Schede di circuiti stampati (PCB) sono le parti fondamentali dei moderni dispositivi elettronici. Tengono insieme i componenti elettronici e forniscono le connessioni elettriche. La qualità della progettazione dei circuiti stampati (PCB) influisce direttamente sulle prestazioni e sull'affidabilità dei prodotti elettronici. Questo articolo fornisce agli ingegneri elettronici tutte le informazioni necessarie sulla progettazione dei circuiti stampati. Tratta di come progettare le schede, di come tracciarle, di quali sono le regole di progettazione e di come produrle e testarle.
1. Panoramica completa delle basi dei PCB
1.1 Definizione e valore di base dei PCB
Un PCB (Printed Circuit Board) è un componente elettronico che utilizza un materiale isolante come substrato per creare percorsi conduttivi attraverso processi specifici. Non solo fornisce un supporto meccanico per i componenti elettronici, ma costituisce anche la base per la funzionalità del circuito. Un'eccellente progettazione di PCB può migliorare significativamente le prestazioni del circuito, ridurre i costi di produzione e migliorare l'affidabilità del prodotto.
1.2 Evoluzione tecnologica e tendenze di sviluppo
La tecnologia dei PCB si è evoluta da schede a singolo strato alle attuali schede multistrato e HDI schede, orientandosi verso uno sviluppo ad alta densità, alta frequenza e alta velocità. Con la crescente domanda di hardware AI e di veicoli intelligenti, la tecnologia PCB continua a espandersi in aree come i circuiti flessibili e le schede di memoria. pannelli rigidi-flex, estendendosi a settori all'avanguardia come i dispositivi con schermo pieghevole e l'aerospaziale.
1.3 Classificazione dei PCB e aree di applicazione
| Tipo di PCB | Caratteristiche | Scenari d’applicazione |
|---|
| Singolo lato | Basso costo, design semplice | Semplice elettronica di consumo |
| Doppio lato | Design flessibile e conveniente | Apparecchiature di controllo industriale |
| Multi-strato | Alta densità, buona schermatura | Apparecchiature di comunicazione, computer |
| HDI | Interconnessione ad alta densità | Smartphone, dispositivi portatili |
| flessibile | Pieghevole, leggero | Dispositivi indossabili, strumenti medici |
2.1 Importanza della progettazione del layout
La progettazione del layout è un elemento critico nel processo di progettazione dei PCB, in quanto determina l'integrità del segnale del circuito, l'efficacia della gestione termica e la compatibilità elettromagnetica. Un layout ragionevole può ridurre la diafonia dei segnali, migliorare la stabilità dei circuiti e ridurre i costi di produzione.
2.2 Principi di base del layout
- Principio di partizione funzionale: Dividere le aree in base alle funzioni del circuito (ad esempio, aree analogiche, digitali e di potenza).
- Principio del flusso del segnale: Seguire il flusso del segnale per il layout, riducendo l'area del loop del segnale
- Principio di gestione termica: Distribuire i componenti che generano calore e posizionarli vicino alle aree di dissipazione del calore.
- Principio di priorità ad alta frequenza: Privilegiare il layout dei componenti ad alta frequenza, accorciando i percorsi critici dei segnali.
2.3 Processo di layout e punti di ispezione
- Pianificazione pre-layout: Determinare le dimensioni della scheda e la posizione dei componenti principali
- Posizionamento dei componenti chiave: Prima di tutto i componenti principali, come i processori e la memoria
- Disposizione dei componenti di supporto: Posizionare i componenti passivi come resistenze e condensatori
- Ottimizzazione del layout: Regolare la posizione dei componenti, ottimizzare i percorsi di instradamento
- Ispezione del progetto: Controllare la spaziatura, la dissipazione del calore e l'integrità del segnale.
3. Tecniche e strategie di instradamento dei PCB
3.1 Concetti di base sull'instradamento
L'instradamento è il processo di trasformazione degli schemi dei circuiti in connessioni fisiche effettive, che influisce direttamente sulla qualità del segnale e sulle prestazioni del circuito. Un instradamento eccellente deve garantire l'integrità del segnale, ridurre le interferenze elettromagnetiche e migliorare l'affidabilità del circuito.
