PCB-ontwerp beheersen: Een uitgebreide gids voor professionals

Geprinte schakelkaarten, ook bekend als PCB's, vormen de kern van elk elektronisch apparaat vandaag de dag. Deze kleine groene componenten zijn essentieel voor zowel huishoudelijke apparaten als industriële machines. PCB-ontwerp en -layout is een belangrijk onderdeel van elke productfunctie - dit bepaalt het succes of de mislukking van een stuk apparatuur. Met de constante evolutie van de technologie, hebben deze ontwerpen zich voortdurend verder ontwikkeld. Vandaag de dag hebben de complexiteit en verwachtingen van deze ontwerpen nieuwe hoogtes bereikt, dankzij de innovatie van elektrotechnici.

De recente vooruitgang in PCB-ontwerpsystemen en -technologie heeft zwaartekrachtige effecten gehad in de industrie. Als gevolg zijn PCB-ontwerpregels en productieprocessen geëvolueerd om nieuwe layouts en mogelijkheden te bereiken. Vandaag de dag zijn kleinere sporen en meerlaagse borden gangbaar in massaproductie PCB's - dergelijke ontwerpen zouden jaren geleden onhoorbaar zijn geweest. PCB-ontwerpsoftware heeft ook bijgedragen aan deze voortgang. Deze programma's bieden tools waarmee elektronische ingenieurs betere PCB's vanaf de basis kunnen ontwerpen.

Ondanks deze verbeterde mogelijkheden, zijn PCB-bordlayouts moeilijk te ontwerpen. Zelfs de meest ervaren elektronisch ingenieur kan worstelen met het maken van een schakeling op een PCB of het ontwerpen van een PCB-bord volgens de beste praktijken in de industrie. Nog moeilijker is het maken van een kwalitatief bord dat aan de behoeften van klanten voldoet. Met klantontwerpen is het balanceren van de functionaliteit van de PCB met de beste ontwerppraktijken een betrokken proces. Dit is de reden waarom we het proces van het ontwerpen van PCB's hebben uiteengezet, inclusief enkele essentiële PCB-ontwerpregels.

De behoeften bepalen

De eerste van de grote PCB-ontwerpstappen is een behoefte. Voor de meeste elektronische ingenieurs worden deze eisen gedicteerd door de klant, die alle eisen opsomt die de PCB moet voldoen. De elektronische ingenieur moet de behoeften die door de klant worden opgesomd, omzetten in elektronische vorm. Eigenlijk betekent dit dat ze vertaald worden naar 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 de uiteindelijke uiterlijke vorm van de PCB zelf. De toepassing van de PCB, zoals medisch of automobilistisch, zal vaak de materialen in de PCB bepalen. Bijvoorbeeld, veel medische PCB's voor elektronische implantaten worden gemaakt met flexibele basissen. Dit stelt hen in staat om in kleine ruimtes te passen terwijl ze ook een interne organische omgeving weerstaan. De uiteindelijke uiterlijke vorm van de PCB wordt voornamelijk bepaald door zijn schakelingen en functionaliteit - bijvoorbeeld worden veel meer complexe PCB's gemaakt met meerdere lagen.

De elektronische ingenieur zal deze behoeften bepalen en opsommen, en vervolgens deze lijst met eisen gebruiken om het initiële schema van de PCB te ontwerpen, evenals de BOM (lijst van materialen).

Schema's

Het schematische ontwerp is essentieel het blauwdruk dat fabricanten en andere ingenieurs gebruiken tijdens de ontwikkeling en productieprocessen. Het schema bepaalt de functie van de PCB, de kenmerken van het ontwerp en de plaatsing van componenten. De hardware van de PCB wordt ook in dit schema vermeld. Deze apparatuur omvat het materiaal van de PCB, de betrokken componenten in het ontwerp en eventuele andere materialen die de fabrikant tijdens het productieproces nodig heeft.

Al deze informatie zit in het schema tijdens de initiële ontwerpfase. Na het afronden van het eerste schema, doet de ontwerper een voorlopige analyse, controleert op potentiële problemen en bewerkt ze zo nodig. Het schema wordt vervolgens geüpload naar een speciaal hulpmiddel voor gebruik in PCB-ontwerpsoftware, dat simulaties kan uitvoeren om de functionaliteit te waarborgen. Deze simulaties stellen ingenieurs in staat om ontwerpfouten op te sporen die ze mogelijk gemist hebben tijdens de initiële schemacontrole. Daarna kan het elektronische ontwerp van de schakeling omgezet worden in een "netlijst", die informatie vermeldt over de interconnectiviteit van componenten.

