จากภาพวาดการออกแบบจนถึงการผลิตจํานวนมากจริง บอร์ดวงจรต้องเอาชนะอุปสรรคหลายอย่าง รวมถึงความสามารถในการประมวลผล, การผลิต, ความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ และ EMCบทความนี ้ จะนําเสนอแนวทางการออกแบบโดยระบบรอบ 13 แนวคิดพื้นฐานทั่วไป แต่สําคัญในการออกแบบ PCBเพิ่มความสามารถในการคิดและออกแบบวิศวกรรม PCB
1วัสดุกระดาษ FR4: หินมุมของโลกสัญญาณ
FR-4 สารสับสราท PCB ที่ใช้กันทั่วไปที่สุด เป็นสับสราทที่เคลือบด้วยทองแดงทําจากใยแก้วและยาง epoxy ความทนความร้อนของมันถูกวัดด้วย Tg (อุณหภูมิการเปลี่ยนแก้ว)
บอร์ด Tg สูงไม่เพียงแต่มีความทนทานต่อความร้อนที่แข็งแรง แต่ยังมีความทนทานต่อความชื้นและสารเคมีที่ดีขึ้นอย่างมากการประกันความมั่นคงด้านมิติของแผ่นหลายชั้น ระหว่างการใช้งานระยะยาว.
2การจับคู่อุปสรรค: "ผู้คุ้มครอง" การส่งสัญญาณความเร็วสูง
ในวงจรดิจิตอลความเร็วสูง (เช่น DDR, USB, PCIe) สัญญาณที่ไม่มีการสอดคล้องอุปสรรคที่แม่นยําจะประสบปัญหา เช่น การสะท้อนและการกระแทก:
วิธีการออกแบบการตรงกัน ต้องการการจําลองที่แม่นยํา โดยพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น การสะสมชั้น, ความกว้างและระยะห่างของรอย, ระดับความหมาย, และสม่ําเสมอของไฟฟ้า
3กระบวนการบําบัดพื้นผิว: การกําหนดคุณภาพและอายุการเชื่อม
การรักษาพื้นผิว 5 แบบทั่วไป:
| กระบวนการ | ข้อดี | ข้อเสีย | สถานการณ์ที่ใช้ได้ |
|---|---|---|---|
| การดึงทองเหลือง | ค่าใช้จ่ายต่ํา กระบวนการที่成熟และมั่นคง | พื้นผิวไม่เรียบ; อัตราการออกซิเดนที่เร็ว | ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคที่ผลิตเป็นจํานวนมาก |
| หมึกจมน้ํา | ความราบเรียบของพื้นผิวที่ดี | อ่อนไหวต่อการออกซิเดนและดํา | ผลิตภัณฑ์อุปกรณ์สื่อสาร |
| ทองท่วม | ความสามารถในการผสมผสานที่ดี; ผลงานการติดต่อไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม | ค่าผลิตสูง | บอร์ดวงจรความถี่สูง; บอร์ดบรรจุ BGA (Ball Grid Array) |
| การทอง | ความแข็งแรงของพื้นผิวสูง | ความสามารถในการผสมผสานที่ไม่ดี | สารสกัดสีทองของ PCB; ส่วนประกอบการติดต่อปุ่ม |
| OSP (สารอนุรักษ์การผสมผสานทางอินทรีย์) | ค่าใช้จ่ายต่ํามาก การใช้งานง่าย | ง่ายต่อการออกซิเดียน ความน่าเชื่อถือในระยะยาวไม่ดี | การผลิตต้นแบบอย่างรวดเร็วของแผ่นวงจร; การผลิตทดลองวงจรสั้น |
ทองท่วมหรือหมึกท่วมแนะนําอย่างเข้มงวดสําหรับการควบคุมความถี่ความถี่สูง.หมึกดึงไม่สามารถใช้ในบอร์ดบรรจุ BGA.
4. คอร์บอร์ด / Prepreg: วัสดุสําคัญที่กําหนดความหนาของบอร์ด, การสะสมชั้น, และผลงานไฟฟ้า
คอร์บอร์ด (Core) + PP (Prepreg) กําหนดโครงสร้างและความมั่นคงของบอร์ดหลายชั้นและค่าคงที่ไฟฟ้าทั้งหมดต้องพิจารณาพร้อมกับการจําลอง layer-stack-up.
