การเรียนรู้การออกแบบ PCB: กลยุทธ์ แนวทาง และแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

PCB มีลักษณะคล้ายโครงกระดูกและระบบประสาทของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยมีบทบาทสำคัญในโครงการวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม บุคคลจำนวนมากขาดความเข้าใจหรือมีความรู้เกี่ยวกับการออกแบบ PCB ไม่เพียงพอ

ในช่วงที่เรียนมหาวิทยาลัย ฉันสนใจเป็นพิเศษในด้านการออกแบบแผงวงจรและฮาร์ดแวร์ และฉันศึกษาเกี่ยวกับเรื่องนี้มาโดยตลอด ตอนนั้น ฉันเชื่อว่าการหางานที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) ในสำนักงานหลังจากเรียนจบจะเป็นทางเลือกที่ดี หลังจากเรียนจบ ฉันได้งานที่บริษัทอิเล็กทรอนิกส์แห่งหนึ่งในเมืองกว่างโจว ซึ่งฉันทำงานเป็นวิศวกรด้าน PCB ในช่วงแรก ฉันต้องมีความรู้ความชำนาญในงานต่างๆ มากมาย เช่น การวาดแผนผัง การเลือกส่วนประกอบ การจัดวาง PCB การบัดกรีต้นแบบ การแก้ไขข้อบกพร่อง การสร้างรายการวัสดุ (BOM) และการเตรียมคำแนะนำในการทำงาน ประสบการณ์นี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการเดินทางของฉันในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

บทบาทสำคัญของแผนผังวงจรในการออกแบบ PCB

แม้ว่าแผนผังวงจรที่ดีจะไม่สามารถรับประกันการจัดเส้นทางที่ดีได้ แต่การจัดเส้นทางที่มีคุณภาพต้องเริ่มต้นจากแผนผังวงจรที่ดี เมื่อสร้างแผนผังวงจร จำเป็นต้องพิจารณาอย่างถี่ถ้วน โดยใส่ใจการไหลของสัญญาณของวงจรทั้งหมดอย่างรอบคอบ การไหลของสัญญาณที่ราบรื่นและสม่ำเสมอจากซ้ายไปขวาในแผนผังวงจรควรแปลผลเป็นการไหลของสัญญาณที่ดีเช่นเดียวกันบน PCB ขอแนะนำให้ระบุข้อมูลที่มีประโยชน์ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในแผนผังวงจร

บางครั้ง เมื่อวิศวกรออกแบบวงจรไม่ว่าง ลูกค้าอาจขอความช่วยเหลือจากเราในการแก้ไขปัญหาเกี่ยวกับวงจร นักออกแบบ ช่างเทคนิค และวิศวกรที่เกี่ยวข้องกับงานนี้มักจะรู้สึกขอบคุณ เช่นเดียวกับเรา นอกเหนือจากข้อมูลทั่วไป เช่น รหัสอ้างอิง การใช้พลังงาน และค่าความคลาดเคลื่อนแล้ว ควรมีข้อมูลอะไรเพิ่มเติมในแผนผังวงจรบ้าง ข้อเสนอแนะต่อไปนี้สามารถยกระดับแผนผังวงจรธรรมดาให้เป็นแผนผังวงจรคุณภาพสูงได้: รวมรูปคลื่น ข้อมูลทางกลเกี่ยวกับตัวเรือน ความยาวของเส้นพิมพ์ พื้นที่ว่าง ระบุว่าควรวางส่วนประกอบใดบนแผงวงจรพิมพ์ ให้ข้อมูลการปรับแต่ง ช่วงค่าของส่วนประกอบ ข้อมูลการกระจายความร้อน เส้นพิมพ์ที่มีอิมพี แดนซ์ควบคุมคำอธิบายประกอบ คำอธิบายการทำงานของวงจรอย่างกระชับ และอื่นๆ

แนวทางการทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิผลในการออกแบบ PCB

