แผงวงจรพิมพ์ (PCB) พบได้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกชนิด หากมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อยู่ในอุปกรณ์ ก็จะถูกฝังอยู่ใน PCB ขนาดต่างๆ ด้วย นอกเหนือจากการยึดชิ้นส่วนขนาดเล็กต่างๆ แล้ว หน้าที่หลักของ PCB คือการให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างส่วนประกอบต่างๆ เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ จึงจำเป็นต้องมีชิ้นส่วนมากขึ้นเรื่อยๆ การเดินสายไฟและชิ้นส่วนบน PCB ก็หนาแน่นขึ้นเรื่อยๆ PCB มาตรฐานจะหน้าตาประมาณนี้ Bare Board (without parts on it) is also often referred to as “Printed Wiring Board (PWB).

The substrate of the board itself is made of a material that is insulated and resistant to bending. วัสดุเส้นเล็กๆ ที่มองเห็นได้บนพื้นผิวคือฟอยล์ทองแดง เดิมที แผ่นทองแดงปิดอยู่ทั้งกระดาน และส่วนตรงกลางถูกสลักออกไปในกระบวนการผลิต และส่วนที่เหลือจะกลายเป็นโครงข่ายของเส้นเล็กๆ เส้นเหล่านี้เรียกว่าตัวนำหรือตัวนำและใช้เพื่อเชื่อมต่อไฟฟ้ากับชิ้นส่วนบน PCB

ในการยึดชิ้นส่วนต่างๆ เข้ากับ PCB เราประสานหมุดของชิ้นส่วนเข้ากับสายไฟโดยตรง บน PCB พื้นฐาน ชิ้นส่วนต่างๆ จะเน้นที่ด้านหนึ่งและสายไฟจะกระจุกตัวที่อีกด้านหนึ่ง ดังนั้นเราจึงต้องทำรูบนกระดานเพื่อให้หมุดสามารถทะลุผ่านกระดานไปอีกด้านหนึ่งได้ ดังนั้นหมุดของชิ้นส่วนจึงเชื่อมไปอีกด้านหนึ่ง ด้วยเหตุนี้ด้านหน้าและด้านหลังของ PCB จึงเรียกว่า Component Side และ Solder Side ตามลำดับ

หากมีชิ้นส่วนบน PCB ที่สามารถถอดออกหรือใส่กลับเข้าไปใหม่ได้หลังการผลิต ซ็อกเก็ตจะถูกนำมาใช้ในการติดตั้งชิ้นส่วน เนื่องจากซ็อกเก็ตเชื่อมเข้ากับบอร์ดโดยตรง จึงสามารถถอดประกอบชิ้นส่วนได้ตามต้องการ ปลั๊ก ZIF (Zero InserTion Force) ช่วยให้ใส่และถอดชิ้นส่วนได้ง่าย คันโยกข้างซ็อกเก็ตสามารถยึดชิ้นส่วนต่างๆ ให้เข้าที่หลังจากที่คุณใส่เข้าไปแล้ว

ในการเชื่อมต่อ PCBS สองตัวเข้าด้วยกัน โดยทั่วไปจะใช้ตัวเชื่อมต่อขอบ นิ้วทองมีแผ่นทองแดงเปล่าจำนวนหนึ่งซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการเดินสาย PCB โดยปกติ ในการเชื่อมต่อ เราใส่นิ้วทองบน PCB หนึ่งลงในสล็อตที่เหมาะสม (ปกติเรียกว่าสล็อตขยาย) บน PCB อื่น In computers, display cards, sound cards, and similar interface cards are connected to the motherboard by means of a gold finger.

สีเขียวหรือสีน้ำตาลบน PCB คือสีของหน้ากากประสาน ชั้นนี้เป็นฉนวนป้องกันที่ปกป้องลวดทองแดงและป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนถูกเชื่อมไปยังตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง ซิลค์สกรีนอีกอันจะถูกพิมพ์บนชั้นต้านทานการบัดกรี โดยปกติจะพิมพ์ด้วยคำและสัญลักษณ์ (ส่วนใหญ่เป็นสีขาว) เพื่อระบุตำแหน่งของชิ้นส่วนต่างๆ บนกระดาน Screen printing surface is also known as icon surface

ตำนาน).

