Από πρωτότυπα κυκλώματα σε σανίδες ψωμιού μέχρι το σχεδιασμό των δικών μας τυπωμένου κυκλώματος (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. Ο σχεδιασμός PCB πραγματοποιείται σε μια διαδικασία ηλεκτρολογίας (EE). Η ΕΕ δημιουργεί τον «εγκέφαλο» του τρόπου λειτουργίας των συσκευών. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Πράγματα που πρέπει να γνωρίζετε πριν ξεκινήσετε το σχεδιασμό PCB: 1. Μέγεθος PCB – αυτό εξαρτάται από το μέγεθος του προϊόντος σας (ή το μέγεθος της θήκης). Οι διαστάσεις του προϊόντος καθορίζονται κατά τη διαδικασία σχεδιασμού ηλεκτρονικής μηχανικής. You can watch a video about it here. 2. Στρώματα PCB – Όσο περισσότερα στρώματα, τόσο πιο περίπλοκη είναι η ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ του PCB. (Σημείωση: Ακόμη και ένα PCB ενός στρώματος μπορεί να είναι ένα πολύπλοκο PCB, αλλά εδώ μιλάμε για την πολυπλοκότητα της κατασκευής ενός PCB. Όσο περισσότερα στρώματα έχει ένα PCB, τόσο πιο ακριβή είναι η κατασκευή του.)

Το στρώμα 2 χρησιμοποιείται συνήθως για απλά παιχνίδια

Τα σχετικά προϊόντα Iot έχουν συνήθως 4 στρώματα

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

3. Οι απαιτήσεις του κατασκευαστή του PCB. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Πληροφορίες που πρέπει να παρέχετε στους κατασκευαστές PCB:

Αριθμός στρωμάτων (π.χ. 2, 4, 6 κ.λπ.)

Υλικά (FR-2 (φαινολικό βαμβακερό χαρτί), FR-3 (βαμβακερό χαρτί και εποξικό), FR-4 (ίνες γυαλιού και εποξικό… κ.λπ.)

Πάχος (0.5 mm, 1.0 mm… κ.λπ.)

Color (red, black, green… κ.λπ.)

Επιφανειακή επεξεργασία (ENIG (χημική εμβάπτιση νικελίου/χρυσού), DIG (άμεση εμβάπτιση χρυσού), OSP (οργανικά συγκολλητικά συντηρητικά κλπ.)

Βάρος χαλκού (1 ουγκιά (35 μικρά), 2 ουγκιές (70 μικρά), 0.5 ουγκιές (18 μικρά)… κ.λπ.)

Αρχείο Gerber

Διαδικασία σχεδιασμού PCB:

Σχεδίαση κυκλώματος

For this step, you need to create the schematic. Αυτό είναι ένα έγγραφο, όπως ένα σχεδιάγραμμα, που περιγράφει πώς τα συστατικά σχετίζονται μεταξύ τους και λειτουργούν μαζί. Για να δημιουργήσετε το σχηματικό αρχείο, θα χρειαστείτε ένα εργαλείο λογισμικού. Μας αρέσει το Quadcept επειδή είναι βελτιστοποιημένο για το σχεδιασμό του PCBS για κατασκευή (για παράδειγμα, μπορείτε να εξάγετε ένα Bill of Material (BoM) απευθείας από το εργαλείο) και είναι βασισμένο στο cloud, ώστε να μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί οπουδήποτε. (Προσφέρουν επίσης μια δωρεάν κοινοτική έκδοση του εργαλείου για κατασκευαστές και φοιτητές.)

Υπάρχουν πολλές άλλες επιλογές από τις οποίες μπορείτε να επιλέξετε:

Άλτιουμ

ExpressPCB

Συσκευή συχνότητας

KiCad

Cadence allegro

χαλάκι

Computer aided 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. Το πρότυπο αρχείο θα σας βοηθήσει να σχεδιάσετε το σχηματικό σχήμα. Αυτό το στοιχείο γίνεται διαθέσιμο στη βάση δεδομένων όταν ανεβάζετε το μοντέλο στο εργαλείο λογισμικού. Στη συνέχεια, το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να ακολουθήσετε το εγχειρίδιο δεδομένων και να συνδέσετε το καλώδιο σε κάθε ακίδα του εξαρτήματος. (Σημείωση: οι λεπτομέρειες της διαδικασίας σχεδιασμού θα εξαρτηθούν από το επιλεγμένο εργαλείο λογισμικού).

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).