Terwijl ze het ontwerp van hun schema overwegen, moeten elektronische ingenieurs een paar cruciale printplaat-ontwerpbasisprincipes van het begin af aan in gedachten houden. Een paar van deze overwegingen om tijdens de schemavontwikkelingsfase te implementeren, omvatten het volgende:

• 
• • Selecteren van geschikte PCB-paneelgrootte: Het selecteren van de bordgrootte die het meest compatibel is met de te gebruiken apparatuur, is een basis, maar vaak vergeten, best practice. Op deze manier wordt geen extra ruimte verspild, sporen worden tot een minimum lengte gehouden, en de algehele materiaalkosten worden enigszins laaggehouden. Het is echter belangrijk om te zorgen dat de ontwerpspecificaties geoptimaliseerd zijn voor massaproductie. Te klein gaan met een bordontwerp kan niet haalbaar zijn voor massaproductie-setups die voldoende variatie tussen stukken produceren om kleinere ontwerpen te storen.
• • Selecteer het juiste raster: Rasterafstand wordt altijd ingesteld en toegepast om de meeste componenten te passen. Vast houden aan dit raster is een van de meest voordelige dingen die een ingenieur kan doen om afstandsproblemen te voorkomen, dus het selecteren van de beste voor de klus is cruciaal. Als sommige onderdelen niet zo goed werken met het raster, moet de ontwerper proberen alternatieven te vinden, of, nog beter, zelf ontworpen producten gebruiken.
• • Implementeer DRC zoveel mogelijk: Veel PCB-assemblagebedrijven maken de fout om design rule checks (DRC) software alleen aan het einde van het ontwerpproces uit te voeren. Dit laat kleine fouten en twijfelachtige ontwerpkeuzes opstapelen, wat resulteert in meer herstelwerk aan het einde van het ontwerpproces. In plaats daarvan moeten ontwerpers hun werk zo vaak mogelijk controleren met een DRC. Dit stelt hen in staat om problemen die door de DRC geïdentificeerd worden zo snel mogelijk aan te pakken en het aantal grote wijzigingen aan het einde van het ontwerpproces te minimaliseren. Dit bespaart uiteindelijk tijd en verzacht het bewerkingsproces, zodat het niet zo achteraf-georiënteerd is.

Stuklijst (Bill of Materials)

Terwijl het schema wordt gegenereerd, ontwikkelt de elektronische ingenieur ook een gedetailleerde Stuklijst (Bill of Materials, BOM). Dit is de lijst met componenten die in het PCB-bordschema worden gebruikt. Zodra zowel de BOM als het schema zijn voltooid, geeft de elektronische ingenieur beide door aan een layout-ingenieur en componenten-ingenieur. Deze ingenieurs controleren de specificaties en verkrijgen de benodigde componenten voor het project. Specifiek is de componenten-ingenieur verantwoordelijk voor het kiezen van componenten die passen bij het schema in termen van maximale werkspanning en -stroom. Ze zijn ook verantwoordelijk voor het selecteren van apparatuur die binnen redelijke kosten- en grootteparameters valt.

De vijf belangrijkste aspecten waaraan BOM-componenten moeten voldoen, omvatten het volgende:

• • Hoeveelheid: Het aantal aangekochte componenten moet minimaal het aantal componenten in de BOM halen.
• • Referentie-aanduidingen: Elk component moet geïdentificeerd worden volgens zijn plaats in de schakeling op de PCB.
• • Waarde: Elk component moet binnen een specifiek bereik van waarden vallen, inclusief ohm, farad, etc. Kosten zijn een factor als dat een zorg is voor de klant.
• • Footprint: De locatie van elk component moet vermeld worden.
• • Fabrikant Deelnummer: Houd het deelnummer bij in geval van defect, zowel voor de assemblers als voor de referentie van de fabrikant.

