Thiết kế PCB cho người mới bắt đầu: Hướng dẫn từng bước để xây dựng bo mạch đầu tiên của bạn

Bảng mạch đầu tiên mà người mới bắt đầu gửi đi thường gặp phải một trong ba vấn đề: dấu chân đầu nối nằm cách miếng đệm của nó nửa milimet, dấu vết nguồn chạy ấm khi tải hoặc gói Gerber mà nhà chế tạo phải gửi email cho bạn trước khi công việc thậm chí có thể bắt đầu. Không ai trong số đó là lỗi mạch. Chúng là các quyết định bố trí và bàn giao được thực hiện sau khi sơ đồ đã hoạt động trên màn hình.

Đối với thiết kế đầu tiên, đường dẫn đáng tin cậy là hẹp. Giữ bảng một mặt hoặc hai lớp, đặt mọi đầu nối và lỗ lắp trước khi định tuyến một dấu vết duy nhất, xác định kích thước dấu vết nguồn từ bảng hiện tại thay vì bằng mắt và hoàn tất bằng việc kiểm tra quy tắc thiết kế phù hợp với những gì nhà chế tạo của bạn thực sự có thể tạo ra. Các phần bên dưới giải thích lý do tại sao mỗi bước đó tồn tại và chi phí khi bạn bỏ qua nó là bao nhiêu.

Bắt đầu với sơ đồ và dấu chân bạn có thể xác minh

Sơ đồ không phải là công việc giấy tờ mà bạn phải hoàn thành trước khi công việc thiết kế "thực sự" bắt đầu. Chính netlist điều khiển bố cục, bảng kê vật liệu và bản vẽ lắp ráp, và mọi sự không khớp còn sót lại trong đó sẽ trở thành vết đồng mà bạn phải cắt bỏ sau này.

Dành thêm giờ trong thư viện thay vì bố trí. Các kho lưu trữ mở và địa điểm phân phối chứa đầy dấu chân do người dùng khác vẽ và một miếng đệm quá hẹp 0,2 mm vẫn trông thuyết phục trên màn hình trong khi khiến việc hàn tay gần như không thể thực hiện được.

• Sao chép mẫu đất được đề xuất từ ​​bảng dữ liệu thành phần thay vì vẽ mẫu của riêng bạn.
• Xác nhận hướng của chốt 1 và kiểm tra xem bộ phận đó có được phản chiếu hay không khi nó nằm ở mặt dưới.
• Xác minh rằng mỗi sân dấu chân không chồng lên nhau.
• Khớp số lượng phần đệm của dấu chân với biểu tượng trước khi nhập cả hai vào bố cục.

Nếu bạn vẫn đang xây dựng mô hình tinh thần của toàn bộ quy trình, bạn nên đọc hướng dẫn cơ bản về thiết kế PCB, lựa chọn xếp chồng và mẹo khắc phục sự cố trước khi dành một ngày cuối tuần cho công cụ bố cục.

Bảng một mặt hoặc hai lớp thường là đủ

Đối với dự án đầu tiên, một hoặc hai lớp hầu như sẽ luôn mang mạch điện và bo mạch đơn giản hơn sẽ rẻ hơn, đến nơi nhanh hơn và dễ dàng làm lại hơn nhiều khi có sự cố xảy ra.

Một tấm bảng một mặt đặt mọi dấu vết ở phần đồng phía dưới và mọi bộ phận ở trên. Không có vias mạ nào phải lo lắng, và nếu một dấu vết phải vượt qua dấu vết khác, bạn giải quyết nó bằng một liên kết dây thay vì thiết kế lại. Đó là lý do tại sao rất nhiều dự án đầu tiên — bộ tính giờ, đột phá cảm biến, trình điều khiển bóng bán dẫn đơn — chỉ dừng lại ở một phía.

Bề mặt hoàn thiện quan trọng hơn những gì người mới bắt đầu mong đợi. OSP, chất bảo quản hàn hữu cơ, để lại đồng phẳng có khả năng hàn tốt, có thời hạn sử dụng hợp lý và chi phí thấp hơn so với mạ vàng. Bảng mạch OSP một mặt là lựa chọn hợp lý đầu tiên vì có rất ít chi tiết trên đó mà một bàn ủi hàn vụng về có thể làm hỏng.

Bảng mạch OSP một mặt PCB OSP một mặt sử dụng phương pháp xử lý bề mặt màng hàn hữu cơ (OSP), thân thiện với môi trường và không độc hại. Họ cung cấp các miếng đệm có độ phẳng cao, maki... Xem sản phẩm →

Hai lớp cung cấp cho bạn một mặt đất liên tục ở một bên, đây là sự cải thiện chất lượng tín hiệu và tiếng ồn lớn nhất hiện có với rất ít tiền. Nếu thiết kế của bạn bao gồm bộ điều chỉnh chuyển mạch, bus SPI hoặc tinh thể, hãy bắt đầu ở hai lớp.

