Від прототипів схем на хлібних дошках до проектування власних друкована плата (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 створює «мозок» того, як працюють пристрої. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Things to know before starting PCB design: 1. PCB size – this depends on your product size (or case size). Розміри виробу визначаються в процесі проектування електронної інженерії. You can watch a video about it here. 2. Шари друкованої плати – чим більше шарів, тим складніше ВИРОБНИЦТВО друкованої плати. (Примітка: Навіть одношарова друкована плата може бути складною платою, але тут ми говоримо про складність виготовлення друкованої плати. Чим більше шарів має друкована плата, тим дорожче її виготовлення.)

Layer 2 is usually used for simple toy products

Продукти, пов’язані з Iot, зазвичай мають 4 шари

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

3. Your PCB manufacturer’s requirements. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Інформація, яку потрібно надати виробникам друкованих плат:

Number of layers (e.g. 2, 4, 6, etc.)

Матеріали (FR-2 (фенольний бавовняний папір), FR-3 (бавовняний папір та епоксидна смола), FR-4 (скловолокно та епоксидна смола … і т.д.)

Thickness (0.5 mm, 1.0 mm… і т.д.)

Color (red, black, green… і т.д.)

Поверхнева обробка (ENIG (хімічне занурення в нікель/золото), DIG (пряме занурення в золото), OSP (органічні паяльні консерванти тощо)

Copper weight (1 oz (35 microns), 2 oz (70 microns), 0.5 oz (18 microns)… і т.д.)

Файл Гербера

PCB design process:

Дизайн схеми

For this step, you need to create the schematic. This is a document, like a blueprint, that describes how components relate to each other and work together. To create the schematic file, you will need a software tool. Нам подобається Quadcept, оскільки він оптимізований для проектування друкованих плат для виробництва (наприклад, ви можете експортувати кошторис матеріалів (BoM) безпосередньо з інструменту) і базується на хмарі, тому його можна легко використовувати будь-де. (They also offer a free community version of the tool for manufacturers and students.)

There are many other options you can choose from:

Альцій

ExpressPCB

Частотний пристрій

KiCad

Каденція алегро

килимок

Комп’ютерний дизайн

DipTrace

After you install the selected tools, you need to obtain the component specifications for each selected component. They can often be found on the supplier’s website. Файл моделі допоможе вам скласти схему. This component becomes available in the database when you upload the model to the software tool. Then, all you have to do is follow the data manual and connect the wire to each pin in the component. (Примітка: деталі процесу проектування залежать від обраного програмного засобу).

Each schematic symbol needs to have an associated PCB space area to define the physical dimensions of the component and the location of the through holes on the brazing pad or 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).

Example diagram

Хороша схема дійсно важлива, оскільки вона буде використовуватися як довідковий документ під час налагодження та є хорошим інструментом спілкування з іншими інженерами. Крім того, виробник може протестувати пристрій через тестові точки, наведені в цьому документі.

PCB layout + Gerber file

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. На відміну від схеми, макет друкованої плати призначає фактичні компоненти точним розташуванням на друкованій платі і показує доріжки, які з’єднують кожен компонент між шарами друкованої плати. As mentioned at the beginning of this article, the more layers, the more complex the manufacturing required, and the higher the cost.

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). Then, be sure to group the components of each section into the same area. Таким чином, ви можете утримувати провідний слід коротким і зменшувати шум та перешкоди.

Користувальницький інтерфейс (UI) також слід мати на увазі під час проектування друкованої плати. Такі компоненти, як аудіороз’єми, роз’єми, світлодіоди тощо, потрібно налаштувати, щоб досягти найкращого досвіду користувача.

Once the layout is designed, a Gerber file is generated. Виробник PCBA буде використовувати цей файл. There are many companies that offer these services, and from HWTrek’s expert library we recommend Kingbrother, NexPCB, and HQPCB.

Sample Gerber files

Розміщення компонентів на друкованій платі є дуже важливим. Some components can interfere with each other and cause unexpected behavior. For example, if you have both Bluetooth and Wi-Fi modules, they have the same 2.4ghz bandwidth and can interfere with each other if incorrectly placed.

Виробництво друкованих плат

When you send the Gerber file to the PCB manufacturer, they can print the board. Це стане основою для подальшого створення основи для додавання компонентів до друкованої плати та виготовлення друкованої плати (PCBA).

Unassembled PCBS

PCBA (Assembly)

Підготовка матеріалу

На цьому етапі дизайну ЕЕ вам слід вибрати компоненти. You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. Питання, які потребують уваги:

Lead time: As these components come from different suppliers, keep the lead time in mind. For some components, it can take up to 8-16 weeks.

Packaging: Order components from reels that are automatically picked up by SMT machines instead of packaging them individually.

Мінімальна кількість замовлення: Перевірте мінімальну кількість замовлення компонента. Якщо ви купуєте менше мінімального, переконайтеся, що вибрані компоненти є в наявності. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Для отримання додаткової кількості зверніться за порадою до виробника.

Loss: Order 10% more to cover loss (not for expensive components)

Install components on the PCB

There are two main ways to place components on a PCB surface:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. It is also commonly known as DIP or dual in-line packaging process. (See SMT in progress in this video)

SMT (технологія поверхневого монтажу) є найбільш широко використовуваним методом у масовому виробництві. It is done by fast, accurate SMT machines that save you time, money and avoid human error.

Що потрібно пам’ятати:

Your component type number must not exceed the number of reels that the manufacturer’s SMT machine can support.

Optimize and consolidate your components so that only one SMT runs.

Check manufacturer supported footprint pad sizes. Otherwise, the SMT machine will not install components correctly.

Some larger components cannot be installed by machine and still require manual through-hole work. Therefore, both technologies can be used on the same board.

Any components you need to manually add via the through-hole method add to the manufacturing cost.

Поверніть паяння

Reflow soldering is the process of making components “stick” to the PCB. The PCBA heats the circuit board through a reflow furnace or an infrared lamp until the solder melts, thereby permanently attaching the component to the circuit board.

The trickiest part here is not to overheat or damage the components, because the thermal characteristics of each package are different. За цей процес буде відповідати надійний виробник PCBA, і все, що вам потрібно зробити, це надати їм специфікації компонентів.

Процес рефлюксу.

Інші способи зварювання:

Wave soldering is mainly used for manually added components by the through-hole method. In this case, your PCBA will first go through the reflow welding furnace, and then manually add other components after it will go through the wave soldering machine.

Зварювання заліза можна використовувати для конкретних ситуацій, але не для масового виробництва.

Тестування та перевірка якості

На цьому етапі зразки PCBA перевіряють на якість. Поширеними помилками є: коротке замикання у відключених компонентах, невідповідні компоненти та частини схеми, які не слід підключати. Найпоширеніші тести:

ІКТ (онлайн -тестування). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. Машина ІКТ буде використовувати ці контрольні точки для перевірки відкритого/короткого замикання та перевіряти, чи значення пасивних компонентів (резистори, дроселі індуктивності, конденсатори) знаходяться в межах діапазону специфікацій.

AOI (автоматична оптична перевірка). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Для цього тесту творцю обладнання буде потрібно надати виробнику специфікації та допуски для встановлення параметрів.

Рентген. The PCBA manufacturer will use X-rays to check the welding conditions of the BGA (ball Grid Array) components. Перегляньте рентгенівський тест у цьому відео.