نحوه طراحی و تعمیر برد PCB: راهنمای کامل مبتدیان

PCB چیست و چرا طراحی اهمیت دارد؟

برد مدار چاپی (PCB) اساس فیزیکی تقریباً هر دستگاه الکترونیکی است - از تلفن های هوشمند گرفته تا کنترل کننده های صنعتی. به طور مکانیکی قطعات را با استفاده از مسیرهای مسی رسانا که بر روی یک بستر نارسانا حک شده اند، که معمولاً فایبرگلاس FR4 است، پشتیبانی می کند و به صورت الکتریکی متصل می شود. دریافت درست طرح از همان ابتدا نه تنها تعیین می کند که آیا یک مدار کار می کند یا خیر، بلکه تعیین می کند که آیا در مقیاس قابل ساخت، قابل اعتماد و مقرون به صرفه خواهد بود.

طراحی PCB از طراحی شماتیک متمایز است. یک شماتیک ارتباطات منطقی بین اجزا را تعریف می کند. یک چیدمان PCB این اتصالات را به هندسه فیزیکی ترجمه می کند - عرض ردیابی، انباشته شدن لایه ها، قرار دادن قطعات، و سوراخ های مته. خطاها در مرحله چیدمان می توانند باعث مشکلات یکپارچگی سیگنال، تداخل الکترومغناطیسی بیش از حد (EMI)، خرابی های حرارتی یا اتصال کوتاه شوند که یک شماتیک کامل هرگز پیش بینی نمی کند.

نحوه طراحی PCB: فرآیند گام به گام

گردش کار طراحی PCB بدون توجه به نرم افزار مورد استفاده از یک توالی ثابت پیروی می کند. درک هر مرحله از دوباره کاری جلوگیری می کند و نقص های ساخت را کاهش می دهد.

مرحله 1 - شماتیک را رسم کنید

قبل از قرار دادن یک جزء بر روی بوم PCB، شماتیک باید کامل و بدون خطا باشد. از نرم افزارهای EDA (Electronic Design Automation) مانند KiCad (رایگان)، Altium Designer، Eagle یا EasyEDA برای ترسیم همه اجزا، تعیین نشانگرهای مرجع و اجرای بررسی قوانین الکتریکی (ERC) استفاده کنید. هر گونه هشدار ERC حل نشده در این مرحله در طرح منتشر می شود.

مرحله 2 - طرح کلی و لایه لایه را تعریف کنید

ابعاد برد را در ویرایشگر PCB تنظیم کنید. برای مبتدیان، یک تخته 2 لایه (روی مس پایین مس) برای اکثر پروژه های تجاری سرگرمی و فرکانس پایین کافی است. طراحی‌های دیجیتال یا RF با سرعت بالا ممکن است به 4 لایه یا بیشتر نیاز داشته باشند تا سطوح زمین و قدرت اختصاص داده شده برای کنترل امپدانس را فراهم کنند. مواد، ضخامت تخته تمام شده (معمولاً 1.6 میلی متر) و وزن مس (معمولاً 1 oz/ft²) را مشخص کنید.

مرحله 3 - کامپوننت ها را به صورت استراتژیک قرار دهید

Netlist را از شماتیک وارد کنید و شروع به قرار دادن اجزا کنید. این اصول قرار دادن را دنبال کنید:

• ابتدا کانکتورها و سوراخ‌های نصب را قرار دهید تا محدودیت‌های مکانیکی برد را ثابت کنند.
• اجزاء را بر اساس عملکرد گروه بندی کنید - بخش های تنظیم قدرت، آنالوگ و دیجیتال را بطور فیزیکی از هم جدا نگه دارید تا کوپلینگ نویز کاهش یابد.
• خازن های جداکننده را تا حد امکان نزدیک به پایه های برق آی سی قرار دهید - در حالت ایده آل در فاصله 0.5 میلی متری.
• جهت به حداقل رساندن ردیابی گذرگاه ها، اجزاء را جهت دهی کنید، که این امر تعداد گذرگاه های مورد نیاز را کاهش می دهد.