หากคุณไม่ได้ออกแบบเส้นทางด้วยตัวเอง จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องจัดสรรเวลาให้เพียงพอเพื่อตรวจสอบงานของผู้ออกแบบเส้นทางอย่างละเอียดถี่ถ้วน ในช่วงเวลานี้ การป้องกันเล็กน้อยอาจมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีแก้ไขร้อยวิธี อย่าคิดเอาเองว่าผู้ออกแบบเส้นทางจะเข้าใจแนวคิดของคุณได้ ความคิดเห็นและคำแนะนำของคุณมีความสำคัญที่สุดในขั้นตอนเริ่มต้นของกระบวนการออกแบบเส้นทาง ยิ่งคุณให้ข้อมูลมากขึ้นและมีส่วนร่วมมากขึ้นตลอดกระบวนการเส้นทาง PCB ที่ได้ก็จะยิ่งดียิ่งขึ้น การกำหนดจุดเสร็จสิ้นชั่วคราวสำหรับผู้ออกแบบเส้นทาง—การตรวจสอบความคืบหน้าของเส้นทางตามเส้นทางที่คุณต้องการอย่างรวดเร็ว—สามารถป้องกันไม่ให้เส้นทางหลงทางได้ จึงช่วยลดโอกาสในการแก้ไขซ้ำ

คำแนะนำสำหรับวิศวกรกำหนดเส้นทางควรประกอบด้วย: คำอธิบายสั้นๆ เกี่ยวกับฟังก์ชันวงจร แผนผัง PCB ที่ระบุตำแหน่งของอินพุตและเอาต์พุต ข้อมูลการวางซ้อน PCB (เช่น ความหนาของบอร์ด จำนวนชั้น ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับแต่ละชั้นสัญญาณและระนาบกราวด์—ไฟฟ้า กราวด์ สัญญาณอนาล็อก สัญญาณดิจิทัล และสัญญาณ RF) สัญญาณใดที่แต่ละชั้นต้องการ ข้อกำหนดในการวางตำแหน่งสำหรับส่วนประกอบที่สำคัญ ตำแหน่งที่แน่นอนของส่วนประกอบบายพาส เส้นพิมพ์ใดมีความสำคัญ เส้นใดที่ต้องการการพิมพ์อิมพีแดนซ์ที่ควบคุมได้ เส้นใดต้องการความยาวที่ตรงกัน ขนาดของส่วนประกอบ เส้นพิมพ์ใดที่ต้องเว้นระยะห่าง (หรือชิดกัน) เส้นใดที่ต้องเว้นระยะห่าง (หรือชิดกัน) ส่วนประกอบใดที่ต้องเว้นระยะห่าง (หรือชิดกัน) ส่วนประกอบใดที่ต้องวางไว้บน PCB และส่วนประกอบใดที่ต้องวางไว้ด้านล่าง อย่าบ่นว่าให้ข้อมูลกับผู้อื่นมากเกินไป—น้อยเกินไปหรือไม่ ใช่ มากเกินไปหรือไม่ ไม่

การเรียนรู้จากความผิดพลาด: ความสำคัญของการวางส่วนประกอบในงานออกแบบ PCB ที่ซับซ้อน

ประมาณ 10 ปีที่แล้ว ฉันได้ออกแบบแผงวงจรแบบติดตั้งบนพื้นผิวหลายชั้น โดยทั้งสองด้านของแผงวงจรมีส่วนประกอบต่างๆ แผงวงจรได้รับการยึดด้วยตัวเรือนอะลูมิเนียมชุบทองด้วยสกรูจำนวนมาก (เนื่องจากข้อกำหนดด้านความทนทานต่อแรงกระแทกที่เข้มงวดมาก) พินสำหรับการป้อนกระแสแบบเอียงจะผ่านแผงวงจร นี่เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมาก ส่วนประกอบบางส่วนบนแผงวงจรใช้สำหรับการทดสอบการตั้งค่า (SAT) อย่างไรก็ตาม ฉันได้ระบุตำแหน่งของส่วนประกอบเหล่านี้ไว้อย่างชัดเจน คุณเดาได้ไหมว่าส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้ติดตั้งอยู่ที่ใด ถูกต้องแล้ว ส่วนประกอบเหล่านี้ติดตั้งอยู่ที่ด้านล่างของแผงวงจร เมื่อวิศวกรผลิตภัณฑ์และช่างเทคนิคต้องถอดประกอบอุปกรณ์ทั้งหมด ตั้งค่าให้เสร็จสิ้น จากนั้นจึงประกอบกลับเข้าที่ พวกเขาไม่พอใจ ฉันไม่ได้ทำผิดพลาดเช่นนั้นอีกเลยนับจากนั้น

