Des de prototips de circuits en taules de pa fins a dissenyar els nostres placa de circuit imprès (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. PCB design is carried out in an electrical engineering (EE) process. EE crea el “cervell” de com funcionen els dispositius. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Coses que cal saber abans de començar el disseny de PCB: 1. Mida de PCB: depèn de la mida del producte (o de la mida de la caixa). Les dimensions del producte es defineixen durant el procés de disseny d’enginyeria electrònica. Podeu veure-hi un vídeo aquí. 2. Capes de PCB – Com més capes, més complexa és la FABRICACIÓ de PCB. (Nota: Fins i tot un PCB d’una sola capa pot ser un PCB complex, però aquí estem parlant de la complexitat de fabricar un PCB. Com més capes tingui un PCB, més car és fabricar.)

Layer 2 is usually used for simple toy products

Els productes relacionats amb IOT solen tenir 4 capes

Typically used for floors 6 to 8 of a smartphone or smartwatch.

3. Your PCB manufacturer’s requirements. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Informació que heu de proporcionar als fabricants de PCB:

Number of layers (e.g. 2, 4, 6, etc.)

Materials (FR-2 (paper de cotó fenòlic), FR-3 (paper de cotó i epoxi), FR-4 (fibra de vidre i epoxi … Etc.)

Thickness (0.5 mm, 1.0 mm… Etc.)

Color (red, black, green… Etc.)

Tractament superficial (ENIG (immersió química en níquel / or), DIG (immersió directa en or), OSP (conservants orgànics soldables, etc.)

Pes de coure (1 oz (35 micres), 2 oz (70 micres), 0.5 oz (18 micres) … Etc.)

Arxiu Gerber

PCB design process:

Disseny de circuits

For this step, you need to create the schematic. This is a document, like a blueprint, that describes how components relate to each other and work together. Per crear el fitxer esquemàtic, necessitareu una eina de programari. Ens agrada Quadcept perquè està optimitzat per dissenyar PCBS per a la fabricació (per exemple, podeu exportar una factura de material (BoM) directament des de l’eina) i està basat en el núvol, de manera que es pot utilitzar fàcilment a qualsevol lloc. (They also offer a free community version of the tool for manufacturers and students.)

Hi ha moltes altres opcions entre les quals podeu triar:

Altium

ExpressPCB

Dispositiu de freqüència

KiCad

Allegro de cadència

estora

Disseny assistit per ordinador

DipTrace

After you install the selected tools, you need to obtain the component specifications for each selected component. They can often be found on the supplier’s website. El fitxer model us ajudarà a dibuixar l’esquema. Aquest component està disponible a la base de dades quan pengeu el model a l’eina de programari. Then, all you have to do is follow the data manual and connect the wire to each pin in the component. (Nota: els detalls del procés de disseny dependran de l’eina de programari escollida).

Each schematic symbol needs to have an associated PCB space area to define the physical dimensions of the component and the location of the through holes on the brazing pad or PCB. Hauríeu d’haver seleccionat els components (o ara els esteu seleccionant) i descrivim aquest procés al vídeo del procés de disseny EE (vegeu el vídeo).

Exemple de diagrama

A good schematic is really important, as it will be used as a reference document during debugging and is a good communication tool with other engineers. A més, el fabricant pot provar el dispositiu a través dels punts de prova d’aquest document.

Disseny de PCB + fitxer Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. A diferència d’un esquema, un disseny de PCB assigna els components reals a ubicacions exactes del PCB i mostra les pistes que connecten cada component entre les capes de PCB. Com es va esmentar al principi d’aquest article, quantes més capes, més complexa serà la fabricació necessària i més alt serà el cost.

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). Then, be sure to group the components of each section into the same area. D’aquesta manera, podeu reduir el traç conductor i reduir el soroll i les interferències.

La interfície d’usuari (IU) també s’ha de tenir en compte a l’hora de dissenyar un PCB. Els components com ara preses d’àudio, connectors, leds, etc. s’han d’ajustar per aconseguir la millor experiència d’usuari.

Un cop dissenyat el disseny, es genera un fitxer Gerber. El fabricant del PCBA utilitzarà aquest fitxer. There are many companies that offer these services, and from HWTrek’s expert library we recommend Kingbrother, NexPCB, and HQPCB.

