طراحی PCB چیست؟ اصول اولیه، مراحل، استک آپ و نکات عیب یابی

طراحی PCB چیست؟

طراحی PCB فرآیند ترجمه شماتیک مدار الکترونیکی به طرح برد فیزیکی قابل ساخت است. طراح مشخص می کند که هر جزء کجا قرار می گیرد، ردهای مس چگونه آنها را به هم متصل می کند، تخته به چند لایه نیاز دارد، و سازنده باید چه مواد و تحمل هایی را داشته باشد. خروجی مجموعه ای از فایل های Gerber است - فرمت استاندارد صنعتی که تجهیزات ساخت خودکار را هدایت می کند.

یک PCB تمام شده چیزی بیش از یک نمودار سیم کشی دائمی است. این یک ساختار مکانیکی، یک سیستم مدیریت حرارتی و یک محیط الکترومغناطیسی است. تابلویی که به خوبی طراحی شده است سیگنال‌ها را به طور تمیز ارسال می‌کند، گرما را به طور موثر دفع می‌کند و تست EMC را پشت سر می‌گذارد. یک دستگاه با طراحی ضعیف ممکن است روی نیمکت کار کند اما در میدان به دلیل نویز، تداخل یا مشکلات یکپارچگی برق که فقط در شرایط عملیاتی واقعی ظاهر می شوند، از کار بیفتد.

مبانی از PCB طراحی که هر مهندس باید بداند

قبل از باز کردن هر ابزار EDA، یک طراح باید با تعداد انگشت شماری از مفاهیم اساسی که بر هر تصمیمی که در حین چیدمان گرفته می شود حاکم است، راحت باشد.

لایه ها و Stackup

PCB ها از لایه های متناوب مس و دی الکتریک (عایق) تشکیل شده اند که با هم لمینت شده اند. طرح های ساده از 2 لایه استفاده می کنند. بردهایی با تراکم اجزای بالاتر یا الزامات یکپارچگی سیگنال دقیق تر از 4، 6، 8 یا بیشتر استفاده می کنند. هر لایه نقشی را ایفا می کند - مسیریابی سیگنال، مرجع زمین یا توزیع توان - و آرایش این لایه ها stackup نامیده می شود.

امپدانس و یکپارچگی سیگنال

در فرکانس‌های بالا، رد مس مانند یک خط انتقال رفتار می‌کند. آن امپدانس مشخصه - تعیین شده توسط عرض ردیابی، ضخامت مس، ثابت دی الکتریک، و فاصله تا نزدیکترین صفحه مرجع - باید با منبع و امپدانس بار مطابقت داشته باشد تا از بازتاب جلوگیری شود. بیشتر رابط های دیجیتال دیفرانسیل 50 Ω تک سر یا 100 Ω را هدف قرار می دهند. انحراف از این مقادیر باعث تخریب سیگنال می شود که با فرکانس بدتر می شود.

جریان های برگشتی و صفحات مرجع

هر جریان سیگنال یک مسیر بازگشت دارد. در فرکانس‌های بالا، آن جریان برگشتی مستقیماً زیر ردیابی سیگنال در نزدیک‌ترین صفحه مرجع حرکت می‌کند - نه از کوتاه‌ترین مسیر DC. قطع این مسیر برگشت برای مثال، با مسیریابی یک ردی در یک شکاف هواپیما یا یک شکاف، جریان برگشتی را مجبور به انحراف می‌کند و یک آنتن حلقه ایجاد می‌کند که EMI تابش می‌کند. پیوسته نگه داشتن هواپیماهای مرجع تحت مسیریابی با سرعت بالا یکی از تاثیرگذارترین تصمیمات چیدمان یک طراح است.

مراحل طراحی برد PCB

فرآیند طراحی PCB بدون توجه به پیچیدگی برد از یک توالی ثابت پیروی می کند. نادیده گرفتن مراحل - به ویژه بررسی های اولیه طراحی - معمولاً منجر به چرخش های پرهزینه می شود.

1. تصویربرداری شماتیک : تمام اجزاء، اتصالات شبکه و قوانین الکتریکی را در ابزار EDA تعریف کنید. به هر نماد جزء ردپا اختصاص دهید.
2. الزامات و محدودیت های طراحی : ابعاد تخته اسناد، تعداد لایه ها، قوانین حداقل ردیابی/فضا، اهداف امپدانس، الزامات حرارتی، و استانداردهای نظارتی (IPC-2221، IPC-2152، و غیره).
3. تعریف استک آپ : تعداد لایه، مواد، ضخامت دی الکتریک و وزن مس را انتخاب کنید. قبل از شروع مسیریابی، اهداف امپدانس را با سازنده خود تأیید کنید.
4. محل قرار دادن اجزا : قطعات را برای به حداقل رساندن طول ردیابی برای شبکه های بحرانی، گروه بندی مدارهای مرتبط، احترام به مناطق حرارتی، و رعایت محدودیت های مکانیکی قرار دهید. مکان یابی 80 درصد کیفیت مسیریابی را افزایش می دهد.
5. برق و مسیریابی زمینی : ریل های برق را مسیریابی کنید و هواپیماهای زمینی را قبل از مسیریابی سیگنال ایجاد کنید. خازن های جداکننده باید تا حد امکان به پایه های برق آی سی نزدیک شوند.
6. مسیریابی سیگنال : ابتدا سیگنال‌های پرسرعت و حساس را مسیریابی کنید، امپدانس را حفظ کنید، از طریق انتقال‌ها به حداقل برسانید، و جفت‌های دیفرانسیل را کوپل و منطبق نگه دارید.
7. بررسی قوانین طراحی (DRC) : بررسی های خودکار برای تخلفات ترخیص کالا از گمرک، شبکه های غیر متصل، اندازه حلقه حلقوی و محدودیت های ساخت را اجرا کنید.
8. بررسی تولید و ساخت گربر : فایل های تولیدی را صادر کنید و قبل از ارسال در یک نمایشگر Gerber بررسی کنید. پشته‌بندی، فایل‌های مته و سیلک‌اسکرین را با سازنده تأیید کنید.