Di chuyển đến bốn lớp khi định tuyến hoặc tiếng ồn yêu cầu

Bốn lớp không còn là điều xa xỉ khi mật độ tín hiệu hoặc tốc độ xung nhịp tăng lên. Sự sắp xếp tiêu chuẩn thân thiện với người mới bắt đầu là tín hiệu, mặt đất, nguồn, tín hiệu: mọi dấu vết đều có một mặt phẳng tham chiếu liên tục ngay bên dưới nó, điều này loại bỏ hầu hết các phỏng đoán đường dẫn quay lại gây khó khăn cho bố cục hai lớp.

Bước chuyển từ hai lớp lên bốn lớp là có thật nhưng thường nhỏ hơn mức mọi người lo ngại và nó mua được một tấm ván yên tĩnh hơn với thời gian bố trí ít hơn nhiều. Cấu trúc bốn lớp tiêu chuẩn với mặt nạ hàn màu xanh lá cây và lớp hoàn thiện OSP là nơi kết thúc của nhiều thiết kế nghiêm túc đầu tiên.

PCB OSP xanh 4 lớp Bốn lớp double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Xem sản phẩm →

Đặt các thành phần trước khi bạn định tuyến bất cứ thứ gì

Vị trí quyết định phần lớn khó khăn trong việc định tuyến của bạn. Những người mới bắt đầu thường đặt các bộ phận một cách thô bạo, bắt đầu định tuyến và chỉ sau đó mới phát hiện ra rằng đầu nối phải di chuyển.

1. Trước tiên hãy đặt các đầu nối, công tắc, đèn LED và lỗ lắp vì vỏ bọc quyết định vị trí của chúng.
2. Tiếp theo, hãy thêm các bộ phận có giới hạn cơ học: tinh thể, ăng-ten, bộ tản nhiệt, bất kỳ thứ gì có khu vực ngăn cách.
3. Đặt mỗi tụ điện tách càng gần chân nguồn mà nó phục vụ càng tốt, ở cùng một phía nếu không gian cho phép.
4. Sắp xếp các thành phần còn lại sao cho kết nối giữa chúng ngắn gọn, sau đó bắt đầu định tuyến.

Giữ đồng cách đường viền bảng ít nhất 0,3 mm trừ khi nhà chế tạo có quy định khác và hãy nhớ rằng các cạnh được khía chữ V hoặc được định tuyến sẽ loại bỏ vật liệu sau khi lắp ráp. Đừng chôn điểm kiểm tra dưới một phần cao và để khoảng trống thăm dò xung quanh bất cứ thứ gì bạn cần đo - bạn sẽ đo nó.

Dấu vết kích thước từ hiện tại, không phải từ thói quen

Độ rộng dấu vết là một quyết định nhiệt trước khi nó là bất cứ điều gì khác. Một dấu vết quá hẹp khiến dòng điện của nó nóng lên và nhiệt độ tăng lên - không chỉ riêng dòng điện - là nguyên nhân cuối cùng làm hỏng lớp gỗ hoặc mối hàn.

Các đường cong IPC-2221 nằm sau hầu hết mọi máy tính chiều rộng theo dõi trực tuyến và mẫu rất đơn giản: chiều rộng tăng nhanh hơn hiện tại. Di chuyển từ 1 A đến 2 A trên cùng một độ dày đồng sẽ nhân chiều rộng yêu cầu với khoảng 2,6 chứ không phải hai. Các dấu vết của lớp bên trong cũng nóng hơn vì lớp mỏng giữ nhiệt, do đó, dấu vết bên trong cần có chiều rộng tương đương khoảng 2,6 lần so với lớp bên ngoài của nó.

Hãy coi những con số đó là mức tối thiểu chỉ cho nhiệt độ. Sự sụt giảm điện áp, trở kháng được kiểm soát và dòng điện nung chảy đều đẩy chiều rộng lên cao hơn.

Khi một thiết kế thực sự mang dòng điện, trọng lượng đồng và độ hoàn thiện bề mặt sẽ trở thành quyết định bố trí hơn là mua chi tiết. Hai ounce đồng gần bằng một nửa mỗi chiều rộng của bàn và lớp hoàn thiện hàn không chì, chẳng hạn như loại được sử dụng trên bảng mạch không chì hai mặt được chế tạo cho điện tử ô tô và điện tử, đáng được chỉ định sớm vì nó thay đổi cả quy trình và bề mặt mà bạn sẽ hàn vào.

