Von Prototypenschaltungen auf Brotplatinen bis hin zum Design unserer eigenen Leiterplatte (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 bildet das „Gehirn“ der Funktionsweise von Geräten. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Dinge, die Sie wissen sollten, bevor Sie mit dem PCB-Design beginnen: 1. PCB-Größe – dies hängt von Ihrer Produktgröße (oder Gehäusegröße) ab. Produktabmessungen werden während des elektronischen Konstruktionsprozesses definiert. You can watch a video about it here. 2. PCB-Schichten – Je mehr Schichten, desto komplexer die HERSTELLUNG von PCB. (Hinweis: Auch eine einlagige Leiterplatte kann eine komplexe Leiterplatte sein, aber hier sprechen wir über die Komplexität der Herstellung einer Leiterplatte. Je mehr Schichten eine Leiterplatte hat, desto teurer ist ihre Herstellung.)

Layer 2 is usually used for simple toy products

Iot-bezogene Produkte haben normalerweise 4 Schichten

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.

Informationen, die Sie den Leiterplattenherstellern zur Verfügung stellen müssen:

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

Materialien (FR-2 (Phenol-Baumwollpapier), FR-3 (Baumwollpapier und Epoxid), FR-4 (Glasfaser und Epoxid… Usw.)

Dicke (0.5 mm, 1.0 mm… Usw.)

Color (red, black, green… Usw.)

Oberflächenbehandlung (ENIG (Chemical Nickel/Gold Immersion), DIG (Direct Gold Immersion), OSP (organische lötbare Konservierungsmittel, etc.)

Kupfergewicht (1 oz (35 Mikron), 2 oz (70 Mikron), 0.5 oz (18 Mikron)… Usw.)

Gerber-Datei

PCB design process:

Schaltungsentwurf

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. To create the schematic file, you will need a software tool. Wir mögen Quadcept, weil es für das Design von Leiterplatten für die Fertigung optimiert ist (z. (They also offer a free community version of the tool for manufacturers and students.)

There are many other options you can choose from:

Altium

ExpressPCB

Frequenzgerät

KiCad

Cadence allegro

Matte

Computergestütztes Design

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. Die Modelldatei hilft Ihnen beim Zeichnen des Schaltplans. This component becomes available in the database when you upload the model to the software tool. Then, all you have to do is follow the data manual and connect the wire to each pin in the component. (Hinweis: Die Details des Designprozesses hängen vom gewählten Softwaretool ab).

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. You should have selected the components (or are now selecting them), and we describe this process in the EE Design Process video (see video).

Beispieldiagramm

Ein guter Schaltplan ist wirklich wichtig, da er während des Debuggens als Referenzdokument verwendet wird und ein gutes Kommunikationswerkzeug mit anderen Ingenieuren ist. Darüber hinaus kann der Hersteller das Gerät über die Prüfpunkte in diesem Dokument testen.

PCB layout + Gerber file

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. Im Gegensatz zu einem Schaltplan weist ein PCB-Layout die tatsächlichen Komponenten genauen Positionen auf der PCB zu und zeigt die Leiterbahnen an, die jede Komponente zwischen den PCB-Schichten miteinander verbinden. As mentioned at the beginning of this article, the more layers, the more complex the manufacturing required, and the higher the 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. Auf diese Weise können Sie die Leiterbahn kurz halten und Rauschen und Störungen reduzieren.

Beim Design einer Leiterplatte muss auch die Benutzeroberfläche (UI) berücksichtigt werden. Komponenten wie Audiobuchsen, Anschlüsse, LEDs usw. müssen angepasst werden, um die beste Benutzererfahrung zu erzielen.

Once the layout is designed, a Gerber file is generated. Ihr PCBA-Hersteller wird diese Datei verwenden. There are many companies that offer these services, and from HWTrek’s expert library we recommend Kingbrother, NexPCB, and HQPCB.

