Van prototypecircuits op breadboards tot het ontwerpen van onze eigen circuits printplaat (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 creëert het “brein” van hoe apparaten werken. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Dingen die u moet weten voordat u begint met het ontwerpen van PCB’s: 1. PCB-grootte – dit hangt af van uw productgrootte (of behuizingsgrootte). Productafmetingen worden gedefinieerd tijdens het ontwerpproces van de elektronische engineering. You can watch a video about it here. 2. PCB-lagen – Hoe meer lagen, hoe complexer de VERVAARDIGING van PCB’s. (Opmerking: zelfs een enkellaagse PCB kan een complexe PCB zijn, maar hier hebben we het over de complexiteit van het maken van een PCB. Hoe meer lagen een PCB heeft, hoe duurder het is om te vervaardigen.)

Laag 2 wordt meestal gebruikt voor eenvoudige speelgoedproducten

Veel gerelateerde producten hebben meestal 4 lagen

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

3. De vereisten van uw PCB-fabrikant. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Informatie die u aan PCB-fabrikanten moet verstrekken:

Aantal lagen (bijv. 2, 4, 6, etc.)

Materialen (FR-2 (fenolkatoenpapier), FR-3 (katoenpapier en epoxy), FR-4 (glasvezel en epoxy… etc.)

Dikte (0.5 mm, 1.0 mm… etc.)

Kleur (rood, zwart, groen… etc.)

Oppervlaktebehandeling (ENIG (chemische onderdompeling in nikkel/goud), DIG (directe onderdompeling in goud), OSP (organische soldeerbare conserveermiddelen, enz.)

Kopergewicht (1 oz (35 micron), 2 oz (70 micron), 0.5 oz (18 micron)… etc.)

Gerber-bestand

PCB-ontwerpproces:

Circuit ontwerp

For this step, you need to create the schematic. Dit is een document, als een blauwdruk, dat beschrijft hoe componenten zich tot elkaar verhouden en samenwerken. Om het schemabestand te maken, heeft u een softwaretool nodig. We houden van Quadcept omdat het is geoptimaliseerd voor het ontwerpen van PCBS voor productie (u kunt bijvoorbeeld een stuklijst rechtstreeks vanuit de tool exporteren) en cloudgebaseerd is, zodat het overal gemakkelijk kan worden gebruikt. (Ze bieden ook een gratis communityversie van de tool voor fabrikanten en studenten.)

Er zijn nog veel meer opties waaruit u kunt kiezen:

Altium

ExpressPCB

Frequentie apparaat:

kicad

Cadence allegro

Voedsel

Computerondersteund ontwerp

DipTrace

Nadat u de geselecteerde tools hebt geïnstalleerd, moet u de onderdeelspecificaties voor elk geselecteerd onderdeel verkrijgen. They can often be found on the supplier’s website. Het modelbestand helpt u bij het tekenen van het schema. Dit onderdeel komt beschikbaar in de database wanneer u het model uploadt naar de softwaretool. Vervolgens hoeft u alleen maar de datahandleiding te volgen en de draad op elke pin in het onderdeel aan te sluiten. (Opmerking: de details van het ontwerpproces zijn afhankelijk van de gekozen softwaretool).

Elk schematisch symbool moet een bijbehorend PCB-ruimtegebied hebben om de fysieke afmetingen van het onderdeel en de locatie van de doorgaande gaten op het soldeerkussen of de PCB te definiëren. You should have selected the components (or are now selecting them), and we describe this process in the EE Design Process video (see video).

Voorbeelddiagram

Een goed schema is erg belangrijk, omdat het zal worden gebruikt als referentiedocument tijdens het debuggen en een goed communicatiemiddel is met andere ingenieurs. Daarnaast kan de fabrikant het apparaat testen via de testpunten op dit document.

PCB-layout + Gerber-bestand

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. In tegenstelling tot een schema wijst een PCB-lay-out de eigenlijke componenten toe aan exacte locaties op de PCB en toont de sporen die elk component met elkaar verbinden tussen de PCB-lagen. Zoals vermeld aan het begin van dit artikel, hoe meer lagen, hoe complexer de vereiste productie en hoe hoger de kosten.

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). Zorg er vervolgens voor dat u de componenten van elke sectie in hetzelfde gebied groepeert. Op deze manier kunt u het geleidende spoor kort houden en ruis en interferentie verminderen.

Bij het ontwerpen van een printplaat moet ook rekening worden gehouden met de gebruikersinterface (UI). Componenten zoals audio-aansluitingen, connectoren, leds, enz. moeten worden aangepast om de beste gebruikerservaring te bereiken.

Nadat de lay-out is ontworpen, wordt een Gerber-bestand gegenereerd. Uw PCBA-fabrikant zal dit bestand gebruiken. Er zijn veel bedrijven die deze diensten aanbieden, en uit de expertbibliotheek van HWTrek raden we Kingbrother, NexPCB en HQPCB aan.

