การออกแบบ PCB สิ่งจำเป็นสามประการ: คู่มือการจัดวางฉบับสมบูรณ์, ตำแหน่ง, และการกำหนดเส้นทาง

ในโลกของ การออกแบบ PCB และ การผลิต PCBA, สามคำมักทำให้เกิดความสับสน: เค้าโครง (การออกแบบกรอบทางกายภาพ), ตำแหน่ง (การวางตำแหน่งส่วนประกอบ), และ การกำหนดเส้นทาง (ติดตามเส้นทาง). วิศวกรหลายคนที่มีประสบการณ์หลายปียังคงประสบปัญหาในการอธิบายว่าองค์ประกอบทั้งสามนี้ทำงานร่วมกันได้อย่างไร. บทความนี้จะให้กรอบการทำงานที่ชัดเจนแก่คุณ IPC และมาตรฐาน UL.

1. คำจำกัดความหลักขององค์ประกอบทั้งสาม

เค้าโครง PCB เป็นแนวคิดการออกแบบระดับบนสุด. กำหนดโครงสร้างทางกายภาพของบอร์ดทั้งหมด – ขนาดบอร์ด, จำนวนชั้น, ตำแหน่งตัวเชื่อมต่อ, เส้นทางสัญญาณความเร็วสูง, และการกำหนดระนาบกำลัง/กราวด์. เค้าโครงที่ดีจะกำหนดขีดจำกัดความสามารถในการผลิตสูงสุดสำหรับทั้งหมด พีซีบี.

การวางตำแหน่ง PCB เป็นขั้นตอนแรกของการดำเนินการของเค้าโครง. มันวางตัวต้านทานทุกตัว, ตัวเก็บประจุ, ไอซี, และต่อเข้ากับบอร์ดตามแผนผังและโซนการทำงาน.

การกำหนดเส้นทาง PCB เป็นขั้นตอนการดำเนินการที่สอง. ใช้ร่องรอยทองแดงเพื่อเชื่อมต่อส่วนประกอบทั้งหมดตาม netlist.

การเปรียบเทียบการสร้างบ้านได้ผลดีที่สุด: เค้าโครงคือพิมพ์เขียวทางสถาปัตยกรรม; การจัดวางคือการจัดวางเฟอร์นิเจอร์; เส้นทางคือการเดินสายน้ำและไฟฟ้า. หากพิมพ์เขียวล้มเหลวในการวางแผนที่เหมาะสม, แม้แต่การจัดวางเฟอร์นิเจอร์ที่ดีที่สุดก็อาจทำให้การจราจรติดขัดได้. การจัดวางเฟอร์นิเจอร์ที่ไม่ดีจะทำให้การเดินสายไฟต้องเลี่ยง, เพิ่มทั้งความเสี่ยงด้านต้นทุนและความล้มเหลว.

2. ตำแหน่ง: โหนดที่สำคัญตัวแรกสำหรับประสิทธิภาพของ PCB

PCB ที่ยุ่งเหยิงซึ่งมีการใช้พื้นที่น้อยมักจะติดตามสาเหตุที่แท้จริงกลับไปยังระยะการวางตำแหน่ง. กฎทองในประสิทธิภาพสูง พีซีบี ออกแบบ: ตำแหน่งที่ดีเป็นรากฐานของการกำหนดเส้นทางที่เป็นผู้ใหญ่. เมื่อส่วนประกอบต่างๆ กลับเข้าสู่บอร์ดในระหว่างการประกอบครั้งแรก, ตำแหน่งของพวกเขาได้รับการแก้ไข. การกำหนดเส้นทางในภายหลังสามารถเต้นได้เฉพาะในห่วงเท่านั้น.