Παράδειγμα διαγράμματος

Ένα καλό σχήμα είναι πραγματικά σημαντικό, καθώς θα χρησιμοποιηθεί ως έγγραφο αναφοράς κατά τον εντοπισμό σφαλμάτων και είναι ένα καλό εργαλείο επικοινωνίας με άλλους μηχανικούς. Επιπλέον, ο κατασκευαστής μπορεί να δοκιμάσει τη συσκευή μέσω των σημείων δοκιμής σε αυτό το έγγραφο.

Διάταξη PCB + αρχείο Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. Σε αντίθεση με ένα σχηματικό σχήμα, μια διάταξη PCB εκχωρεί τα πραγματικά στοιχεία σε ακριβείς θέσεις του PCB και δείχνει τα κομμάτια που συνδέουν κάθε στοιχείο μαζί μεταξύ των επιπέδων PCB. Όπως αναφέρθηκε στην αρχή αυτού του άρθρου, όσο περισσότερα στρώματα, τόσο πιο περίπλοκη απαιτείται η κατασκευή και τόσο υψηλότερο το κόστος.

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. Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε να κρατήσετε το αγώγιμο ίχνος σύντομο και να μειώσετε τον θόρυβο και τις παρεμβολές.

Η διεπαφή χρήστη (UI) πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό ενός PCB. Εξαρτήματα όπως υποδοχές ήχου, συνδέσεις, led, κ.λπ. πρέπει να προσαρμοστούν για να επιτευχθεί η καλύτερη εμπειρία χρήστη.

Μόλις σχεδιαστεί η διάταξη, δημιουργείται ένα αρχείο Gerber. Ο κατασκευαστής του PCBA θα χρησιμοποιήσει αυτό το αρχείο. There are many companies that offer these services, and from HWTrek’s expert library we recommend Kingbrother, NexPCB, and HQPCB.

Sample Gerber files

Η τοποθέτηση εξαρτημάτων στο PCB είναι πολύ σημαντική. Ορισμένα στοιχεία μπορεί να παρεμβαίνουν μεταξύ τους και να προκαλέσουν απροσδόκητη συμπεριφορά. Για παράδειγμα, εάν διαθέτετε λειτουργικές μονάδες Bluetooth και Wi-Fi, έχουν το ίδιο εύρος ζώνης 2.4ghz και μπορούν να παρεμβαίνουν μεταξύ τους εάν δεν έχουν τοποθετηθεί σωστά.

PCB production

Όταν στέλνετε το αρχείο Gerber στον κατασκευαστή PCB, μπορεί να εκτυπώσει τον πίνακα. Αυτό θα αποτελέσει τη βάση για την περαιτέρω οικοδόμηση της βάσης για την προσθήκη εξαρτημάτων στο PCB και την κατασκευή του PCBA (διάταξη πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος).

Μη συναρμολογημένο PCBS

PCBA (Assembly)

Προετοιμασία υλικού

Σε αυτό το σημείο του σχεδιασμού EE, θα πρέπει να έχετε επιλέξει τα εξαρτήματα. You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. Θέματα που χρήζουν προσοχής:

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.

Συσκευασία: Παραγγείλετε εξαρτήματα από τροχούς που παραλαμβάνονται αυτόματα από μηχανήματα SMT αντί να τα συσκευάζετε ξεχωριστά.

Ελάχιστη ποσότητα παραγγελίας: Ελέγξτε την ελάχιστη ποσότητα παραγγελίας του εξαρτήματος. Εάν αγοράζετε λιγότερο από το ελάχιστο, βεβαιωθείτε ότι τα επιλεγμένα εξαρτήματα είναι στο απόθεμα. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Για περισσότερες ποσότητες, ζητήστε συμβουλές από τον κατασκευαστή σας.

Απώλεια: Παραγγείλετε 10% περισσότερο για την κάλυψη της απώλειας (όχι για ακριβά εξαρτήματα)

Εγκαταστήστε εξαρτήματα στο PCB

Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι τοποθέτησης εξαρτημάτων σε επιφάνεια PCB:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. Είναι επίσης κοινώς γνωστό ως DIP ή διπλή διαδικασία συσκευασίας σε σειρά. (Δείτε το SMT σε εξέλιξη σε αυτό το βίντεο)

Το SMT (τεχνολογία τοποθέτησης επιφάνειας) είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος στη μαζική παραγωγή. Γίνεται από γρήγορα, ακριβή μηχανήματα SMT που σας εξοικονομούν χρόνο, χρήμα και αποφεύγουν ανθρώπινο λάθος.

