ritning, komponentval, PCB-layout, prototyplödning, felsökning, skapande av stycklistor och förberedelse av arbetsinstruktioner. Denna erfarenhet markerade början på min resa inom elektronikindustrin.

Den avgörande rollen för schematiska diagram i PCB-design

Medan ett bra schematiskt diagram inte kan garantera bra routing, börjar kvalitetsrouting med ett bra schema. När du skapar ett schema krävs noggrann övervägande, med noggrann uppmärksamhet på signalflödet för hela kretsen. Ett jämnt och jämnt signalflöde från vänster till höger i schemat bör översättas till ett lika bra signalflöde på kretskortet. Det är tillrådligt att tillhandahålla så mycket användbar information som möjligt i schemat.

Ibland, när kretsdesigningenjörer inte är tillgängliga, kan kunder be om vår hjälp med att lösa kretsproblem. Konstruktörer, tekniker och ingenjörer som arbetar med detta arbete är ofta tacksamma, liksom vi. Förutom vanlig information som referensbeteckningar, strömförbrukning och tolerans, vilken annan information bör inkluderas i schemat? Följande förslag kan höja ett vanligt schema till ett förstklassigt sådant: inkludera vågformer, mekanisk information om höljet, tryckta linjelängder, tomma områden; ange vilka komponenter som ska placeras på kretskortet; ge justeringsinformation, komponentvärdeintervall, information om värmeavledning, tryckta linjer med kontrollerad impedans , anteckningar, koncisa beskrivningar av kretsåtgärder och mer.

Riktlinjer för effektivt samarbete i PCB-design

Om du inte designade routing själv, är det viktigt att avsätta gott om tid för att noggrant granska routingdesigners arbete. Vid denna tidpunkt kan en liten försiktighetsåtgärd uppväga hundra botemedel. Anta inte att routingpersonen kan förstå dina idéer. Dina åsikter och vägledning är mest avgörande i de inledande stadierna av routingdesignprocessen. Ju mer information du tillhandahåller och ju mer inblandad du är under routingprocessen, desto bättre blir kretskortet. Att upprätta en provisorisk slutföringspunkt för routingdesignern – snabb granskning av routningens framsteg enligt din önskade routing – kan förhindra att routingen kommer ur kurs, vilket minimerar sannolikheten för omarbetning.

Instruktioner för routingingenjören bör innehålla: en kort beskrivning av kretsfunktionen, ett PCB-schema som anger placeringen av ingångar och utgångar, PCB-stack-up-information (t.ex. korttjocklek, antal lager, detaljerad information om varje signallager och jord plan—effekt, jord, analog signal, digital signal och RF-signal); vilka signaler varje lager kräver; placeringskrav för kritiska komponenter; exakta placeringar av bypass-komponenter; vilka tryckta linjer är kritiska; vilka linjer kräver kontrollerad impedansutskrift; vilka linjer kräver matchade längder; komponentdimensioner; vilka utskrivna rader måste hållas isär (eller nära varandra); vilka linjer som måste hållas isär (eller nära varandra); vilka komponenter som måste hållas isär (eller nära varandra); vilka komponenter som behöver placeras ovanpå kretskortet och vilka som behöver placeras under. Klaga aldrig över att ge för mycket information till andra – Är det för lite? Ja; Är det för mycket? Nej.

Att lära sig av misstag: Vikten av komponentplacering i komplexa PCB-designer

För ungefär 10 år sedan designade jag ett ytmonterat kretskort i flera lager – båda sidor av kortet hade komponenter. Skivan säkrades i ett guldpläterat aluminiumhölje med många skruvar (på grund av mycket stränga stöttålighetskrav). Nålar för bias matning tillhandahölls genom brädan. Detta var en mycket komplex enhet. Vissa komponenter på kortet användes för inställningstestning (SAT). Däremot hade jag tydligt angett placeringen av dessa komponenter. Kan du gissa var alla dessa komponenter installerades? Det stämmer, de installerades på botten av brädet. När produktingenjören och teknikern var tvungna att ta isär hela enheten, slutföra inställningen och sedan sätta ihop den igen, var de inte nöjda. Jag har inte gjort det misstaget igen sedan dess.

Förbättra PCB-effektiviteten genom strategisk kretslayout

Precis som i PCB bestämmer positionen allt. Var en krets placeras på ett kretskort, var dess specifika kretselement är installerade och vilka andra kretsar som ligger intill den är allt avgörande.

Vanligtvis är positionerna för ingångar, utgångar och strömförsörjningar förutbestämda, men kretsarna mellan dem kräver viss "kreativitet". Det är därför att uppmärksamma routingdetaljer kommer att ge betydande avkastning. Med utgångspunkt från nyckelkomponenternas position, överväg den specifika kretsen och hela kretskortet. Att specificera positionerna för nyckelkomponenter och signalvägarna från början hjälper till att säkerställa att designen uppnår de förväntade operativa målen. Att få rätt design första gången kan minska kostnader och stress – och förkorta utvecklingscykeln.

