От прототипов схем на макетных платах до разработки собственных печатная плата (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. Проектирование печатных плат выполняется в процессе электротехники (EE). EE создает «мозг» того, как работают устройства. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Что нужно знать перед началом проектирования печатной платы: 1. Размер печатной платы – это зависит от размера вашего продукта (или размера корпуса). Размеры продукта определяются в процессе электронного инженерного проектирования. Вы можете посмотреть видео об этом здесь. 2. Слои печатной платы – чем больше слоев, тем сложнее ПРОИЗВОДСТВО печатной платы. (Примечание: даже однослойная печатная плата может быть сложной печатной платой, но здесь мы говорим о сложности изготовления печатной платы. Чем больше слоев на печатной плате, тем дороже ее изготовление.)

Слой 2 обычно используется для простых игрушечных товаров.

Товары, связанные с Интернетом, обычно имеют 4 слоя.

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

3. Требования производителя вашей печатной платы. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Информация, которую необходимо предоставить производителям печатных плат:

Количество слоев (например, 2, 4, 6 и т. Д.)

Материалы (FR-2 (фенольная хлопковая бумага), FR-3 (хлопковая бумага и эпоксидная смола), FR-4 (стекловолокно и эпоксидная смола… и т.д.)

Толщина (0.5 мм, 1.0 мм… и т.д.)

Цвет (красный, черный, зеленый… и т.д.)

Обработка поверхности (ENIG (химическое погружение никеля / золота), DIG (прямое погружение в золото), OSP (органические паяемые консерванты и т. Д.)

Вес меди (1 унция (35 микрон), 2 унции (70 микрон), 0.5 унции (18 микрон)… и т.д.)

Файл Гербера

Процесс проектирования печатной платы:

Конструкция контура

For this step, you need to create the schematic. Это документ, похожий на план, который описывает, как компоненты связаны друг с другом и работают вместе. Чтобы создать файл схемы, вам понадобится программный инструмент. Нам нравится Quadcept, потому что он оптимизирован для разработки печатных плат для производства (например, вы можете экспортировать спецификацию материалов (BoM) прямо из инструмента) и основан на облаке, поэтому его можно легко использовать где угодно. (Они также предлагают бесплатную версию инструмента для производителей и студентов.)

Вы можете выбрать один из множества других вариантов:

Altium

ExpressPCB

Частотное устройство

KiCad

Каденция аллегро

коврик

Системы автоматизированного проектирования

DipTrace

После установки выбранных инструментов вам необходимо получить спецификации компонентов для каждого выбранного компонента. They can often be found on the supplier’s website. Файл модели поможет вам нарисовать схему. Этот компонент становится доступным в базе данных, когда вы загружаете модель в программный инструмент. Затем все, что вам нужно сделать, это следовать руководству по данным и подключить провод к каждому контакту в компоненте. (Примечание: детали процесса проектирования будут зависеть от выбранного программного инструмента).

Каждый схематический символ должен иметь соответствующую область пространства печатной платы, чтобы определять физические размеры компонента и расположение сквозных отверстий на паяльной подушке или печатной плате. You should have selected the components (or are now selecting them), and we describe this process in the EE Design Process video (see video).

Пример диаграммы

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. Кроме того, производитель может протестировать устройство с помощью контрольных точек, указанных в этом документе.

Макет печатной платы + файл Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. В отличие от схемы, компоновка печатной платы назначает фактические компоненты точным местоположениям на печатной плате и показывает дорожки, которые соединяют каждый компонент между слоями печатной платы. Как упоминалось в начале этой статьи, чем больше слоев, тем сложнее требуется изготовление и тем выше стоимость.

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). Затем обязательно сгруппируйте компоненты каждой секции в одну и ту же область. Таким образом можно сделать проводящую дорожку короткой и уменьшить шум и помехи.

Пользовательский интерфейс (UI) также необходимо учитывать при проектировании печатной платы. Такие компоненты, как аудиоразъемы, разъемы, светодиоды и т. Д., Необходимо отрегулировать для обеспечения наилучшего взаимодействия с пользователем.

После разработки макета создается файл Gerber. Ваш производитель печатной платы будет использовать этот файл. Эти услуги предлагают множество компаний, и из экспертной библиотеки HWTrek мы рекомендуем Kingbrother, NexPCB и HQPCB.

