브레드 보드의 프로토타입 회로부터 자체 설계까지 인쇄 회로 기판 (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. PCB 설계는 전기 공학(EE) 프로세스에서 수행됩니다. EE는 장치 작동 방식의 “두뇌”를 만듭니다. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

PCB 설계를 시작하기 전에 알아야 할 사항: 1. PCB 크기 – 제품 크기(또는 케이스 크기)에 따라 다릅니다. 제품 치수는 전자 엔지니어링 설계 프로세스 중에 정의됩니다. 여기에서 이에 대한 동영상을 볼 수 있습니다. 2. PCB 레이어 – 레이어가 많을수록 PCB 제조가 더 복잡해집니다. (참고: 단일 레이어 PCB도 복잡한 PCB일 수 있지만 여기서는 PCB를 만드는 복잡성에 대해 이야기하고 있습니다. PCB의 층이 많을수록 제조 비용이 더 많이 듭니다.)

레이어 2는 일반적으로 간단한 장난감 제품에 사용됩니다.

Iot 관련 제품에는 일반적으로 4개의 레이어가 있습니다.

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

3. PCB 제조업체의 요구 사항. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

PCB 제조업체에 제공해야 하는 정보:

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

재질(FR-2(페놀 면지), FR-3(면지 및 에폭시), FR-4(유리섬유 및 에폭시… 등)

두께(0.5mm, 1.0mm… 등)

Color (red, black, green… 등)

표면처리(ENIG(화학니켈/금침침), DIG(금침침), OSP(유기납땜 방부제 등)

구리 무게(1oz(35미크론), 2oz(70미크론), 0.5oz(18미크론)… 등)

Gerber 파일

PCB 설계 과정:

회로 설계

For this step, you need to create the schematic. 이것은 구성 요소가 서로 관련되고 함께 작동하는 방식을 설명하는 청사진과 같은 문서입니다. 회로도 파일을 생성하려면 소프트웨어 도구가 필요합니다. Quadcept는 제조용 PCBS 설계에 최적화되어 있고(예: 도구에서 직접 BoM(Bill of Material)을 내보낼 수 있음) 클라우드 기반이므로 어디서나 쉽게 사용할 수 있기 때문에 우리는 Quadcept를 좋아합니다. (또한 제조업체와 학생을 위한 도구의 무료 커뮤니티 버전도 제공합니다.)

선택할 수 있는 다른 옵션이 많이 있습니다.

Altium

익스프레스PCB

주파수 장치

KiCad

Cadence allegro

매트

컴퓨터 지원 설계

딥 트레이스

After you install the selected tools, you need to obtain the component specifications for each selected component. 종종 공급자의 웹사이트에서 찾을 수 있습니다. 모델 파일은 회로도를 그리는 데 도움이 됩니다. 이 구성 요소는 모델을 소프트웨어 도구에 업로드할 때 데이터베이스에서 사용할 수 있게 됩니다. 그런 다음 데이터 설명서를 따르고 구성 요소의 각 핀에 와이어를 연결하기만 하면 됩니다. (참고: 설계 프로세스의 세부 사항은 선택한 소프트웨어 도구에 따라 다릅니다).

각 회로도 기호에는 구성 요소의 물리적 치수와 브레이징 패드 또는 PCB의 관통 구멍 위치를 정의하기 위해 연결된 PCB 공간 영역이 있어야 합니다. You should have selected the components (or are now selecting them), and we describe this process in the EE Design Process video (see video).

예시 다이어그램

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. 또한 제조업체는 이 문서의 테스트 포인트를 통해 장치를 테스트할 수 있습니다.

PCB 레이아웃 + Gerber 파일

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. 회로도와 달리 PCB 레이아웃은 실제 구성 요소를 PCB의 정확한 위치에 할당하고 PCB 레이어 사이에서 각 구성 요소를 함께 연결하는 트랙을 보여줍니다. 이 기사의 시작 부분에서 언급했듯이 레이어가 많을수록 제조가 더 복잡하고 비용이 높아집니다.

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). 그런 다음 각 섹션의 구성 요소를 동일한 영역으로 그룹화하십시오. 이러한 방식으로 전도성 트레이스를 짧게 유지하고 노이즈와 간섭을 줄일 수 있습니다.

사용자 인터페이스(UI)도 PCB를 설계할 때 염두에 두어야 합니다. 오디오 잭, 커넥터, LED 등과 같은 구성 요소는 최상의 사용자 경험을 달성하기 위해 조정해야 합니다.

레이아웃이 설계되면 Gerber 파일이 생성됩니다. PCBA 제조업체에서 이 파일을 사용합니다. 이러한 서비스를 제공하는 회사는 많이 있으며 HWTrek의 전문 라이브러리에서 Kingbrother, NexPCB 및 HQPCB를 권장합니다.