เพิ่มประสิทธิภาพ PCB ผ่านการจัดวางวงจรเชิงกลยุทธ์

เช่นเดียวกับ PCB ตำแหน่งจะกำหนดทุกอย่าง ตำแหน่งที่จะวางวงจรบน PCB ตำแหน่งที่ติดตั้งองค์ประกอบวงจรเฉพาะ และวงจรอื่นๆ ที่อยู่ติดกับวงจรนั้น ล้วนมีความสำคัญทั้งสิ้น

โดยทั่วไป ตำแหน่งของอินพุต เอาท์พุต และแหล่งจ่ายไฟจะกำหนดไว้ล่วงหน้า แต่วงจรระหว่างทั้งสองนั้นต้องใช้ "ความคิดสร้างสรรค์" ดังนั้น การใส่ใจในรายละเอียดการกำหนดเส้นทางจึงให้ผลตอบแทนที่สำคัญ เริ่มต้นจากตำแหน่งของส่วนประกอบสำคัญ ให้พิจารณาวงจรเฉพาะและ PCB ทั้งหมด การระบุตำแหน่งของส่วนประกอบสำคัญและเส้นทางสัญญาณตั้งแต่เริ่มต้นจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าการออกแบบจะบรรลุเป้าหมายการทำงานที่คาดหวัง การออกแบบให้ถูกต้องตั้งแต่ครั้งแรกสามารถลดต้นทุนและความเครียดได้ รวมทั้งย่นระยะเวลาในการพัฒนา

นอกจากนี้ เรามาพูดคุยกันถึง “แผ่นพิเศษ” บน PCB กัน:

ประการแรก แผ่นรองหยดน้ำ แผ่นรองหยดน้ำเป็นการเชื่อมต่อแบบหยดน้ำระหว่างแผ่นรองและตัวนำหรือระหว่างตัวนำและ via จุดประสงค์ในการตั้งค่าแผ่นรองหยดน้ำคือเพื่อป้องกันไม่ให้จุดสัมผัสระหว่างตัวนำและแผ่นรองหรือระหว่างตัวนำและ via หลุดออกเมื่อแผงวงจรได้รับแรงภายนอกจำนวนมาก และยังทำให้แผงวงจร PCB ดูสวยงามยิ่งขึ้น หน้าที่ของแผ่นรองหยดน้ำคือเพื่อป้องกันไม่ให้ความกว้างของเส้นสัญญาณแคบลงอย่างกะทันหัน ซึ่งสามารถทำให้การเชื่อมต่อระหว่างการกำหนดเส้นทางและแผ่นรองส่วนประกอบราบรื่นขึ้นและแก้ปัญหาการแตกหักง่ายของการเชื่อมต่อระหว่างแผ่นรองและการกำหนดเส้นทาง

1. ในงานเชื่อม สามารถปกป้องแผ่นเชื่อมและป้องกันไม่ให้แผ่นเชื่อมหลุดออกในระหว่างการเชื่อมหลายครั้ง
2. เพิ่มความน่าเชื่อถือของการเชื่อมต่อ (เพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตกร้าวที่เกิดจากการกัดที่ไม่สม่ำเสมอและการชดเชยของ vias ในการผลิต)
3. ความต้านทานที่ราบรื่น ลดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของความต้านทาน ในการออกแบบ PCB เพื่อให้แผ่นรองแข็งแรงมากขึ้นและป้องกันไม่ให้แผ่นรองหลุดออกจากตัวนำในระหว่างการสร้างแผงวงจรเชิงกล โซนเปลี่ยนผ่านมักจะถูกจัดเตรียมไว้ระหว่างแผ่นรองและตัวนำ โดยมีรูปร่างเหมือนหยดน้ำ ดังนั้นจึงมักเรียกว่าหยดน้ำ (Teardrops)

ประการที่สอง ช่องปล่อยประจุ สิ่งนี้เรียกว่า ช่องปล่อยประจุ หรือช่องว่างประกายไฟ ช่องว่างประกายไฟเป็นรูปสามเหลี่ยมสองรูปที่มีมุมแหลมชี้เข้าหากัน โดยปลายของสามเหลี่ยมแต่ละรูปมีระยะห่างกันตั้งแต่ 10 มิลลิเมตรถึง 6 มิลลิเมตร สามเหลี่ยมรูปหนึ่งต่อลงดิน และอีกรูปหนึ่งต่อกับสายสัญญาณ สามเหลี่ยมนี้ไม่ใช่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ แต่ทำจากแผ่นฟอยล์ทองแดงที่ใช้ในกระบวนการเดินสายบนแผ่นวงจรพิมพ์ สามเหลี่ยมเหล่านี้ต้องวางไว้บนชั้นบนสุด (ด้านชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์) ของแผ่นวงจรพิมพ์ และไม่สามารถปิดทับด้วยสารกันบัดกรีได้

