Cartes de circuits imprimés (PCB) sont les pièces maîtresses des appareils électroniques modernes. Elles maintiennent les composants électroniques ensemble et assurent les connexions électriques. La qualité de la conception des cartes de circuits imprimés (PCB) a une incidence directe sur les performances et la fiabilité des produits électroniques. Cet article fournit aux ingénieurs en électronique toutes les informations nécessaires sur la conception des cartes de circuits imprimés. Il explique comment concevoir les cartes, comment les acheminer, quelles sont les règles de conception et comment les fabriquer et les tester.
1. Vue d'ensemble des principes de base des circuits imprimés
1.1 Définition et valeur fondamentale des PCB
Un circuit imprimé (PCB) est un composant électronique qui utilise un matériau isolant comme substrat pour créer des voies conductrices grâce à des processus spécifiques. Il fournit non seulement un support mécanique aux composants électroniques, mais constitue également la base de la fonctionnalité du circuit. Une excellente conception des circuits imprimés peut améliorer considérablement les performances des circuits, réduire les coûts de production et améliorer la fiabilité des produits.
1.2 Evolution technologique et tendances de développement
La technologie des circuits imprimés a évolué, passant des circuits simples aux circuits multicouches d'aujourd'hui. HDI et s'oriente vers un développement à haute densité, à haute fréquence et à grande vitesse. Avec la demande croissante de matériel d'intelligence artificielle et de véhicules intelligents, la technologie des circuits imprimés continue de s'étendre à des domaines tels que les cartes de circuits imprimés flexibles et les cartes de circuits intégrés. panneaux rigides-flexibleset s'étendent à des domaines de pointe tels que les écrans pliables et l'aérospatiale.
1.3 Classification des PCB et domaines d'application
| Type de PCB | Caractéristiques | Scénarios d'application |
|---|
| Simple face | Faible coût, conception simple | Électronique grand public simple |
| Double face | Conception flexible et rentable | Équipement de contrôle industriel |
| Multicouche | Haute densité, bon blindage | Équipements de communication, ordinateurs |
| HDI | Interconnexion à haute densité | Smartphones, appareils portables |
| Flexible | Pliable, léger | Dispositifs portables, instruments médicaux |
2.1 Importance de la conception de la mise en page
La conception de l'agencement est un élément critique环节 du processus de conception des circuits imprimés, car elle détermine l'intégrité du signal du circuit, l'efficacité de la gestion thermique et la compatibilité électromagnétique. Une disposition raisonnable peut réduire la diaphonie des signaux, améliorer la stabilité du circuit et réduire les coûts de production.
2.2 Principes de base de la mise en page
- Principe de cloisonnement fonctionnel: Diviser les zones selon les fonctions du circuit (telles que les zones analogiques, numériques et de puissance).
- Principe du flux de signaux: Suivre le flux de signaux pour la mise en page, en réduisant la zone de bouclage des signaux
- Principe de gestion thermique: Répartir les composants générateurs de chaleur et les placer à proximité des zones de dissipation de la chaleur.
- Principe de priorité à haute fréquence: Donner la priorité à l'agencement des composants à haute fréquence, en raccourcissant les chemins de signaux critiques
2.3 Processus de mise en page et points d'inspection
- Planification avant la mise en page: Déterminer la taille de la carte et l'emplacement des principaux composants
- Placement des composants clés: Les composants de base, tels que les processeurs et la mémoire, sont placés en premier lieu.
- Arrangement des composants de soutien: Placez les composants passifs tels que les résistances et les condensateurs
- Optimisation de la mise en page: Ajuster la position des composants, optimiser les chemins d'acheminement
- Inspection de la conception: Vérifier l'espacement, la dissipation thermique et l'intégrité du signal
3. Techniques et stratégies de routage des circuits imprimés
3.1 Concepts de base du routage
Le routage est le processus de transformation des schémas de circuit en connexions physiques réelles, qui affecte directement la qualité du signal et les performances du circuit. Un excellent routage doit garantir l'intégrité du signal, réduire les interférences électromagnétiques et améliorer la fiabilité du circuit.
3.2 Principales techniques de routage
- Sélection de la largeur de la trace: Déterminer la largeur en fonction du courant ; les traces d'alimentation sont généralement plus larges que les traces de signaux.
- Contrôle de l'impédance: Maintien d'une impédance caractéristique constante pour les lignes de signaux à haute fréquence
- Routage des paires différentielles: Les lignes de signaux différentiels doivent être de longueur égale, équidistantes et parallèles.
- Éviter les angles aigus: Utilisez des angles de 45 degrés ou des arcs de cercle pour réduire la réflexion du signal.
3.3 Exigences particulières en matière d'acheminement des signaux
| Type de signal | Exigences en matière d'acheminement | Précautions |
|---|
| Signaux à grande vitesse | Adaptation de l'impédance, contrôle de la longueur | Éviter les vias, réduire les stubs |
| Signaux d'horloge | Chemin le plus court, loin des circuits sensibles | Ajouter un blindage à la terre |
| Signaux analogiques | A l'écart des circuits numériques, un plan de masse séparé | Éviter la segmentation croisée |
| Traces de puissance | Largeur suffisante, chemins à faible impédance | Il est préférable d'utiliser des avions à moteur |
4. Règles et spécifications de conception des circuits imprimés
4.1 Importance des règles de conception
Les règles de conception constituent la base pour garantir la fabricabilité et la fiabilité de la conception des circuits imprimés. Des règles de conception raisonnables permettent d'éviter les problèmes de production, d'améliorer le rendement des produits et de raccourcir les cycles de développement.