Naast deze basis BOM-richtlijnen is het een goed idee om een paar overwegingen in gedachten te houden tijdens het formuleren van zowel de BOM als het schema in het algemeen. Deze omvatten de volgende PCB-ontwerptips:

• • Componenten integreren: Het kiezen van componenten is een van de belangrijkste taken als ontwerper. Om het proces te helpen, heb je de optie om discrete componenten met hoge of lage componentenwaarden en soortgelijke effecten te kiezen. Door deze componenten te integreren en een kleine standaardwaardecategorie te produceren, kun je de stuklijst effectief vereenvoudigen en de productkosten verlagen.
• 
• • Een decoupling-condensator toepassen: Probeer nooit je ontwerp te optimaliseren door decoupling-voedingslijnen weg te laten. Veel ontwerpers vermijden deze condensators in een mislukte poging om kosten te verlagen. Condensators zijn laag in prijs en zeer duurzaam, wat de levensduur van je ontwerp vergroot. Condensators helpen ook de ordelijkheid van je printplaat te behouden terwijl de kosten laag blijven. Focus op de bovenstaande tips als je je zorgen maakt over je BOM.

PCB-componentenplaatsing

Elk component moet zijn aangewezen plek op een printplaatontwerp hebben. Het kiezen van de juiste plaatsing is het lastige deel. Het bepalen van de beste plek voor een element hangt af van talloze factoren en overwegingen voor de ontwerper, inclusief thermisch beheer, elektrische ruisoverwegingen en algehele PCB-functie. In de meeste gevallen zullen ontwerpers componenten in de volgende volgorde plaatsen:

• • Connectors
• • Voedingsschakelingen
• • Gevoelige en precisie schakelingen
• • Kritieke schakelcomponenten
• • Alle andere elementen

Een paar meer ontwerpoverwegingen om in gedachten te houden tijdens deze fase van de ontwerpcyclus omvatten het volgende:

• • Identificeer en verdeel betreffende componenten en vereiste testpunten: Als er een zorgwekkend component op de PCB is, plaats het dan in de buurt van vereiste testpunten voor tijdigere foutdetectie.
• • Flexibel silkceendruk toepassen: Silkceendruk kan een breed scala aan informatie markeren voor gebruik door PCB-fabrikanten, ingenieurs, assemblers en testers tijdens verschillende delen van het PCB-assemblageproces. Op de silkcreen is het een goed idee om functionaliteiten, testmerken en componenten- en verbindingsplaatsingsrichtingen te markeren. Probeer silkceenen op zowel de boven- als de onderkant van de printplaat toe te passen om dubbel werk te voorkomen en tegelijkertijd de richtingen voor handmatige assemblers te verduidelijken, wat het productieproces vereenvoudigt.

Na het plaatsen van deze individuele componenten op het printschakelontwerp, is het het beste om nog een ronde testen te voltooien om de juiste werking van het bord te verifiëren. Dit helpt eventuele problematische ontwerpkeuzes te identificeren en potentiële aanpassingen te signaleren.

Routing

Zodra de componenten op de PCB zijn geplaatst, is de volgende stap in PCB-ontwerpbasis om ze allemaal te verbinden. Elk element op het bord is verbonden via sporen, die gerealiseerd worden door correcte routing. Routing vereist echter een eigen ontwerpproces, vanwege de vele overwegingen die ontwerpers in rekening moeten brengen. Deze factoren omvatten vermogensniveaus, signaalruisgevoeligheid, signaalruisgeneratie en routingcapaciteit.

Gelukkig zal de meerderheid van PCB-ontwerpsoftware sporen routeren met behulp van de netlijst die ontwikkeld is vanuit het schema. Het programma doet dit door het aantal beschikbare lagen voor verbinding te gebruiken en de beste routes te berekenen om de ruimte optimaal te benutten. Het programma past het ontwerp ook zo nodig aan. Dit kan veel rekenkracht kosten, vooral voor grotere modellen. Het resultaat is een langere routingproces - het programma kan nog meer tijd kosten wanneer de componenten in een bijzondere dichte indeling zijn geplaatst.

Hoewel de meeste PCB-software sporen zal routeren volgens de netlijst vanuit een schema, is deze software niet universeel. Niet alle PCB-ontwerpers gebruiken automatische routingsoftware, en zelfs diegenen die dat doen, controleren de sporen meestal dubbel op problemen. Dit is in ieder geval een goede praktijk, aangezien zelfs computers resultaten kunnen produceren die de ontwerper niet leuk vindt.