อัตราส่วนที่เหมาะสมเป็นสิ่งสําคัญในการหลีกเลี่ยงปัญหากระบวนการ เช่น การบิดกระดาษ, ห้องว่าง, และการเปลือกทองแดงระหว่างการผสม
5เส้นทางความแตกต่าง: เส้นทาง symmetrical เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับความสมบูรณ์แบบสัญญาณ
สัญญาณความแตกต่างถูกใช้ในการส่งข้อมูลความเร็วสูง เช่น LVDS, USB และ PCIe และต้องตอบสนองความต้องการต่อไปนี้
ความไม่สมดุลในรอยความแตกต่างมีผลต่อการสับสนของนาฬิกาและการสับสนของนาฬิกาโดยตรง และต้องพิจารณาอย่างครบถ้วนในช่วงการวางแผน
6. ความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ (SI): จิตวิญญาณของการออกแบบ PCB ความเร็วสูง
ปัจจัยหลักห้าประการที่ส่งผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ:
ปัญหา SI มักนําไปสู่ความล้มเหลวของระบบ การรีเซ็ตบ่อย ๆ และความผิดพลาดของข้อมูล
7การสะท้อนสัญญาณ: ป้องกันสัญญาณจาก "การกลับตามเส้นทางเดียวกัน"
การสะท้อนสัญญาณอาจทําให้:
สําหรับการควบคุมการสะท้อนนอกจากการจับคู่อุปสรรคแล้ว การจับคู่ปลายที่เหมาะสม (ปลายแหล่งและปลายภาระ) ก็จําเป็น และควรหลีกเลี่ยงการแตกของระดับมาตรฐาน
8ช่องเสียงข้าม: "ความปนเปื้อนด้วยเสียง" ระหว่างสายสัญญาณ
เส้นทางความเร็วสูงที่ติดแน่นโดยไม่มีการอ้างอิงพื้นดินจะสร้างเสียงสับสนอย่างรุนแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะเห็นได้ใน DDR หรือรถบัสความเร็วสูง
การเชื่อมต่อแบบจุ → การเชื่อมต่อผ่านกระแส
การเชื่อมต่อแบบอัมพาต → ความตึงเครียด
การแก้ไข: เพิ่มเครื่องป้องกันเครื่องบินบนพื้นดิน, รักษาระยะทางที่เหมาะสมระหว่างรอย, และควบคุมทิศทางรอย.
9. ชั้นพลังงานภายใน: อาวุธลับสําหรับการจําหน่ายพลังงานที่มั่นคง และการกําจัดการขัดขวาง
พลังงานและพื้นดินต้องถูกออกแบบเป็นระนาบพื้นที่ใหญ่ที่มีการแบ่งแยกที่เหมาะสมและหนาแน่นผ่านการวางเพื่อหลีกเลี่ยงเกาะลอยและวงจรพลังงานที่แตก
10ช่องว่างตาบอด/ฝัง: เทคนิคสําคัญในการออกแบบ PCB ความหนาแน่นสูง
ช่องทางบล๊อด/ฝังถูกใช้อย่างแพร่หลายในบอร์ด HDI ปรับปรุงการใช้พื้นที่ให้ดีขึ้นอย่างมาก แต่มันบังคับค่าใช้จ่ายและความต้องการในการประมวลผลสูง
11จุดทดสอบ: "ฟิวส์" สําหรับการแก้ปัญหาการผลิตจํานวนมาก
ใช้ในการทดสอบฟังก์ชัน, การเขียนโปรแกรมในวงจร, และการปรับตําแหน่ง. พื้นที่ชิป BGA ต้องถูกแก้ไขโดยใช้เครื่องตรวจสอบบินหรือการสแกนขอบเขต.
12จุดหมาย: การรับประกันความแม่นยําในการวาง SMT
ใช้สําหรับการตั้งตําแหน่ง SMT แนะนําการออกแบบจุดหมาย:
13. PTH/NPTH Holes: พนักงานบรรทุกสําหรับการเชื่อมต่อและการติดตั้ง
ลักษณะของรูต้องถูกระบุอย่างแม่นยําในไฟล์วิศวกรรมระหว่างการแปรรูป เพื่อหลีกเลี่ยงการทํางานใหม่
สรุป: การ เรียนรู้ รายละเอียด ที่ สําคัญ นําไปสู่ การ ออกแบบ PCB ที่ มี คุณภาพ ดี
การออกแบบ PCB ไม่ใช่แค่ "การวาด" แต่เป็นโครงการวิศวกรรมระบบที่ซับซ้อนที่พิจารณาผลงานไฟฟ้า ความเป็นไปได้ของกระบวนการ ค่าผลิต และการบํารุงรักษาในอนาคตการเข้าใจเหตุผลการออกแบบและความสําคัญทางวิศวกรรมเบื้องหลังแต่ละคํา คือจุดเริ่มต้นในการกลายเป็นวิศวกร PCB ที่มืออาชีพ.
