Ontwerphandleiding voor printplaten

Printplaten, ook wel PCB's genoemd, vormen tegenwoordig de kern van elk elektronisch stuk. Deze kleine groene componenten zijn essentieel voor zowel alledaagse apparaten als industriële machines. PCB-ontwerp en lay-out is een belangrijk onderdeel van de functie van elk product - dit is wat het succes of falen van een apparaat bepaalt. Met de constante evolutie van de technologie zijn deze ontwerpen verder gegaan. Tegenwoordig hebben de complexiteit en verwachtingen van deze ontwerpen nieuwe hoogten bereikt, dankzij de innovatie van elektrotechnici.

De recente ontwikkelingen in PCB-ontwerpsystemen en -technologie hebben ingrijpende gevolgen gehad voor de hele industrie. Als gevolg hiervan zijn de ontwerpregels en productieprocessen van PCB's geëvolueerd om nieuwe lay-outs en mogelijkheden te bereiken. Tegenwoordig zijn kleinere sporen en meerlaagse borden gemeengoed in massaproductie van PCB's - dergelijke ontwerpen zouden jaren geleden ongehoord zijn geweest. PCB-ontwerpsoftware heeft ook geholpen bij deze vooruitgang. Deze programma's bieden tools waarmee elektronische ingenieurs vanaf het begin betere PCB's kunnen ontwerpen.

Zelfs met deze verbeterde mogelijkheden zijn printplaatlay-outs moeilijk te ontwerpen. Zelfs de meest ervaren elektronica-ingenieur kan moeite hebben met het maken van een circuit op een PCB of het ontwerpen van een PCB-bord volgens de beste praktijken in de industrie. Nog moeilijker is het creëren van een kwaliteitsbord om aan de behoeften van klanten te voldoen. Bij klantontwerpen is het balanceren van de functionaliteit van de PCB met de beste ontwerppraktijken een betrokken proces. Daarom hebben we het proces van het ontwerpen van PCB's geschetst, inclusief enkele essentiële PCB-ontwerpregels.

De behoefte bepalen

De eerste van de belangrijkste ontwerpstappen voor PCB's is een noodzaak. Voor de meeste elektrotechnici worden deze vereisten bepaald door de klant, die alle vereisten opsomt waaraan de PCB moet voldoen. De elektrotechnisch ingenieur moet vervolgens de door de klant genoemde wensen omzetten in elektronische vorm. In wezen betekent dit dat ze worden vertaald in een taal van elektronische logica, wat de ingenieur zal gebruiken bij het ontwerpen van de PCB.

De behoeften van het project bepalen verschillende aspecten van het ontwerp van de PCB. Dit omvat alles, van de materialen tot het uiteindelijke uiterlijk van de PCB zelf. De toepassing van de PCB, zoals medisch of automotive, zal vaak bepalend zijn voor de materialen in de PCB. Veel medische PCB's voor elektronische implantaten zijn bijvoorbeeld gemaakt met flexibele basen. Hierdoor passen ze in kleine ruimtes en zijn ze ook bestand tegen een interne organische omgeving. Het uiteindelijke uiterlijk van de PCB wordt voornamelijk bepaald door de circuits en functionaliteit - zo worden veel complexere PCB's gemaakt met meerdere lagen.

De elektronische ingenieur zal deze behoeften bepalen en opsommen, en vervolgens deze lijst met vereisten gebruiken om het initiële schema van de PCB en de stuklijst te ontwerpen.

Schema's

Het schematische ontwerp is in wezen de blauwdruk die fabrikanten en andere ingenieurs gebruiken tijdens de ontwikkelings- en productieprocessen. Het schema bepaalt de functie van de print, de kenmerken van het ontwerp en de plaatsing van componenten. Ook de hardware van de print staat in dit schema vermeld. Deze apparatuur omvat het materiaal van de printplaat, de componenten die betrokken zijn bij het ontwerp en alle andere materialen die de fabrikant nodig heeft tijdens het productieproces.

Al deze informatie is opgenomen in het schema tijdens de eerste ontwerpfase. Nadat het eerste schema is voltooid, voert de ontwerper een voorlopige analyse uit, controleert op mogelijke problemen en bewerkt deze indien nodig. Het schema wordt vervolgens geüpload naar een speciale tool voor gebruik in PCB-ontwerpsoftware, die simulaties kan uitvoeren om de functionaliteit te garanderen. Met deze simulaties kunnen ingenieurs eventuele ontwerpfouten opvangen die ze tijdens de eerste schematische controle hebben gemist. Daarna kan het elektronische ontwerp van de schakeling worden omgezet in een "netlist", die informatie over de interconnectiviteit van componenten vermeldt.

