PCB-ontwerp voor beginners: een stapsgewijze handleiding voor het bouwen van uw eerste bord

Het eerste board dat een beginner opstuurt, komt meestal terug met een van de volgende drie problemen: een voetafdruk van de connector die een halve millimeter van de pads verwijderd is, een voedingscircuit dat warm wordt onder belasting, of een Gerber-pakket waar de fabrikant je over moet e-mailen voordat de klus zelfs maar kan beginnen. Geen daarvan zijn circuitfouten. Het zijn lay-out- en overdrachtsbeslissingen die worden genomen nadat het schema al op het scherm werkte.

Voor een eerste ontwerp is het betrouwbare pad smal. Houd het bord enkelzijdig of tweelaags, plaats elke connector en montagegat voordat u een enkel spoor freest, meet de stroomlijnen op basis van een huidige tabel in plaats van op het oog, en eindig met een controle van de ontwerpregels die overeenkomt met wat uw fabrikant daadwerkelijk kan produceren. In de onderstaande gedeelten wordt uitgelegd waarom elk van deze stappen bestaat en wat het kost als u deze overslaat.

Begin met een schema en voetafdrukken die u kunt verifiëren

Het schema is geen papierwerk dat u afrondt voordat het "echte" ontwerpwerk begint. Het is de netlijst die de lay-out, de stuklijst en de montagetekening aanstuurt, en elke mismatch die daarin achterblijft, wordt een koperspoor dat je later moet wegsnijden.

Breng het extra uur door in de bibliotheek in plaats van op de lay-out. Open opslagplaatsen en sites van distributeurs staan ​​vol met voetafdrukken die door andere gebruikers zijn getekend, en een pad dat 0,2 mm te smal is, ziet er nog steeds overtuigend uit op het scherm, terwijl handmatig solderen bijna onmogelijk wordt.

• Kopieer het aanbevolen landpatroon uit het gegevensblad van de componenten in plaats van uw eigen landpatroon te tekenen.
• Bevestig de oriëntatie van pin 1 en controleer of het onderdeel gespiegeld is als het aan de onderkant zit.
• Controleer of elke voetafdrukbinnenplaats de aangrenzende binnenplaats niet overlapt.
• Zorg ervoor dat het aantal blokken van de voetafdruk overeenkomt met het symbool voordat u beide in de lay-out importeert.

Als je nog steeds een mentaal model van de hele stroom aan het bouwen bent, is een walkthrough van de basisprincipes van PCB-ontwerp, stackup-keuzes en tips voor het oplossen van problemen de moeite waard om te lezen voordat je een weekend besteedt aan een lay-outtool.

Een enkelzijdige of tweelaagse plaat is meestal voldoende

Voor een eerste project zullen een of twee lagen bijna altijd het circuit dragen, en het eenvoudigere bord is goedkoper te maken, sneller te leveren en veel gemakkelijker te herwerken als er iets misgaat.

Een enkelzijdig bord zet elk spoor op het onderste koper en elk onderdeel bovenaan. U hoeft zich geen zorgen te maken over geplateerde via's, en als het ene spoor het andere moet kruisen, lost u dit op met een draadverbinding in plaats van met een nieuw ontwerp. Dat is de reden waarom zoveel eerste projecten – timers, sensoruitbraken, drivers met één transistor – eenzijdig blijven.

Oppervlakteafwerking is belangrijker dan beginners verwachten. OSP, het organische conserveermiddel voor soldeerbaarheid, laat vlak koper achter dat goed soldeert, een redelijke houdbaarheid heeft en minder kost dan vergulden. Een enkelzijdig OSP-bord is een verstandige eerste bestelling omdat er heel weinig op zit dat een onhandige soldeerbout kan beschadigen.

Enkelzijdige OSP-printplaat Enkelzijdige OSP-PCB's maken gebruik van een oppervlaktebehandeling met organische soldeerbaarheidsfilm (OSP), die milieuvriendelijk en niet-giftig is. Ze bieden zeer platte pads, maki... Bekijk Product →

Twee lagen geven je aan één kant een doorlopend aardvlak, wat de grootste verbetering in ruis en signaalkwaliteit is die voor heel weinig geld beschikbaar is. Als uw ontwerp een schakelende regelaar, een SPI-bus of een kristal bevat, begin dan met twee lagen.