กระดานด้านเดียว

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว บน PCB พื้นฐาน ชิ้นส่วนต่างๆ จะเน้นที่ด้านหนึ่งและสายไฟจะเน้นที่อีกด้านหนึ่ง Because the wire appears on only one side, we call this TYPE of PCB single-sided. เนื่องจากแผงเดี่ยวมีข้อ จำกัด มากมายในการออกแบบวงจร (เนื่องจากมีเพียงด้านเดียวการเดินสายไม่สามารถข้ามและต้องใช้เส้นทางที่แยกจากกัน) วงจรต้นเท่านั้นจึงใช้แผงดังกล่าว

กระดานสองด้าน

แผงวงจรมีสายไฟทั้งสองด้าน แต่หากต้องการใช้สายไฟทั้งสองข้าง จะต้องมีการเชื่อมต่อไฟฟ้าที่เหมาะสมระหว่างสองข้าง “สะพาน” ระหว่างวงจรนี้เรียกว่ารูนำทาง (VIA) รูนำเป็นรูเล็กๆ ใน PCB ที่เติมหรือเคลือบด้วยโลหะที่สามารถต่อกับสายไฟได้ทั้งสองด้าน Because a dual panel has twice the area of a single panel, and because the wiring can be interlaced (it can be wound around to the other side), it is better for more complex circuits than a single panel.

บอร์ดหลายชั้น

เพื่อเพิ่มพื้นที่ที่สามารถต่อสายได้ จึงมีการนำแผงสายไฟแบบด้านเดียวหรือสองด้านมาใช้มากขึ้น กระดานหลายชั้นใช้แผงสองชั้นหลายแผ่น และชั้นฉนวนวางอยู่ระหว่างแต่ละแผงและติดกาว (กด) จำนวนชั้นของบอร์ดแสดงถึงชั้นการเดินสายที่เป็นอิสระหลายชั้น โดยปกติจะเป็นจำนวนชั้นคู่ รวมถึงชั้นนอกสุดสองชั้น Most motherboards are built with four to eight layers, but it is technically possible to build up to 100 layers of PCBS. ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ใช้มาเธอร์บอร์ดหลายชั้น แต่พวกมันไม่ได้ใช้งานเนื่องจากสามารถแทนที่ด้วยกลุ่มของคอมพิวเตอร์ทั่วไป Because the layers in a PCB are so tightly integrated, it’s not always easy to see the actual number, but if you look closely at the motherboard, you might be able to.

รูนำ (VIA) ที่เราเพิ่งพูดถึงถ้าใช้กับแผงคู่ต้องผ่านกระดานทั้งหมด

แต่ในหลายชั้น หากคุณต้องการเชื่อมต่อเส้นบางเส้นเท่านั้น รูนำอาจทำให้พื้นที่เส้นบางส่วนในชั้นอื่นๆ เสียเปล่า Buried vias and Blind vias avoid this problem because they only penetrate a few layers. Blind holes connect several layers of internal PCBS to surface PCBS without penetrating the entire board. รูที่ฝังอยู่เชื่อมต่อกับ PCB ภายในเท่านั้น จึงมองไม่เห็นแสงจากพื้นผิว

ใน PCB แบบหลายชั้น เลเยอร์ทั้งหมดจะเชื่อมต่อโดยตรงกับสายกราวด์และแหล่งจ่ายไฟ ดังนั้นเราจึงจำแนกเลเยอร์เป็นสัญญาณ กำลังหรือกราวด์ If the parts on the PCB require different power supplies, they usually have more than two power and wire layers.

เทคโนโลยีการบรรจุชิ้นส่วน

เทคโนโลยีผ่านรู

The technique of placing parts on one side of the board and welding the pins to the other side is called “Through Hole Technology (THT)” encapsulation. ส่วนนี้ใช้พื้นที่มากและเจาะรูหนึ่งรูสำหรับแต่ละพิน ดังนั้นข้อต่อของพวกมันจึงใช้พื้นที่ทั้งสองด้านจริง ๆ และข้อต่อของบัดกรีนั้นค่อนข้างใหญ่ ในทางกลับกัน ชิ้นส่วน THT เชื่อมต่อกับ PCB ได้ดีกว่าชิ้นส่วน Surface Mounted Technology (SMT) ซึ่งเราจะพูดถึงในภายหลัง ซ็อกเก็ต เช่น เต้ารับแบบมีสายและอินเทอร์เฟซที่คล้ายกันจะต้องทนต่อแรงกด ดังนั้นจึงมักเป็นแพ็คเกจ THT

เทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว

สำหรับชิ้นส่วนเทคโนโลยี Surface Mounted Technology (SMT) หมุดจะเชื่อมที่ด้านเดียวกันกับชิ้นส่วน This technique does not drill holes in the PCB for each pin.

ชิ้นส่วนกาวบนพื้นผิวสามารถเชื่อมได้ทั้งสองด้าน

SMT ยังมีชิ้นส่วนที่เล็กกว่า THT Compared to PCB with THT parts, PCB with SMT technology is much denser. SMT package parts are also less expensive than THT’s. So it’s no surprise that most of today’s PCBS are SMT.