Πράγματα που πρέπει να θυμάστε:

Ο αριθμός τύπου εξαρτήματός σας δεν πρέπει να υπερβαίνει τον αριθμό των τροχών που μπορεί να υποστηρίξει το μηχάνημα SMT του κατασκευαστή.

Βελτιστοποιήστε και ενοποιήστε τα στοιχεία σας έτσι ώστε να εκτελείται μόνο ένα SMT.

Ελέγξτε τα μεγέθη μαξιλαριών αποτυπώματος που υποστηρίζονται από τον κατασκευαστή. Διαφορετικά, το μηχάνημα SMT δεν θα εγκαταστήσει σωστά τα εξαρτήματα.

Ορισμένα μεγαλύτερα εξαρτήματα δεν μπορούν να εγκατασταθούν από το μηχάνημα και εξακολουθούν να απαιτούν χειροκίνητη εργασία μέσω οπών. Επομένως, και οι δύο τεχνολογίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον ίδιο πίνακα.

Τυχόν εξαρτήματα που χρειάζεστε για να προσθέσετε χειροκίνητα μέσω της μεθόδου διαμπερής προσθήκη στο κόστος κατασκευής.

Επανάληψη συγκόλλησης

Η συγκόλληση Reflow είναι η διαδικασία που κάνει τα εξαρτήματα να «κολλήσουν» στο PCB. Το PCBA θερμαίνει την πλακέτα κυκλώματος μέσω φούρνου αναρρόφησης ή λαμπτήρα υπερύθρων μέχρι να λιώσει η συγκόλληση, συνδέοντας έτσι μόνιμα το εξάρτημα στην πλακέτα κυκλώματος.

Το πιο δύσκολο μέρος εδώ είναι να μην υπερθερμανθεί ή να καταστραφούν τα εξαρτήματα, επειδή τα θερμικά χαρακτηριστικά κάθε συσκευασίας είναι διαφορετικά. Ένας αξιόπιστος κατασκευαστής PCBA θα είναι υπεύθυνος για αυτή τη διαδικασία και το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να τους παράσχετε προδιαγραφές εξαρτημάτων.

Διαδικασία παλινδρόμησης.

Άλλες μέθοδοι συγκόλλησης:

Η συγκόλληση κυμάτων χρησιμοποιείται κυρίως για χειροκίνητα προστιθέμενα εξαρτήματα με τη μέθοδο της οπής. Σε αυτήν την περίπτωση, το PCBA σας θα περάσει πρώτα από τον κλίβανο συγκόλλησης με επαναφορά και στη συνέχεια θα προσθέσει χειροκίνητα άλλα εξαρτήματα αφού περάσει από τη μηχανή συγκόλλησης κύματος.

Η συγκόλληση σιδήρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συγκεκριμένες καταστάσεις, αλλά όχι για μαζική παραγωγή.

Δοκιμές και ποιοτικός έλεγχος

Σε αυτό το βήμα, δοκιμάζονται δείγματα PCBA για να διασφαλιστεί η ποιότητα. Τα συνηθισμένα σφάλματα είναι: βραχυκυκλώματα σε αποσυνδεδεμένα εξαρτήματα, μη ευθυγραμμισμένα εξαρτήματα και μέρη του κυκλώματος που δεν πρέπει να συνδεθούν. Οι πιο συνηθισμένες δοκιμές:

ΤΠΕ (διαδικτυακές δοκιμές). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. Το μηχάνημα ΤΠΕ θα χρησιμοποιήσει αυτά τα σημεία δοκιμής για δοκιμές ανοικτού/βραχυκυκλώματος και θα ελέγξει ότι οι τιμές των παθητικών εξαρτημάτων (αντιστάσεις, επαγωγείς, πυκνωτές) βρίσκονται εντός του εύρους προδιαγραφών.

AOI (Αυτόματος οπτικός έλεγχος). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Για αυτήν τη δοκιμή, ο δημιουργός υλικού θα πρέπει να παράσχει προδιαγραφές και ανοχές στον κατασκευαστή για να ορίσει τις παραμέτρους.

Ακτινογραφία. Ο κατασκευαστής PCBA θα χρησιμοποιήσει ακτίνες Χ για να ελέγξει τις συνθήκες συγκόλλησης των εξαρτημάτων BGA (συστοιχία πλέγματος μπάλας). Δείτε το τεστ ακτίνων Χ σε αυτό το βίντεο.