จากวงจรต้นแบบบนแผงขนมปังไปจนถึงการออกแบบของเราเอง คณะกรรมการวงจรพิมพ์ (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 สร้าง “สมอง” ของการทำงานของอุปกรณ์ Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

สิ่งที่ต้องรู้ก่อนเริ่มการออกแบบ PCB: 1. ขนาด PCB – ขึ้นอยู่กับขนาดผลิตภัณฑ์ของคุณ (หรือขนาดเคส) มิติของผลิตภัณฑ์ถูกกำหนดไว้ในระหว่างกระบวนการออกแบบทางวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ คุณสามารถดูวิดีโอเกี่ยวกับเรื่องนี้ได้ที่นี่ 2. ชั้น PCB – ยิ่งชั้นมาก การผลิต PCB ก็ยิ่งซับซ้อน (หมายเหตุ: แม้แต่ PCB ชั้นเดียวก็สามารถเป็น PCB ที่ซับซ้อนได้ แต่ที่นี่เรากำลังพูดถึงความซับซ้อนของการสร้าง PCB ยิ่ง PCB มีเลเยอร์มากเท่าไร การผลิตก็จะยิ่งแพง)

เลเยอร์ 2 มักใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ของเล่นทั่วไป

สินค้าที่เกี่ยวข้องกับ Iot มักจะมี 4 ชั้น

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

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

ข้อมูลที่คุณต้องการให้กับผู้ผลิต PCB:

จำนวนชั้น (เช่น 2, 4, 6 เป็นต้น)

วัสดุ (FR-2 (กระดาษฝ้ายฟีนอล), FR-3 (กระดาษฝ้ายและอีพ็อกซี่), FR-4 (ใยแก้วและอีพ็อกซี่… ฯลฯ )

ความหนา (0.5 มม., 1.0 มม.… ฯลฯ )

สี (แดง ดำ เขียว… ฯลฯ )

การรักษาพื้นผิว (ENIG (เคมีชุบนิกเกิล/ทอง), DIG (แช่ทองโดยตรง), OSP (สารกันบูดบัดกรีอินทรีย์ ฯลฯ)

น้ำหนักทองแดง (1 ออนซ์ (35 ไมครอน), 2 ออนซ์ (70 ไมครอน), 0.5 ออนซ์ (18 ไมครอน)… ฯลฯ )

ไฟล์ Gerber

กระบวนการออกแบบ PCB:

การออกแบบวงจร

For this step, you need to create the schematic. นี่คือเอกสาร เช่น พิมพ์เขียว ที่อธิบายว่าส่วนประกอบต่างๆ เกี่ยวข้องกันและทำงานร่วมกันอย่างไร ในการสร้างไฟล์แผนผัง คุณจะต้องมีเครื่องมือซอฟต์แวร์ เราชอบ Quadcept เพราะได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการออกแบบ PCBS สำหรับการผลิต (เช่น คุณสามารถส่งออก Bill of Material (BoM) ได้โดยตรงจากเครื่องมือ) และทำงานบนคลาวด์ ดังนั้นจึงใช้ได้ทุกที่อย่างง่ายดาย (พวกเขายังเสนอเครื่องมือเวอร์ชันชุมชนฟรีสำหรับผู้ผลิตและนักเรียนด้วย)

มีตัวเลือกอื่น ๆ อีกมากมายที่คุณสามารถเลือกได้:

อัลเทียม

ExpressPCB

อุปกรณ์ความถี่

KiCad

Cadence allegro

อาหาร

การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย

DipTrace

หลังจากที่คุณติดตั้งเครื่องมือที่เลือกแล้ว คุณต้องขอรับข้อมูลจำเพาะของส่วนประกอบสำหรับส่วนประกอบที่เลือกแต่ละรายการ They can often be found on the supplier’s website. ไฟล์โมเดลจะช่วยคุณวาดแผนผัง คอมโพเนนต์นี้จะพร้อมใช้งานในฐานข้อมูลเมื่อคุณอัปโหลดโมเดลไปยังเครื่องมือซอฟต์แวร์ จากนั้น สิ่งที่คุณต้องทำคือทำตามคู่มือข้อมูลและเชื่อมต่อสายไฟเข้ากับพินแต่ละอันในส่วนประกอบ (หมายเหตุ: รายละเอียดของขั้นตอนการออกแบบจะขึ้นอยู่กับเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่เลือก)

สัญลักษณ์แผนผังแต่ละอันจำเป็นต้องมีพื้นที่ว่าง PCB ที่เกี่ยวข้องเพื่อกำหนดขนาดทางกายภาพของส่วนประกอบและตำแหน่งของรูทะลุบนแผ่นประสานหรือ 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).