Ga naar vier lagen wanneer routing of ruis dit vereist

Vier lagen zijn niet langer een luxe als de signaaldichtheid of de kloksnelheid stijgt. De standaard beginnersvriendelijke opstelling is signaal, aarde, stroom, signaal: elk spoor krijgt een doorlopend referentievlak er direct onder, waardoor het meeste giswerk over het retourpad wordt weggenomen dat tweelaagse lay-outs teistert.

De stap van twee lagen naar vier is reëel, maar meestal kleiner dan mensen vrezen, en het levert een stiller board op met veel minder layouttijd. Een standaard vierlaagse constructie met een groen soldeermasker en een OSP-afwerking is waar veel eerste serieuze ontwerpen terechtkomen.

4 lagen groene OSP-printplaat Vierlaags double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Bekijk Product →

Plaats componenten voordat u iets routeert

De plaatsing bepaalt het grootste deel van uw routeringsproblemen. Beginners plaatsen onderdelen vaak grof, beginnen met frezen en ontdekken dan pas dat een connector moet bewegen.

1. Plaats connectoren, schakelaars, LED's en montagegaten eerst, want de behuizing bepaalt waar ze naartoe gaan.
2. Voeg vervolgens onderdelen met mechanische beperkingen toe: kristallen, antennes, koellichamen, alles met een uitsluitgebied.
3. Plaats elke ontkoppelcondensator zo dicht mogelijk bij de voedingspin die hij bedient, aan dezelfde kant als de ruimte dit toelaat.
4. Rangschik de resterende componenten zo dat de verbindingen ertussen kort blijven en begin met routeren.

Houd koper op minimaal 0,3 mm afstand van de omtrek van de plaat, tenzij de fabrikant anders aangeeft, en onthoud dat V-vormige of gefreesde randen materiaal verwijderen na montage. Begraaf een testpunt niet onder een hoog onderdeel en laat ruimte vrij rond alles wat u moet meten; u zult het meten.

Groottesporen van de stroming, niet van gewoonte

Spoorbreedte is vooral een thermische beslissing. Een spoor dat te smal is voor de stroom warmt op, en die temperatuurstijging – niet alleen de stroom – is wat uiteindelijk het laminaat of een soldeerverbinding beschadigt.

IPC-2221-curven zitten achter bijna elke online trace-width-calculator, en het patroon is simpel: de breedte groeit sneller dan de huidige. Als u van 1 EEN naar 2 EEN gaat op dezelfde koperdikte, wordt de vereiste breedte met ongeveer 2,6 vermenigvuldigd, niet met twee. Sporen in de binnenlaag worden ook heter omdat laminaat warmte vasthoudt, dus een binnenste spoor heeft ongeveer 2,6 keer de breedte nodig van het equivalent van de buitenlaag.

Beschouw deze cijfers uitsluitend als minimumwaarden voor de temperatuur. Spanningsval, gecontroleerde impedantie en smeltstroom zijn allemaal hoger.

Wanneer een ontwerp echt actueel is, worden het kopergewicht en de oppervlakteafwerking lay-outbeslissingen in plaats van aankoopdetails. Twee ons koper halveert ongeveer elke breedte in de tafel, en een loodvrije gesoldeerde afwerking, zoals die wordt gebruikt op een dubbelzijdig loodvrij bord dat is gebouwd voor stroom- en auto-elektronica, is de moeite waard om vroeg te specificeren omdat het zowel het proces als het oppervlak waarop je gaat solderen verandert.

Dubbelzijdige groene loodvrije gesoldeerde PCB voor energie- en auto-elektronica Dubbelzijdig groen loodvrij vertind karton. De dikke metalen barrière gevormd door de tincoating heeft uitstekende warmteafvoerprestaties en het vermogen om met kleine hoeveelheden om te gaan. Bekijk Product →

Geometrie is ook belangrijk. Routeer op 45 graden in plaats van 90, houd lussen met hoge stroomsterkte fysiek klein en laat signaalsporen over ononderbroken grond lopen waar de stapeling dit toelaat.