Sample Gerber files

PCB에 부품을 배치하는 것은 매우 중요합니다. 일부 구성 요소는 서로 간섭하여 예기치 않은 동작을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어 Bluetooth 및 Wi-Fi 모듈이 모두 있는 경우 동일한 2.4GHz 대역폭을 가지며 잘못 배치하면 서로 간섭할 수 있습니다.

PCB 생산

Gerber 파일을 PCB 제조사에 보내면 기판을 인쇄할 수 있습니다. 이는 PCB에 부품을 추가하고 PCBA(인쇄회로기판 어셈블리)를 제조하기 위한 기반을 더욱 구축하는 기반이 될 것입니다.

조립되지 않은 PCBS

PCBA(조립)

재료 준비

EE 설계의 이 시점에서 구성 요소를 선택해야 합니다. PCBA 제조업체에 필요한 구성 요소를 주문하도록 요청하거나 공급업체를 선택한 경우 직접 주문할 수 있습니다. 주의가 필요한 사항 :

Lead time: As these components come from different suppliers, keep the lead time in mind. 일부 구성 요소의 경우 최대 8-16주가 소요될 수 있습니다.

포장: 개별적으로 포장하는 대신 SMT 기계에 의해 자동으로 픽업되는 릴에서 구성 요소를 주문하십시오.

최소 주문 수량: 구성품의 최소 주문 수량을 확인합니다. 최소 수량 미만으로 구매하는 경우 선택한 구성 요소의 재고가 있는지 확인하십시오. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. 더 많은 수량을 원하시면 제조사에 조언을 구하십시오.

손실: 손실을 충당하기 위해 10% 추가 주문(고가 부품 제외)

PCB에 구성 요소 설치

PCB 표면에 구성 요소를 배치하는 두 가지 주요 방법이 있습니다.

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. 일반적으로 DIP 또는 이중 인라인 포장 공정이라고도 합니다. (이 비디오에서 진행 중인 SMT 참조)

SMT(표면 실장 기술)는 대량 생산에서 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이는 시간과 비용을 절약하고 인적 오류를 방지하는 빠르고 정확한 SMT 기계에 의해 수행됩니다.

기억할 사항 :

구성 요소 유형 번호는 제조업체의 SMT 기계가 지원할 수 있는 릴 수를 초과해서는 안 됩니다.

하나의 SMT만 실행되도록 구성 요소를 최적화하고 통합합니다.

제조업체에서 지원하는 풋프린트 패드 크기를 확인하십시오. 그렇지 않으면 SMT 시스템이 구성 요소를 올바르게 설치하지 않습니다.

일부 더 큰 구성 요소는 기계로 설치할 수 없으며 여전히 수동 관통 작업이 필요합니다. 따라서 두 기술을 동일한 보드에서 사용할 수 있습니다.

스루홀 방식을 통해 수동으로 추가해야 하는 모든 구성 요소는 제조 비용을 추가합니다.

리플로 납땜

리플 로우 솔더링은 구성 요소를 PCB에 “고착”시키는 프로세스입니다. PCBA는 솔더가 녹을 때까지 리플로 또는 적외선 램프를 통해 회로 기판을 가열하여 부품을 회로 기판에 영구적으로 부착합니다.

여기서 가장 까다로운 부분은 각 패키지의 열 특성이 다르기 때문에 구성 요소를 과열하거나 손상시키지 않는 것입니다. 신뢰할 수 있는 PCBA 제조업체가 이 프로세스를 책임지고 구성 요소 사양을 제공하기만 하면 됩니다.

역류 과정.

다른 용접 방법:

웨이브 솔더링은 주로 스루 홀 방식으로 수동으로 추가되는 부품에 사용됩니다. 이 경우 PCBA는 먼저 리플로 용접로를 통과한 다음 웨이브 납땜 기계를 통과한 후 다른 구성 요소를 수동으로 추가합니다.

철 용접은 특정 상황에 사용할 수 있지만 대량 생산에는 사용할 수 없습니다.

테스트 및 품질 검사

이 단계에서 PCBA 샘플은 품질을 보장하기 위해 테스트됩니다. 일반적인 오류는 연결되지 않은 구성 요소의 단락, 잘못 정렬된 구성 요소 및 연결해서는 안 되는 회로 부분입니다. 가장 일반적인 테스트:

ICT(온라인 테스트). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. ICT 기계는 이러한 테스트 포인트를 개방/단락 회로 테스트에 사용하고 수동 부품(저항, 인덕터, 커패시터)의 값이 사양 범위 내에 있는지 확인합니다.

AOI(자동 광학 검사). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. 이 테스트를 위해 하드웨어 제작자는 매개변수를 설정하기 위해 제조업체에 사양과 허용 오차를 제공해야 합니다.

엑스레이. PCBA 제조업체는 X선을 사용하여 BGA(ball Grid Array) 부품의 용접 상태를 확인합니다. 이 비디오에서 X선 ​​검사를 시청하십시오.