เนื่องจากข้อต่อบัดกรีและหมุดของชิ้นส่วนมีขนาดเล็กมาก จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะเชื่อมด้วยมือ However, given that current assembly is fully automated, this problem will only occur when repairing parts.

The design process

ในการออกแบบ PCB มีขั้นตอนที่ยาวมากที่ต้องทำก่อนที่จะเดินสายแบบเป็นทางการ ต่อไปนี้เป็นขั้นตอนการออกแบบหลัก:

The system specifications

ประการแรก ควรมีการวางแผนข้อกำหนดระบบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ It covers system functionality, cost constraints, size, operation and so on.

System function block diagram

ขั้นตอนต่อไปคือการสร้างไดอะแกรมบล็อกการทำงานของระบบ ต้องทำเครื่องหมายความสัมพันธ์ระหว่างช่องสี่เหลี่ยมด้วย

Divide the system into several PCBS

การแบ่งระบบออกเป็นหลาย PCBS ไม่เพียงแต่ลดขนาด แต่ยังช่วยให้ระบบสามารถอัพเกรดและสลับชิ้นส่วนได้ The system function block diagram provides the basis for our segmentation. Computers, for example, can be divided into motherboards, display cards, sound cards, floppy disk drives, power supplies, and so on.

กำหนดวิธีการบรรจุภัณฑ์ที่จะใช้และขนาดของแต่ละ PCB

Once the technology and the number of circuits used for each PCB has been determined, the next step is to determine the size of the board. If the design is too large, then packaging technology will have to change, or re-split the action. ควรพิจารณาคุณภาพและความเร็วของแผนภาพวงจรเมื่อเลือกเทคโนโลยี

วาดแผนผังวงจรของ PCB ทั้งหมด

รายละเอียดของการเชื่อมต่อระหว่างส่วนต่างๆ ควรแสดงในแบบร่าง PCB ในทุกระบบจะต้องอธิบายและส่วนใหญ่ใช้ CAD (Computer Aided Design) ในปัจจุบัน Here is an example of a CircuitMakerTM design.

แผนผังของวงจร PCB

Preliminary design of simulation operation

To ensure that the designed circuit diagram works, it must first be simulated using computer software. ซอฟต์แวร์ดังกล่าวสามารถอ่านพิมพ์เขียวและแสดงวิธีการทำงานของวงจรได้หลายวิธี This is much more efficient than actually making a sample PCB and then measuring it manually.

Place the parts on the PCB

วิธีวางชิ้นส่วนต่างๆ จะขึ้นอยู่กับวิธีเชื่อมต่อระหว่างกัน ต้องเชื่อมต่อกับเส้นทางอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด การเดินสายที่มีประสิทธิภาพหมายถึงการเดินสายที่สั้นที่สุดและชั้นที่น้อยลง (ซึ่งจะช่วยลดจำนวนรูนำทางด้วย) แต่เราจะกลับมาที่สิ่งนี้ในการเดินสายจริง Here is what the bus looks like on a PCB. Placement is important in order for each part to have perfect wiring.

ทดสอบความเป็นไปได้ในการเดินสายด้วยการทำงานที่ถูกต้องด้วยความเร็วสูง

ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันบางตัวสามารถตรวจสอบว่าตำแหน่งของส่วนประกอบแต่ละส่วนสามารถเชื่อมต่อได้อย่างถูกต้องหรือไม่ หรือตรวจสอบว่าสามารถทำงานได้อย่างถูกต้องด้วยความเร็วสูงหรือไม่ ขั้นตอนนี้เรียกว่าการจัดเรียงชิ้นส่วน แต่เราจะไม่พูดถึงเรื่องนี้มากจนเกินไป หากมีปัญหากับการออกแบบวงจรก็สามารถจัดเรียงชิ้นส่วนใหม่ได้ก่อนที่จะส่งออกวงจรในสนาม

ส่งออกวงจรบน PCB

The connections in the sketch will now look like wiring in the field. ขั้นตอนนี้มักจะเป็นแบบอัตโนมัติทั้งหมด แม้ว่าโดยปกติจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงด้วยตนเอง Below is the wire template for 2 laminates. เส้นสีแดงและสีน้ำเงินแสดงถึงชั้นชิ้นส่วน PCB และชั้นเชื่อมตามลำดับ ข้อความและสี่เหลี่ยมสีขาวแสดงถึงเครื่องหมายบนพื้นผิวการพิมพ์สกรีน จุดและวงกลมสีแดงแสดงถึงการเจาะและรูนำทาง ทางด้านขวาสุด เราจะเห็นนิ้วทองคำบนผิวการเชื่อมของ PCB The final composition of this PCB is often referred to as the working Artwork.