ตามไอพีซี-2221C ข้อกำหนดการออกแบบทั่วไป, วิศวกรจะต้องพิจารณาการแบ่งพาร์ติชันการทำงานระหว่างการจัดตำแหน่ง: แยกวงจรดิจิตอลออกจากวงจรอนาล็อก; วางอุปกรณ์ความถี่สูง (เช่น CPU และหน่วยความจำ DDR) ใกล้กันเพื่อลดร่องรอยวิกฤต; เก็บลูปโมดูลพลังงานไว้ (ฝาครอบอินพุต - กำลัง IC - ตัวเหนี่ยวนำ - ฝาครอบเอาต์พุต) กะทัดรัด; และวางตัวเก็บประจุแยกความถี่สูงไว้ข้างๆ พินกำลังของ IC. ขั้นตอนเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสมบูรณ์ของพลังงานและลดเสียงรบกวนจากการสลับให้เหลือน้อยที่สุด.

ข้อจำกัดทางกลยังส่งผลต่อการจัดวางอีกด้วย. คุณสมบัติคงที่เช่นพอร์ต USB, อีเธอร์เน็ต RJ45, ปุ่ม, ไฟ LED, และรูยึดจะต้องอยู่ในแนวเดียวกับการเขียนแบบกลไก DXF ก่อน. ส่วนประกอบที่มีความร้อนสูง เช่น power MOSFET, LDO, หรือไอซีหลักควรอยู่ใกล้ช่องระบายอากาศหรือขอบกระจายความร้อน. สิ่งนี้จะช่วยป้องกันการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเฉพาะที่บน PCBA, สอดคล้องกับไอพีซี-2152 หลักการออกแบบการระบายความร้อน.

3. การกำหนดเส้นทาง: จาก Netlist สู่ร่องรอยทองแดงทางกายภาพ

การกำหนดเส้นทางแปลงการเชื่อมต่อลอจิคัลของแผนผังให้กลายเป็นร่องรอยทองแดงจริงบนบอร์ด ซึ่งเป็นขั้นตอนที่ใช้เวลานานและใช้ทรัพยากรมากที่สุดในซอฟต์แวร์ EDA.

สำหรับบอร์ดหลายชั้น, การกำหนดเส้นทางไม่เพียงส่งผลต่อความต่อเนื่องเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความสมบูรณ์ของสัญญาณด้วย (และ) และความสมบูรณ์ของพลังงาน (PI). ในเค้าโครง PCB ความเร็วสูง, สายสัญญาณเช่นข้อมูล DDR, คู่ดิฟเฟอเรนเชียล PCIe, และ USB จะต้องอ้างอิงระนาบกราวด์ต่อเนื่อง. พวกเขาจะต้องไม่ข้ามระนาบอ้างอิงแบบแยก; มิฉะนั้น, เส้นทางกลับแตก, ทำให้เกิด EMI ที่รุนแรงและการทดสอบการแผ่รังสีอาจล้มเหลว.

คุณภาพเส้นทางเชื่อมโยงโดยตรงกับมาตรฐานการยอมรับ IPCไอพีซี-A-600M กำหนดเป้าหมายและเงื่อนไขที่ยอมรับได้สำหรับคุณสมบัติที่สังเกตได้ภายในและภายนอกบน PCB, ด้วยเกณฑ์เชิงปริมาณสำหรับความแม่นยำของความกว้างของการติดตามและการลงทะเบียนแบบชั้นต่อชั้น.

4. กฎ 3W และ 20H: หลักการออกแบบคลาสสิกจากมาตรฐาน IPC

เพื่อเพิ่มความเป็นมืออาชีพในการออกแบบ PCB ของคุณ, คุณต้องเชี่ยวชาญกฎทางวิศวกรรมที่ได้รับจาก IPC เหล่านี้.

กฎ 3W กล่าวถึงการลด crosstalk. เมื่อการติดตามสัญญาณความเร็วสูงหลายเส้นวิ่งขนานกันในระยะทางไกล, รักษาระยะห่างระหว่างกึ่งกลางถึงกึ่งกลางอย่างน้อย3 เท่าของความกว้างของรอยเส้น. หนังสือคู่มือทางวิศวกรรมจากแหล่ง IPC แสดงให้เห็นว่าบล็อกระยะห่าง 3W ประมาณ 70% ของการมีเพศสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้า. ขยายเป็นบล็อกระยะห่าง 10W เกือบ 98% ของครอสทอล์ค.