مرحله 4 - ردیابی مسیر

مسیریابی ratsnest (اتصالات مسیریابی نشده که به صورت خطوط مستقیم نشان داده شده اند) را به آثار مسی فیزیکی تبدیل می کند. قوانین کلیدی که باید رعایت شود:

• عرض ردیابی باید برای جریانی که دارد اندازه شود. یک ردیابی 0.25 میلی متری تقریباً 0.5 A را در شرایط معمولی کنترل می کند. یک ردیابی 1 میلی متری می تواند تقریباً 2 A را تحمل کند. برای دقت از یک ماشین حساب پهنای ردیابی آنلاین استفاده کنید.
• قدرت و آثار زمین باید گسترده تر از ردیابی سیگنال باشد - حداقل 0.5-1 میلی متر برای بردهای کم مصرف.
• از گوشه های 90 درجه در ردیابی اجتناب کنید. از زوایای یا منحنی های 45 درجه برای جلوگیری از تله اسید در حین اچ کردن و کاهش ناپیوستگی امپدانس در فرکانس های بالا استفاده کنید.
• برای ایجاد یک صفحه مرجع زمین جامد، از یک پوره مسی (پر کردن زمین) در مناطق تخته استفاده نشده استفاده کنید.

مرحله 5 - بررسی قوانین طراحی (DRC) و تولید Gerbers را اجرا کنید

ابزار DRC را اجرا کنید تا حداقل موارد نقض مجوز، شبکه های غیر متصل یا همپوشانی های صفحه ابریشمی را بگیرید. پس از عبور برد، فایل های Gerber (یکی در هر لایه) و یک فایل مته را صادر کنید. این فایل ها همان چیزی است که سازندگان PCB برای تولید برد شما استفاده می کنند. اکثر تولید کنندگان - JLCPCB، PCBWay، OSH Park - فرمت استاندارد Gerber RS-274X را می پذیرند.

نحوه ایجاد یک برد PCB: گزینه های ساخت

پس از آماده شدن فایل های طراحی، دو مسیر عملی برای رسیدن به یک برد فیزیکی وجود دارد: ساخت حرفه ای یا اچینگ DIY.

برای مبتدیان، سفارش از یک سازنده حرفه ای PCB به شدت توصیه می شود. پنج تخته 2 لایه 100 × 100 میلی‌متر معمولاً کمتر از 5 دلار آمریکا هزینه خدمات بودجه دارند، بدون نیاز به حداقل مقدار سفارش. مزیت کیفیت - ماسک لحیم کاری، صفحه ابریشمی، پوشش HASL یا ENIG - تکرار با روش های DIY در آن نقطه قیمت غیرممکن است.

نحوه تعمیر برد PCB: تشخیص و تعمیر عیوب رایج

تعمیر PCB یک فرآیند سیستماتیک جداسازی عیب قبل از مداخله فیزیکی است. تلاش برای تعویض جزء بدون شناسایی علت اصلی باعث هدر رفتن قطعات و خطر آسیب بیشتر می شود.

ابتدا بازرسی بصری

تحت بزرگنمایی (لوپ 10× یا میکروسکوپ دیجیتال)، به دنبال: اجزای سوخته (تغییر رنگ، پوسته های ترک خورده)، اتصالات لحیم سرد (فیله های کدر، دانه دار یا ترک خورده)، پل های لحیم کاری (شورت ناخواسته بین لنت های مجاور)، و لنت های بلند شده (پد مسی که از بستر جدا شده است). بسیاری از عیوب قبل از هر آزمایش الکتریکی قابل مشاهده است.

جداسازی خطای الکتریکی

از یک مولتی متر دیجیتال (DMM) در حالت پیوستگی برای بررسی اتصال کوتاه مشکوک بین برق و زمین استفاده کنید. در حالت مقاومت، قرائت ها را در مقابل شماتیک مقایسه کنید. یک متر ESR در مدار برای آزمایش خازن های الکترولیتی بدون لحیم کاری بسیار ارزشمند است - خازن با ESR بالای 1-5 Ω (بسته به درجه بندی) معمولاً خراب می شود و باعث ناپایداری منبع تغذیه یا خرابی های مرتبط با امواج می شود.

تعمیرات و تکنیک های رایج

• لحیم مجدد مفصل سرد: شار تازه اعمال کنید، نوک آهن لحیم کاری را به مدت 2 تا 3 ثانیه روی محل اتصال قرار دهید، سپس مقدار کمی لحیم سرب قلع 63/37 یا SAC305 بدون سرب اضافه کنید. فیله باید صاف و براق باشد.
• برداشتن پل لحیم کاری: فلاکس را اعمال کنید، سپس یک نوک آهن تمیز را روی پل بکشید. اگر ادامه داشت، از قیطان لحیم کاری مسی (فتیله) که محکم روی پل فشار داده شده و نوک آهنی آن در بالا قرار دارد، استفاده کنید.
• ترمیم رد شکسته: ماسک لحیم کاری را به اندازه 5 تا 10 میلی متر در دو طرف شکاف خراش دهید، مس در معرض آن را قلع بزنید و با سیم یا لحیم کاری 30 AWG فاصله را پر کنید. با یک نقطه از لاک تعمیری PCB کیور UV ایمن کنید.
• تعویض قطعه سوراخ شده آسیب دیده: از پمپ لحیم کاری یا فیتیله برای جدا کردن لحیم قدیمی استفاده کنید، قطعه را بلند کنید، سوراخ ها را با مته 0.8 میلی متری در صورت گرفتگی تمیز کنید، جایگزین را وارد کنید و از طرف مقابل لحیم کنید.
• تعویض قطعات SMD: برای پسیوهای کوچک (0402، 0603)، از موچین با نوک ریز و یک آهن لحیم کاری با نوک اسکنه 1 تا 2 میلی متری استفاده کنید. برای آی‌سی‌هایی با پین‌های زیاد، کار مجدد با هوای گرم سریع‌تر است - شار را اعمال کنید، ایستگاه کار را روی 320 تا 360 درجه سانتی‌گراد تنظیم کنید (برای بدون سرب تنظیم کنید)، و نازل را به صورت دایره‌ای حرکت دهید تا قطعه آزادانه بلند شود.

