Hur designar man en PCB-platta?

Att designa en PCB-plattor är en av de mest kritiska färdigheterna inom elektronikingenjörsområdet. Oavsett om du bygger en enkel enkellagersprototyp eller en komplex flerlagersmontering följer designprocessen för kretskortplattan en strukturerad sekvens som direkt avgör hur väl din slutgiltiga produkt fungerar. Att förstå varje steg innan du påbörjar arbetet sparar tid, minskar kostsamma fel och säkerställer att din kretskortplatta uppfyller både elektriska och mekaniska krav.

En välutformad kretskortspåla balanserar signalintegritet, värmehantering, mekanisk passning och tillverkningsbarhet. Att skynda på någon av stegen i utvecklingen av ett kretskort leder ofta till layoutfel, signalstörningar eller avslag på tillverkning. Den här guiden går igenom de väsentliga stegen i kretskortets design i en logisk ordning, från den första schemaritningen till generering av tillverkningsfiler, och ger ingenjörer och designers en pålitlig arbetsgång att följa varje gång de påbörjar ett nytt kretskortsprojekt.

Schemaritning och komponentplanering

Att skapa ett pålitligt schema för ditt kretskort

Varje PCB-kortdesign börjar med en schematisk ritning. Schemat är den logiska blåprintsritningen som definierar hur varje komponent är elektriskt ansluten. Innan du placerar en enda ledning på ditt PCB-kort måste du ha ett rent och fullständigt verifierat schema som korrekt representerar din krets. Detta inkluderar att tilldela rätt komponentvärden, verifiera referensbeteckningar och säkerställa att varje nät är korrekt namngivet och avslutat. Ett slarvigt schema översätts direkt till en defekt PCB-kortlayout som är svår att felsöka senare.

Komponentval är en integrerad del av schematiskt arbete för alla PCB-kort. Välj komponenter som finns tillgängliga i dina mål-PCB-korts fotavtrycksbibliotek och som matchar din tillverkningsprocess, oavsett om det är ytmonteringsteknik eller genomhålsmontering. Bekräfta att varje komponents landmönster matchar den faktiska fysiska komponenten som du planerar att använda, eftersom en felmatchning i detta skede kan leda till att ditt PCB-kort inte går att montera alls. Att köra en elektrisk regelkontroll i dina konstruktionsprogram hjälper till att upptäcka anslutningsproblem innan du går vidare till layout.

Definiera begränsningar för PCB-kort tidigt

Innan du öppnar redigeringsprogrammet för kretskortets layout bör du definiera dina designbegränsningar. Dessa inkluderar kortets dimensioner, antal lager, minsta spårbredd, minsta genomgångsstorlek (via), regler för kopparavstånd och impedanskrav. För höghastighetskretskort är spår med kontrollerad impedans avgörande, och din kretskortstillverkare måste känna till dielektrikumsuppställningen för att kunna tillverka dem korrekt. Att ange dessa begränsningar i ditt designprogram vid detta skede säkerställer att verktyget markerar eventuella överträdelser när du routar ditt kretskort.

Kretskortslayout och komponentplacering

Strategisk komponentplacering på ditt kretskort

När ditt schema är färdigt flyttar du dina komponenter till PCB-kortets rityta. Komponentplaceringen är förmodligen det mest inflytande steget i PCB-kortets konstruktion. Dålig placering leder till långa signalvägar, överbelastade routningsområden och potentiell elektromagnetisk störning. Gruppera relaterade funktionsblock tillsammans på PCB-kortet. Placera till exempel strömförsörjningskomponenter nära kortets kant och bort från känsliga analoga kretsar. Placera avkopplingskondensatorer så nära som möjligt till varje integrerad krets (IC) på ditt PCB-kort för att minimera parasitisk induktans.

Ta hänsyn till mekaniska begränsningar vid placering av komponenter på kretskortet. Kontakter måste justeras med utskärningar i höljet, monteringshål måste vara tillgängliga och värmeutvecklande komponenter, såsom spänningsregulatorer, bör placeras där luftflöde eller värmeavledning är möjlig. Att granska kretskortet i sammanhanget med dess slutgiltiga hölje under placeringen förhindrar kostsamma omändringar i prototypfasen. En välplacerad kretskortslayout minskar routningskomplexiteten och förbättrar den totala signalkvaliteten.

