6 เคล็ดลับการออกแบบ PCB ที่ใช้งานได้จริงเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดในการผลิต 90%! แม้แต่ผู้เริ่มต้นก็สามารถเริ่มต้นได้อย่างรวดเร็ว

เมื่อออกแบบวงจร หลายคนมุ่งเน้นพลังงานทั้งหมดไปที่แผนผังและส่วนประกอบที่เลือก โดยสรุปเลย์เอาต์ PCB และขั้นตอนการกำหนดเส้นทางอย่างเร่งรีบ ผลลัพธ์? ข้อผิดพลาดเกิดขึ้นบ่อยครั้งระหว่างการผลิตในโรงงาน หรือแผงวงจรทำงานผิดปกติหลังจากใช้งานไปในระยะเวลาสั้นๆ — ความร้อนสูงเกินไป การรบกวนสัญญาณ การบัดกรีที่ไม่ดี — ปัญหาเหล่านี้สามารถหลีกเลี่ยงได้ล่วงหน้าผ่านการออกแบบทางวิทยาศาสตร์ วันนี้ เราจะแบ่งเทคนิคหลักของการออกแบบ PCB เพื่อช่วยให้คุณสร้างแผงวงจรที่ผลิตได้จริงและมีเสถียรภาพในการทำงานได้อย่างรวดเร็ว!

I. การวางส่วนประกอบ: มากกว่าแค่ความเรียบร้อย ความง่ายในการบัดกรีและการใช้งาน

การวางส่วนประกอบเป็นรากฐานของการออกแบบ PCB ซึ่งต้องปฏิบัติตามตรรกะของวงจรและความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต ผู้เริ่มต้นหลายคนเพียงแค่ไล่ตาม "รูปลักษณ์ที่เรียบร้อย" โดยละเลยข้อกำหนดในการบัดกรีและการประกอบจริง

การวางแนวแบบรวมช่วยประหยัดเวลา

การวางส่วนประกอบที่คล้ายกัน เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุในทิศทางเดียวกันช่วยลดความจำเป็นในการปรับมุมบ่อยครั้งโดยเครื่องจักรระหว่างการบัดกรี ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดโอกาสในการเกิดข้อต่อบัดกรีเย็นและการบัดกรีที่ไม่ถูกต้อง ไม่ควรมีส่วนประกอบขนาดต่างๆ ขวางกัน

หลีกเลี่ยงการวางส่วนประกอบขนาดเล็กโดยตรงด้านล่างหรือด้านหลังส่วนประกอบขนาดใหญ่ มิฉะนั้น เมื่อบัดกรีส่วนประกอบขนาดใหญ่ ส่วนประกอบขนาดเล็กจะถูกกีดขวาง ทำให้เกิด "พื้นที่เงา" ที่ขัดขวางการบัดกรี

ทำให้การประกอบง่ายขึ้นโดยจัดหมวดหมู่ส่วนประกอบ
พยายามวางส่วนประกอบแบบติดตั้งบนพื้นผิว (SMT) ไว้ด้านเดียวกันของแผงวงจร และรวมส่วนประกอบแบบทะลุรู (TH) ไว้ที่ด้านบน สิ่งนี้หลีกเลี่ยงการพลิกซ้ำๆ ระหว่างการประกอบในโรงงาน ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิต หากต้องใช้ส่วนประกอบสองประเภทร่วมกัน ให้พิจารณาต้นทุนกระบวนการประกอบเพิ่มเติมล่วงหน้า

II. การออกแบบร่องรอย: เส้นทางพลังงาน กราวด์ และสัญญาณต้องพิถีพิถัน

หลังจากวางส่วนประกอบแล้ว ให้วางแผนการกำหนดเส้นทางของพลังงาน กราวด์ และร่องรอยสัญญาณ เนื่องจากสิ่งนี้ส่งผลโดยตรงต่อเสถียรภาพของวงจร ปัญหาการรบกวนสัญญาณและความไม่เสถียรของพลังงานจำนวนมากเกิดจากปัญหาการกำหนดเส้นทาง

ชั้นพลังงานและกราวด์บนชั้นใน
วางชั้นพลังงานและกราวด์ไว้ภายในแผงวงจร โดยรักษาสมมาตรและจัดกึ่งกลาง สิ่งนี้ป้องกันไม่ให้แผงวงจรโค้งงอและช่วยให้วางตำแหน่งส่วนประกอบได้แม่นยำยิ่งขึ้น เมื่อจ่ายไฟให้กับชิป ให้ใช้ร่องรอยที่หนาขึ้นและหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อแบบเดซี่เชน (เชื่อมต่อส่วนประกอบแบบอนุกรม) เพื่อป้องกันความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้า