Bij het overwegen van het ontwerp van hun schema, moeten elektronische ingenieurs vanaf het begin een paar cruciale basisprincipes van het printplaatontwerp in gedachten houden. Enkele van deze overwegingen om te implementeren tijdens de schematische ontwikkelingsfase zijn de volgende:

• 
  


• • De juiste grootte van het PCB-paneel selecteren:Het selecteren van de kaartgrootte die het meest compatibel is met de te gebruiken apparatuur, is een eenvoudige, maar vaak vergeten beste praktijk. Op deze manier wordt er geen extra ruimte verspild, worden sporen tot een minimum beperkt en blijven de totale materiaalkosten enigszins laag. Het is echter belangrijk om ervoor te zorgen dat de ontwerpspecificaties zijn geoptimaliseerd voor massaproductie. Te klein gaan met een bordontwerp is misschien niet haalbaar voor massaproductieopstellingen die voldoende variatie tussen stukken produceren om kleinere ontwerpen te verstoren.
• • Selecteer het juiste raster:de rasterafstand wordt altijd ingesteld en toegepast om geschikt te zijn voor de meeste componenten. Vasthouden aan dit raster is een van de nuttigste dingen die een ingenieur kan doen om problemen met de afstand te voorkomen, dus het is cruciaal om de beste voor de klus te kiezen. Als sommige onderdelen niet zo goed werken met het raster, moet de ontwerper proberen alternatieven te vinden, of, beter nog, zelfontworpen producten gebruiken.
• • Implementeer DRC zoveel mogelijk:veel PCB-assemblagebedrijven maken de fout om DRC-software (design rule checks) pas aan het einde van het ontwerpproces uit te voeren. Hierdoor kunnen kleine fouten en twijfelachtige ontwerpkeuzes ontstaan, wat resulteert in meer herstelwerkzaamheden aan het einde van het ontwerpproces. In plaats daarvan moeten ontwerpers hun werk zo vaak als mogelijk is controleren met een DRC. Hierdoor kunnen ze de door de DRC geïdentificeerde problemen zo snel mogelijk aanpakken en wordt het aantal ingrijpende wijzigingen aan het einde van het ontwerpproces geminimaliseerd. Dit bespaart uiteindelijk tijd en versoepelt het bewerkingsproces, dus het is niet zo zwaar.

Bill of Materials

Terwijl het schema wordt gegenereerd, ontwikkelt de elektrotechnisch ingenieur ook een fijne Bill of Materials, of BOM. Dit is de lijst met componenten die in het printplaatschema worden gebruikt. Zodra zowel de stuklijst als het schema zijn voltooid, geeft de elektrotechnisch ingenieur zowel een lay-outingenieur als een componentingenieur door. Deze ingenieurs controleren de details en verkrijgen de benodigde componenten voor het project. Concreet is de componentingenieur verantwoordelijk voor het kiezen van componenten die passen in het schema in termen van maximale bedrijfsspanning en -stroom. Ze zijn ook verantwoordelijk voor het selecteren van apparatuur die binnen redelijke kosten- en grootteparameters valt.

De vijf belangrijkste aspecten waaraan stuklijstcomponenten moeten voldoen, zijn onder meer:

• • Hoeveelheid:het aantal gekochte componenten moet minimaal overeenkomen met het aantal componenten dat in de stuklijst wordt vermeld.
• • Referentie-aanduidingen:elk onderdeel moet worden geïdentificeerd op basis van zijn plaats in het circuit op de PCB.
• • Waarde:elk onderdeel moet binnen een specifiek bereik van waarden vallen, inclusief ohm, farad, enz. De kosten zijn een factor als de klant er zich zorgen over maakt.
• • Footprint:de locatie van elk onderdeel moet worden vermeld.
• • Onderdeelnummer fabrikant:Volg het onderdeelnummer in geval van storing, zowel ter wille van de monteurs als ter referentie van de fabrikant.

Naast deze basisrichtlijnen voor stuklijsten, is het een goed idee om een ​​paar overwegingen in gedachten te houden bij het formuleren van zowel de stuklijst als het schema in het algemeen. Deze omvatten de volgende ontwerptips voor PCB's:

• • Componenten integreren:Het kiezen van componenten is een van de belangrijkste taken als ontwerper. Om u te helpen bij het proces, heeft u de mogelijkheid om afzonderlijke componenten met hoge of lage componentwaarden en vergelijkbare effecten op te pikken. Door deze componenten te integreren en een kleine standaardwaardecategorie te produceren, kunt u de stuklijst effectief vereenvoudigen en de kosten van het product verlagen.