De algemene duimregel voor sporen is dat die met een breedte van 10 tot 20 mils in staat zijn 10 tot 20 mA stroom te dragen. Sporen met breedtes van 5 tot 8 mils, aan de andere kant, kunnen stroom lager dan tien mA dragen. Dit is een bijzonder belangrijke overweging voor hoogstroom PCB-ontwerpen of ontwerpen voor PCB's met snel veranderende signalen, omdat het routeren ervan naar hoogfrequente knooppunten een specifieke spoorbreeedte vereist.

• 
• • Voeding- en massalijnen adequaat verdelen: De meeste PCB-ontwerpers wijden één schakellaag toe voor gebruik als het massavlak. Een andere wordt meestal toegewijd als een voedingsvlak. Dit helpt het ruisniveau in de PCB te verlagen en stelt de ontwerper in staat om lage bronweerstand verbindingen te maken. Een goede PCB-ontwerppraktijk is om lijnen te verdelen volgens het voedingsvlak zoveel mogelijk. Dit helpt de efficiëntie te verbeteren en de impedantie te verlagen, terwijl voldoende massaluspaden worden geboden.
• • Korte sporen handhaven: Zorg ervoor dat sporen zo kort mogelijk zijn op elk stadium van het ontwerp. Hoewel de meeste PCB-assemblageprocessen een stap voor het optimaliseren van de spoorbereik lengte omvatten, moet dit op elk ontwerpstadium worden geoefend. Deze regel moet nog nauwkeuriger worden nageleefd wanneer de ontwerper werkt met een analoog of hoogspedig digitale schakeling. Deze typen geprinte schakelingen, die veelvoorkomend zijn in automobielen en telecommunicatieapparaten, worden erger beïnvloed door impedantie en parasitair effect.

Controles

Het controleren van het ontwerp is misschien wel de belangrijkste stap van het ontwerpproces. Dit segment van het proces overweegt alles aan het ontwerp, op zoek naar potentiële problemen die PCB-ontwerpen lastigvallen.

Bijvoorbeeld, een veelvoorkomend probleem in PCB-ontwerpen is warmte. Een PCB met een perfect thermisch ontwerp kan het hele bord een consistente en uniforme temperatuur houden, waardoor hittepunten worden voorkomen. Echter, dergelijke hittepunten en temperatuurinconsistenties kunnen worden veroorzaakt door een willekeurig aantal ontwerpkenmerken, zoals koperdiktevariaties, het aantal lagen in de PCB, grotere PCB-bordformaten en de aanwezigheid of afwezigheid van thermische paden.

Een eenvoudige ontwerpcontrole kan potentiële problemen in PCB-warmtebeheer opvangen, de meeste PCB DRC-software kan ze ook oppikken. Er zijn verschillende methoden om PCB-operationele temperaturen te verlagen, waarvan veel gemitigeerd worden door PCB-ontwerpbasisprincipes. Een paar van deze warmte-beheertips omvatten:

• • Massieve massa- of voedingsvlakken met meer lagen direct verbinden met de warmtebron van de PCB. Deze vlakken zijn doorgaans meer in staat om warmte af te voeren, aangezien ze neigen meer koper te bevatten.
• • Effectieve warmte- en hoogstroomroutes instellen om warmte te leiden en af te voeren. Dit kan helpen de warmteoverdracht te optimaliseren.
• • Het oppervlak dat gebruikt wordt voor warmteoverdracht maximaliseren. Dit kan helpen een lagere temperatuur over het bord te handhaven. Dit is iets dat vroeg in het ontwerpproces moet worden overwogen, echter, omdat het de grootte van het bord kan beïnvloeden.

De meeste DRC-software kan de bovengenoemde problemen oppikken. De DRC-software neemt alle details over een PCB-ontwerp en bepaalt of de layout voldoet aan een lijst met vooraf bepaalde parameters. Dit heet PCB-ontwerpregels. Ideaal, zoals eerder vermeld, moet de DRC door het hele ontwerpproces gebruikt worden om probleemgebieden vroegtijdig te identificeren. Als alles anders faalt, kan het gebruik van DRC na alles anders compleet is, veel ontwerptijd en verwarring tussen de ontwerper en het assemblagebedrijf besparen.