กฎ 20H ระงับการแผ่รังสีขอบแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างกำลังและระนาบกราวด์. บนเค้าโครง PCB หลายชั้น, ลดขนาดขอบทางกายภาพของระนาบกำลังเข้าจากขอบระนาบกราวด์ด้วย20 คูณความหนาของอิเล็กทริก (ชม) ระหว่างเครื่องบินทั้งสองลำ. การหดตัว 20H มีขอบเขตจำกัด 70% ของสนามไฟฟ้าภายในระนาบกราวด์, ปรับปรุงประสิทธิภาพของ EMC อย่างมาก. กฎข้อนี้มีความสำคัญสำหรับความถี่สัญญาณนาฬิกาข้างต้น5 เมกะเฮิรตซ์ หรือชีพจรเพิ่มขึ้นครั้งข้างใต้5 NS. มันต้องมีอย่างน้อย 8 รวมชั้นเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด.

5. ข้อมูลจากมาตรฐาน IPC: การกวาดล้าง, อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น, และการคำนวณปัจจุบัน

เพื่อเสริมสร้างอำนาจและความลึกของบทความของคุณ, อ้างอิงข้อมูลสนับสนุนจากมาตรฐาน IPC เสมอ.

ไอพีซี-2221 ระบุระยะห่างทางไฟฟ้าขั้นต่ำของ0.1 มม (เกี่ยวกับ 4 MIL) ระหว่างตัวนำไฟฟ้าสองตัวบน PCB ที่ใช้งานทั่วไป. สำหรับอุปกรณ์แปลงกำลัง, คำนวณระยะห่างใหม่โดยใช้ตารางการคืบของแรงดันไฟฟ้าในมาตรฐานเพื่อรับประกันว่าไดอิเล็กทริกทนทานต่อความปลอดภัย. สำหรับเว้นระยะห่างระหว่างรูเจาะสองรูที่อยู่ติดกัน (เจาะเพื่อเจาะ), IPC-2221 แนะนำมาร์จิ้นขั้นต่ำที่0.5 มม (20 MIL).

สำหรับการออกแบบระบายความร้อนและความจุกระแสไฟ, อุตสาหกรรมนี้กำลังตามมา ไอพีซี-2152 (มาตรฐานในการกำหนดขีดความสามารถปัจจุบันใน การออกแบบบอร์ดพิมพ์). มาตรฐานนี้ใช้แทนที่ข้อมูลความร้อน IPC-2221 ที่ล้าสมัย 50 หลายปีก่อน. IPC-2152 พิจารณาการนำความร้อนของวัสดุบอร์ด, ตำแหน่งเลเยอร์ (ด้านนอกหรือด้านใน), และระนาบทองแดงที่อยู่ติดกัน. สูตรการประมาณค่าแบบอนุรักษ์นิยมแบบคลาสสิกใช้แบบฟอร์มนี้:$$\mathrm{อัน}[{\text{ล้าน}}^2]-{\left(\frac{{\mathrm{ฉัน}}_{\text{สูงสุด}}[\text{แอมป์}]}{K<span\; class="tr\_"\; id="tr\_0"\; data-source="1"\; data-orig="\times ">\times </span>(T_{\text{ลุกขึ้น}}[\mathrm{°}C]{)}^{ข}}\right)}^{1\mathrm{/}ค}$$ที่ไหน *เค*, *ข*, *c* เป็นค่าคงที่ที่ไม่ใช่ฟิสิคัล. สำหรับร่องรอยชั้นนอก (ระบายความร้อนได้ดีขึ้น), *เค* หยาบคาย 0.048. สำหรับร่องรอยชั้นใน (การระบายความร้อนแย่ลง), *เค* หยาบคาย 0.024. อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นโดยทั่วไป $T_{\text{ลุกขึ้น}}$TRISE​ มีตั้งแต่ 10°ซ ถึง 30°ซ. (แหล่งที่มา: กรอบงาน IPC-2152 และคู่มือทางเทคนิคเครื่องมือ EDA ที่สำคัญ)