การออกแบบแต่ละชิ้นต้องสอดคล้องกับชุดของกฎ เช่น ช่องว่างที่สงวนไว้ขั้นต่ำระหว่างเส้น ความกว้างของเส้นขั้นต่ำ และข้อจำกัดในทางปฏิบัติอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน ข้อกำหนดเหล่านี้แตกต่างกันไปตามความเร็วของวงจร ความแรงของสัญญาณที่จะส่ง ความไวของวงจรต่อการใช้พลังงานและสัญญาณรบกวน และคุณภาพของวัสดุและอุปกรณ์การผลิต If the strength of the current increases, the thickness of the wire must also increase. เพื่อลดต้นทุน PCB ในขณะที่ลดจำนวนเลเยอร์ จำเป็นต้องให้ความสนใจด้วยว่ายังคงปฏิบัติตามกฎระเบียบเหล่านี้หรือไม่ หากต้องการมากกว่า 2 ชั้น ชั้นพลังงานและชั้นพื้นดินมักจะใช้เพื่อหลีกเลี่ยงการส่งสัญญาณบนชั้นสัญญาณได้รับผลกระทบ และสามารถใช้เป็นเกราะป้องกันชั้นสัญญาณ

ทดสอบสายไฟหลังวงจร

เพื่อให้แน่ใจว่าสายทำงานอย่างถูกต้องหลังเส้นลวด จะต้องผ่านการทดสอบขั้นสุดท้าย การทดสอบนี้ยังตรวจสอบการเชื่อมต่อที่ไม่ถูกต้อง และการเชื่อมต่อทั้งหมดเป็นไปตามแผนผังไดอะแกรม

ก่อตั้งและยื่น

เนื่องจากปัจจุบันมีเครื่องมือ CAD จำนวนมากสำหรับการออกแบบ PCBS ผู้ผลิตต้องมีโปรไฟล์ที่ตรงตามมาตรฐานก่อนจึงจะสามารถผลิตบอร์ดได้ มีข้อกำหนดมาตรฐานหลายประการ แต่ข้อกำหนดที่พบบ่อยที่สุดคือข้อกำหนดของ Gerber Files ชุดไฟล์ Gerber ประกอบด้วยแผนผังของแต่ละสัญญาณ กำลังไฟฟ้าและชั้นกราวด์ แผนผังของชั้นต้านทานการบัดกรีและพื้นผิวการพิมพ์สกรีน และไฟล์เจาะจงและการเปลี่ยนตำแหน่ง

Electromagnetic compatibility problem

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ได้ออกแบบตามข้อกำหนดของ EMC มีแนวโน้มที่จะปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าและรบกวนอุปกรณ์ใกล้เคียง EMC กำหนดขีดจำกัดสูงสุดสำหรับการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMF) และการรบกวนความถี่วิทยุ (RFI) ข้อบังคับนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเครื่องทำงานปกติและเครื่องใช้ใกล้เคียงอื่นๆ EMC กำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับปริมาณพลังงานที่สามารถกระจัดกระจายหรือส่งผ่านจากอุปกรณ์หนึ่งไปยังอีกอุปกรณ์หนึ่ง และได้รับการออกแบบมาเพื่อลดความไวต่อ EMF, EMI, RFI ภายนอก และอื่นๆ กล่าวอีกนัยหนึ่ง จุดประสงค์ของข้อบังคับนี้คือเพื่อป้องกันไม่ให้พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ามาหรือเล็ดลอดออกมาจากอุปกรณ์ นี่เป็นปัญหาที่ยากมากที่จะแก้ไข และมักจะแก้ไขได้โดยใช้กำลังและการต่อสายดิน หรือใส่ PCBS ลงในกล่องโลหะ The power and ground layers protect the signal layer from interference, and the metal box works equally well. เราจะไม่พูดถึงประเด็นเหล่านี้มากเกินไป

ความเร็วสูงสุดของวงจรขึ้นอยู่กับการปฏิบัติตาม EMC EMI ภายใน เช่น การสูญเสียกระแสระหว่างตัวนำ จะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น หากความแตกต่างในปัจจุบันระหว่างทั้งสองมีขนาดใหญ่เกินไป ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ขยายระยะห่างระหว่างพวกเขา This also tells us how to avoid high voltage and minimize the current consumption of the circuit. อัตราความล่าช้าในการเดินสายก็มีความสำคัญเช่นกัน ยิ่งความยาวสั้นเท่าไหร่ก็ยิ่งดี ดังนั้น PCB ขนาดเล็กที่มีการเดินสายที่ดีจะทำงานได้ดีที่ความเร็วสูงกว่า PCB ขนาดใหญ่