Zu Beginn des neuen Designs wurde die meiste Zeit auf das Schaltungsdesign und die Komponentenauswahl aufgewendet, und die PCB Layout- und Verdrahtungsphase wurde aufgrund mangelnder Erfahrung oft nicht umfassend berücksichtigt. Wird dem PCB-Layout und der Routingphase des Designs nicht genügend Zeit und Mühe gewidmet, kann dies zu Problemen in der Herstellungsphase oder zu Funktionsfehlern führen, wenn das Design von der digitalen Domäne in die physische Realität überführt wird. Was ist also der Schlüssel zum Design einer Leiterplatte, die sowohl auf Papier als auch in physischer Form authentisch ist? Sehen wir uns die fünf wichtigsten PCB-Designrichtlinien an, die Sie beim Entwerfen einer herstellbaren, funktionalen PCB kennen sollten.

1 – Feinabstimmung Ihres Komponentenlayouts

Die Bestückungsphase des PCB-Layouts ist sowohl eine Wissenschaft als auch eine Kunst und erfordert eine strategische Betrachtung der auf der Platine verfügbaren Primärkomponenten. Dieser Prozess kann eine Herausforderung sein, aber die Art und Weise, wie Sie die Elektronik platzieren, bestimmt, wie einfach es ist, Ihre Platine herzustellen und wie gut sie Ihren ursprünglichen Designanforderungen entspricht.

Obwohl es eine allgemeine allgemeine Reihenfolge für die Platzierung von Komponenten gibt, wie z. B. die sequentielle Platzierung von Steckverbindern, Leiterplattenmontagekomponenten, Leistungsschaltungen, Präzisionsschaltungen, kritischen Schaltungen usw., sind auch einige spezifische Richtlinien zu beachten, darunter:

Ausrichtung – Das Sicherstellen, dass ähnliche Komponenten in die gleiche Richtung positioniert werden, trägt zu einem effizienten und fehlerfreien Schweißprozess bei.

Platzierung – Vermeiden Sie es, kleinere Komponenten hinter größeren Komponenten zu platzieren, wo sie durch das Löten größerer Komponenten beeinträchtigt werden könnten.

Organisation – Es wird empfohlen, alle oberflächenmontierten (SMT)-Komponenten auf derselben Seite der Platine und alle Durchgangsloch-Komponenten (TH) oben auf der Platine zu platzieren, um die Montageschritte zu minimieren.

Eine letzte Richtlinie für das PCB-Design: Bei der Verwendung von Komponenten mit gemischter Technologie (Durchsteck- und SMD-Komponenten) benötigt der Hersteller möglicherweise zusätzliche Prozesse zum Bestücken der Platine, was Ihre Gesamtkosten erhöht.

Gute Chipkomponentenorientierung (links) und schlechte Chipkomponentenorientierung (rechts)

Gute Bauteilplatzierung (links) und schlechte Bauteilplatzierung (rechts)

Nr. 2 – Richtige Platzierung der Strom-, Erdungs- und Signalverkabelung

Nachdem Sie die Komponenten platziert haben, können Sie die Stromversorgung, die Erdung und die Signalverkabelung platzieren, um sicherzustellen, dass Ihr Signal einen sauberen, störungsfreien Weg hat. Beachten Sie in dieser Phase des Layoutprozesses die folgenden Richtlinien:

Suchen Sie die Stromversorgungs- und Erdungsebenenschichten

Es wird immer empfohlen, die Netzteil- und Masseebenenschichten symmetrisch und zentriert innerhalb der Platine zu platzieren. Dadurch wird verhindert, dass sich Ihre Leiterplatte verbiegt, was auch wichtig ist, wenn Ihre Komponenten richtig positioniert sind. Um den IC mit Strom zu versorgen, wird empfohlen, für jede Stromversorgung einen gemeinsamen Kanal zu verwenden, eine feste und stabile Verdrahtungsbreite sicherzustellen und Daisy-Chain-Stromverbindungen von Gerät zu Gerät zu vermeiden.

Signalkabel werden durch Kabel verbunden

Als nächstes schließen Sie die Signalleitung gemäß der Ausführung im Schaltplan an. Es wird empfohlen, immer den kürzesten Weg und den direkten Weg zwischen den Komponenten zu nehmen. Wenn Ihre Komponenten ohne Vorspannung horizontal positioniert werden müssen, empfiehlt es sich, die Komponenten der Platine grundsätzlich horizontal dort zu verdrahten, wo sie aus dem Draht herauskommen, und dann vertikal zu verdrahten, nachdem sie aus dem Draht herausgekommen sind. Dadurch wird das Bauteil in horizontaler Position gehalten, während das Lot während des Schweißens wandert. Wie in der oberen Hälfte der Abbildung unten gezeigt. Die im unteren Teil der Abbildung gezeigte Signalverdrahtung kann zu einer Durchbiegung des Bauteils führen, wenn das Lot während des Schweißens fließt.