Sample Gerber files

Die Platzierung der Komponenten auf der Leiterplatte ist sehr wichtig. Some components can interfere with each other and cause unexpected behavior. Wenn Sie beispielsweise sowohl Bluetooth- als auch Wi-Fi-Module haben, haben diese die gleiche 2.4-GHz-Bandbreite und können sich bei falscher Platzierung gegenseitig stören.

PCB-Produktion

When you send the Gerber file to the PCB manufacturer, they can print the board. Dies wird die Grundlage sein, um die Grundlage für das Hinzufügen von Komponenten zur Leiterplatte und die Herstellung der PCBA (Printed Circuit Board Assembly) weiter zu schaffen.

Unassembled PCBS

PCBA (Assembly)

Materialvorbereitung

An diesem Punkt in Ihrem EE-Design sollten Sie die Komponenten ausgewählt haben. You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. Angelegenheiten, die Aufmerksamkeit benötigen:

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.

Mindestbestellmenge: Prüfen Sie die Mindestbestellmenge der Komponente. Wenn Sie weniger als das Minimum kaufen, stellen Sie sicher, dass die ausgewählten Komponenten auf Lager sind. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Für weitere Mengen wenden Sie sich bitte an Ihren Hersteller.

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

Install components on the PCB

There are two main ways to place components on a PCB surface:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. It is also commonly known as DIP or dual in-line packaging process. (See SMT in progress in this video)

SMT (Surface Mount Technology) ist das am weitesten verbreitete Verfahren in der Massenproduktion. It is done by fast, accurate SMT machines that save you time, money and avoid human error.

Was zu beachten ist:

Your component type number must not exceed the number of reels that the manufacturer’s SMT machine can support.

Optimize and consolidate your components so that only one SMT runs.

Check manufacturer supported footprint pad sizes. Otherwise, the SMT machine will not install components correctly.

Some larger components cannot be installed by machine and still require manual through-hole work. Therefore, both technologies can be used on the same board.

Any components you need to manually add via the through-hole method add to the manufacturing cost.

Reflow-Löten

Reflow soldering is the process of making components “stick” to the PCB. The PCBA heats the circuit board through a reflow furnace or an infrared lamp until the solder melts, thereby permanently attaching the component to the circuit board.

The trickiest part here is not to overheat or damage the components, because the thermal characteristics of each package are different. Für diesen Prozess ist ein zuverlässiger PCBA-Hersteller verantwortlich, dem Sie lediglich die Komponentenspezifikationen zur Verfügung stellen müssen.

Reflux-Prozess.

Other welding methods:

Das Wellenlöten wird hauptsächlich für manuell hinzugefügte Bauteile im Durchsteckverfahren verwendet. In this case, your PCBA will first go through the reflow welding furnace, and then manually add other components after it will go through the wave soldering machine.

Eisenschweißen kann für bestimmte Situationen verwendet werden, jedoch nicht für die Massenproduktion.

Prüfung und Qualitätsprüfung

In diesem Schritt werden PCBA-Proben getestet, um die Qualität sicherzustellen. Häufige Fehler sind: Kurzschlüsse in nicht angeschlossenen Komponenten, falsch ausgerichtete Komponenten und Teile des Stromkreises, die nicht angeschlossen werden sollten. Die häufigsten Tests:

IKT (Online-Tests). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. Das ICT-Gerät verwendet diese Testpunkte für die Prüfung auf Unterbrechung/Kurzschluss und prüft, ob die Werte der passiven Komponenten (Widerstände, Induktivitäten, Kondensatoren) innerhalb des Spezifikationsbereichs liegen.

AOI (Automatische optische Inspektion). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Für diesen Test muss der Hardware-Ersteller dem Hersteller Spezifikationen und Toleranzen zur Verfügung stellen, um die Parameter einzustellen.

Röntgen. Der PCBA-Hersteller wird mit Röntgenstrahlen die Schweißbedingungen der BGA-Komponenten (Ball Grid Array) überprüfen. Sehen Sie sich den Röntgentest in diesem Video an.