ร่องรอยสัญญาณควร "สั้นและตรง" ร่องรอยสัญญาณระหว่างส่วนประกอบควรเป็นไปตามเส้นทางที่สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การเชื่อมต่อโดยตรงเป็นที่ต้องการมากกว่าการโค้งงอ หากจำเป็นต้องแก้ไขส่วนประกอบในแนวนอน ให้เดินร่องรอยในแนวนอนในระยะทางสั้นๆ ก่อนที่จะเลี้ยวในแนวตั้ง สิ่งนี้ป้องกันไม่ให้การไหลของการบัดกรีระหว่างการบัดกรีทำให้ส่วนประกอบไม่ตรงแนว ในทางกลับกัน การเดินร่องรอยในแนวตั้งก่อนอาจทำให้ส่วนประกอบเอียง

ความกว้างของร่องรอยควรเป็นไปตามกระแส สำหรับสัญญาณกระแสต่ำทั่วไป (เช่น สัญญาณดิจิทัลและอนาล็อก) ร่องรอยกว้าง 0.010 นิ้ว (10mil) ก็เพียงพอแล้ว หากกระแสเกิน 0.3 แอมป์ จะต้องเพิ่มความกว้างของร่องรอย ยิ่งกระแสสูงเท่าใด ร่องรอยก็ควรจะกว้างขึ้นเท่านั้น เพื่อป้องกันความร้อนสูงเกินไปและไหม้

III. การออกแบบฉนวน: ดิจิทัล อนาล็อก และแหล่งจ่ายไฟควรแยกจากกัน

วงจรจ่ายไฟแรงดันสูงและกระแสสูงสามารถรบกวนวงจรควบคุมหรืออนาล็อกที่ละเอียดอ่อนได้อย่างง่ายดาย ซึ่งนำไปสู่ปัญหา "สัญญาณสั่น" ที่หลายคนพบ การแยกที่เหมาะสมช่วยลดการรบกวนได้อย่างมาก

กราวด์พลังงานและกราวด์ควบคุมควรแยกจากกัน กราวด์พลังงานและกราวด์ควบคุมของแหล่งจ่ายไฟแต่ละแหล่งควรถูกกำหนดเส้นทางแยกกัน ไม่ควรนำมารวมกัน หากจำเป็นต้องมีการเชื่อมต่อ ควรทำเฉพาะที่ส่วนท้ายของเส้นทางพลังงานเพื่อหลีกเลี่ยงการนำการรบกวน การแยกวงจรดิจิทัลและอนาล็อกอย่างเข้มงวด

หากแผงวงจรมีวงจรดิจิทัล (เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์) และวงจรอนาล็อก (เช่น เซ็นเซอร์) ควรจัดวางแยกกัน และควรจัดเตรียมเส้นทางอิมพีแดนซ์ที่เหมาะสมสำหรับระนาบกราวด์ของชั้นกลาง สัญญาณอนาล็อกควรเดินทางบนกราวด์อนาล็อกเท่านั้น และไม่ควรข้ามกับกราวด์ดิจิทัลเพื่อลดการรบกวนการมีส่วนร่วมแบบคาปาซิทีฟ

IV. การกระจายความร้อน: อย่าปล่อยให้ความร้อนทำลายแผงวงจรของคุณ

แผงวงจรจำนวนมากประสบกับการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพหรือแม้แต่การไหม้หลังจากใช้งานไประยะหนึ่ง ซึ่งส่วนใหญ่น่าจะเกิดจากการกระจายความร้อนที่ไม่เพียงพอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับส่วนประกอบพลังงาน ซึ่งการสะสมความร้อนอาจส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่ออายุการใช้งาน

ระบุ "ยักษ์ความร้อน"

ตรวจสอบพารามิเตอร์ความต้านทานความร้อน (TRT) ของส่วนประกอบในเอกสารข้อมูล ผลลัพธ์ TRT ที่ต่ำกว่าส่งผลให้การกระจายความร้อนดีขึ้น เก็บส่วนประกอบกำลังสูง (เช่น ทรานซิสเตอร์และชิปพลังงาน) ให้ห่างจากส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อน และเพิ่มฮีตซิงก์หรือพัดลมขนาดเล็กหากจำเป็น

แผ่นอากาศร้อนเป็นกุญแจสำคัญ

ส่วนประกอบแบบทะลุรูต้องใช้แผ่นอากาศร้อน สิ่งเหล่านี้จะชะลอการกระจายความร้อนของพิน ทำให้มั่นใจได้ถึงอุณหภูมิที่เพียงพอระหว่างการบัดกรี และป้องกันข้อต่อบัดกรีเย็น นอกจากนี้ การเพิ่มแผ่น "หยดน้ำตา" ที่จุดเชื่อมต่อระหว่างแผ่นและร่องรอยยังช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับตัวรองรับฟอยล์ทองแดงและลดความเครียดจากความร้อนและกลไก