Lageruppställning för ditt kretskort

För flerlagers PCB-kortdesigner är det avgörande att definiera lageruppställningen innan routning påbörjas. En typisk fyrlagers PCB-kort använder två signallager som omger ett strömplana och ett jordplan. Denna anordning förbättrar kraftfördelningen avsevärt och minskar elektromagnetiska utsläpp från PCB-kortet. För design med högfrekventa signaler måste referensplanen vara kontinuerliga och oavbrutna under signalkablarna för att bibehålla konstant impedans på PCB-kortet. Diskutera din lageruppställning tidigt med din PCB-korttillverkare för att säkerställa överenskommelse om materialval och kopparvikter.

Routning, designregelkontroller och tillverkningsfiler

Routning av spår på ditt PCB-kort

Routning är processen att rita kopparspåren som ansluter komponenterna enligt ditt schema på kretskortet. Börja med att routa kritiska signalvägar först, inklusive höghastighetsdifferenspar, klocksignaler och strömförsörjningsledningar. Dessa spår på ditt kretskort har strikta krav på längdanpassning, avstånd och impedans som måste uppfyllas innan allmän signalroutning utförs. Använd ditt designprogramms interaktiva router för att upprätthålla avståndsreglerna och undvika spetsiga vinklar, vilka kan orsaka syrfällor under kemisk ätning av kretskortet. När de kritiska nätverken är routade slutför du de återstående signalanslutningarna på ditt kretskort.

Kopparfyllningar, även kallade översvämningsfyllningar, används ofta i kretskortskonstruktioner för att ansluta jord- eller strömfärgplan över oanvända områden på varje lager. En solid jordfyllning på ditt kretskort minskar brus, sänker impedans och ger en termisk värmeutbredningsfördel. När routningen av ditt kretskort är slutförd ska alla isolerade kopparöar som inte är anslutna till ett nät tas bort, eftersom dessa kan orsaka problem under tillverkning och inspektion av kretskortet.

Köra DRC och förbereda filer för kretskortstillverkning

Att köra en designregelkontroll, vanligtvis kallad DRC, är ett obligatoriskt steg innan du skickar in ditt kretskort för tillverkning. DRC:n genomsöker hela kretskortets layout efter överträdelser såsom otillräcklig avstånd, icke-anslutna nät, spårbreddsoverträdelser och överlappning av silkscreen. Varje fel som markeras av DRC:n måste granskas och åtgärdas innan ditt kretskort är klart för produktion. Att hoppa över detta verifieringssteg är en vanlig orsak till att kretskort inte godkänns vid tillverkning och att det uppstår förseningar.

När kretskortet har godkänts av DRC (Design Rule Check) genererar du Gerber-filerna som din kretskortsleverantör kommer att använda för att tillverka det fysiska kortet. Dessa filer inkluderar kopparlager, lödmasklager, silkscreen-lager, borrfiler och kretskortets kontur. Bekräfta med din kretskortstillverkare vilket filformat och vilken namngivningskonvention de kräver. Många kretskortsdesigners levererar även en materiallista (BOM) och en monteringsritning tillsammans med Gerber-filerna för att säkerställa korrekt montering av kretskortet. Att granska en tillverkningsförhandsgranskning av ditt kretskort innan du lämnar beställningen ger dig en sista möjlighet att upptäcka eventuella fel.

Vanliga frågor

Vilken programvara används vanligtvis för att designa ett kretskort?

Flertalet EDA-verktyg används allmänt för PCB-kortdesign, bland annat Altium Designer, KiCad, Eagle och OrCAD. Rätt val för ditt PCB-kortprojekt beror på din budget, komplexiteten hos PCB-kortet och ditt teams bekantskap med verktyget. KiCad är ett populärt öppen källkodsalternativ för PCB-kortdesigners som arbetar med kostnadskänslomma projekt.

Hur många lager krävs ett standard-PCB-kort?

Ett enkelt PCB-kort med låg komponenttäthet kan ofta slutföras på två lager. Mer komplexa PCB-kortdesigner med hög komponenttäthet, flera strömdomäner eller höghastighetssignaler kräver vanligtvis fyra eller fler lager för att uppnå korrekt signalintegritet och strömfördelning på PCB-kortet.

Vilka filformat krävs för tillverkning av ett PCB-kort?

Industristandarden för tillverkning av kretskort är Gerber-filformatet, särskilt RS-274X. En komplett inlämning av ett kretskort inkluderar vanligtvis Gerber-filer för varje kopparlager, lödmask, silkscreen, en borrfil i Excellon-format samt konturen för kretskortet. Vissa tillverkare accepterar även ODB++ som ett alternativ till Gerber för produktion av kretskort.