ตัวอย่างไดอะแกรม

แผนผังที่ดีนั้นสำคัญมาก เนื่องจากจะใช้เป็นเอกสารอ้างอิงในระหว่างการดีบักและเป็นเครื่องมือสื่อสารที่ดีกับวิศวกรคนอื่นๆ นอกจากนี้ ผู้ผลิตสามารถทดสอบอุปกรณ์ผ่านจุดทดสอบในเอกสารนี้

เค้าโครง PCB + ไฟล์ Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. เลย์เอาต์ PCB แตกต่างจากแผนผังกำหนดส่วนประกอบจริงไปยังตำแหน่งที่แน่นอนบน PCB และแสดงแทร็กที่เชื่อมต่อแต่ละส่วนประกอบเข้าด้วยกันระหว่างเลเยอร์ PCB ดังที่กล่าวไว้ในตอนต้นของบทความนี้ ยิ่งเลเยอร์มากเท่าไร การผลิตก็จะยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเท่านั้น และต้นทุนก็จะสูงขึ้นด้วย

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). จากนั้น อย่าลืมจัดกลุ่มส่วนประกอบของแต่ละส่วนให้อยู่ในพื้นที่เดียวกัน ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถเก็บร่องรอยการนำไฟฟ้าให้สั้นและลดเสียงรบกวนและการรบกวนได้

ต้องคำนึงถึงอินเทอร์เฟซผู้ใช้ (UI) เมื่อออกแบบ PCB ส่วนประกอบต่างๆ เช่น แจ็คเสียง คอนเน็กเตอร์ ไฟ LED ฯลฯ จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงเพื่อให้ได้รับประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด

เมื่อออกแบบเลย์เอาต์แล้ว ไฟล์ Gerber จะถูกสร้างขึ้น ผู้ผลิต PCBA ของคุณจะใช้ไฟล์นี้ มีหลายบริษัทที่ให้บริการเหล่านี้ และจากห้องสมุดผู้เชี่ยวชาญของ HWTrek เราขอแนะนำ Kingbrother, NexPCB และ HQPCB

Sample Gerber files

การจัดวางส่วนประกอบบน PCB มีความสำคัญมาก ส่วนประกอบบางอย่างอาจรบกวนซึ่งกันและกันและทำให้เกิดพฤติกรรมที่ไม่คาดคิด ตัวอย่างเช่น หากคุณมีทั้งโมดูล Bluetooth และ Wi-Fi ทั้งสองโมดูลจะมีแบนด์วิดท์ 2.4ghz เท่ากัน และอาจรบกวนซึ่งกันและกันหากวางไม่ถูกต้อง

การผลิต PCB

เมื่อคุณส่งไฟล์ Gerber ไปยังผู้ผลิต PCB พวกเขาสามารถพิมพ์บอร์ดได้ นี่จะเป็นพื้นฐานในการสร้างรากฐานเพิ่มเติมสำหรับการเพิ่มส่วนประกอบไปยัง PCB และการผลิต PCBA (การประกอบแผงวงจรพิมพ์)

PCBS ที่ยังไม่ได้ประกอบ

PCBA (ประกอบ)

การเตรียมวัสดุ

ณ จุดนี้ในการออกแบบ EE ของคุณ คุณควรเลือกส่วนประกอบแล้ว คุณสามารถขอให้ผู้ผลิต PCBA สั่งซื้อส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับคุณ หรือทำเองได้หากคุณเลือกซัพพลายเออร์ เรื่องที่ต้องให้ความสนใจ:

ระยะเวลาดำเนินการ: เนื่องจากส่วนประกอบเหล่านี้มาจากซัพพลายเออร์หลายราย โปรดคำนึงถึงระยะเวลารอคอยสินค้าด้วย สำหรับส่วนประกอบบางอย่าง อาจใช้เวลาถึง 8-16 สัปดาห์

บรรจุภัณฑ์: สั่งซื้อส่วนประกอบจากวงล้อที่เครื่อง SMT หยิบขึ้นมาโดยอัตโนมัติ แทนการบรรจุทีละชิ้น

ปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำ: ตรวจสอบปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำของส่วนประกอบ หากคุณซื้อน้อยกว่าขั้นต่ำ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบที่เลือกอยู่ในสต็อก For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. สำหรับปริมาณเพิ่มเติม โปรดขอคำแนะนำจากผู้ผลิตของคุณ

ขาดทุน: สั่งเพิ่ม 10% เพื่อชดเชยการขาดทุน (ไม่ใช่สำหรับส่วนประกอบราคาแพง)

ติดตั้งส่วนประกอบบน PCB

มีสองวิธีหลักในการวางส่วนประกอบบนพื้นผิว PCB:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. เรียกอีกอย่างว่า DIP หรือกระบวนการบรรจุภัณฑ์แบบอินไลน์คู่ (ดู SMT ที่กำลังดำเนินการในวิดีโอนี้)