Sample Gerber files

Размещение компонентов на печатной плате очень важно. Некоторые компоненты могут мешать друг другу и вызывать неожиданное поведение. Например, если у вас есть модули Bluetooth и Wi-Fi, они имеют одинаковую полосу пропускания 2.4 ГГц и могут мешать друг другу при неправильном размещении.

Производство печатных плат

Когда вы отправляете файл Gerber производителю печатной платы, они могут распечатать плату. Это станет основой для дальнейшего создания основы для добавления компонентов к печатной плате и изготовления печатной платы в сборе.

Печатная плата в разобранном виде

PCBA (сборка)

Подготовка материала

На этом этапе вашего проекта EE вы должны были выбрать компоненты. Вы можете попросить производителя печатной платы заказать для вас необходимые компоненты или сделать это самостоятельно, если выберете поставщика. Вопросы, требующие внимания:

Время выполнения: поскольку эти компоненты поступают от разных поставщиков, учитывайте время выполнения заказа. Для некоторых компонентов это может занять до 8-16 недель.

Упаковка: заказывайте компоненты с катушек, которые автоматически забираются машинами SMT, вместо того, чтобы упаковывать их по отдельности.

Минимальное количество заказа: проверьте минимальное количество заказа компонента. Если вы покупаете меньше минимума, убедитесь, что выбранные компоненты есть в наличии. Для небольших партий (до 50) вы можете заказать онлайн через DigiKey или Mouser. Чтобы узнать больше, обратитесь за консультацией к производителю.

Убыток: закажите еще 10% для покрытия убытков (не для дорогих компонентов)

Установите компоненты на печатную плату

Есть два основных способа разместить компоненты на поверхности печатной платы:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. Это также широко известно как процесс упаковки в двухпоточную линию (DIP). (Смотрите SMT в этом видео)

SMT (технология поверхностного монтажа) – наиболее широко используемый метод в массовом производстве. Это делается с помощью быстрых и точных машин SMT, которые экономят ваше время, деньги и избегают человеческой ошибки.

То, что нужно запомнить:

Номер типа вашего компонента не должен превышать количество барабанов, которое может поддерживать машина SMT производителя.

Оптимизируйте и объедините свои компоненты, чтобы работала только одна SMT.

Проверьте размеры контактных площадок, поддерживаемые производителем. В противном случае машина SMT не установит компоненты правильно.

Некоторые более крупные компоненты не могут быть установлены на машине и по-прежнему требуют ручной работы со сквозным отверстием. Следовательно, обе технологии могут использоваться на одной плате.

Любые компоненты, которые необходимо добавить вручную методом сквозного отверстия, увеличивают стоимость производства.

Пайка оплавлением

Пайка оплавлением – это процесс «прилипания» компонентов к печатной плате. PCBA нагревает печатную плату через печь оплавления или инфракрасную лампу до тех пор, пока припой не расплавится, тем самым навсегда прикрепляя компонент к печатной плате.

Самое сложное здесь – не перегреть и не повредить компоненты, потому что тепловые характеристики каждого пакета разные. Надежный производитель печатной платы будет нести ответственность за этот процесс, и все, что вам нужно сделать, это предоставить ему спецификации компонентов.

Процесс рефлюкса.

Другие способы сварки:

Пайка волной в основном используется для компонентов, добавляемых вручную методом сквозных отверстий. В этом случае ваша печатная плата сначала пройдет через печь для сварки оплавлением, а затем вручную добавит другие компоненты после того, как она пройдет через машину для пайки волной припоя.

Сварку чугуна можно использовать в определенных ситуациях, но не в массовом производстве.

Тестирование и проверка качества

На этом этапе образцы печатной платы проверяются на качество. Распространенными ошибками являются: короткие замыкания в отключенных компонентах, несовпадающие компоненты и части схемы, которые не должны быть подключены. Наиболее распространенные тесты:

ИКТ (онлайн-тестирование). При проектировании печатной платы некоторые контрольные точки обычно резервируются для отладки, программирования и других целей. Машина ICT будет использовать эти контрольные точки для тестирования обрыва / короткого замыкания и проверки того, что значения пассивных компонентов (резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов) находятся в пределах спецификации.

AOI (автоматический оптический контроль). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Для этого теста создатель оборудования должен предоставить производителю спецификации и допуски, чтобы установить параметры.

Рентгеновский снимок. Производитель печатной платы будет использовать рентгеновские лучи для проверки условий сварки компонентов BGA (шаровой решетки). Смотрите рентгеновский тест в этом видео.