• 


• • Pas een ontkoppelingscondensator toe:probeer nooit uw ontwerp te optimaliseren door ontkoppelingsleidingen te verwijderen. Veel ontwerpers vermijden deze condensatoren in een misplaatste poging om de kosten te verlagen. Condensatoren zijn laag in prijs en zeer duurzaam, waardoor uw ontwerp langer meegaat. Condensatoren helpen ook om de ordelijkheid van uw printplaat te behouden en tegelijkertijd de kosten laag te houden. Concentreer u op de bovenstaande tips als u zich zorgen maakt over uw stuklijst.

Plaatsing van PCB-componenten

Elk onderdeel moet zijn aangewezen plek op een printplaatontwerp hebben. Het kiezen van de juiste plaatsing is het lastige gedeelte. Het bepalen van de beste plaats voor een element hangt af van tal van factoren en overwegingen voor de ontwerper, waaronder thermisch beheer, overwegingen met betrekking tot elektrische ruis en de algehele PCB-functie. In de meeste gevallen zullen ontwerpers de componenten echter in de volgende volgorde plaatsen:

• • Aansluitingen
• • Stroomcircuits
• • Gevoelige en nauwkeurige circuits
• • Kritieke circuitcomponenten
• • Alle andere elementen

Een paar andere ontwerpoverwegingen om in gedachten te houden tijdens deze fase van de ontwerpcyclus zijn de volgende:

• • Identificeer en verdeel over componenten en vereiste testpunten:als er een verontrustend onderdeel op de PCB is, plaats deze dan in de buurt van de vereiste testpunten voor een snellere foutdetectie.
• • Flexibel toepassen van zeefdruk:Zeefdruk kan een breed scala aan informatie markeren voor gebruik door PCB-fabrikanten, ingenieurs, assembleurs en testers tijdens verschillende delen van het PCB-assemblageproces. Op de zeefdruk is het een goed idee om functionaliteiten, keurmerken en plaatsingsrichtingen voor componenten en verbindingen te markeren. Probeer zeefdrukken op zowel de boven- als de onderkant van de printplaat aan te brengen om dubbel werk te voorkomen en verduidelijk tegelijkertijd de instructies voor handmatige monteurs, wat het productieproces vereenvoudigt.

Nadat deze afzonderlijke componenten op het printplaatontwerp zijn geplaatst, is het het beste om nog een testronde te voltooien om de juiste werking van het bord te verifiëren. Dit zal helpen bij het identificeren van eventuele problematische ontwerpkeuzes en helpen bij het identificeren van mogelijke aanpassingen.

Routing

Nadat de componenten op de PCB zijn geplaatst, is de volgende stap in de basisprincipes van het PCB-ontwerp om ze allemaal aan te sluiten. Elk element op het bord is verbonden door middel van sporen, die worden gerealiseerd door een goede routing. Routing vereist echter een heel eigen ontwerpproces, vanwege de vele overwegingen waarmee ontwerpers rekening moeten houden. Deze factoren omvatten vermogensniveaus, gevoeligheid van signaalruis, generatie van signaalruis en routeringscapaciteit.

Gelukkig zal de meeste PCB-ontwerpsoftware sporen routeren met behulp van de netlijst die is ontwikkeld op basis van het schema. Het programma doet dit door het aantal beschikbare lagen voor verbinding te gebruiken en de beste routes te berekenen om de ruimte te benutten. Het programma verandert ook het ontwerp als dat nodig is. Vooral bij grotere modellen kan dit veel rekenkracht kosten. Het resultaat is een langer routeringsproces - het programma kan nog meer tijd in beslag nemen wanneer de componenten in een bijzonder dichte opstelling worden geplaatst.

Hoewel de meeste PCB-software sporen volgens de netlijst van een schema routeert, is deze software niet universeel. Niet alle PCB-ontwerpers gebruiken automatische routeringssoftware, en zelfs degenen die dat wel doen, hebben de neiging om de sporen dubbel te controleren op problemen. Dit is sowieso altijd een goede gewoonte, omdat zelfs computers resultaten kunnen opleveren die de ontwerper niet leuk vindt.