Voer DRC uit tegen de echte grenzen van de fabrikant

Het controleren van ontwerpregels is geen formaliteit die voor het einde is bewaard. Stel uw regels in op basis van de door de fabrikant gepubliceerde mogelijkheden voordat u begint, en voer vervolgens de controle uit na plaatsing en opnieuw na het routeren.

Meerlaagse fabrieken kunnen een lijnbreedte en -afstand van 3/3 mil aanhouden - een 6-laags verguld bord met die geometrie is voor veel van hen routineproductie - maar ontwerpen op 6/6 mil kost een langzaam eerste bord niets aan prestaties en laat marge over tegen etsvariaties en goedkopere offertes.

Schakel deze controles uit voordat u gaat exporteren:

• Niet-aangesloten netten en netten met één pad, wat meestal betekent dat een schematisch symbool nooit is bedraad.
• Opruimingsovertredingen tussen sporen, pads en kopergietsels.
• Zeefdruk gedrukt over blootliggende pads, wat de soldeerpasta verstoort.
• Ringvormige ringen en boormaten onder het minimum van de fabrikant.
• Overlappende of gedupliceerde blokken, die vaak achterblijven bij het bewerken van een voetafdruk.

Exporteer vervolgens Gerbers in RS-274X-indeling, één bestand per laag, plus een NC-boorbestand in overeenkomende eenheden en een korte tekstnotitie met het aantal lagen, de plaatdikte, het kopergewicht, de oppervlakteafwerking en eventuele impedantievereisten. Elke vraag die een fabrikant u stelt, voegt een dag toe aan de offerte.

Wat te verzenden en wat terugkomt

De productie verloopt snel zodra de bestanden correct zijn. Standaard doorlooptijden voor een eenvoudig bord zien er als volgt uit:

• Enkelzijdige en dubbelzijdige grote batches: 6 tot 7 dagen
• 4 tot 8 lagen: 9 tot 20 dagen
• 10 tot 16 lagen: 20 tot 25 dagen
• 16 tot 32 lagen: 25 tot 45 dagen
• HDI-borden: binnen 25 dagen
• Dubbelzijdige prototypes: binnen 24 uur

De prijs wordt bepaald door de grootte, het aantal lagen, het kopergewicht, de afwerking, de hoeveelheid en hoe hard u de tolerantie instelt. Certificeringen laten zien welke markten een fabriek kan bedienen: ISO 9001, ISO 14001 en ISO 45001 hebben betrekking op algemeen kwaliteits-, milieu- en veiligheidsbeheer, terwijl IATF 16949 van belang is wanneer het bord in een voertuig belandt en UL van belang is wanneer het eindproduct in Noord-Amerika wordt verkocht. Als u de servicepagina van een potentiële leverancier leest voordat u de Gerbers vergrendelt, weet u welke toleranties en afwerkingen zij elke dag hanteren, wat nuttiger is dan de minimumwaarden die in een mogelijkhedentabel zijn afgedrukt.

Als je één reeks uit dit artikel haalt, maak er dan deze van:

1. Teken het schema en verifieer elke footprint aan de hand van een datasheet.
2. Kies het laagste aantal lagen dat uw signalen draagt, en voeg een grondvlak toe zodra u naar twee lagen gaat.
3. Plaats connectoren, montagegaten en ontkoppelcondensatoren voordat u iets gaat routeren.
4. Bepaal de grootte van stroomsporen uit een stroomtabel en houd stroomlussen kort.
5. Voer DRC uit, exporteer RS-274X Gerbers met een NC-boorbestand en stuur het pakket met een schriftelijke stapelnota.

Bestel vervolgens een klein aantal prototypes, schakel het langzaam in en schrijf op wat u zou veranderen. Het tweede bord is altijd beter dan het eerste, en de snelste manier om PCB-ontwerp te leren is door er één af te maken.