ในช่วงเริ่มต้นของการออกแบบใหม่ ส่วนใหญ่ใช้เวลาไปกับการออกแบบวงจรและการเลือกส่วนประกอบ และ PCB การจัดวางและขั้นตอนการเดินสายมักไม่ได้รับการพิจารณาอย่างถี่ถ้วนเนื่องจากขาดประสบการณ์ ความล้มเหลวในการอุทิศเวลาและความพยายามอย่างเพียงพอให้กับโครงร่าง PCB และขั้นตอนการกำหนดเส้นทางของการออกแบบอาจส่งผลให้เกิดปัญหาในขั้นตอนการผลิตหรือข้อบกพร่องในการทำงานเมื่อการออกแบบเปลี่ยนจากโดเมนดิจิทัลไปสู่ความเป็นจริงทางกายภาพ แล้วอะไรคือกุญแจสำคัญในการออกแบบแผงวงจรที่เป็นของแท้ทั้งบนกระดาษและในรูปกายภาพ? มาสำรวจแนวทางการออกแบบ PCB ห้าอันดับแรกเพื่อทราบเมื่อออกแบบ PCB ที่ผลิตได้และใช้งานได้จริง

1 – ปรับแต่งเค้าโครงส่วนประกอบของคุณ

ขั้นตอนการจัดวางส่วนประกอบของกระบวนการจัดวาง PCB เป็นทั้งศาสตร์และศิลป์ โดยต้องมีการพิจารณาเชิงกลยุทธ์ของส่วนประกอบหลักที่มีอยู่บนบอร์ด แม้ว่ากระบวนการนี้อาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย แต่วิธีที่คุณวางอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะเป็นตัวกำหนดว่าการผลิตบอร์ดของคุณนั้นง่ายเพียงใด และตรงตามข้อกำหนดการออกแบบดั้งเดิมของคุณได้ดีเพียงใด

แม้ว่าจะมีคำสั่งทั่วไปสำหรับการจัดวางส่วนประกอบ เช่น การจัดวางตัวเชื่อมต่อตามลำดับ ส่วนประกอบการติดตั้ง PCB วงจรไฟฟ้า วงจรความแม่นยำ วงจรวิกฤต ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีแนวทางเฉพาะที่ควรคำนึงถึง ได้แก่:

การวางแนว – ตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบที่คล้ายกันอยู่ในตำแหน่งเดียวกันจะช่วยให้บรรลุกระบวนการเชื่อมที่มีประสิทธิภาพและปราศจากข้อผิดพลาด

การจัดวาง – หลีกเลี่ยงการวางชิ้นส่วนขนาดเล็กไว้ด้านหลังส่วนประกอบขนาดใหญ่ ซึ่งอาจได้รับผลกระทบจากการบัดกรีชิ้นส่วนขนาดใหญ่

การจัดองค์กร – ขอแนะนำให้วางส่วนประกอบ Surface Mount (SMT) ทั้งหมดไว้ที่ด้านเดียวกันของบอร์ด และวางส่วนประกอบที่เจาะทะลุ (TH) ทั้งหมดไว้ที่ด้านบนของบอร์ดเพื่อลดขั้นตอนการประกอบ

แนวทางการออกแบบ PCB ขั้นสุดท้าย – เมื่อใช้ส่วนประกอบเทคโนโลยีผสม (ส่วนประกอบแบบเจาะทะลุและแบบยึดพื้นผิว) ผู้ผลิตอาจต้องการกระบวนการเพิ่มเติมเพื่อประกอบบอร์ด ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนโดยรวมของคุณ

การวางแนวส่วนประกอบชิปที่ดี (ซ้าย) และการวางแนวส่วนประกอบชิปที่ไม่ดี (ขวา)

ตำแหน่งส่วนประกอบที่ดี (ซ้าย) และตำแหน่งส่วนประกอบที่ไม่ดี (ขวา)