Sample Gerber files

De plaatsing van componenten op de printplaat is erg belangrijk. Sommige componenten kunnen met elkaar interfereren en onverwacht gedrag veroorzaken. Als u bijvoorbeeld zowel Bluetooth- als Wi-Fi-modules hebt, hebben ze dezelfde 2.4GHz-bandbreedte en kunnen ze met elkaar interfereren als ze verkeerd worden geplaatst.

PCB-productie

Wanneer u het Gerber-bestand naar de PCB-fabrikant stuurt, kunnen zij het bord afdrukken. Dit zal de basis zijn om de basis verder te bouwen voor het toevoegen van componenten aan de PCB en het vervaardigen van de PCBA (printed circuit board assembly).

Niet-gemonteerde PCBS

PCBA (montage)

Materiële voorbereiding

Op dit punt in uw EE-ontwerp zou u de componenten moeten hebben geselecteerd. U kunt de PCBA-fabrikant vragen om de benodigde componenten voor u te bestellen, of het zelf doen als u een leverancier kiest. Zaken die aandacht behoeven:

Doorlooptijd: Aangezien deze componenten van verschillende leveranciers komen, moet u rekening houden met de doorlooptijd. Voor sommige componenten kan het tot 8-16 weken duren.

Verpakking: Bestel componenten van haspels die automatisch worden opgehaald door SMT-machines in plaats van ze afzonderlijk te verpakken.

Minimale bestelhoeveelheid: Controleer de minimale bestelhoeveelheid van het onderdeel. Als u minder dan het minimum aanschaft, zorg er dan voor dat de geselecteerde componenten op voorraad zijn. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Vraag voor meer hoeveelheden advies aan uw fabrikant.

Verlies: bestel 10% meer om verlies te dekken (niet voor dure componenten)

Installeer componenten op de printplaat

Er zijn twee manieren om componenten op een PCB-oppervlak te plaatsen:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. Het is ook algemeen bekend als DIP of dual in-line verpakkingsproces. (Zie SMT in uitvoering in deze video)

SMT (Surface Mount Technology) is de meest gebruikte methode in massaproductie. Het wordt gedaan door snelle, nauwkeurige SMT-machines die u tijd en geld besparen en menselijke fouten voorkomen.

Dingen om te onthouden:

Het typenummer van uw component mag niet groter zijn dan het aantal haspels dat de SMT-machine van de fabrikant kan ondersteunen.

Optimaliseer en consolideer uw componenten zodat er maar één SMT draait.

Controleer de door de fabrikant ondersteunde afmetingen van de footprint-pads. Anders zal de SMT-machine de componenten niet correct installeren.

Sommige grotere componenten kunnen niet machinaal worden geïnstalleerd en vereisen toch handmatig doorlopend werk. Daarom kunnen beide technologieën op hetzelfde bord worden gebruikt.

Alle componenten die u handmatig moet toevoegen via de through-hole-methode, dragen bij aan de productiekosten.

Reflow solderen

Reflow-solderen is het proces waarbij componenten aan de printplaat “kleven”. De PCBA verwarmt de printplaat via een reflow-oven of een infraroodlamp totdat het soldeer smelt, waardoor het onderdeel permanent aan de printplaat wordt bevestigd.

Het lastigste hierbij is om de componenten niet te oververhitten of te beschadigen, omdat de thermische eigenschappen van elk pakket anders zijn. Een betrouwbare PCBA-fabrikant is verantwoordelijk voor dit proces en het enige dat u hoeft te doen, is hen te voorzien van componentspecificaties.

Reflux proces.

Andere lasmethoden:

Golfsolderen wordt voornamelijk gebruikt voor handmatig toegevoegde componenten door de methode met doorlopende gaten. In dit geval gaat uw PCBA eerst door de reflow-lasoven en voegt vervolgens handmatig andere componenten toe nadat deze door de golfsoldeermachine gaan.

IJzerlassen kan voor specifieke situaties worden gebruikt, maar niet voor massaproductie.

Testen en kwaliteitscontrole

In deze stap worden PCBA-monsters getest om de kwaliteit te waarborgen. Veelvoorkomende fouten zijn: kortsluiting in losgekoppelde componenten, verkeerd uitgelijnde componenten en delen van het circuit die niet aangesloten mogen worden. De meest voorkomende tests:

ICT (Online testen). Bij het ontwerpen van een PCB zijn sommige testpunten meestal gereserveerd voor debuggen, programmeren en andere doeleinden. De ICT-machine zal deze testpunten gebruiken voor open/kortsluiting testen en controleren of de waarden van de passieve componenten (weerstanden, inductoren, condensatoren) binnen het specificatiebereik vallen.

AOI (Automatische optische inspectie). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Voor deze test moet de maker van de hardware specificaties en toleranties aan de fabrikant verstrekken om de parameters in te stellen.

Röntgenstraal. De PCBA-fabrikant zal röntgenstralen gebruiken om de lasomstandigheden van de BGA-componenten (ball Grid Array) te controleren. Bekijk de röntgentest in deze video.