De algemene vuistregel voor sporen is dat die met een breedte van 10 tot 20 mils 10 tot 20 mA stroom kunnen voeren. Sporen met een breedte van 5 tot 8 mils kunnen daarentegen stroom voeren van minder dan tien mA. Dit is met name een belangrijke overweging voor PCB-ontwerpen met hoge stroomsterkte of ontwerpen voor PCB's met snel veranderende signalen, omdat het routeren ervan naar hoogfrequente knooppunten een specifieke spoorbreedte vereist.

• 


• • Verdeel de stroom- en aardleidingen op de juiste manier:de meeste PCB-ontwerpers zullen één circuitlaag toewijzen aan gebruik als aardingsvlak. Een ander zal meestal worden gebruikt als een krachtvliegtuig. This helps reduce the level of noise in the PCB and enables the designer to create low source resistance connections. One good PCB design practice is to distribute lines according to the power plane as much as possible. This helps improve efficiency and reduce impedance while providing sufficient ground loop paths.
• • Maintain Short Traces:Make sure traces are as short as possible at every stage of the design. While most PCB assembly processes include a step for optimizing trace length, this should be practiced at every design stage. This rule should be even more closely observed when the designer is working with an analog or high-speed digital circuit. These types of printed circuits, commonly found in automobiles and telecommunications devices, are more severely impacted by impedance and parasitic effects.

Checks

Checking the design is possibly the most important step of the design process. This segment of the process considers everything about the design, looking for potential problems that plague PCB designs.

For example, a common problem in PCB designs is heat. PCB with a perfect thermal design can keep the entire board a consistent and uniform temperature, preventing heat spots. However, such heat spots and temperature inconsistencies can be caused by any number of design features, such as copper thickness variations, the number of layers in the PCB, larger PCB board sizes and the presence or absence of thermal paths.

A simple design check can catch potential problems in PCB heat management, most PCB DRC software can pick them up as well. There are several methods to reduce PCB operational temperatures, many of which are mitigated by PCB design basics. A few of these heat-managing tips include:

• • Connect solid ground or power planes with more layers directly to the heat source of the PCB. These planes are typically more able to dissipate heat, since they tend to contain more copper.
• • Establish effective heat and high-current routes to help direct and dissipate heat. This can help optimize heat transfer.
• • Maximize the area used for heat transfer. This can help maintain a lower temperature across the board. This is something that must be considered early in the design process, however, as it can impact the size of the board.

Most DRC software can catch the aforementioned problems. The DRC software takes all the details about a PCB design and determines whether the layout satisfies a list of predetermined parameters. These are called PCB design rules. Ideally, as previously mentioned, the DRC should be used throughout the design process to identify problem areas early on. However, if all else fails, using DRC after everything else is complete can save a lot of design time and confusion between the designer and the assembly company.

The check step of the design process doesn't just include the DRC check - it also includes several other physical verification processes, including a layout-versus-schematic (LVS) check, an XOR check, an electrical rule (ERC) check and antenna check. More advanced PCB manufacturers may use additional checks and rules to improve yield, but these are the basic checks designers and manufacturers typically use.

Furthermore, it's good practice to verify manufacturing parameters before submission. Before submitting the final design for production, the designer should personally generate and verify the PCB manufacturing parameters. Though most manufacturers are willing to download and verify design files for their client, it's better to double-check the design before sending it in. This can help avoid any confusion or misunderstanding and can avoid losses due to manufacturing with incorrect parameters. This verification step can also expedite the process by decreasing the amount of time needed to correct and reverify the design before manufacturing starts.

Find an Assembly Service for Your Design

PCB design can be simplified by implementing the above basic techniques and best practices. It can be made even simpler by partnering with a PCB supply and assembly service that works with you to make the best, most cost-effective PCBs possible.

PCBCart is a worldwide printed circuit board supplier, with loyal customers around the globe. We know you can't afford to use poor-quality PCBs, which is why we follow the most demanding international quality standards. We also know you need cost-effective materials, which is why we offer PCBs at unbeatable prices. We offer you the best PCB services at the lowest price possible to allow you to focus less on supplier and more on your business.

Our expert customer-service representatives are waiting to help you. Contact us today to learn more about PCB design rules and assembly processes and how we can help you with your next PCB design project. If you already have a design and want to get started on assembly, feel free to get a quote by clicking below buttons:

Helpful resources:
• PCB Design File Requirements for Quick PCB Assembly Quote and Production
• Full Feature PCB Fabrication Service Starting from 1 Piece
• Advanced Turnkey PCB Assembly Service - Multiple Value-added Options
• PCB Design Tips to Better Take Advantage of PCBCart's Assembly Capabilities And Save Cost
• Design PCBs to Better Take Advantage of PCBCart's Manufacturing Capabilities