1. ในระหว่างการทดสอบไฟกระชากของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งหรือการทดสอบ ESD แรงดันไฟฟ้าสูงจะถูกสร้างขึ้นที่ปลายทั้งสองข้างของตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไป ทำให้เกิดการอาร์ก หากระยะห่างจากส่วนประกอบโดยรอบใกล้กัน อาจทำให้ส่วนประกอบโดยรอบเสียหายได้ ดังนั้น สามารถเชื่อมต่อท่อระบายหรือวาริสเตอร์แบบขนานที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อจำกัดแรงดันไฟฟ้าและจึงมีบทบาทในการดับอาร์ก แม้ว่าการวางอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะมีประสิทธิภาพ แต่ก็มีราคาค่อนข้างแพง
2. อีกวิธีหนึ่งคือการเพิ่มฟันระบายประจุที่ปลายทั้งสองข้างของตัวเหนี่ยวนำโหมดทั่วไปในการออกแบบ PCB เพื่อให้ตัวเหนี่ยวนำระบายประจุผ่านปลายแหลมทั้งสองข้างของฟันระบายประจุ โดยหลีกเลี่ยงการระบายประจุผ่านทางอื่นๆ จึงลดผลกระทบต่อส่วนประกอบรอบข้างและส่วนประกอบในขั้นตอนต่อๆ ไปให้เหลือน้อยที่สุด

ช่องว่างการคายประจุไม่จำเป็นต้องมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม เพียงแค่วาดลงบน PCB เมื่อวาดบอร์ด แต่สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าช่องว่างการคายประจุรูปแบบนี้เป็นช่องว่างการคายประจุแบบอากาศและสามารถใช้ได้เฉพาะในสภาพแวดล้อมที่เกิด ESD เป็นครั้งคราวเท่านั้น หากใช้ในสภาพแวดล้อมที่เกิด ESD บ่อยครั้ง คาร์บอนจะสะสมที่จุดสองจุดของสามเหลี่ยมเนื่องจากการคายประจุบ่อยครั้ง ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรในช่องว่างการคายประจุในที่สุดและทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรถาวรของสายสัญญาณลงกราวด์ ส่งผลให้ระบบล้มเหลว

จริงๆ แล้วการออกแบบ PCB นั้นมีข้อดีอยู่หลายอย่าง แต่การฝึกฝนเท่านั้นที่จะทำให้เราเข้าใจอย่างลึกซึ้ง หากเพื่อนๆ มีความรู้สึกอย่างไรเกี่ยวกับการออกแบบ PCB หลังจากอ่านบทความนี้แล้ว สามารถติดต่อเรามาเพื่อแลกเปลี่ยนความคิดเห็นได้

สำหรับการวางแผนการผลิต การเปรียบเทียบหัวข้อนี้กับการเลือกวัสดุ PCBและการเปรียบเทียบความเรียบของพื้นผิวก่อนสรุปแพ็คเกจการผลิตหรือการประกอบ ก็เป็นประโยชน์เช่นกัน

สรุป

การออกแบบ PCB มีความสำคัญอย่างยิ่งในอิเล็กทรอนิกส์ โดยเป็นส่วนประกอบหลักของวงจร อย่างไรก็ตาม ความเข้าใจมักมีจำกัด แผนผังวงจรที่ละเอียดถี่ถ้วน รายละเอียดของรูปคลื่น กลไก และตำแหน่งต่างๆ จะช่วยสนับสนุนการกำหนดเส้นทางที่มีคุณภาพ การตรวจสอบอย่างเข้มงวด การสื่อสารที่ชัดเจน และการระบุเส้นทาง/ส่วนประกอบในระยะเริ่มต้นช่วยป้องกันปัญหา รับประกันความพึงพอใจ และเพิ่มประสิทธิภาพให้เหมาะสม แผ่นรองพิเศษ (หยดน้ำ ฟันคายประจุ) ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยป้องกันการหลุดออกและลดแรงดันไฟฟ้าสูง การแบ่งปันประสบการณ์และความรู้ถือเป็นกุญแจสำคัญในการเชี่ยวชาญการออกแบบ PCB