Empfohlene Verdrahtung (Pfeile zeigen Lotflussrichtung an)

Nicht empfohlene Verdrahtung (Pfeile zeigen die Lotflussrichtung an)

Netzwerkbreite definieren

Ihr Design erfordert möglicherweise unterschiedliche Netzwerke, die unterschiedliche Ströme führen, die die erforderliche Netzwerkbreite bestimmen. In Anbetracht dieser grundlegenden Anforderung wird empfohlen, für analoge und digitale Signale mit niedrigem Strom eine Breite von 0.010 Zoll (10 mil) bereitzustellen. Wenn Ihr Leitungsstrom 0.3 Ampere überschreitet, sollte er erweitert werden. Hier ist ein kostenloser Linienbreiten-Rechner, um den Umrechnungsprozess zu vereinfachen.

Nummer drei. – Effektive Quarantäne

Sie haben wahrscheinlich schon erlebt, wie große Spannungs- und Stromspitzen in Stromversorgungskreisen Ihre Niederspannungs-Stromsteuerkreise stören können. Um solche Interferenzprobleme zu minimieren, befolgen Sie die folgenden Richtlinien:

Isolierung – Stellen Sie sicher, dass jede Stromquelle von der Stromquelle und der Steuerquelle getrennt ist. Wenn Sie sie in der Platine miteinander verbinden müssen, stellen Sie sicher, dass sie sich so nah wie möglich am Ende des Strompfads befindet.

Layout – Wenn Sie eine Masseebene in der mittleren Schicht platziert haben, stellen Sie sicher, dass ein Pfad mit kleiner Impedanz platziert wird, um das Risiko von Störungen des Stromkreises zu verringern und Ihr Steuersignal zu schützen. Die gleichen Richtlinien können befolgt werden, um Digital und Analog getrennt zu halten.

Kopplung – Um die kapazitive Kopplung durch das Platzieren großer Masseflächen und darüber und darunterliegender Verdrahtung zu reduzieren, versuchen Sie, Erde nur durch analoge Signalleitungen zu simulieren.

Komponentenisolation Beispiele (digital und analog)

Nr.4 – Lösen Sie das Hitzeproblem

Hatten Sie jemals eine Leistungseinbuße oder sogar einen Leiterplattenschaden aufgrund von Hitzeproblemen? Da die Wärmeableitung nicht berücksichtigt wird, gab es viele Probleme, die viele Designer plagten. Hier sind einige Richtlinien, die Sie bei der Lösung von Wärmeableitungsproblemen beachten sollten:

Identifizieren Sie problematische Komponenten

Der erste Schritt besteht darin, darüber nachzudenken, welche Komponenten die meiste Wärme von der Platine ableiten. Dies kann erreicht werden, indem zuerst der „thermische Widerstand“ im Datenblatt der Komponente ermittelt wird und dann die empfohlenen Richtlinien zur Übertragung der erzeugten Wärme befolgt werden. Natürlich können Sie Radiatoren und Lüfter hinzufügen, um die Komponenten kühl zu halten, und denken Sie daran, kritische Komponenten von starken Wärmequellen fernzuhalten.

Fügen Sie Heißluftkissen hinzu

Das Hinzufügen von Heißluftpads ist sehr nützlich für herstellbare Leiterplatten, sie sind für Komponenten mit hohem Kupfergehalt und Wellenlötanwendungen auf mehrschichtigen Leiterplatten unerlässlich. Aufgrund der Schwierigkeit, die Prozesstemperatur aufrechtzuerhalten, wird immer empfohlen, Heißluftpads an Durchgangsbohrungsbauteilen zu verwenden, um den Schweißprozess so einfach wie möglich zu gestalten, indem die Wärmeableitungsrate an den Stiften der Bauteile verlangsamt wird.

Als allgemeine Regel gilt, dass Sie jedes Durchgangsloch oder Durchgangsloch, das mit der Masse oder der Stromebene verbunden ist, immer mit einem Heißluftkissen verbinden. Zusätzlich zu den Heißluftpads können Sie auch Tränentropfen an der Stelle der Pad-Verbindungsleitung hinzufügen, um zusätzliche Kupferfolie/Metallunterstützung zu bieten. Dies trägt dazu bei, mechanische und thermische Belastungen zu reduzieren.

Typischer Anschluss eines Heißluftkissens

Wissenschaft des Heißluftkissens:

Viele für Prozess- oder SMT-Prozesse zuständige Ingenieure in einer Fabrik stoßen häufig auf spontane elektrische Energie, wie z. Egal wie man die Prozessbedingungen ändert oder die Ofentemperatur des Reflow-Schweißofens einstellt, es gibt einen gewissen Anteil an Zinn, der nicht geschweißt werden kann. Was zur Hölle geht hier vor?

