Mikä on PCB-suunnittelu? Perustiedot, vaiheet, pinoaminen ja vianmääritysvinkit

Mikä on PCB-suunnittelu?

PCB-suunnittelu on prosessi, jossa elektroninen piirikaavio muunnetaan fyysiseksi levyasetelmaksi, joka voidaan valmistaa. Suunnittelija määrittelee, missä kukin komponentti sijaitsee, miten kuparijäljet ​​ne yhdistävät, kuinka monta kerrosta levy vaatii ja mitkä materiaalit ja toleranssit valmistajan tulee täyttää. Tulos on joukko Gerber-tiedostoja – alan standardimuotoa, joka ohjaa automatisoituja valmistuslaitteita.

Valmis PCB on enemmän kuin pysyväksi tehty kytkentäkaavio. Se on mekaaninen rakenne, lämmönhallintajärjestelmä ja sähkömagneettinen ympäristö kerralla. Hyvin suunniteltu kortti reitittää signaalit siististi, hajottaa lämpöä tehokkaasti ja läpäisee EMC-testauksen. Huonosti suunniteltu voi toimia penkillä, mutta epäonnistua kentällä melun, ylikuulumisen tai virran eheysongelmien vuoksi, jotka ilmenevät vain todellisissa käyttöolosuhteissa.

Perusteet PCB Suunnittelu jokaisen insinöörin tulisi tietää

Ennen kuin avaat minkä tahansa EDA-työkalun, suunnittelijan on tunnettava kourallinen peruskäsitteitä, jotka ohjaavat jokaista asettelun aikana tehtyä päätöstä.

Tasot ja pinoaminen

Piirilevyt koostuvat vuorottelevista kupari- ja dielektrisistä (eristys) kerroksista, jotka on laminoitu yhteen. Yksinkertaiset mallit käyttävät 2 kerrosta; levyt, joilla on suurempi komponenttitiheys tai tiukemmat signaalin eheysvaatimukset, käyttävät 4, 6, 8 tai enemmän. Jokaisella kerroksella on rooli - signaalin reititys, maaviittaus tai tehonjako - ja näiden kerrosten järjestelyä kutsutaan pinoamiseksi.

Impedanssi ja signaalin eheys

Korkeilla taajuuksilla kuparijälki käyttäytyy siirtolinjana. Sen ominaisimpedanssi — määritetään jäljen leveyden, kuparin paksuuden, dielektrisyysvakion ja etäisyyden lähimpään vertailutasoon mukaan — on vastattava lähde- ja kuormitusimpedanssia heijastusten estämiseksi. Useimmat digitaaliset liitännät tähtäävät 50 Ω yksipäiseen tai 100 Ω differentiaaliin. Näistä arvoista poikkeaminen aiheuttaa signaalin heikkenemistä, joka pahenee taajuuden myötä.

Paluuvirrat ja vertailutasot

Jokaisella signaalivirralla on paluutie. Korkeilla taajuuksilla paluuvirta kulkee suoraan signaalijäljen alapuolella lähimmässä vertailutasossa - ei lyhimmän tasavirtapolun kautta. Tämän paluupolun keskeyttäminen , esimerkiksi reitittämällä jälki tason jaon tai raon poikki, pakottaa paluuvirran kiertämään ja luo silmukka-antennin, joka säteilee EMI:tä. Vertailutasojen pitäminen jatkuvina nopeiden reititysten alla on yksi vaikuttavimmista suunnittelijan tekemistä asettelupäätöksistä.

Piirilevyn suunnitteluvaiheet

Piirilevyn suunnitteluprosessi noudattaa johdonmukaista järjestystä levyn monimutkaisuudesta riippumatta. Vaiheiden ohittaminen – erityisesti suunnittelun varhaiset tarkastelut – johtaa tyypillisesti kalliisiin uudelleenpyöräytyksiin.

1. Kaaviomainen sieppaus : Määritä kaikki komponentit, verkkoliitännät ja sähkösäännöt EDA-työkalussa. Määritä jalanjäljet ​​jokaiselle komponentin symbolille.
2. Suunnitteluvaatimukset ja rajoitukset : Asiakirjalevyn mitat, kerrosten lukumäärä, vähimmäisjäljitys-/välisäännöt, impedanssikohteet, lämpövaatimukset ja säädösstandardit (IPC-2221, IPC-2152 jne.).
3. Pinoamisen määritelmä : Valitse kerrosten lukumäärä, materiaali, dielektrisen paksuus ja kuparin paino. Vahvista impedanssitavoitteet valmistajalta ennen reitityksen aloittamista.
4. Komponenttien sijoitus : Sijoita komponentit minimoimaan kriittisten verkkojen jälkipituudet, ryhmiin liittyvät piirit, kunnioittamaan lämpövyöhykkeitä ja täyttämään mekaaniset rajoitukset. Sijoitus ohjaa 80 % reitityksen laadusta.
5. Virta- ja maareititys : Reititä tehokiskot ja määritä maatasot ennen signaalin reititystä. Irrotuskondensaattoreiden on sijaittava mahdollisimman lähellä IC-virtanastoja.
6. Signaalin reititys : Reititä nopeat ja herkät signaalit ensin, säilyttäen impedanssin, minimoimalla siirtymät ja pitämällä differentiaaliparit kytkettyinä ja pituudeltaan sovitettuina.
7. Suunnittelusäännön tarkistus (DRC) : Suorita automaattisia tarkistuksia välysrikkomusten, kytkemättömien verkkojen, rengasmaisen renkaan koon ja valmistusrajoitusten varalta.
8. Gerberin sukupolven ja valmistuksen katsaus : Vie valmistustiedostot ja tarkista ne Gerber-katseluohjelmassa ennen lähettämistä. Vahvista pinoaminen, poraus ja silkkipaino valmistajalta.