Sample Gerber files

La col·locació de components al PCB és molt important. Alguns components poden interferir entre ells i provocar un comportament inesperat. Per exemple, si teniu mòduls Bluetooth i Wi-Fi, tenen el mateix ample de banda de 2.4 ghz i poden interferir entre si es col·loquen incorrectament.

PCB production

Quan envieu el fitxer Gerber al fabricant del PCB, aquest pot imprimir el tauler. Aquesta serà la base per construir encara més les bases per afegir components al PCB i fabricar el PCBA (conjunt de placa de circuit imprès).

PCBS sense muntar

PCBA (Assembly)

Preparació de materials

En aquest moment del vostre disseny EE, hauríeu d’haver seleccionat els components. You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. Matèries que necessiten atenció:

Lead time: As these components come from different suppliers, keep the lead time in mind. For some components, it can take up to 8-16 weeks.

Packaging: Order components from reels that are automatically picked up by SMT machines instead of packaging them individually.

Quantitat mínima de comanda: comproveu la quantitat mínima de comanda del component. Si compreu menys del mínim, assegureu-vos que els components seleccionats estiguin en estoc. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Per obtenir més quantitats, consulteu el vostre fabricant.

Loss: Order 10% more to cover loss (not for expensive components)

Instal·leu components al PCB

Hi ha dues maneres principals de col·locar components en una superfície de PCB:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. També es coneix com DIP o procés d’embalatge dual en línia. (Veure SMT en curs en aquest vídeo)

SMT (tecnologia de muntatge superficial) és el mètode més utilitzat en la producció en massa. Es fa mitjançant màquines SMT ràpides i precises que us permeten estalviar temps, diners i evitar errors humans.

Coses a recordar:

El número de tipus de component no pot excedir el nombre de bobines que admet la màquina SMT del fabricant.

Optimitzeu i consolideu els components de manera que només s’executi un SMT.

Comproveu les mides de coixinets d’empremta compatibles amb el fabricant. En cas contrari, la màquina SMT no instal·larà els components correctament.

Alguns components més grans no es poden instal·lar a la màquina i, tot i així, requereixen un treball manual mitjançant forats. Per tant, ambdues tecnologies es poden utilitzar al mateix tauler.

Els components que hàgiu d’afegir manualment mitjançant el mètode del forat passiu s’afegeixen al cost de fabricació.

Soldadura per reflux

La soldadura per reflux és el procés de fer que els components “s’enganxin” al PCB. El PCBA escalfa la placa de circuit a través d’un forn de reflux o una làmpada d’infrarojos fins que la soldadura es fon, fixant així el component a la placa de circuit permanentment.

El més complicat aquí no és escalfar ni danyar els components, perquè les característiques tèrmiques de cada envàs són diferents. Un fabricant fiable de PCBA serà el responsable d’aquest procés i només cal que els proporcioneu especificacions de components.

Procés de reflux.

Altres mètodes de soldadura:

La soldadura per onades s’utilitza principalment per a components afegits manualment pel mètode de forat passant. En aquest cas, el vostre PCBA passarà primer pel forn de soldadura de reflux i, a continuació, afegirà altres components manualment després de passar per la màquina de soldar per ones.

La soldadura de ferro es pot utilitzar per a situacions específiques, però no per a la producció en massa.

Proves i inspecció de qualitat

En aquest pas, es mostren mostres de PCBA per garantir la qualitat. Els errors més habituals són: curtcircuits en components desconnectats, components mal alineats i parts del circuit que no s’han de connectar. Les proves més habituals:

TIC (proves en línia). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. La màquina TIC utilitzarà aquests punts de prova per provar el circuit obert / curtcircuit i comprovarà que els valors dels components passius (resistències, inductors, condensadors) estan dins del rang d’especificacions.

AOI (inspecció òptica automàtica). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Per a aquesta prova, el creador del maquinari haurà de proporcionar especificacions i toleràncies al fabricant per establir els paràmetres.

Raigs X. El fabricant de PCBA utilitzarà rajos X per comprovar les condicions de soldadura dels components BGA (Ball Grid Array). Mireu la prova de raigs X en aquest vídeo.