6. จากเค้าโครงไปจนถึงการผลิตจำนวนมาก PCBA ที่ให้ผลตอบแทนสูง: การทำงานร่วมกันของสามสิ่งจำเป็น

โครงการผลิต PCBA ที่ให้ผลตอบแทนสูงต้องอาศัยการทำงานร่วมกันของเค้าโครงเสมอ, ตำแหน่ง, และการกำหนดเส้นทาง. หากนักออกแบบล้มเหลวในการพิจารณาการเรียงซ้อนและการไหลของสัญญาณระหว่างโครงร่างของแผงวงจร, แม้แต่ตำแหน่งที่แม่นยำก็ยังนำไปสู่จุดแวะต่างๆ มากมาย, ทางคดเคี้ยว, และการเชื่อมต่อขาดระหว่างการกำหนดเส้นทาง. หากการวางตำแหน่งละเว้นความยาวเส้นทางกระแสสูงและการแยกตัวเก็บประจุออกจากพิน IC, การกำหนดเส้นทางจะไม่แก้ไขความสมบูรณ์ของพลังงานที่ไม่ดี.

อ้างอิงจากเอกสารทางเทคนิคจาก Cypress Semiconductor และ Sierra Circuits, ลดเค้าโครง PCB ที่ยอดเยี่ยม20–35% ของการทำงานซ้ำ PCBA และอัตราเศษเหล็ก. นอกจากนี้ยังช่วยลดระยะเวลาในการปรับแต่งตั้งแต่ต้นแบบไปจนถึงการผลิตจำนวนมากได้อย่างมาก. ดังนั้นไม่ว่าคุณจะเลือกผู้จัดจำหน่ายในระหว่างการตรวจสอบหรือประเมินพันธมิตรด้านการผลิต PCBA ที่เชื่อถือได้, เลือกผู้ผลิตที่มีการออกแบบ PCB แบบเต็มกระบวนการและความสามารถในการควบคุมกระบวนการ.

หากคุณวางแผนที่จะหาที่น่าเชื่อถือ ผู้จำหน่าย PCB สำหรับโครงการใหม่ของคุณหรือต้องการ ใบเสนอราคา PCBA, โปรดติดต่อเราเพื่อขอครบวงจร บริการผลิต PCB และประกอบ PCBA – ตั้งแต่การตรวจสอบเค้าโครง DFM ไปจนถึงการจัดหาส่วนประกอบและการทดสอบขั้นสุดท้าย. ทีมวิศวกรอาวุโสของเราจะช่วยคุณควบคุมทุกรายละเอียดทางเทคนิค.

บทสรุป

เค้าโครง PCB สร้างพิมพ์เขียว. การวางตำแหน่งทุกส่วนประกอบอย่างแม่นยำ. การกำหนดเส้นทางสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า. ข้อมูลสำคัญทั้งสามประการนี้ทำงานเป็นสามสิ่งที่แยกกันไม่ออกสำหรับโครงการ PCBA ที่ประสบความสำเร็จ. บทความนี้ได้อธิบายความแตกต่างและการเชื่อมต่อตาม IPC-2221C อย่างเป็นระบบ, ไอพีซี-2152, และกฎ 3W/20H แบบคลาสสิก. เราหวังว่าสิ่งนี้จะช่วยให้วิศวกรฮาร์ดแวร์ปรับปรุงความเป็นมืออาชีพในการออกแบบ PCB ได้.

หากต้องการคำปรึกษาด้านเทคนิคเกี่ยวกับ PCB หลายชั้นสูง, HDI คนตาบอด/Vias ที่ฝังอยู่, หรือควบคุมการผลิตมวล PCBA อิมพีแดนซ์, โปรดติดตามบล็อกทางเทคนิคอย่างเป็นทางการของเราเพื่อดูรายการตรวจสอบ DFM และคำแนะนำการออกแบบ PCB ล่าสุด.