Abgesehen vom Oxidationsproblem von Komponenten und Leiterplatten, untersuchen Sie, ob es wiederkehrt, nachdem ein sehr großer Teil des vorhandenen Schweißfehlers tatsächlich von der Leiterplattenverdrahtung (Layout) stammt, und einer der häufigsten ist auf den Komponenten von a bestimmte Schweißfüße, die mit dem Kupferblech großflächig verbunden sind, diese Komponenten nach dem Reflow-Löten Schweißschweißfüße, Einige handgeschweißte Komponenten können aufgrund ähnlicher Situationen auch zu Fehlschweiß- oder Plattierungsproblemen führen, und einige können die Komponenten sogar aufgrund zu langer Erwärmung nicht schweißen.

Allgemeine Leiterplatten im Schaltungsdesign müssen oft eine große Fläche von Kupferfolie als Stromversorgung (Vcc, Vdd oder Vss) und Masse (GND, Ground) verlegen. Diese großen Bereiche der Kupferfolie sind normalerweise direkt mit einigen Steuerschaltungen (ICS) und Pins von elektronischen Komponenten verbunden.

Wenn wir diese großen Bereiche der Kupferfolie auf die Temperatur von schmelzendem Zinn erhitzen möchten, dauert es leider normalerweise länger als einzelne Pads (das Erhitzen ist langsamer) und die Wärmeableitung erfolgt schneller. Wenn ein Ende einer solchen großen Kupferfolienverdrahtung mit kleinen Komponenten wie kleinem Widerstand und kleiner Kapazität verbunden ist und das andere Ende nicht, kommt es leicht zu Schweißproblemen aufgrund der Unbeständigkeit des Schmelzzinns und der Erstarrungszeit; Wenn der Temperaturverlauf beim Reflow-Schweißen nicht gut eingestellt ist und die Vorwärmzeit nicht ausreicht, können die Lötfüße dieser in großen Kupferfolien verbundenen Komponenten leicht das Problem des virtuellen Schweißens verursachen, da sie die schmelzende Zinntemperatur nicht erreichen können.

Beim Handlöten lösen sich die Lötstellen von Bauteilen, die mit großen Kupferfolien verbunden sind, zu schnell auf, um innerhalb der erforderlichen Zeit fertig zu werden. Die häufigsten Fehler sind Löten und virtuelles Löten, bei denen Lötzinn nur auf den Pin des Bauteils geschweißt und nicht mit dem Pad der Leiterplatte verbunden wird. Vom Aussehen her bildet die gesamte Lötstelle eine Kugel; Außerdem schweißt der Bediener die Schweißfüße auf die Platine und erhöht ständig die Temperatur des Lötkolbens oder heizt zu lange auf, so dass die Bauteile die Hitzebeständigkeit überschreiten und ohne es zu wissen beschädigen. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Da wir den Problempunkt kennen, können wir das Problem lösen. Generell benötigen wir das sogenannte Thermal Relief Pad Design, um das Schweißproblem durch die Schweißfüße von großen Kupferfolien-Verbindungselementen zu lösen. Wie in der Abbildung unten gezeigt, verwendet die Verkabelung auf der linken Seite kein Heißluftpad, während die Verkabelung auf der rechten Seite eine Heißluftpadverbindung verwendet hat. Es ist zu erkennen, dass im Kontaktbereich zwischen Pad und großer Kupferfolie nur wenige kleine Linien vorhanden sind, die den Temperaturverlust am Pad stark begrenzen und eine bessere Schweißwirkung erzielen können.

Nr. 5 – Überprüfen Sie Ihre Arbeit

Es ist leicht, sich am Ende eines Designprojekts überfordert zu fühlen, wenn Sie alle Teile zusammenschnaufen und aufblasen. Daher kann eine doppelte und dreifache Überprüfung Ihres Konstruktionsaufwands in dieser Phase den Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg bei der Herstellung ausmachen.

Um den Qualitätskontrollprozess zu unterstützen, empfehlen wir immer, mit einer elektrischen Regelprüfung (ERC) und einer Konstruktionsregelprüfung (DRC) zu beginnen, um sicherzustellen, dass Ihr Design alle Regeln und Einschränkungen vollständig erfüllt. Mit beiden Systemen können Sie lichte Weiten, Linienbreiten, gängige Fertigungseinstellungen, hohe Geschwindigkeitsanforderungen und Kurzschlüsse problemlos überprüfen.

Wenn Ihr ERC und DRC fehlerfreie Ergebnisse liefern, wird empfohlen, die Verdrahtung jedes Signals, vom Schaltplan bis zur Leiterplatte, eine Signalleitung nach der anderen zu überprüfen, um sicherzustellen, dass Ihnen keine Informationen fehlen. Verwenden Sie außerdem die Sondierungs- und Maskierungsfunktionen Ihres Designtools, um sicherzustellen, dass Ihr PCB-Layoutmaterial mit Ihrem Schaltplan übereinstimmt.