ลำดับที่ 2 – การจัดวางสายไฟ การต่อสายดิน และการเดินสายสัญญาณอย่างเหมาะสม

หลังจากวางส่วนประกอบแล้ว คุณสามารถวางแหล่งจ่ายไฟ การต่อสายดิน และการเดินสายสัญญาณเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณของคุณมีเส้นทางที่สะอาดและปราศจากปัญหา ในขั้นตอนนี้ของกระบวนการจัดวาง โปรดคำนึงถึงหลักเกณฑ์ต่อไปนี้:

ค้นหาแหล่งจ่ายไฟและชั้นระนาบกราวด์

ขอแนะนำเสมอว่าควรวางพาวเวอร์ซัพพลายและชั้นระนาบพื้นไว้ในบอร์ดโดยที่สมมาตรและอยู่ตรงกลาง ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้แผงวงจรของคุณงอ ซึ่งสำคัญเช่นกันว่าส่วนประกอบของคุณอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องหรือไม่ สำหรับการจ่ายไฟให้กับ IC ขอแนะนำให้ใช้ช่องสัญญาณทั่วไปสำหรับแหล่งจ่ายไฟแต่ละตัว ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสายไฟมีความกว้างและมั่นคง และหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อสายไฟ Daisy chain แบบอุปกรณ์ต่ออุปกรณ์

สายสัญญาณเชื่อมต่อผ่านสายเคเบิล

ถัดไป เชื่อมต่อสายสัญญาณตามการออกแบบในแผนผัง ขอแนะนำให้ใช้เส้นทางที่สั้นที่สุดและเส้นทางตรงระหว่างส่วนประกอบเสมอ หากส่วนประกอบของคุณต้องอยู่ในตำแหน่งในแนวนอนโดยไม่มีอคติ ขอแนะนำให้คุณต่อสายส่วนประกอบของบอร์ดในแนวนอนโดยที่ส่วนประกอบนั้นออกมาจากเส้นลวด จากนั้นจึงต่อสายในแนวตั้งหลังจากออกจากเส้นลวด สิ่งนี้จะทำให้ส่วนประกอบอยู่ในตำแหน่งแนวนอนในขณะที่บัดกรีจะโยกย้ายระหว่างการเชื่อม ดังแสดงในครึ่งบนของรูปด้านล่าง การเดินสายสัญญาณที่แสดงในส่วนล่างของรูปอาจทำให้เกิดการโก่งตัวของส่วนประกอบเมื่อบัดกรีไหลระหว่างการเชื่อม

การเดินสายที่แนะนำ (ลูกศรแสดงทิศทางการไหลของบัดกรี)

การเดินสายที่ไม่แนะนำ (ลูกศรแสดงทิศทางการไหลของบัดกรี)

กำหนดความกว้างของเครือข่าย

การออกแบบของคุณอาจต้องใช้เครือข่ายที่แตกต่างกันซึ่งจะนำกระแสต่างๆ มาใช้ ซึ่งจะกำหนดความกว้างของเครือข่ายที่ต้องการ เมื่อพิจารณาจากข้อกำหนดพื้นฐานนี้ ขอแนะนำให้กำหนดความกว้าง 0.010 “(10mil) สำหรับสัญญาณอนาล็อกและดิจิตอลกระแสต่ำ เมื่อกระแสไฟในสายของคุณเกิน 0.3 แอมแปร์ ควรขยายให้กว้างขึ้น นี่คือเครื่องคำนวณความกว้างของเส้นฟรีเพื่อให้ขั้นตอนการแปลงเป็นเรื่องง่าย

หมายเลขสาม. – การกักกันที่มีประสิทธิภาพ

คุณอาจเคยมีประสบการณ์ว่าแรงดันและกระแสไฟกระชากขนาดใหญ่ในวงจรจ่ายไฟสามารถรบกวนวงจรควบคุมกระแสไฟแรงดันต่ำของคุณได้อย่างไร เพื่อลดปัญหาการรบกวนดังกล่าว ให้ปฏิบัติตามแนวทางต่อไปนี้:

การแยก – ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแหล่งพลังงานแต่ละแหล่งถูกแยกจากแหล่งพลังงานและแหล่งควบคุม หากคุณต้องเชื่อมต่อเข้าด้วยกันใน PCB ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอยู่ใกล้กับจุดสิ้นสุดของเส้นทางพลังงานมากที่สุด

เลย์เอาต์ – หากคุณวางระนาบกราวด์ไว้ที่ชั้นกลาง ให้แน่ใจว่าได้วางเส้นทางอิมพีแดนซ์ขนาดเล็กเพื่อลดความเสี่ยงของการรบกวนของวงจรไฟฟ้าและช่วยปกป้องสัญญาณควบคุมของคุณ คุณสามารถปฏิบัติตามแนวทางเดียวกันเพื่อแยกดิจิตอลและแอนะล็อกของคุณออกจากกัน

ข้อต่อ – เพื่อลดการเชื่อมต่อแบบ capacitive เนื่องจากการวางระนาบกราวด์ขนาดใหญ่และการเดินสายไฟด้านบนและด้านล่าง ให้ลองข้ามการจำลองกราวด์ผ่านสายสัญญาณแอนะล็อกเท่านั้น

การแยกส่วนประกอบ ตัวอย่าง (ดิจิตอลและอนาล็อก)

No.4 – แก้ปัญหาความร้อน

คุณเคยมีการลดประสิทธิภาพของวงจรหรือแม้กระทั่งความเสียหายของแผงวงจรเนื่องจากปัญหาความร้อนหรือไม่? เนื่องจากไม่มีการพิจารณาเรื่องการกระจายความร้อน จึงมีปัญหามากมายที่รบกวนนักออกแบบหลายคน ต่อไปนี้คือแนวทางบางประการที่ควรคำนึงถึงเพื่อช่วยแก้ปัญหาการกระจายความร้อน:

ระบุส่วนประกอบที่มีปัญหา

ขั้นตอนแรกคือการเริ่มคิดว่าส่วนประกอบใดจะระบายความร้อนออกจากบอร์ดได้มากที่สุด สามารถทำได้โดยค้นหาระดับ “ความต้านทานความร้อน” ในเอกสารข้อมูลของส่วนประกอบก่อน จากนั้นจึงปฏิบัติตามแนวทางที่แนะนำเพื่อถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้น แน่นอน คุณสามารถเพิ่มหม้อน้ำและพัดลมระบายความร้อนเพื่อให้ส่วนประกอบเย็น และอย่าลืมเก็บส่วนประกอบที่สำคัญให้ห่างจากแหล่งความร้อนสูง

เพิ่มแผ่นลมร้อน

การเพิ่มแผ่นลมร้อนมีประโยชน์อย่างมากสำหรับแผงวงจรที่ประดิษฐ์ได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับส่วนประกอบที่มีทองแดงสูงและการใช้งานบัดกรีด้วยคลื่นบนแผงวงจรหลายชั้น เนื่องจากความยากลำบากในการรักษาอุณหภูมิในกระบวนการ ขอแนะนำให้ใช้แผ่นลมร้อนกับส่วนประกอบผ่านรูเสมอ เพื่อให้กระบวนการเชื่อมทำได้ง่ายที่สุด โดยลดอัตราการกระจายความร้อนที่หมุดของส่วนประกอบ

ตามกฎทั่วไป ให้เชื่อมต่อรูเจาะหรือรูทะลุใดๆ ที่เชื่อมต่อกับพื้นหรือระนาบกำลังโดยใช้แผ่นลมร้อน นอกจากแผ่นรองอากาศร้อนแล้ว คุณยังสามารถหยดน้ำตาที่ตำแหน่งของสายเชื่อมต่อแผ่นอิเล็กโทรดเพื่อให้รองรับฟอยล์ทองแดง/โลหะเพิ่มเติม ซึ่งจะช่วยลดความเครียดทางกลและความร้อน