จากภาพวาดการออกแบบจนถึงการผลิตจํานวนมากจริง บอร์ดวงจรต้องเอาชนะอุปสรรคหลายอย่าง รวมถึงความสามารถในการประมวลผล, การผลิต, ความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ และ EMCบทความนี ้ จะนําเสนอแนวทางการออกแบบโดยระบบรอบ 13 แนวคิดพื้นฐานทั่วไป แต่สําคัญในการออกแบบ PCBเพิ่มความสามารถในการคิดและออกแบบวิศวกรรม PCB
1วัสดุกระดาษ FR4: หินมุมของโลกสัญญาณ
FR-4 สารสับสราท PCB ที่ใช้กันทั่วไปที่สุด เป็นสับสราทที่เคลือบด้วยทองแดงทําจากใยแก้วและยาง epoxy ความทนความร้อนของมันถูกวัดด้วย Tg (อุณหภูมิการเปลี่ยนแก้ว)
บอร์ด Tg สูงไม่เพียงแต่มีความทนทานต่อความร้อนที่แข็งแรง แต่ยังมีความทนทานต่อความชื้นและสารเคมีที่ดีขึ้นอย่างมากการประกันความมั่นคงด้านมิติของแผ่นหลายชั้น ระหว่างการใช้งานระยะยาว.
2การจับคู่อุปสรรค: "ผู้คุ้มครอง" การส่งสัญญาณความเร็วสูง
ในวงจรดิจิตอลความเร็วสูง (เช่น DDR, USB, PCIe) สัญญาณที่ไม่มีการสอดคล้องอุปสรรคที่แม่นยําจะประสบปัญหา เช่น การสะท้อนและการกระแทก:
วิธีการออกแบบการตรงกัน ต้องการการจําลองที่แม่นยํา โดยพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น การสะสมชั้น, ความกว้างและระยะห่างของรอย, ระดับความหมาย, และสม่ําเสมอของไฟฟ้า
3กระบวนการบําบัดพื้นผิว: การกําหนดคุณภาพและอายุการเชื่อม
การรักษาพื้นผิว 5 แบบทั่วไป:
| กระบวนการ | ข้อดี | ข้อเสีย | สถานการณ์ที่ใช้ได้ |
|---|---|---|---|
| การดึงทองเหลือง | ค่าใช้จ่ายต่ํา กระบวนการที่成熟และมั่นคง | พื้นผิวไม่เรียบ; อัตราการออกซิเดนที่เร็ว | ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคที่ผลิตเป็นจํานวนมาก |
| หมึกจมน้ํา | ความราบเรียบของพื้นผิวที่ดี | อ่อนไหวต่อการออกซิเดนและดํา | ผลิตภัณฑ์อุปกรณ์สื่อสาร |
| ทองท่วม | ความสามารถในการผสมผสานที่ดี; ผลงานการติดต่อไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม | ค่าผลิตสูง | บอร์ดวงจรความถี่สูง; บอร์ดบรรจุ BGA (Ball Grid Array) |
| การทอง | ความแข็งแรงของพื้นผิวสูง | ความสามารถในการผสมผสานที่ไม่ดี | สารสกัดสีทองของ PCB; ส่วนประกอบการติดต่อปุ่ม |
| OSP (สารอนุรักษ์การผสมผสานทางอินทรีย์) | ค่าใช้จ่ายต่ํามาก การใช้งานง่าย | ง่ายต่อการออกซิเดียน ความน่าเชื่อถือในระยะยาวไม่ดี | การผลิตต้นแบบอย่างรวดเร็วของแผ่นวงจร; การผลิตทดลองวงจรสั้น |
ทองท่วมหรือหมึกท่วมแนะนําอย่างเข้มงวดสําหรับการควบคุมความถี่ความถี่สูง.หมึกดึงไม่สามารถใช้ในบอร์ดบรรจุ BGA.
4. คอร์บอร์ด / Prepreg: วัสดุสําคัญที่กําหนดความหนาของบอร์ด, การสะสมชั้น, และผลงานไฟฟ้า
คอร์บอร์ด (Core) + PP (Prepreg) กําหนดโครงสร้างและความมั่นคงของบอร์ดหลายชั้นและค่าคงที่ไฟฟ้าทั้งหมดต้องพิจารณาพร้อมกับการจําลอง layer-stack-up.
