Od prototypowych obwodów na płytkach chlebowych po projektowanie własnych Płytka drukowana (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 tworzy „mózg” działania urządzeń. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Co warto wiedzieć przed rozpoczęciem projektowania PCB: 1. Rozmiar PCB – zależy to od rozmiaru Twojego produktu (lub rozmiaru obudowy). Wymiary produktu są definiowane w procesie projektowania elektroniki. Film o tym można obejrzeć tutaj. 2. Warstwy PCB – Im więcej warstw, tym bardziej złożona PRODUKCJA PCB. (Uwaga: nawet jednowarstwowa płytka drukowana może być złożoną płytką drukowaną, ale tutaj mówimy o złożoności wykonania płytki drukowanej. Im więcej warstw ma płytka drukowana, tym droższa jest jej produkcja.)

Warstwa 2 jest zwykle używana do prostych produktów z zabawkami

Produkty związane z Iotem mają zwykle 4 warstwy

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

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

Informacje, które musisz przekazać producentom PCB:

Liczba warstw (np. 2, 4, 6 itd.)

Materiały (FR-2 (papier fenolowo-bawełniany), FR-3 (papier bawełniany i żywica epoksydowa), FR-4 (włókno szklane i żywica epoksydowa… itd.)

Grubość (0.5 mm, 1.0 mm… itd.)

Kolor (czerwony, czarny, zielony… itd.)

Obróbka powierzchni (ENIG (chemiczne zanurzanie w niklu/złocie), DIG (bezpośrednie zanurzanie w złocie), OSP (organiczne środki konserwujące do lutowania itp.)

Waga miedzi (1 uncja (35 mikronów), 2 uncje (70 mikronów), 0.5 uncji (18 mikronów)… itd.)

Plik Gerber

Proces projektowania PCB:

Projektowanie obwodów

For this step, you need to create the schematic. Jest to dokument, przypominający plan, który opisuje, w jaki sposób komponenty są ze sobą powiązane i współpracują ze sobą. Aby utworzyć plik schematu, potrzebujesz narzędzia programowego. Podoba nam się Quadcept, ponieważ jest zoptymalizowany do projektowania obwodów drukowanych do produkcji (na przykład można wyeksportować zestawienie materiałowe (BoM) bezpośrednio z narzędzia) i jest oparty na chmurze, dzięki czemu można go łatwo używać w dowolnym miejscu. (Oferują również bezpłatną wersję społecznościową narzędzia dla producentów i studentów).

Istnieje wiele innych opcji do wyboru:

Altium

ExpressPCB

Urządzenie częstotliwości

KiCad

Cadence allegro

mata

Projektowanie wspomagane komputerowo

DipTrace

Po zainstalowaniu wybranych narzędzi należy uzyskać specyfikacje każdego wybranego składnika. They can often be found on the supplier’s website. Plik modelu pomoże ci narysować schemat. Ten komponent staje się dostępny w bazie danych po przesłaniu modelu do narzędzia programowego. Następnie wszystko, co musisz zrobić, to postępować zgodnie z instrukcją danych i podłączyć przewód do każdego pinu w komponencie. (Uwaga: szczegóły procesu projektowania będą zależeć od wybranego narzędzia programowego).

Każdy symbol schematu musi mieć przypisaną przestrzeń na PCB, aby zdefiniować fizyczne wymiary komponentu i położenie otworów przelotowych na podkładce lutowniczej lub 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).

Przykładowy schemat

Dobry schemat jest naprawdę ważny, ponieważ będzie używany jako dokument referencyjny podczas debugowania i jest dobrym narzędziem komunikacji z innymi inżynierami. Ponadto producent może przetestować urządzenie poprzez punkty testowe w tym dokumencie.

Układ PCB + plik Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. W przeciwieństwie do schematu, układ PCB przypisuje rzeczywiste komponenty do dokładnych lokalizacji na PCB i pokazuje ścieżki łączące każdy komponent ze sobą między warstwami PCB. Jak wspomniano na początku tego artykułu, im więcej warstw, tym bardziej złożona jest wymagana produkcja i tym wyższy koszt.

Podziel płytkę PCB na logiczne części w oparciu o funkcje (np. zasilanie, wyjście audio itp.). Następnie pamiętaj, aby zgrupować elementy każdej sekcji w tym samym obszarze. W ten sposób można zachować krótki ślad przewodzący i zredukować szumy i zakłócenia.

Podczas projektowania płytki drukowanej należy również pamiętać o interfejsie użytkownika (UI). Komponenty, takie jak gniazda audio, złącza, diody LED itp., należy dostosować, aby uzyskać najlepsze wrażenia użytkownika.

Po zaprojektowaniu układu generowany jest plik Gerber. Twój producent PCBA użyje tego pliku. Istnieje wiele firm oferujących te usługi, a z biblioteki eksperckiej HWTrek polecamy Kingbrother, NexPCB i HQPCB.