การเชื่อมต่อแผ่นลมร้อนทั่วไป

วิทยาศาสตร์แผ่นลมร้อน:

วิศวกรหลายคนที่รับผิดชอบ Process หรือ SMT ในโรงงานมักพบกับพลังงานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเอง เช่น ข้อบกพร่องของแผงวงจรไฟฟ้า เช่น ช่องว่างที่เกิดขึ้นเอง การขจัดน้ำออก หรือการเปียกแบบเย็น ไม่ว่าจะเปลี่ยนเงื่อนไขกระบวนการหรืออุณหภูมิเตาหลอม reflow วิธีการปรับมีสัดส่วนของดีบุกที่ไม่สามารถเชื่อมได้ เกิดอะไรขึ้นที่นี่?

นอกเหนือจากปัญหาการเกิดออกซิเดชันของส่วนประกอบและแผงวงจรแล้ว ให้ตรวจสอบการกลับคืนมาหลังจากส่วนสำคัญของการเชื่อมที่มีอยู่จริง ๆ แล้วมาจากการออกแบบการเดินสายไฟ (เลย์เอาต์) ของแผงวงจรขาดหายไป และหนึ่งในสิ่งที่พบได้บ่อยที่สุดคือส่วนประกอบของ บางเท้าเชื่อมเชื่อมต่อกับแผ่นทองแดงของพื้นที่ขนาดใหญ่ ส่วนประกอบเหล่านี้หลังจาก reflow บัดกรีเชื่อมเท้าเชื่อม, ส่วนประกอบที่เชื่อมด้วยมือบางชนิดอาจทำให้เกิดปัญหาการเชื่อมหรือการหุ้มที่ผิดพลาดเนื่องจากสถานการณ์ที่คล้ายคลึงกัน และบางส่วนอาจไม่สามารถเชื่อมส่วนประกอบได้เนื่องจากความร้อนนานเกินไป

PCB ทั่วไปในการออกแบบวงจรมักจะต้องวางฟอยล์ทองแดงเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่เป็นแหล่งจ่ายไฟ (Vcc, Vdd หรือ Vss) และกราวด์ (GND, กราวด์) พื้นที่ขนาดใหญ่ของฟอยล์ทองแดงเหล่านี้มักจะเชื่อมต่อโดยตรงกับวงจรควบคุม (ICS) และหมุดของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

น่าเสียดาย หากเราต้องการให้ความร้อนบริเวณฟอยล์ทองแดงขนาดใหญ่เหล่านี้จนถึงอุณหภูมิของดีบุกที่หลอมละลาย ก็มักจะใช้เวลานานกว่าแผ่นแต่ละแผ่น (การให้ความร้อนช้าลง) และการกระจายความร้อนจะเร็วขึ้น เมื่อปลายด้านหนึ่งของสายไฟฟอยล์ทองแดงขนาดใหญ่เชื่อมต่อกับส่วนประกอบขนาดเล็ก เช่น ความต้านทานน้อยและความจุขนาดเล็ก และปลายอีกด้านหนึ่งไม่เชื่อมต่อ ปัญหาในการเชื่อมจะเกิดได้ง่ายเนื่องจากดีบุกหลอมเหลวและเวลาแข็งตัวไม่สอดคล้องกัน หากปรับเส้นโค้งอุณหภูมิของการเชื่อมแบบรีโฟลว์ไม่ดีพอ และเวลาในการอุ่นเครื่องไม่เพียงพอ ขาประสานของส่วนประกอบเหล่านี้ที่เชื่อมต่อด้วยฟอยล์ทองแดงขนาดใหญ่จะทำให้เกิดปัญหาในการเชื่อมเสมือนได้ง่าย เนื่องจากไม่สามารถไปถึงอุณหภูมิดีบุกหลอมละลายได้