6 لایه PCB Stackup مثال

زمانی که طراحی شامل رابط های پرسرعت، مسیریابی متراکم BGA یا الزامات سختگیرانه EMI باشد، استک آپ 6 لایه عملی ترین ارتقاء از یک برد 4 لایه است. لایه‌های اضافی به صفحات مرجع اختصاصی اجازه می‌دهند تا لایه‌های سیگنال داخلی را براکت کنند و یک محیط نواری کنترل‌شده ایجاد کنند که تشعشع و تداخل را کاهش می‌دهد.

یک چیدمان استاندارد 6 لایه برای یک برد 1.6 میلی متری FR-4:

با L2 به عنوان زمین و L4 به عنوان قدرت، لایه 3 در یک پیکربندی خطی واقعی قرار دارد - که بین دو صفحه مرجع قرار گرفته است - آن را به خانه مناسبی برای حساس ترین سیگنال ها به نویز تبدیل می کند. پیش آغشته سازی نازک بین L1 و L2 (معمولاً 3-4 میلی متر) عرض ردیابی 50 Ω را در حدود 4-5 میلی متر حفظ می کند که با فرآیندهای ساخت استاندارد سازگار است.

نحوه عیب یابی PCB

حتی تخته‌هایی که به خوبی طراحی شده‌اند، گهگاه در اثر ساخت با نقص به دست می‌آیند یا بعد از مونتاژ خراب می‌شوند. یک فرآیند عیب‌یابی ساختاریافته - به جای تعویض تصادفی اجزا - عیب‌ها را سریع‌تر پیدا می‌کند و از آسیب‌های جانبی جلوگیری می‌کند.

مرحله 1: بازرسی بصری قبل از روشن کردن

با بزرگنمایی، برد را از نظر پل‌های لحیم کاری روی آی‌سی‌های با گام ظریف، اتصالات سرد (کدر و دانه‌دار به جای صاف و براق)، اجزای مفقود یا معکوس، و هرگونه آسیب قابل مشاهده بررسی کنید. بخش قابل توجهی از عیوب مونتاژ قبل از نیاز به ابزار قابل مشاهده است.

مرحله 2: تأیید ریل برق

قبل از اعمال توان کامل، مقاومت هر ریل برق تا زمین را با یک مولتی متر اندازه گیری کنید. خوانش کم یا نزدیک به صفر نشان‌دهنده کوتاهی - علل رایج شامل پل‌های لحیم کاری، خازن‌های آسیب‌دیده یا یک قطعه پلاریزه معکوس است. پس از روشن شدن، برق را از طریق یک منبع تغذیه محدود با جریان درست بالاتر از مصرف مورد انتظار اعمال کنید. ریل در حال فروریختن زیر بار به یک رگولاتور اضافه بار یا یک قطعه پایین دستی کوتاه اشاره می کند.

مرحله 3: تشخیص در سطح سیگنال

با تایید ریل خوب، از یک اسیلوسکوپ برای بررسی سیگنال های ساعت، خطوط تنظیم مجدد و فعالیت اتوبوس ارتباطی استفاده کنید. ساعت‌های از دست رفته، خطوط تنظیم مجدد گیر کرده یا شکل موج SPI/I2C/UART ناقص هر کدام به ناحیه خاصی از خرابی اشاره می‌کنند. یک تحلیلگر منطقی برای ثبت رفتار باس دیجیتال چند سیگنالی در طول زمان کارآمدتر از یک اسیلوسکوپ است.

مرحله 4: تست سطح مؤلفه

اگر ردیابی سیگنال یک جزء مشکوک را ایزوله کند، اندازه گیری مقاومت در مدار (با خاموش شدن برق) می تواند اتصالات باز یا کوتاه در پسیوها را تأیید کند. برای آی سی ها، مقایسه ولتاژ پین ها با جدول شرایط عملکرد برگه داده به سرعت باعث می شود که آیا دستگاه سیگنال های منبع تغذیه، مرجع و فعال را درست دریافت می کند یا خیر. هنگامی که نقص یک مؤلفه تأیید شد، آن را با یک قطعه شناخته شده خوب جایگزین کنید قبل از نتیجه گیری - جایگزینی با یک قطعه دیگر از همان دسته بالقوه معیوب چیزی را حل نمی کند.