Miten suunnitellaan PCB-kortti?

Suunnittelemaan PCB-levy on yksi tärkeimmistä taidoista elektroniikkainsinöörityksessä. Riippumatta siitä, rakennatko yksinkertaisen yksikerroksisen prototyypin vai monikerroksisen monimutkaisen kokoonpanon, PCB-kortin suunnitteluprosessi noudattaa rakennettua järjestystä, joka määrittää suoraan, kuinka hyvin lopputuote toimii. Jokaisen vaiheen ymmärtäminen ennen suunnittelun aloittamista säästää aikaa, vähentää kustannusalttiita virheitä ja varmistaa, että PCB-kortti täyttää sekä sähköiset että mekaaniset vaatimukset.

Hyvin suunniteltu PCB-levy tasapainottaa signaalinlaatua, lämmönhallintaa, mekaanista soveltuvuutta ja valmistettavuutta. Jos PCB-levyn kehityksen jokin vaihe tehdään kiireellisesti, se johtaa usein asetteluvirheisiin, signaalihäiriöihin tai valmistusvirheisiin. Tämä opas käy läpi PCB-levyn suunnittelun olennaiset vaiheet loogisessa järjestyksessä: alusta piirischeman luomisesta aina valmistustiedostojen generointiin saakka, mikä antaa insinööreille ja suunnittelijoille luotettavan työnkulun, jota voidaan noudattaa joka kerta, kun aloitetaan uusi PCB-levyn projekti.

Piirischema ja komponenttisuunnittelu

Luotettavan piirischeman rakentaminen PCB-levylle

Jokainen PCB-kortin suunnittelu alkaa kytkentäkaaviolla. Kytkentäkaavio on looginen rakennuspiirros, joka määrittelee, miten jokainen komponentti yhdistetään sähköisesti. Ennen kuin piirtää yhtäkään johdinta PCB-kortillesi, sinun on oltava siisti ja täysin tarkistettu kytkentäkaavio, joka kuvaa tarkasti piiriäsi. Tämä sisältää oikeiden komponenttien arvojen määrittämisen, viitekoodien tarkistamisen sekä varmistamisen, että jokainen verkkoyhteys on nimetty ja päätetty asianmukaisesti. Huolimaton kytkentäkaavio johtaa suoraan virheelliseen PCB-kortin asettelua, jota on myöhemmin vaikea virheenpaikantaa.

Komponenttivalinta on olennainen osa kaavioita tehdessä mille tahansa PCB-kortille. Valitse komponentit, jotka ovat saatavilla kohde-PCB-kortin jalkakuviokirjastoissa ja jotka sopivat valittuun valmistusprosessiin, olipa se sitten pinnallisesti kiinnitettävien komponenttien (SMT) tai läpiviivattujen komponenttien asennusmenetelmä. Varmista, että jokaisen komponentin maapohjakuvio vastaa tarkasti sitä fyysistä osaa, jota aiot käyttää, sillä tässä vaiheessa tapahtuva epäsopivuus voi aiheuttaa koko PCB-kortin kokonaan epäonnistuneen kokoonpanon. Sähköisten sääntöjen tarkistuksen suorittaminen suunnitteluoikeudellisessa ohjelmassa auttaa havaitsemaan yhteysongelmia ennen siirtymistä asetteluvaiheeseen.

PCB-kortin rajoitusten määrittäminen varhaisessa vaiheessa

Ennen PCB-levyn asettelueditorin avaamista määritä suunnittelurajoitukset. Nämä sisältävät levyn mitat, kerrosten lukumäärän, pienimmän johdinleveyden, pienimmän läpiviennin koon, kuparin välimatkaa koskevat säännöt ja impedanssivaatimukset. Korkean nopeuden PCB-levyjen suunnittelussa ohjattuja impedanssijohdinosia tarvitaan, ja PCB-levyn valmistajalta vaaditaan tietoa dielektrisen kerroksiston rakenteesta, jotta ne voidaan valmistaa oikein. Näiden rajoitusten määrittäminen suunnittelusoftwaresi käyttöön tässä vaiheessa varmistaa, että työkalu ilmoittaa kaikista rajoituksia rikkovista tapauksista, kun asettelet PCB-levyäsi.