อัตราส่วนที่เหมาะสมเป็นสิ่งสําคัญในการหลีกเลี่ยงปัญหากระบวนการ เช่น การบิดกระดาษ, ห้องว่าง, และการเปลือกทองแดงระหว่างการผสม
5เส้นทางความแตกต่าง: เส้นทาง symmetrical เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับความสมบูรณ์แบบสัญญาณ
สัญญาณความแตกต่างถูกใช้ในการส่งข้อมูลความเร็วสูง เช่น LVDS, USB และ PCIe และต้องตอบสนองความต้องการต่อไปนี้
ความไม่สมดุลในรอยความแตกต่างมีผลต่อการสับสนของนาฬิกาและการสับสนของนาฬิกาโดยตรง และต้องพิจารณาอย่างครบถ้วนในช่วงการวางแผน
6. ความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ (SI): จิตวิญญาณของการออกแบบ PCB ความเร็วสูง
ปัจจัยหลักห้าประการที่ส่งผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ:
ปัญหา SI มักนําไปสู่ความล้มเหลวของระบบ การรีเซ็ตบ่อย ๆ และความผิดพลาดของข้อมูล
7การสะท้อนสัญญาณ: ป้องกันสัญญาณจาก "การกลับตามเส้นทางเดียวกัน"
การสะท้อนสัญญาณอาจทําให้:
สําหรับการควบคุมการสะท้อนนอกจากการจับคู่อุปสรรคแล้ว การจับคู่ปลายที่เหมาะสม (ปลายแหล่งและปลายภาระ) ก็จําเป็น และควรหลีกเลี่ยงการแตกของระดับมาตรฐาน
8ช่องเสียงข้าม: "ความปนเปื้อนด้วยเสียง" ระหว่างสายสัญญาณ
เส้นทางความเร็วสูงที่ติดแน่นโดยไม่มีการอ้างอิงพื้นดินจะสร้างเสียงสับสนอย่างรุนแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะเห็นได้ใน DDR หรือรถบัสความเร็วสูง
การเชื่อมต่อแบบจุ → การเชื่อมต่อผ่านกระแส
การเชื่อมต่อแบบอัมพาต → ความตึงเครียด
การแก้ไข: เพิ่มเครื่องป้องกันเครื่องบินบนพื้นดิน, รักษาระยะทางที่เหมาะสมระหว่างรอย, และควบคุมทิศทางรอย.
9. ชั้นพลังงานภายใน: อาวุธลับสําหรับการจําหน่ายพลังงานที่มั่นคง และการกําจัดการขัดขวาง
พลังงานและพื้นดินต้องถูกออกแบบเป็นระนาบพื้นที่ใหญ่ที่มีการแบ่งแยกที่เหมาะสมและหนาแน่นผ่านการวางเพื่อหลีกเลี่ยงเกาะลอยและวงจรพลังงานที่แตก
10ช่องว่างตาบอด/ฝัง: เทคนิคสําคัญในการออกแบบ PCB ความหนาแน่นสูง
ช่องทางบล๊อด/ฝังถูกใช้อย่างแพร่หลายในบอร์ด HDI ปรับปรุงการใช้พื้นที่ให้ดีขึ้นอย่างมาก แต่มันบังคับค่าใช้จ่ายและความต้องการในการประมวลผลสูง
11จุดทดสอบ: "ฟิวส์" สําหรับการแก้ปัญหาการผลิตจํานวนมาก
ใช้ในการทดสอบฟังก์ชัน, การเขียนโปรแกรมในวงจร, และการปรับตําแหน่ง. พื้นที่ชิป BGA ต้องถูกแก้ไขโดยใช้เครื่องตรวจสอบบินหรือการสแกนขอบเขต.
12จุดหมาย: การรับประกันความแม่นยําในการวาง SMT
ใช้สําหรับการตั้งตําแหน่ง SMT แนะนําการออกแบบจุดหมาย:
13. PTH/NPTH Holes: พนักงานบรรทุกสําหรับการเชื่อมต่อและการติดตั้ง
ลักษณะของรูต้องถูกระบุอย่างแม่นยําในไฟล์วิศวกรรมระหว่างการแปรรูป เพื่อหลีกเลี่ยงการทํางานใหม่
สรุป: การ เรียนรู้ รายละเอียด ที่ สําคัญ นําไปสู่ การ ออกแบบ PCB ที่ มี คุณภาพ ดี
การออกแบบ PCB ไม่ใช่แค่ "การวาด" แต่เป็นโครงการวิศวกรรมระบบที่ซับซ้อนที่พิจารณาผลงานไฟฟ้า ความเป็นไปได้ของกระบวนการ ค่าผลิต และการบํารุงรักษาในอนาคตการเข้าใจเหตุผลการออกแบบและความสําคัญทางวิศวกรรมเบื้องหลังแต่ละคํา คือจุดเริ่มต้นในการกลายเป็นวิศวกร PCB ที่มืออาชีพ.
