Từ mạch nguyên mẫu trên bảng mạch bánh mì đến thiết kế của riêng chúng tôi bảng mạch in (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. Thiết kế PCB được thực hiện trong quy trình kỹ thuật điện (EE). EE tạo ra “bộ não” về cách các thiết bị hoạt động. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Những điều cần biết trước khi bắt đầu thiết kế PCB: 1. Kích thước PCB – điều này phụ thuộc vào kích thước sản phẩm của bạn (hoặc kích thước vỏ máy). Kích thước sản phẩm được xác định trong quá trình thiết kế kỹ thuật điện tử. You can watch a video about it here. 2. Các lớp PCB – Càng nhiều lớp, VIỆC SẢN XUẤT PCB càng phức tạp. (Lưu ý: Ngay cả một PCB một lớp cũng có thể là một PCB phức tạp, nhưng ở đây chúng ta đang nói về sự phức tạp của việc tạo ra một PCB. PCB càng có nhiều lớp thì càng đắt tiền để sản xuất.)

Lớp 2 thường được sử dụng cho các sản phẩm đồ chơi đơn giản

Iot các sản phẩm liên quan thường có 4 lớp

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

3. Yêu cầu của nhà sản xuất PCB của bạn. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Thông tin bạn cần cung cấp cho các nhà sản xuất PCB:

Số lớp (ví dụ: 2, 4, 6, v.v.)

Vật liệu (FR-2 (giấy bông phenolic), FR-3 (giấy bông và epoxy), FR-4 (sợi thủy tinh và epoxy… vv)

Độ dày (0.5 mm, 1.0 mm… vv)

Màu sắc (đỏ, đen, xanh lá… vv)

Xử lý bề mặt (ENIG (ngâm niken / vàng hóa học), DIG (ngâm vàng trực tiếp), OSP (chất bảo quản hữu cơ có thể hàn được, v.v.)

Trọng lượng đồng (1 oz (35 microns), 2 oz (70 microns), 0.5 oz (18 microns)… vv)

tệp định dạng

Quy trình thiết kế PCB:

Thiết kế mạch

For this step, you need to create the schematic. Đây là một tài liệu, giống như một bản thiết kế, mô tả cách các thành phần liên quan đến nhau và hoạt động cùng nhau. Để tạo tệp sơ đồ, bạn sẽ cần một công cụ phần mềm. Chúng tôi thích Quadcept vì nó được tối ưu hóa để thiết kế PCBS cho sản xuất (ví dụ: bạn có thể xuất Hóa đơn nguyên vật liệu (BoM) trực tiếp từ công cụ) và dựa trên đám mây, vì vậy nó có thể dễ dàng sử dụng ở mọi nơi. (Họ cũng cung cấp phiên bản cộng đồng miễn phí của công cụ cho các nhà sản xuất và sinh viên.)

Có nhiều tùy chọn khác mà bạn có thể chọn:

Altium

ExpressPCB

Thiết bị tần số

KiCad

Cadence allegro

Thực phẩm

Máy tính hỗ trợ thiết kế

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. Tệp mô hình sẽ giúp bạn vẽ giản đồ. Thành phần này sẽ có sẵn trong cơ sở dữ liệu khi bạn tải mô hình lên công cụ phần mềm. Sau đó, tất cả những gì bạn phải làm là làm theo hướng dẫn sử dụng dữ liệu và kết nối dây với từng chân trong linh kiện. (Lưu ý: chi tiết của quá trình thiết kế sẽ phụ thuộc vào công cụ phần mềm được chọn).

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).

Sơ đồ ví dụ

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. Ngoài ra, nhà sản xuất có thể kiểm tra thiết bị thông qua các điểm kiểm tra trên tài liệu này.

Bố cục PCB + tệp Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. Không giống như sơ đồ, bố cục PCB chỉ định các thành phần thực tế đến các vị trí chính xác trên PCB và hiển thị các đường kết nối từng thành phần với nhau giữa các lớp PCB. Như đã đề cập ở phần đầu của bài viết này, càng nhiều lớp, yêu cầu chế tạo càng phức tạp và chi phí càng cao.

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. Bằng cách này, bạn có thể giữ cho dấu vết dẫn điện ngắn và giảm nhiễu và nhiễu.

Giao diện người dùng (UI) cũng cần được lưu ý khi thiết kế PCB. Các thành phần như jack âm thanh, cổng kết nối, led,… cần được điều chỉnh để đạt được trải nghiệm tốt nhất cho người dùng.

Sau khi bố trí được thiết kế, một tệp Gerber sẽ được tạo. Nhà sản xuất PCBA của bạn sẽ sử dụng tệp này. There are many companies that offer these services, and from HWTrek’s expert library we recommend Kingbrother, NexPCB, and HQPCB.