Låt oss dessutom diskutera dessa "speciella kuddar" på PCB:n:

Först, teardrop pad. Teardrop är en droppkoppling mellan en pad och en ledare eller mellan en ledare och en via. Syftet med att sätta droppen är att förhindra kontaktpunkten mellan ledaren och dynan eller ledaren och via från att kopplas ur när kretskortet utsätts för en enorm yttre kraft, och även att få PCB-kretskortet att se vackrare ut. Teardropens funktion är att förhindra att signallinjens bredd plötsligt minskar, vilket kan göra kopplingen mellan routing och komponentpad smidigare och lösa problemet med lätt brytning av kopplingen mellan pad och routing.

1. Vid svetsning kan den skydda dynan och förhindra att dynan faller av under flera svetsningar.
2. Förbättra anslutningens tillförlitlighet (för att undvika sprickor orsakade av ojämn etsning och förskjutning av vias i produktionen)
3. Jämn impedans, reducera den skarpa förändringen av impedans I PCB-design, för att göra dynan mer robust och förhindra att dynan kopplas bort från ledaren under mekanisk korttillverkning, är ofta en övergångszon anordnad mellan dynan och ledaren, formad som en tår, därav ofta kallad en tår (Teardrops).

För det andra, urladdningstand. Denna sak kallas urladdningstand, urladdningsgap eller gnistgap. Gnistgapet är ett par trianglar med skarpa vinklar som pekar mot varandra, med trianglarnas spetsar åtskilda från maximalt 10 mil till minst 6 mil. En triangel är jordad och den andra är ansluten till signalledningen. Denna triangel är inte en komponent utan är gjord av kopparfolielager som används i kretskortets routingprocess. Dessa trianglar måste placeras på kretskortets översta lager (komponentsidan) och kan inte täckas med lödskydd.

1. Under överspänningstestning av omkopplande strömförsörjning eller ESD-testning kommer högspänning att genereras i båda ändarna av common mode-induktorn, vilket orsakar ljusbågsbildning. Om avståndet till omgivande komponenter är nära kan det skada de omgivande komponenterna. Därför kan ett urladdningsrör eller en varistor kopplas parallellt vid sina två ändar för att begränsa dess spänning och därmed spela en roll för att släcka ljusbågen. Även om det är effektivt att placera ett överspänningsskydd är det relativt dyrt.
2. Ett annat sätt är att lägga till en urladdningstand i båda ändarna av common mode-induktorn i PCB-designen, så att induktorn urladdar genom de två spetsiga ändarna av urladdningstanden, undviker urladdning genom andra banor, vilket minimerar påverkan på omgivande och efterföljande -scenkomponenter.

Utloppsgap kräver inga extra kostnader, rita dem bara på kretskortet när du ritar tavlan, men det är viktigt att notera att denna form av utloppsgap är ett luftformigt utloppsgap och endast kan användas i miljöer där ESD förekommer ibland. Om det används i miljöer där ESD förekommer ofta, kommer kolavlagringar att ackumuleras vid de två punkterna i triangeln på grund av frekvent urladdning, vilket så småningom orsakar en kortslutning på urladdningsgapet och orsakar en permanent kortslutning av signalledningen till marken, vilket resulterar i ett systemfel.

Faktum är att det finns många glädjeämnen i PCB-design, men bara genom att öva kommer du att få en djup förståelse. Om vänner har några känslor om PCB-design efter att ha läst den här artikeln kan de kontakta oss för utbyte.

För produktionsplanering är det också bra att jämföra detta ämne med val av kretskortsmaterial och jämförelse av ytfinish innan tillverkningen eller monteringspaketet slutförs.

Designbeslut från schema till tillverkningsrelease

Schematisk avsikt, placering, routing och exporterade tillverkningsfiler besvarar olika frågor. Använd designfasen och den fysiska begränsningen för att identifiera relevanta kontroller.

Slutsats

PCB-design är avgörande i elektroniken och bildar kretsens kärna. Ändå är förståelsen ofta begränsad. Grundliga scheman, detaljerade vågformer, mekanik och placeringar, stödjer kvalitetsdirigering. Noggrann granskning, tydlig kommunikation och tidig väg/komponentspecifikation förhindrar problem, säkerställer tillfredsställelse och optimerar effektiviteten. Specialiserade dynor (tårar, urladdningständer) ökar tillförlitligheten genom att förhindra att de lossnar och dämpa högspänning. Erfarenhet och kunskapsdelning är nyckeln till att bemästra PCB-design.