วิธีการเชื่อมต่อแผ่นอากาศร้อนทั่วไป

V. แผ่นอากาศร้อน: "เครื่องมือวิเศษ" สำหรับข้อบกพร่องในการบัดกรี

ผู้เริ่มต้นหลายคนไม่ทราบถึงฟังก์ชันของแผ่นอากาศร้อน ส่งผลให้เกิดวงจรเปิด ข้อต่อบัดกรีเย็น และข้อต่อบัดกรีที่ไม่ดี ซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้โดยการปรับอุณหภูมิเตาอบซ้ำๆ สาเหตุหลักของปัญหาอยู่ที่การออกแบบสายไฟ

พื้นที่ขนาดใหญ่ของฟอยล์ทองแดงพลังงานหรือกราวด์จะร้อนขึ้นช้าๆ และกระจายความร้อนอย่างรวดเร็ว หากสายบัดกรีของส่วนประกอบขนาดเล็ก (เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่บรรจุ 0402) เชื่อมต่อโดยตรงกับฟอยล์ทองแดงขนาดใหญ่ อุณหภูมิจะไม่ถึงจุดหลอมเหลวของการบัดกรีระหว่างการบัดกรี ส่งผลให้เกิดข้อต่อบัดกรีเย็น ระหว่างการบัดกรีด้วยตนเอง ความร้อนจะถูกนำออกไปอย่างรวดเร็ว ซึ่งยังป้องกันการบัดกรีที่ประสบความสำเร็จ

หลักการของแผ่นอากาศร้อนนั้นง่าย: การเชื่อมต่อแผ่นเข้ากับพื้นที่ขนาดใหญ่ของฟอยล์ทองแดงผ่านแถบทองแดงบางๆ หลายเส้นช่วยให้มั่นใจได้ถึงการนำไฟฟ้าในขณะที่ลดพื้นที่การกระจายความร้อน สิ่งนี้ช่วยให้แผ่นรักษาอุณหภูมิที่เพียงพอระหว่างการบัดกรี ทำให้มั่นใจได้ว่าการบัดกรีจะยึดติดกับแผ่นอย่างแน่นหน

VI. การตรวจสอบการออกแบบ: อย่าลดขั้นตอนสุดท้าย

หลังจากทำการออกแบบเสร็จสิ้นแล้ว ให้ทำการตรวจสอบซ้ำเสมอ มิฉะนั้น แม้แต่ข้อผิดพลาดเล็กน้อยก็อาจทำให้แผงวงจรทั้งหมดใช้งานไม่ได้

ขั้นแรก ให้เรียกใช้ "การตรวจสอบกฎ": ใช้ฟังก์ชัน Electrical Rule Check (ERC) และ Design Rule Check (DRC) ในซอฟต์แวร์ออกแบบเพื่อตรวจสอบความกว้างของร่องรอย ระยะห่าง วงจรลัด เครือข่ายที่ไม่ได้กำหนดเส้นทาง ฯลฯ เพื่อให้มั่นใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดในการผลิต

ประการที่สอง ตรวจสอบสัญญาณต่อสัญญาณ: จากแผนผังไปยัง PCB ให้ตรวจสอบการเชื่อมต่อของสายสัญญาณแต่ละเส้นเพื่อหลีกเลี่ยงการละเว้นหรือข้อผิดพลาด ใช้ฟังก์ชันการป้องกันของซอฟต์แวร์เพื่อยืนยันว่าเลย์เอาต์ตรงกับแผนผัง

บทสรุป

การออกแบบ PCB อาจดูซับซ้อน แต่แกนหลักของมันหมุนรอบ "ความสามารถในการผลิต" และ "เสถียรภาพ" การวางส่วนประกอบอย่างถูกต้อง การทำให้มั่นใจว่าร่องรอยสั้นและกว้าง การใช้ฉนวนและการกระจายความร้อนที่ดี การใช้แผ่นอากาศร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ และสุดท้าย การดำเนินการตรวจสอบอย่างละเอียด — หกขั้นตอนเหล่านี้จะช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดส่วนใหญ่

ผู้เริ่มต้นไม่จำเป็นต้องมุ่งมั่นเพื่อความสมบูรณ์แบบตั้งแต่เริ่มต้น ฝึกฝนทักษะพื้นฐานเหล่านี้ก่อน จากนั้นปรับให้เหมาะสมร่วมกับโครงการในโลกแห่งความเป็นจริง คุณจะสามารถออกแบบแผงวงจรคุณภาพสูงได้อย่างรวดเร็ว โปรดจำไว้ว่าการออกแบบ PCB ที่ดีไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุนการผลิตเท่านั้น แต่ยังทำให้ประสิทธิภาพของวงจรมีเสถียรภาพมากขึ้นและยืดอายุการใช้งานอีกด้วย