4.2 Explication détaillée des règles de conception de base
- Règles d'espacement: Distances de trace à trace, de trace à pavé et de pavé à pavé
- Règles de largeur de la trace: Déterminer la largeur minimale en fonction de la capacité de transport de courant
- Règles d'ouverture: Relation entre les trous d'obturation, la taille des orifices et les tampons
- Règles relatives aux masques de soudure: Exigences en matière d'espacement entre la fenêtre du masque de soudure et la pastille
4.3 Vérification des règles de conception (DRC)
Les outils EDA modernes offrent une fonctionnalité DRC qui permet de vérifier automatiquement si les conceptions sont conformes à des règles prédéterminées. Des contrôles DRC réguliers sont essentiels pour garantir la qualité de la conception.
5. Processus complet de fabrication et d'essai des PCB
5.1 Aperçu du processus de fabrication des PCB
Le processus de fabrication des circuits imprimés comprend la préparation des matériaux, le transfert des motifs, la gravure chimique, le perçage mécanique, le placage, l'impression des masques de soudure, le traitement de surface et d'autres étapes. Chaque étape nécessite un contrôle strict des paramètres du processus afin de garantir la qualité du produit final.
5.2 Principaux procédés de fabrication
- Sélection du substrat: Choisissez le FR-4, les matériaux haute fréquence, etc., en fonction des exigences de l'application.
- Formation de modèles: Créer des circuits par photolithographie
- Processus de laminage: Pressage de panneaux multicouches pour former une structure complète
- Traitement de surface: Protéger les plaquettes par des procédés tels que l'or en immersion, l'HASL, l'OSP, etc.
5.3 Méthodes de test des PCB
- Test de la sonde volante: Convient aux essais de prototypes en petites séries
- Test du lit de clous: Adapté aux essais de production de masse
- Inspection AOI: Inspection optique automatisée des défauts de surface
- Inspection par rayons X: Vérifier les joints de soudure cachés comme les BGA
6. Optimisation de la conception et résolution des problèmes communs
6.1 Optimisation de l'intégrité du signal
PCB à grande vitesse nécessite une attention particulière aux questions d'intégrité du signal, y compris la réflexion du signal, la diaphonie et les problèmes de synchronisation. La qualité du signal peut être améliorée efficacement grâce à l'adaptation des terminaisons, à une conception raisonnable de l'empilage et au contrôle de l'impédance.
6.2 Conception de l'intégrité de l'alimentation
La conception du réseau de distribution d'énergie est cruciale pour la stabilité des circuits. Utilisez suffisamment de condensateurs de découplage, concevez des chemins d'alimentation à faible impédance et évitez que le bruit d'alimentation n'affecte les circuits sensibles.
6.3 Stratégies de gestion thermique
- Analyse thermique: Effectuer une analyse de simulation thermique pendant la phase de conception
- Conception de la dissipation thermique: Utiliser des vias thermiques et des dissipateurs de chaleur pour améliorer la dissipation.
- Optimisation de la mise en page: Distribuer les composants générateurs de chaleur loin des composants sensibles à la chaleur.
7. Introduction aux services professionnels de conception de circuits imprimés
Dans les projets complexes de conception de circuits imprimés, les services professionnels de conception peuvent fournir un soutien technique précieux. Topfast, en tant que fournisseur de services professionnels d'ingénierie électronique, possède une vaste expérience en matière de conception de circuits imprimés et peut fournir à ses clients des solutions complètes, du concept au produit fini.
L'équipe professionnelle de Topfast est compétente dans diverses technologies de conception de PCB, y compris les circuits numériques à grande vitesse, les circuits analogiques et les circuits RF, et est familière avec divers outils EDA et processus de conception. Nous nous concentrons sur l'équilibre entre la qualité de la conception et la fabricabilité afin de garantir que les clients reçoivent des conceptions qui répondent à la fois aux exigences de performance et à la faisabilité de la production.
Nos services comprennent
- Conception complexe de circuits imprimés et de routage
- Analyse de l'intégrité des signaux et de l'intégrité de l'alimentation
- Conception et optimisation CEM/EMI
- Examen de la conception et assistance technique
- Prototypage et essais rapides
En s'associant à Topfast, les clients peuvent raccourcir les cycles de développement des produits, réduire les risques techniques et améliorer la compétitivité des produits. Qu'il s'agisse d'électronique grand public, d'équipement de contrôle industriel ou de systèmes de communication, nous pouvons fournir des services de conception de circuits imprimés professionnels et fiables.
Conclusion
La conception de circuits imprimés est un mélange de technologie et d'art. Les concepteurs doivent trouver le meilleur équilibre entre les performances électriques, la structure mécanique, la gestion de la chaleur et le coût de fabrication des cartes. À mesure que la technologie électronique s'améliore, la conception des circuits imprimés est confrontée à des défis et à des opportunités. Pour réussir en tant que concepteur de circuits imprimés, vous devez bien apprendre les bases, suivre le processus de conception scientifique et continuer à vous familiariser avec les nouvelles technologies.