تایید پس از تعمیر

پس از هر تعمیر، برد را با ایزوپروپیل الکل (IPA 99%) و یک برس ایمن ESD تمیز کنید تا بقایای شار را از بین ببرید، که می تواند در طول زمان خورنده خفیفی باشد و باعث ایجاد جریان های نشتی در مدارهای امپدانس بالا شود. قبل از اعمال برق، تداوم را در گره های تعمیر شده مجدداً آزمایش کنید. برای بردهایی که خطای برق را تجربه کرده‌اند، از یک منبع تغذیه میز با محدودیت جریان قابل تنظیم استفاده کنید - حد را روی 10 تا 20 درصد جریان معمولی تنظیم کنید و ولتاژ را به آهستگی افزایش دهید و در حین نظارت بر کاهش جریان غیرمنتظره، ولتاژ را به آرامی افزایش دهید.

نکات طراحی PCB برای مبتدیان: اشتباهاتی که باید از آنها اجتناب کنید

بیشتر خرابی های PCB مبتدی از مجموعه کوچکی از خطاهای تکرار شونده ناشی می شود. آگاهی از این الگوها به طور قابل توجهی نرخ موفقیت اولین چرخش را کاهش می دهد:

1. رد پای اشتباه: همیشه قبل از سفارش، ردپای اجزا را در برابر ابعاد صفحه داده فیزیکی بررسی کنید. ردپای خازن 0805 پکیج 1206 را نمی پذیرد. ابعاد الگوی زمین - اندازه لنت، زمین و حیاط - را با الگوی زمین توصیه شده توسط سازنده، نه فقط ابعاد بدنه اجزا، بررسی کنید.
2. نادیده گرفتن تسکین حرارتی: ریزش های مسی بزرگ که مستقیماً به پدهای اجزای سوراخ دار متصل می شوند، لحیم کاری را بسیار دشوار می کنند. از پره های تسکین دهنده حرارتی (معمولاً 4 اتصال به عرض 0.3-0.5 میلی متر) بین لنت و آبریز استفاده کنید تا لنت به سرعت به دمای لحیم کاری برسد.
3. فاصله کافی در اطراف سوراخ های نصب: در صورت استفاده از پایه‌های فلزی، حداقل 3 میلی‌متر منطقه نگهدارنده در اطراف سوراخ‌های نصب بگذارید تا از اتصال پیچ‌ها به ردپاها یا دریچه‌های باز جلوگیری شود.
4. بدون امتیاز تست: قبل از ارسال به فاب، پدهای آزمایش مسی را که در معرض دید قرار گرفته اند به گره های کلیدی - ریل های برق، زمین و سیگنال های حیاتی - اضافه کنید. آنها هیچ هزینه ای در تولید ندارند و در هنگام اشکال زدایی ساعت ها صرفه جویی می کنند.
5. رد شدن از چک لیست بررسی: قبل از تولید Gerbers، یک چک لیست استاندارد را اجرا کنید: همه اجزای قرار داده شده، همه شبکه ها مسیریابی شده، DRC تمیز، طرح کلی تخته بسته، فایل مته شامل، تخصیص لایه ها درست است. بررسی 10 دقیقه ای از چرخه چرخش مجدد 2 هفته ای جلوگیری می کند.

یک معیار عملی: طراحان PCB حرفه ای نرخ موفقیت در اولین چرخش بالای 90% را هدف قرار می دهند. مبتدیان معمولاً در اولین تلاش به 50 تا 60 درصد دست پیدا می کنند - نه به دلیل خطاهای پیچیده، بلکه به دلیل اشتباهات قابل اجتناب و حذف اشتباهات که یک فرآیند بررسی ساختاریافته می تواند آن را جلب کند.