PCB設計者が学ばなければならないXNUMXつのPCB設計ガイドライン

新しい設計の開始時には、ほとんどの時間は回路設計とコンポーネントの選択に費やされ、 PCB レイアウトと配線の段階は、経験不足のために包括的に考慮されないことがよくありました。 デザインのPCBレイアウトとルーティングフェーズに十分な時間と労力を費やさないと、デザインがデジタルドメインから物理的な現実に移行するときに、製造段階で問題が発生したり、機能上の欠陥が発生したりする可能性があります。 では、紙と物理的な形の両方で本物の回路基板を設計するための鍵は何ですか? 製造可能で機能的なPCBを設計する際に知っておくべき、上位XNUMXつのPCB設計ガイドラインを調べてみましょう。

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1 –コンポーネントのレイアウトを微調整します

PCBレイアウトプロセスのコンポーネント配置フェーズは科学と芸術の両方であり、ボード上で利用可能な主要コンポーネントを戦略的に検討する必要があります。 このプロセスは難しい場合がありますが、電子機器の配置方法によって、ボードの製造がいかに簡単で、元の設計要件をどの程度満たしているかが決まります。

コネクタ、PCB取り付けコンポーネント、電源回路、精密回路、重要な回路などの順次配置など、コンポーネントの配置には一般的な順序がありますが、次のような特定のガイドラインにも留意する必要があります。

方向–同様のコンポーネントが同じ方向に配置されていることを確認すると、効率的でエラーのない溶接プロセスを実現するのに役立ちます。

配置–大きなコンポーネントのはんだ付けの影響を受ける可能性がある大きなコンポーネントの後ろに小さなコンポーネントを配置することは避けてください。

構成–組み立て手順を最小限に抑えるために、すべての表面実装(SMT)コンポーネントをボードの同じ側に配置し、すべてのスルーホール(TH)コンポーネントをボードの上部に配置することをお勧めします。

最終的なPCB設計ガイドラインのXNUMXつ–混合技術コンポーネント(スルーホールおよび表面実装コンポーネント)を使用する場合、メーカーはボードを組み立てるために追加のプロセスを必要とする場合があり、これにより全体的なコストが増加します。

チップコンポーネントの向きが良い(左)とチップコンポーネントの向きが悪い(右)

良いコンポーネントの配置(左)と悪いコンポーネントの配置(右)

No. 2 –電源、接地、信号配線の適切な配置

コンポーネントを配置した後、電源、接地、および信号配線を配置して、信号がクリーンでトラブルのない経路になっていることを確認できます。 レイアウトプロセスのこの段階では、次のガイドラインに留意してください。

電源と接地面の層を見つけます

電源層とグランドプレーン層は、対称で中央に配置された状態でボードの内側に配置することを常にお勧めします。 これにより、回路基板が曲がるのを防ぐことができます。これは、コンポーネントが正しく配置されている場合にも重要です。 ICに電力を供給するために、各電源に共通のチャネルを使用し、しっかりとした安定した配線幅を確保し、デバイス間のデイジーチェーン電源接続を回避することをお勧めします。

信号ケーブルはケーブルを介して接続されています

次に、回路図の設計に従って信号線を接続します。 コンポーネント間では、常に可能な限り最短のパスと直接パスを使用することをお勧めします。 コンポーネントをバイアスなしで水平に配置する必要がある場合は、基本的に、ボードのコンポーネントをワイヤから出てくる場所で水平に配線し、ワイヤから出た後に垂直に配線することをお勧めします。 これにより、溶接中にはんだが移動するときに、コンポーネントが水平位置に保持されます。 下図の上半分に示すように。 図の下部に示されている信号配線は、溶接中にはんだが流れるときにコンポーネントのたわみを引き起こす可能性があります。

推奨配線(矢印ははんだの流れ方向を示します)

推奨されない配線(矢印ははんだの流れの方向を示します)

ネットワーク幅を定義する

設計では、さまざまな電流を流すさまざまなネットワークが必要になる場合があります。これにより、必要なネットワーク幅が決まります。 この基本的な要件を考慮すると、低電流のアナログおよびデジタル信号には0.010インチ(10mil)の幅を提供することをお勧めします。 ライン電流が0.3アンペアを超える場合は、幅を広げる必要があります。 これは、変換プロセスを簡単にするための無料の線幅計算機です。

数XNUMX。 –効果的な検疫

あなたはおそらく、電源回路の大きな電圧と電流のスパイクが低電圧電流制御回路に干渉する可能性があることを経験したことがあります。 このような干渉の問題を最小限に抑えるには、次のガイドラインに従ってください。

絶縁–各電源が電源および制御源から分離されていることを確認してください。 それらをPCBで相互に接続する必要がある場合は、電源パスの端にできるだけ近いことを確認してください。

レイアウト–中間層にグランドプレーンを配置した場合は、電源回路の干渉のリスクを軽減し、制御信号を保護するために、必ず小さなインピーダンスパスを配置してください。 同じガイドラインに従って、デジタルとアナログを分離しておくことができます。

結合–大きなグランドプレーンとその上下の配線を配置することによる容量結合を減らすには、アナログ信号線を介してのみグランドをクロスシミュレーションしてみてください。

コンポーネントの分離の例(デジタルおよびアナログ)

No.4 –熱の問題を解決する

熱の問題により回路性能が低下したり、回路基板が損傷したりしたことはありますか? 熱放散の考慮がないので、多くの設計者を悩ませている多くの問題がありました。 熱放散の問題を解決するために覚えておくべきいくつかのガイドラインを次に示します。