Esimerkki 6-kerroksisesta piirilevystä

6-kerroksinen pino on käytännöllisin päivitys 4-kerroksisesta levystä, kun suunnitteluun liittyy nopeita liitäntöjä, tiheää BGA-reititystä tai tiukkoja EMI-vaatimuksia. Lisäkerrosten ansiosta omistetut vertailutasot voivat haarukoida sisäiset signaalikerrokset, mikä luo kontrolloidun liuskajohtoympäristön, joka vähentää säteilyä ja ylikuulumista.

Tavallinen 6-kerroksinen järjestely 1,6 mm FR-4-levylle:

Kun L2 on maa ja L4 tehona, Layer 3 on todellisessa liuskajohtokokoonpanossa – kahden vertailutason välissä – mikä tekee siitä oikean kodin kaikkein meluherkimmille signaaleille. Ohut prepreg L1:n ja L2:n välillä (tyypillisesti 3–4 mil) pitää 50 Ω:n jälkileveydet saavutettavissa noin 4–5 miljoonalla, mikä on yhteensopiva tavallisten valmistusprosessien kanssa.

PCB:n vianmääritys

Jopa hyvin suunnitellut levyt tulevat toisinaan valmistuksesta viallisina tai epäonnistuvat asennuksen jälkeen. Jäsennelty vianetsintäprosessi – satunnaisen komponenttien vaihdon sijaan – löytää viat nopeammin ja välttää sivuvahingot.

Vaihe 1: Silmämääräinen tarkastus ennen virran kytkemistä

Tarkastele suurennuksen alaisena, onko levyllä juotossiltoja hienojakoisissa IC:issä, kylmiä liitoksia (himmeä ja rakeisia mieluummin kuin sileitä ja kiiltäviä), puuttuvia tai käänteisiä osia ja mahdollisia näkyviä jälkivaurioita. Huomattava osa kokoonpanovirheistä on näkyvissä ennen kuin mitään instrumenttia tarvitaan.

Vaihe 2: Power Rail -vahvistus

Ennen kuin otat täyden tehon käyttöön, mittaa kunkin virtakiskon vastus maahan yleismittarilla. Matala tai lähellä nollaa oleva lukema osoittaa oikosulun – yleisiä syitä ovat juotossillat, vaurioituneet kondensaattorit tai käänteinen polarisoitu komponentti. Kun se on selvä, syötä virtaa virtarajoitetun pöytälähteen kautta, joka on asetettu juuri odotetun kulutuksen yläpuolelle. Kaatuva kisko kuorman alla viittaa ylikuormitettuun säätimeen tai oikosulkuun loppupään komponenttiin.

Vaihe 3: Signaalitason diagnoosi

Kun kiskot on vahvistettu hyväksi, tarkista kellosignaalit, nollaa linjat ja tietoliikenneväylän toiminta oskilloskoopilla. Puuttuvat kellot, juuttuneet nollauslinjat tai virheellisesti muotoillut SPI/I2C/UART-aaltomuodot osoittavat kukin tiettyyn vika-alueeseen. Logiikka-analysaattori on tehokkaampi kuin oskilloskooppi monisignaalisen digitaalisen väylän käyttäytymisen sieppaamiseen ajan kuluessa.

Vaihe 4: Komponenttitason testaus

Jos signaalin jäljitys eristää epäillyn komponentin, piirin sisäiset resistanssimittaukset (virran ollessa pois päältä) voivat vahvistaa passiivisten liitosten avoimet tai oikosulut. IC-piirien nastajännitteiden vertaaminen tietolomakkeen käyttöehtotaulukkoon kaventaa nopeasti, vastaanottaako laite oikeat syöttö-, referenssi- ja aktivointisignaalit. Kun komponentin todetaan olevan viallinen, vaihda se tunnettuun osaan ennen johtopäätösten tekemistä – korvaaminen toisella osalla samasta mahdollisesti viallisesta erästä ei ratkaise mitään.