PCB-levyn asittelu ja komponenttien sijoittaminen

Strateginen komponenttien sijoittaminen PCB-levyllesi

Kun kytkentäkaavasi on valmis, siirrät komponenttisi piirilevyn kannen pinnalle. Komponenttien sijoittaminen on todennäköisesti vaikutusvaltainin askel piirilevyn suunnittelussa. Huono sijoittelu johtaa pitkiin signaalipolkuun, ruuhkautuneisiin reititysalueisiin ja mahdolliseen elektromagneettiseen häferenceen. Ryhmittele toiminnallisesti liittyvät lohkot yhdessä piirilevyn pinnalla. Esimerkiksi sijoita virtalähdekomponentit levyn reunalle ja poissa herkillä analogipiireillä. Sijoita kytkeytyskondensaattorit mahdollisimman lähelle jokaisen integroidun piirin (IC) virtapinnoja piirilevyllä vähentääksesi häiriöinduktanssia.

Ota huomioon mekaaniset rajoitukset komponenttien sijoittamisessa PCB-kortille. Liittimet täytyy saada kohdalleen kotelon leikkausaukkojen kanssa, kiinnitysreikien täytyy olla helposti päästävissä, ja lämmön tuottavat komponentit, kuten jänniteregulaattorit, täytyy sijoittaa paikkaan, jossa on riittävä ilmavirtaus tai lämmönpoistopinta. PCB-kortin tarkastelu lopullisen kotelonsa yhteydessä komponenttien sijoitteluvaiheessa estää kalliita uudelleenmuokkauksia prototyyppivaiheessa. Hyvin suunniteltu PCB-kortin asettelu vähentää reitityksen monimutkaisuutta ja parantaa kokonaissignaalilaatua.

Kerrosrakenteen suunnittelu PCB-kortillesi

Monikerroksisten PCB-levyjen suunnittelussa kerrosrakenteen määrittäminen on ratkaisevan tärkeää ennen routausta. Tyypillinen nelikerroksinen PCB-levy käyttää kahta signaalikerrosta, joiden välissä on virtataso ja maataso. Tämä järjestely parantaa merkittävästi tehonjakelua ja vähentää PCB-levyn elektromagneettisia emissioita. Korkeataajuus signaalien käsittelyyn tarkoitetuissa suunnitelmissa viite tasot täytyy olla jatkuvia ja katkeamattomia signaalijohdinten alapuolella, jotta PCB-levyn impedanssi pysyy vakiona. Keskustele kerrosrakenteestasi PCB-levyvalmistajan kanssa mahdollisimman varhaisessa vaiheessa, jotta voitte sopia materiaalivalinnoista ja kuparipaksuuksista.

Routaus, suunnittelusääntöjen tarkistukset ja valmistustiedostot

Signaalijohdinten routaus PCB-levyllä

Reititys on prosessi, jossa piirretään kuparitiet, jotka yhdistävät komponentit kytkentäkaavion mukaisesti piirilevylle. Aloita reitittämällä ensin kriittiset signaalipolut, kuten korkean nopeuden differentiaaliparit, kellotiedot ja virtaraidat. Nämä johdot piirilevyllä vaativat tiukkoja vaatimuksia pituussovitukselle, etäisyydelle ja impedanssille, ja nämä vaatimukset on täytettävä ennen yleisten signaalien reititystä. Käytä suunnitteluoftwaren interaktiivista reitittimeä säilyttääksesi etäisyysvaatimukset ja välttääksesi teräviä kulmia, jotka voivat aiheuttaa happokuplia piirilevyn kemiallisessa syövytyksessä. Kun kriittiset verkkoyhteydet on reititetty, suorita loput signaaliliitokset piirilevyllä.