厄介なコンポーネントを特定する

最初のステップは、どのコンポーネントがボードから最も熱を放散するかを考え始めることです。 これは、最初にコンポーネントのデータシートで「熱抵抗」レベルを見つけ、次に推奨されるガイドラインに従って発生した熱を伝達することで実行できます。 もちろん、ラジエーターと冷却ファンを追加してコンポーネントを冷却し、重要なコンポーネントを高熱源から遠ざけることを忘れないでください。

熱風パッドを追加する

熱風パッドの追加は、製造可能な回路基板に非常に役立ちます。熱風パッドは、高銅含有量のコンポーネントや多層回路基板のウェーブはんだ付けアプリケーションに不可欠です。 プロセス温度を維持するのは難しいため、スルーホールコンポーネントに熱風パッドを使用して、コンポーネントのピンでの熱放散速度を遅くすることにより、溶接プロセスをできるだけ簡単にすることを常にお勧めします。

原則として、アースまたは電源プレーンに接続されているスルーホールまたはスルーホールは、常に熱風パッドを使用して接続してください。 熱風パッドに加えて、パッド接続ラインの位置にティアドロップを追加して、追加の銅箔/金属サポートを提供することもできます。 これにより、機械的および熱的ストレスを軽減できます。

典型的な熱風パッドの接続

熱風パッド科学:

工場でプロセスまたはSMTを担当する多くのエンジニアは、自発的な空、デウェッティング、またはコールドウェッティングなどの電気基板の欠陥など、自発的な電気エネルギーに遭遇することがよくあります。 プロセス条件の変更方法やリフロー溶接炉の温度調整方法に関係なく、一定の割合のスズは溶接できません。 ここで何が起こっているのですか?

コンポーネントと回路基板の酸化の問題は別として、既存の溶接不良の非常に大きな部分が実際に回路基板の配線(レイアウト)設計が欠落しているために発生した後の戻りを調査します。最も一般的なもののXNUMXつは、大面積の銅板に接続された特定の溶接脚、リフローはんだ付け後のこれらのコンポーネント溶接溶接脚、 手溶接されたコンポーネントの中には、同様の状況が原因で誤った溶接やクラッディングの問題を引き起こすものもあります。また、加熱が長すぎるためにコンポーネントを溶接できないものもあります。

回路設計の一般的なPCBは、多くの場合、電源(Vcc、Vdd、またはVss)およびグランド(GND、グランド)として大面積の銅箔を敷設する必要があります。 銅箔のこれらの広い領域は通常、いくつかの制御回路(ICS)および電子部品のピンに直接接続されています。

残念ながら、これらの広い領域の銅箔を溶融スズの温度まで加熱したい場合、通常、個々のパッドよりも時間がかかり(加熱が遅くなり)、熱放散が速くなります。 このような大きな銅箔配線の一端が小さな抵抗や小さな静電容量などの小さなコンポーネントに接続され、他端が接続されていない場合、溶融スズと凝固時間の不一致のために溶接の問題が発生しやすくなります。 リフロー溶接の温度曲線がうまく調整されておらず、予熱時間が不十分な場合、大きな銅箔で接続されたこれらのコンポーネントのはんだ脚は、溶融スズ温度に到達できないため、仮想溶接の問題を引き起こしやすくなります。

手はんだ付け中、大きな銅箔に接続されたコンポーネントのはんだ接合部は、必要な時間内に完了するには速すぎます。 最も一般的な欠陥は、はんだ付けと仮想はんだ付けです。はんだはコンポーネントのピンにのみ溶接され、回路基板のパッドには接続されません。 外観から、はんだ接合全体がボールを形成します。 さらに、オペレーターは、回路基板に溶接脚を溶接し、はんだごての温度を絶えず上昇させるか、長時間加熱して、コンポーネントが耐熱温度を超え、知らないうちに損傷するようにします。 下の図に示すように。

問題点がわかっているので、問題を解決できます。 一般に、大きな銅箔接続要素の溶接脚によって引き起こされる溶接の問題を解決するには、いわゆるサーマルリリーフパッドの設計が必要です。 下図のように、左側の配線は熱風パッドを使用せず、右側の配線は熱風パッド接続を採用しています。 パッドと大きな銅箔との接触領域に小さな線がわずかしかないことがわかります。これにより、パッドの温度損失を大幅に制限し、より優れた溶接効果を実現できます。

No. 5 –あなたの仕事をチェックしてください

デザインプロジェクトの最後に、すべてのピースを一緒にハフしたりパフしたりしていると、圧倒されがちです。 したがって、この段階で設計作業をXNUMX回およびXNUMX回チェックすることは、製造の成功と失敗の違いを意味する可能性があります。

品質管理プロセスを完了するために、電気ルールチェック(ERC)とデザインルールチェック(DRC)から始めて、デザインがすべてのルールと制約を完全に満たしていることを確認することを常にお勧めします。 どちらのシステムでも、クリアランス幅、ライン幅、一般的な製造設定、高速要件、および短絡を簡単に確認できます。

ERCとDRCでエラーのない結果が得られた場合は、回路図からPCBまで、各信号の配線を一度にXNUMX本ずつチェックして、情報が欠落していないことを確認することをお勧めします。 また、設計ツールのプロービングおよびマスキング機能を使用して、PCBレイアウト材料が回路図面と一致することを確認します。