Sample Gerber files

Bardzo ważne jest rozmieszczenie komponentów na płytce drukowanej. Niektóre składniki mogą kolidować ze sobą i powodować nieoczekiwane zachowanie. Na przykład, jeśli masz zarówno moduły Bluetooth, jak i Wi-Fi, mają one tę samą przepustowość 2.4 GHz i mogą zakłócać się nawzajem, jeśli są niewłaściwie umieszczone.

Produkcja PCB

Kiedy wyślesz plik Gerber do producenta PCB, może on wydrukować płytkę. Będzie to podstawą do dalszego budowania podstaw do dodawania komponentów do PCB i produkcji PCBA (zespół obwodów drukowanych).

Niezmontowane PCB

PCBA (montaż)

Przygotowanie materiału

Na tym etapie projektu EE powinieneś już wybrać komponenty. Możesz poprosić producenta PCBA o zamówienie dla Ciebie wymaganych komponentów lub zrobić to sam, jeśli wybierzesz dostawcę. Sprawy wymagające uwagi:

Czas realizacji: Ponieważ te komponenty pochodzą od różnych dostawców, należy pamiętać o czasie realizacji. W przypadku niektórych komponentów może to potrwać do 8-16 tygodni.

Pakowanie: Zamów komponenty z rolek, które są automatycznie odbierane przez maszyny SMT, zamiast pakować je pojedynczo.

Minimalna ilość zamówienia: Sprawdź minimalną ilość zamówienia komponentu. Jeśli kupisz mniej niż minimum, upewnij się, że wybrane komponenty są w magazynie. Małe partie (do 50) można zamawiać online w DigiKey lub Mouser. Aby uzyskać więcej ilości, należy zasięgnąć porady producenta.

Strata: Zamów 10% więcej, aby pokryć stratę (nie dotyczy drogich komponentów)

Zainstaluj komponenty na płytce drukowanej

Istnieją dwa główne sposoby umieszczania komponentów na powierzchni PCB:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. Jest również powszechnie znany jako proces pakowania DIP lub dual in-line. (Zobacz SMT w toku w tym filmie)

SMT (technologia montażu powierzchniowego) jest najczęściej stosowaną metodą w produkcji masowej. Odbywa się to za pomocą szybkich, dokładnych maszyn SMT, które oszczędzają czas, pieniądze i unikają błędów ludzkich.

Rzeczy do zapamiętania:

Numer typu komponentu nie może przekraczać liczby rolek, które może obsługiwać maszyna SMT producenta.

Zoptymalizuj i skonsoliduj swoje komponenty tak, aby działał tylko jeden SMT.

Sprawdź obsługiwane przez producenta rozmiary podkładek. W przeciwnym razie maszyna SMT nie zainstaluje poprawnie komponentów.

Niektóre większe elementy nie mogą być instalowane maszynowo i nadal wymagają ręcznej obróbki otworów przelotowych. Dlatego obie technologie mogą być używane na tej samej płytce.

Wszelkie komponenty, które trzeba ręcznie dodać metodą przelotową, zwiększają koszty produkcji.

Lutowanie reflow

Lutowanie rozpływowe to proces polegający na tym, że komponenty „przyklejają się” do płytki drukowanej. PCBA ogrzewa płytkę drukowaną za pomocą pieca rozpływowego lub lampy na podczerwień, aż do stopienia lutowia, tym samym trwale mocując element do płytki drukowanej.

Najtrudniej jest nie przegrzać ani nie uszkodzić elementów, ponieważ właściwości termiczne każdego opakowania są inne. Za ten proces będzie odpowiedzialny niezawodny producent PCBA, a wszystko, co musisz zrobić, to dostarczyć im specyfikacje komponentów.

Proces refluksu.

Inne metody spawania:

Lutowanie na fali stosuje się głównie w przypadku elementów dodawanych ręcznie metodą przewlekaną. W takim przypadku twoja płytka PCBA najpierw przejdzie przez piec do spawania rozpływowego, a następnie ręcznie doda inne komponenty po przejściu przez maszynę do lutowania falowego.

Spawanie żelaza może być stosowane w określonych sytuacjach, ale nie do masowej produkcji.

Testowanie i kontrola jakości

Na tym etapie próbki PCBA są testowane w celu zapewnienia jakości. Częstymi błędami są: zwarcia w odłączonych elementach, niewspółosiowe elementy i części obwodu, które nie powinny być połączone. Najczęstsze testy:

ICT (testowanie online). Podczas projektowania płytki drukowanej niektóre punkty testowe są zwykle zarezerwowane do debugowania, programowania i innych celów. Urządzenie ICT użyje tych punktów testowych do testowania obwodu otwartego/zwarciowego i sprawdza, czy wartości elementów pasywnych (rezystory, cewki indukcyjne, kondensatory) mieszczą się w zakresie specyfikacji.

AOI (Automatyczna inspekcja optyczna). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Na potrzeby tego testu twórca sprzętu będzie musiał dostarczyć producentowi specyfikacje i tolerancje, aby ustawić parametry.

Promieniowanie rentgenowskie. Producent PCBA użyje promieni rentgenowskich do sprawdzenia warunków spawania elementów BGA (ball Grid Array). Obejrzyj test rentgenowski w tym filmie.