Sample Gerber files

Vị trí của các thành phần trên PCB là rất quan trọng. Một số thành phần có thể gây nhiễu lẫn nhau và gây ra hành vi không mong muốn. Ví dụ: nếu bạn có cả mô-đun Bluetooth và Wi-Fi, chúng có cùng băng thông 2.4ghz và có thể gây nhiễu lẫn nhau nếu được đặt không chính xác.

PCB production

Khi bạn gửi tệp Gerber cho nhà sản xuất PCB, họ có thể in bảng. Đây sẽ là cơ sở để tiếp tục xây dựng nền tảng cho việc bổ sung các thành phần vào PCB và sản xuất PCBA (lắp ráp bảng mạch in).

PCBS chưa được lắp ráp

PCBA (Assembly)

Chuẩn bị vật liệu

Tại thời điểm này trong thiết kế EE của bạn, bạn nên chọn các thành phần. You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. Những vấn đề cần chú ý:

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.

Số lượng đặt hàng tối thiểu: Kiểm tra số lượng đặt hàng tối thiểu của thành phần. Nếu bạn mua ít hơn mức tối thiểu, hãy đảm bảo rằng các thành phần đã chọn còn trong kho. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Đối với số lượng nhiều hơn, vui lòng tìm lời khuyên từ nhà sản xuất của bạn.

Mất mát: Đặt hàng thêm 10% để bù đắp tổn thất (không áp dụng cho các linh kiện đắt tiền)

Cài đặt các thành phần trên PCB

Có hai cách chính để đặt các thành phần trên bề mặt PCB:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. Nó cũng thường được gọi là DIP hoặc quy trình đóng gói kép trong dòng. (Xem SMT đang diễn ra trong video này)

SMT (công nghệ gắn kết bề mặt) là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất hàng loạt. Nó được thực hiện bằng máy SMT chính xác, nhanh chóng giúp bạn tiết kiệm thời gian, tiền bạc và tránh sai sót của con người.

Những điều cần nhớ:

Số loại linh kiện của bạn không được vượt quá số cuộn mà máy SMT của nhà sản xuất có thể hỗ trợ.

Tối ưu hóa và hợp nhất các thành phần của bạn để chỉ có một SMT chạy.

Kiểm tra kích thước đệm chân được nhà sản xuất hỗ trợ. Nếu không, máy SMT sẽ không cài đặt các thành phần một cách chính xác.

Một số thành phần lớn hơn không thể được lắp đặt bằng máy và vẫn yêu cầu công việc xuyên lỗ thủ công. Do đó, cả hai công nghệ này đều có thể được sử dụng trên cùng một bo mạch.

Bất kỳ thành phần nào bạn cần thêm thủ công thông qua phương pháp xuyên lỗ sẽ làm tăng chi phí sản xuất.

Hàn lại

Hàn dòng lại là quá trình làm cho các thành phần “dính” vào PCB. PCBA làm nóng bảng mạch thông qua lò nung lại hoặc đèn hồng ngoại cho đến khi chất hàn nóng chảy, do đó gắn vĩnh viễn linh kiện vào bảng mạch.

Phần khó nhất ở đây là không để quá nóng hoặc làm hỏng các thành phần, bởi vì các đặc tính nhiệt của mỗi gói là khác nhau. Một nhà sản xuất PCBA đáng tin cậy sẽ chịu trách nhiệm cho quá trình này và tất cả những gì bạn cần làm là cung cấp cho họ các thông số kỹ thuật của thành phần.

Quá trình hồi lưu.

Các phương pháp hàn khác:

Hàn sóng chủ yếu được sử dụng cho các thành phần được thêm thủ công bằng phương pháp xuyên lỗ. Trong trường hợp này, PCBA của bạn trước tiên sẽ đi qua lò hàn nung lại, sau đó thêm các thành phần khác theo cách thủ công sau đó sẽ đi qua máy hàn sóng.

Hàn sắt có thể được sử dụng cho các tình huống cụ thể, nhưng không được sản xuất hàng loạt.

Kiểm tra và kiểm tra chất lượng

Trong bước này, các mẫu PCBA được kiểm tra để đảm bảo chất lượng. Các lỗi thường gặp là: đoản mạch ở các thành phần bị ngắt kết nối, các thành phần bị lệch và các phần của mạch không nên được kết nối. Các bài kiểm tra phổ biến nhất:

ICT (Thử nghiệm trực tuyến). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. Máy ICT sẽ sử dụng các điểm kiểm tra này để kiểm tra hở / ngắn mạch và kiểm tra xem giá trị của các thành phần thụ động (điện trở, cuộn cảm, tụ điện) có nằm trong phạm vi thông số kỹ thuật hay không.

AOI (Kiểm tra quang học tự động). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Đối với bài kiểm tra này, người tạo phần cứng sẽ cần cung cấp thông số kỹ thuật và dung sai để nhà sản xuất thiết lập các thông số.

X quang. Nhà sản xuất PCBA sẽ sử dụng tia X để kiểm tra điều kiện hàn của các thành phần BGA (ball Grid Array). Xem xét nghiệm tia X trong video này.