SMT (เทคโนโลยีการยึดพื้นผิว) เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตจำนวนมาก ทำได้โดยเครื่อง SMT ที่รวดเร็วและแม่นยำ ซึ่งช่วยประหยัดเวลา เงิน และหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดของมนุษย์

สิ่งที่ต้องจำไว้ว่า

หมายเลขประเภทส่วนประกอบของคุณต้องไม่เกินจำนวนม้วนที่เครื่อง SMT ของผู้ผลิตสามารถรองรับได้

เพิ่มประสิทธิภาพและรวมส่วนประกอบของคุณเพื่อให้ SMT ทำงานได้เพียงเครื่องเดียว

ตรวจสอบผู้ผลิตรองรับขนาดแผ่นรองพื้น มิฉะนั้น เครื่อง SMT จะติดตั้งส่วนประกอบไม่ถูกต้อง

ส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่กว่าบางชิ้นไม่สามารถติดตั้งด้วยเครื่องจักรได้ และยังต้องมีการทำงานผ่านรูแบบแมนนวล ดังนั้นเทคโนโลยีทั้งสองจึงสามารถใช้ในบอร์ดเดียวกันได้

ส่วนประกอบใดๆ ที่คุณต้องเพิ่มด้วยตนเองด้วยวิธีการเจาะทะลุจะเพิ่มเข้าไปในต้นทุนการผลิต

การบัดกรีแบบรีโฟลว์

การบัดกรีแบบรีโฟลว์เป็นกระบวนการทำให้ส่วนประกอบ “ติด” กับ PCB PCBA ให้ความร้อนแก่แผงวงจรผ่านเตาหลอมหรือหลอดอินฟราเรดจนกว่าบัดกรีจะละลาย จึงติดส่วนประกอบเข้ากับแผงวงจรอย่างถาวร

ส่วนที่ยากที่สุดที่นี่ไม่ใช่การทำให้ร้อนเกินไปหรือทำให้ส่วนประกอบเสียหาย เนื่องจากลักษณะการระบายความร้อนของแต่ละบรรจุภัณฑ์ต่างกัน ผู้ผลิต PCBA ที่เชื่อถือได้จะเป็นผู้รับผิดชอบในกระบวนการนี้ และสิ่งที่คุณต้องทำคือจัดเตรียมข้อมูลจำเพาะของส่วนประกอบให้กับพวกเขา

กระบวนการไหลย้อน

วิธีการเชื่อมอื่นๆ:

การบัดกรีด้วยคลื่นส่วนใหญ่จะใช้สำหรับส่วนประกอบที่เพิ่มด้วยตนเองโดยวิธีการเจาะทะลุ ในกรณีนี้ PCBA ของคุณจะผ่านเตาหลอมแบบรีโฟลว์ก่อน จากนั้นจึงเพิ่มส่วนประกอบอื่นๆ ด้วยตนเองหลังจากที่ผ่านเครื่องบัดกรีแบบคลื่น

การเชื่อมเหล็กสามารถใช้ได้ในสถานการณ์เฉพาะ แต่ไม่ใช่สำหรับการผลิตจำนวนมาก

การทดสอบและการตรวจสอบคุณภาพ

ในขั้นตอนนี้ ตัวอย่าง PCBA จะได้รับการทดสอบเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพ ข้อผิดพลาดทั่วไป ได้แก่ ไฟฟ้าลัดวงจรในส่วนประกอบที่ไม่ได้เชื่อมต่อ ส่วนประกอบไม่ตรงแนว และบางส่วนของวงจรที่ไม่ควรเชื่อมต่อ การทดสอบที่พบบ่อยที่สุด:

ICT (การทดสอบออนไลน์). เมื่อออกแบบ PCB จุดทดสอบบางจุดมักจะสงวนไว้สำหรับการดีบัก การเขียนโปรแกรม และวัตถุประสงค์อื่นๆ เครื่อง ICT จะใช้จุดทดสอบเหล่านี้สำหรับการทดสอบวงจรเปิด/ลัดวงจร และตรวจสอบว่าค่าของส่วนประกอบแบบพาสซีฟ (ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ) อยู่ภายในช่วงข้อกำหนด

AOI (การตรวจสอบด้วยแสงอัตโนมัติ) Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. สำหรับการทดสอบนี้ ผู้สร้างฮาร์ดแวร์จะต้องระบุข้อมูลจำเพาะและความคลาดเคลื่อนให้กับผู้ผลิตเพื่อตั้งค่าพารามิเตอร์

เอ็กซ์เรย์ ผู้ผลิต PCBA จะใช้รังสีเอกซ์เพื่อตรวจสอบสภาพการเชื่อมของส่วนประกอบ BGA (ball Grid Array) ดูการทดสอบ X-ray ในวิดีโอนี้