Problemen met PCB-ontwerp aanpakken

Een goed ontwerp van printplaten (PCB's) is van cruciaal belang voor het produceren van elektronica-prototypes die zowel operationeel als commercieel efficiënt zijn. Dit geldt met name voor embedded toepassingen. Embedded circuits variëren in grootte en type op basis van de microprocessor, componenten en besturingssysteem, maar vooral op de complexiteit van de software, die kan variëren van een paar honderd bytes tot enkele megabytes aan code.

Vanuit het ontwikkelde schakelschema is het mogelijk simulaties uit te voeren en de printplaat te ontwerpen door Gerber/drill-bestanden te exporteren. Ongeacht het ontwerp, ingenieurs moeten precies weten hoe de elektrische circuits (en elektronische componenten) moeten worden gerangschikt en hoe ze zullen werken. Voor EE's kan het vinden van de juiste softwaretools voor PCB-ontwerp een ontmoedigende taak zijn. Een softwaretool die ideaal is voor het ene PCB-project, is misschien minder geschikt voor andere. EE's willen tools voor bordontwerp die intuïtief zijn, nuttige functionaliteit bevatten, stabiel genoeg zijn om risico's te beperken en een robuuste bibliotheek hebben waardoor ze toepasbaar zijn op meerdere projecten.

Hardwareproblemen

Voor projecten gericht op het internet der dingen, waarbij integratie centraal staat voor prestaties en betrouwbaarheid, vereist de integratie van geleidende en niet-geleidende materialen in een PCB dat IoT-ontwerpers de interacties tussen de verschillende elektrische en mechanische aspecten van het ontwerp bestuderen. Vooral elektrische verwarming op een printplaat wordt een steeds kritischere factor naarmate de afmetingen van de componenten blijven krimpen. Tegelijkertijd nemen de functionele eisen toe. Om op verdiensten gebaseerde prestaties te bereiken zoals ontworpen, zijn temperatuurrespons, gedrag van elektrische componenten op het bord en algemeen thermisch beheer van cruciaal belang voor de functionaliteit en betrouwbaarheid van het systeem.

Een PCB moet worden geïsoleerd om bescherming te garanderen. Kortsluitingen worden voorkomen door de koperen sporen te beschermen die op het bord zijn geplaatst om het elektronische systeem te creëren. FR-4 heeft de voorkeur als substraatmateriaal boven goedkopere alternatieven zoals kunstharsgebonden papier (SRBP, FR-1, FR-2) vanwege de fysieke/mechanische eigenschappen, met name het vermogen om gegevens bij hoge frequenties vast te houden, hoge weerstand tegen hitte en het vermogen om minder water te absorberen dan andere materialen. FR-4 wordt veel gebruikt voor hoogwaardige constructies en voor industriële en militaire uitrusting. Het is compatibel met ultrahoge isolatie (ultrahoog vacuüm of UHV).

Maar FR-4 wordt geconfronteerd met een aantal beperkingen als PCB-substraat die voortkomen uit de chemische verwerking die bij de productie wordt gebruikt. In het bijzonder is het materiaal gevoelig voor de vorming van insluitsels (luchtbellen) en strepen (longitudinale luchtbellen), evenals voor vervorming van het glasweefsel. Deze onvolkomenheden leiden tot inconsistenties in de diëlektrische sterkte en verslechteren de traceerprestaties van PCB's. Nieuwe materialen van epoxyglas lossen deze problemen op.

Andere veelgebruikte materialen zijn polyamide/glasvezel, dat hogere temperaturen ondersteunt en stijver is, en KAPTON, dat flexibel, lichtgewicht en geschikt is voor toepassingen zoals beeldschermen en toetsenborden. Factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van een diëlektrisch materiaal (substraat) zijn onder meer de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), glasovergangstemperatuur (Tg), thermische geleidbaarheid en mechanische stijfheid.

Militaire/luchtvaart-PCB's vereisen speciale ontwerpoverwegingen, gebaseerd op lay-outspecificaties en 100% design-for-test (DFT) dekking. De MIL-STD-883-norm stelt methoden en procedures vast voor het testen van micro-elektronische apparaten die geschikt zijn voor gebruik in militaire en ruimtevaartsystemen, inclusief mechanische en elektrische tests, productie- en trainingsprocedures en andere controles, om een ​​uniform niveau van kwaliteit en betrouwbaarheid over de hele wereld te garanderen. verschillende toepassingen voor dergelijke apparaten.

Het ontwerp van een elektronisch apparaat voor een autosysteem moet een reeks regels volgen en voldoen aan verschillende normen, zoals mechanische en elektronische AEC-Q100-tests voor geïntegreerde geïntegreerde schakelingen. Overspraakeffecten kunnen de veiligheid van voertuigen belemmeren. Om die effecten te minimaliseren, moeten PCB-ontwerpers een minimumafstand opleggen tussen het signaal en de hoogspanningslijnen. Ontwerp en standaardisatie worden vergemakkelijkt door softwaretools die automatisch ontwerpaspecten benadrukken die verder moeten worden aangepast om te voldoen aan interferentielimieten en warmtedissipatiecondities om te voorkomen dat de systeemwerking in gevaar komt.

Afbeelding 1:Altium Designer (Afbeelding:Altium)

Interferentie van het circuit zelf is niet de enige bedreiging voor de signaalkwaliteit. PCB's in auto's worden gebombardeerd met ruis die op gecompliceerde manieren interageert met de carrosserie, waardoor ongewenste stroom in de circuits ontstaat. En pieken en schommelingen in de spanning veroorzaakt door het ontstekingssysteem van de auto kunnen componenten ver buiten hun bewerkingstoleranties duwen.