ในระหว่างการบัดกรีด้วยมือ ข้อต่อประสานของส่วนประกอบที่เชื่อมต่อกับฟอยล์ทองแดงขนาดใหญ่จะกระจายตัวเร็วเกินไปจนเสร็จภายในเวลาที่กำหนด ข้อบกพร่องที่พบบ่อยที่สุดคือการบัดกรีและการบัดกรีเสมือน โดยที่บัดกรีจะเชื่อมกับพินของส่วนประกอบเท่านั้นและไม่ได้เชื่อมต่อกับแผ่นของแผงวงจร จากลักษณะที่ปรากฏ ข้อต่อประสานทั้งหมดจะสร้างลูกบอล ยิ่งไปกว่านั้น ผู้ปฏิบัติงานเพื่อเชื่อมขาเชื่อมบนแผงวงจรและเพิ่มอุณหภูมิของหัวแร้งอย่างต่อเนื่องหรือให้ความร้อนนานเกินไปเพื่อให้ส่วนประกอบเกินอุณหภูมิความต้านทานความร้อนและความเสียหายโดยไม่รู้ตัว ดังแสดงในรูปด้านล่าง

เนื่องจากเรารู้จุดปัญหา เราจึงสามารถแก้ปัญหาได้ โดยทั่วไป เราจำเป็นต้องมีการออกแบบแผ่นระบายความร้อนที่เรียกว่าเพื่อแก้ปัญหาการเชื่อมที่เกิดจากรอยเชื่อมของชิ้นส่วนเชื่อมต่อฟอยล์ทองแดงขนาดใหญ่ ดังแสดงในรูปด้านล่าง การเดินสายไฟทางด้านซ้ายไม่ใช้แผ่นลมร้อน ขณะที่สายไฟทางด้านขวาใช้การต่อแผ่นลมร้อน จะเห็นได้ว่ามีเส้นเล็ก ๆ เพียงไม่กี่เส้นในพื้นที่สัมผัสระหว่างแผ่นอิเล็กโทรดกับฟอยล์ทองแดงขนาดใหญ่ ซึ่งสามารถจำกัดการสูญเสียอุณหภูมิบนแผ่นอิเล็กโทรดได้อย่างมากและให้ผลการเชื่อมที่ดีขึ้น

ลำดับที่ 5 – ตรวจสอบงานของคุณ

เป็นเรื่องง่ายที่คุณจะรู้สึกหนักใจเมื่อสิ้นสุดโปรเจ็กต์การออกแบบ เมื่อคุณรวบรวมและพ่นชิ้นส่วนทั้งหมดเข้าด้วยกัน ดังนั้น การตรวจสอบความพยายามในการออกแบบของคุณสองครั้งในขั้นตอนนี้อาจหมายถึงความแตกต่างระหว่างความสำเร็จในการผลิตและความล้มเหลว

เพื่อช่วยให้กระบวนการควบคุมคุณภาพเสร็จสมบูรณ์ เราขอแนะนำให้คุณเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบกฎไฟฟ้า (ERC) และการตรวจสอบกฎการออกแบบ (DRC) เพื่อตรวจสอบว่าการออกแบบของคุณเป็นไปตามกฎและข้อจำกัดทั้งหมดหรือไม่ ด้วยทั้งสองระบบ คุณสามารถตรวจสอบความกว้างระยะห่าง ความกว้างของเส้น การตั้งค่าการผลิตทั่วไป ข้อกำหนดเกี่ยวกับความเร็วสูง และไฟฟ้าลัดวงจรได้อย่างง่ายดาย

เมื่อ ERC และ DRC ของคุณให้ผลลัพธ์ที่ปราศจากข้อผิดพลาด ขอแนะนำให้ตรวจสอบการเดินสายของแต่ละสัญญาณ ตั้งแต่แผนผังไปจนถึง PCB ทีละสายสัญญาณเพื่อให้แน่ใจว่าคุณจะไม่พลาดข้อมูลใดๆ นอกจากนี้ ให้ใช้ความสามารถในการตรวจสอบและการกำบังของเครื่องมือออกแบบเพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุเค้าโครง PCB ของคุณตรงกับแผนผังของคุณ