Kuparitäytteet, joita kutsutaan myös tulvataytteiksi, ovat yleisesti käytettyjä piirilevyn suunnittelussa maadoitus- tai virtatasojen yhdistämiseen kunkin kerroksen käyttämättömiin alueisiin. Kiinteä maadoitustäyte piirilevyllä vähentää kohinaa, alentaa impedanssia ja tarjoaa lämmönjakotason hyötyä. Kun piirilevyn reititys on valmis, poista kaikki eristetyt kuparisaaret, jotka eivät ole kytketty mihinkään verkkoon, sillä ne voivat aiheuttaa ongelmia piirilevyn valmistuksen ja tarkastuksen aikana.

DRC-suoritus ja piirilevyn valmistustiedostojen valmistelu

Suunnittelusääntöjen tarkistuksen (DRC) suorittaminen on pakollinen vaihe ennen piirilevyn lähettämistä valmistukseen. DRC skannaa koko piirilevyn asettelun virheiden varalta, kuten riittämättömän välimatkan, kytkemättömien verkkojen, johdinleveyden rikkomusten ja silkkipainotuksen päällekkäisyyksien osalta. Kaikki DRC:n merkitsemät virheet on tarkistettava ja korjattava ennen kuin piirilevy on valmis tuotantoon. Tämän tarkistusvaiheen ohittaminen on yleinen syy piirilevyn valmistusvirheisiin ja viivästymiin.

Kun piirikortti (PCB) läpäisee DRC-tarkistuksen, luo Gerber-tiedostot, joita piirikorttivalmistaja käyttää fyysisen kortin valmistukseen. Nämä tiedostot sisältävät kuparikerrokset, tinanpeitteen kerrokset, silkkipainokerrokset, porauskuvaukset ja kortin ulkopiirin. Vahvista piirikorttivalmistajasi kanssa, mitä tiedostomuotoa ja nimeämissoveltuvaa käytetään. Monet piirikorttisuunnittelijat toimittavat myös materiaaliluettelon (BOM) ja kokoonpanopiirroksen Gerber-tiedostojen rinnalla varmistaakseen tarkan piirikortin kokoonpanon. Valmistusennakko näytön tarkastelu ennen tilauksen tekemistä antaa sinulle viimeisen mahdollisuuden havaita mahdolliset ongelmat.

UKK

Mitä ohjelmistoja käytetään yleisesti piirikorttien (PCB) suunnitteluun?

Useita EDA-työkaluja käytetään laajalti piirilevyn (PCB) suunnittelussa, mukaan lukien Altium Designer, KiCad, Eagle ja OrCAD. Oikean työkalun valinta piirilevyprojektillesi riippuu budjetistasi, piirilevyn monimutkaisuudesta ja tiimesi tuttuudesta työkalun kanssa. KiCad on suosittu avoimen lähdekoodin vaihtoehto piirilevyjen suunnittelijoille, jotka työskentelevät kustannustehokkuutta vaativissa projekteissa.

Kuinka monta kerrosta standardipiirilevyyn tarvitaan?

Yksinkertainen piirilevy, jossa komponenttitiheys on alhainen, voidaan usein valmistaa kahdella kerroksella. Monimutkaisemmat piirilevyt, joissa on tiukka komponenttiasettelu, useita virtalähteitä tai korkean nopeuden signaaleja, vaativat yleensä neljä tai useampia kerroksia, jotta saavutetaan riittävä signaalilaatu ja virtajakauma piirilevyllä.

Mitkä tiedostomuodot ovat välttämättömiä piirilevyn valmistukseen?

PCB-levyjen valmistuksen teollisuuden standardi on Gerber-tiedostomuoto, erityisesti RS-274X. Täydellinen PCB-levyn lähettäminen sisältää yleensä Gerber-tiedostot jokaiselle kuparikerrokselle, tinanpeitteen (solder mask) kerrokselle, tulostuskerrokselle (silkscreen), reikätyötiedoston Excellon-muodossa sekä PCB-levyn ulkokuvaajan (outline). Jotkin valmistajat hyväksyvät myös ODB++:n vaihtoehtona Gerberille PCB-levyjen tuotannossa.