PCB hàn không chì màu xanh lá cây hai mặt cho điện tử ô tô và điện tử Bảng mạ thiếc không chì màu xanh lá cây hai mặt. Rào chắn kim loại dày được hình thành bởi lớp phủ thiếc có hiệu suất tản nhiệt tuyệt vời và khả năng xử lý... Xem sản phẩm →

Hình học cũng quan trọng. Định tuyến ở góc 45 độ thay vì 90, giữ cho các vòng dòng điện cao có kích thước nhỏ về mặt vật lý và chạy các dấu vết tín hiệu trên mặt đất liền mạch ở bất kỳ nơi nào mà việc xếp chồng cho phép.

Chạy DRC theo giới hạn thực sự của nhà chế tạo

Kiểm tra quy tắc thiết kế không phải là một hình thức được lưu lại cho đến cuối cùng. Đặt quy tắc của bạn từ khả năng đã công bố của nhà chế tạo trước khi bạn bắt đầu, sau đó chạy kiểm tra sau khi sắp xếp và chạy lại sau khi định tuyến.

Các nhà máy nhiều lớp có thể chứa 3/3 triệu chiều rộng và khoảng cách dòng - một tấm mạ vàng 6 lớp ở dạng hình học đó là sản phẩm thường lệ của nhiều người trong số họ - nhưng thiết kế ở mức 6/6 triệu sẽ khiến bảng đầu tiên chậm không có hiệu suất và để lại lợi nhuận so với sự thay đổi khắc và báo giá rẻ hơn.

Trước khi xuất, hãy xóa các bước kiểm tra sau:

• Lưới không được kết nối và lưới đơn, thường có nghĩa là biểu tượng sơ đồ không bao giờ được nối dây.
• Vi phạm giải phóng mặt bằng giữa dấu vết, miếng đệm và đổ đồng.
• In lụa trên các miếng đệm hở, gây cản trở quá trình dán hàn.
• Kích thước vòng khuyên và mũi khoan dưới mức tối thiểu của nhà chế tạo.
• Các miếng đệm chồng chéo hoặc trùng lặp, thường bị bỏ lại khi chỉnh sửa dấu chân.

Sau đó, xuất Gerbers ở định dạng RS-274X, một tệp trên mỗi lớp, cộng với tệp khoan NC theo đơn vị phù hợp và ghi chú văn bản ngắn liệt kê số lớp, độ dày bảng, trọng lượng đồng, độ hoàn thiện bề mặt và bất kỳ yêu cầu trở kháng nào. Mỗi câu hỏi mà người chế tạo phải hỏi bạn sẽ thêm một ngày vào báo giá.

Những gì cần gửi và những gì sẽ quay lại

Quá trình sản xuất diễn ra nhanh chóng khi các tập tin chính xác. Thời gian thực hiện tiêu chuẩn cho một bảng đơn giản trông như thế này:

• Lô lớn một mặt và hai mặt: 6 đến 7 ngày
• 4 đến 8 lớp: 9 đến 20 ngày
• 10 đến 16 lớp: 20 đến 25 ngày
• 16 đến 32 lớp: 25 đến 45 ngày
• Bảng HDI: trong vòng 25 ngày
• Nguyên mẫu hai mặt: nhanh nhất là 24 giờ

Giá được điều chỉnh bởi kích thước, số lớp, trọng lượng đồng, độ hoàn thiện, số lượng và mức độ chịu đựng của bạn. Các chứng chỉ cho thấy nhà máy có thể phục vụ những thị trường nào: ISO 9001, ISO 14001 và ISO 45001 bao gồm quản lý chất lượng, môi trường và an toàn nói chung, trong khi IATF 16949 quan trọng khi bo mạch được sử dụng trên xe và UL quan trọng khi thành phẩm được bán ở Bắc Mỹ. Đọc trang dịch vụ của một nhà cung cấp tiềm năng trước khi bạn khóa Gerbers sẽ cho bạn biết dung sai và mức hoàn thiện mà họ chạy hàng ngày, điều này hữu ích hơn mức tối thiểu được in trong bảng khả năng.

Nếu bạn lấy đi một trình tự trong bài viết này, hãy biến nó thành trình tự sau:

1. Vẽ sơ đồ và xác minh từng dấu chân đối với biểu dữ liệu.
2. Chọn số lớp thấp nhất mang tín hiệu của bạn và thêm mặt phẳng nền ngay khi bạn chuyển sang hai lớp.
3. Đặt các đầu nối, lỗ lắp và tụ điện tách rời trước khi định tuyến bất cứ thứ gì.
4. Kích thước dấu vết nguồn từ bảng hiện tại và giữ cho các vòng lặp hiện tại ngắn.
5. Chạy DRC, xuất RS-274X Gerbers bằng tệp khoan NC và gửi gói hàng kèm theo ghi chú xếp chồng bằng văn bản.

Sau đó đặt hàng một số lượng nhỏ nguyên mẫu, khởi động nó từ từ và viết ra những gì bạn sẽ thay đổi. Bảng thứ hai luôn tốt hơn bảng đầu tiên và cách nhanh nhất để học thiết kế PCB là hoàn thành bảng này.