3.2 Principali tecniche di instradamento
- Selezione della larghezza della traccia: Determinare la larghezza in base alla corrente; le tracce di potenza sono tipicamente più larghe di quelle di segnale.
- Controllo dell'impedenza: Mantenimento dell'impedenza caratteristica costante per le linee di segnale ad alta frequenza
- Instradamento delle coppie differenziali: Mantenere le linee di segnale differenziale di uguale lunghezza, equidistanti e parallele.
- Evitare gli angoli acuti: Utilizzare angoli di 45 gradi o angoli ad arco per ridurre la riflessione del segnale.
3.3 Requisiti speciali di instradamento del segnale
| Tipo di segnale | Requisiti di instradamento | Precauzioni |
|---|
| Segnali ad alta velocità | Adattamento dell'impedenza, controllo della lunghezza | Evitare i vias, ridurre gli stub |
| Segnali di orologio | Percorso più breve, lontano dai circuiti sensibili | Aggiungere la schermatura di terra |
| Segnali analogici | Lontano dai circuiti digitali, un piano di terra separato | Evitare la segmentazione incrociata |
| Tracce di potenza | Percorsi di larghezza sufficiente e a bassa impedenza | Meglio usare aerei a motore |
4. Regole e specifiche di progettazione dei PCB
4.1 Importanza delle regole di progettazione
Le regole di progettazione costituiscono la base per garantire la producibilità e l'affidabilità dei progetti di PCB. Regole di progettazione ragionevoli possono prevenire problemi di produzione, migliorare la resa dei prodotti e abbreviare i cicli di sviluppo.
4.2 Spiegazione dettagliata delle regole di progettazione principali
- Regole di spaziatura: Distanze da traccia a traccia, da traccia a pad e da pad a pad
- Regole di larghezza della traccia: Determinare la larghezza minima in base alla capacità di trasporto della corrente.
- Regole di apertura: Relazione tra i fori per i tappi, le dimensioni delle vie e i tamponi
- Regole per le maschere di saldatura: Requisiti per la finestra della maschera di saldatura e la distanza tra le piazzole
4.3 Verifica delle regole di progettazione (DRC)
I moderni strumenti EDA offrono funzionalità DRC per verificare automaticamente la conformità dei progetti a regole predeterminate. Controlli DRC regolari sono fondamentali per garantire la qualità dei progetti.
5. Processo completo di produzione e collaudo dei PCB
5.1 Panoramica del processo di produzione dei PCB
Il processo di produzione dei PCB comprende la preparazione del materiale, il trasferimento del modello, l'incisione chimica, la foratura meccanica, la placcatura, la stampa della maschera di saldatura, il trattamento della superficie e altre fasi. Ogni fase richiede un controllo rigoroso dei parametri di processo per garantire la qualità del prodotto finale.
5.2 Processi produttivi chiave
- Selezione del substrato: Scegliere FR-4, materiali per alta frequenza, ecc. in base ai requisiti dell'applicazione.
- Formazione del modello: Creazione di modelli di circuito attraverso la fotolitografia
- Processo di laminazione: Pressatura di pannelli multistrato per formare una struttura completa
- Trattamento superficiale: Proteggere i pad con processi come l'oro ad immersione, l'HASL, l'OSP, ecc.
5.3 Metodi di test dei PCB
- Test della sonda volante: Adatto per il test di prototipi in piccoli lotti
- Test del letto di chiodi: Adatto per test di produzione di massa
- Ispezione AOI: Ispezione ottica automatizzata per i difetti superficiali
- Ispezione a raggi X: Controllare i giunti di saldatura nascosti come i BGA
6. Ottimizzazione del progetto e risoluzione dei problemi comuni
6.1 Ottimizzazione dell'integrità del segnale
PCB ad alta velocità La progettazione richiede un'attenzione particolare ai problemi di integrità del segnale, tra cui la riflessione del segnale, la diafonia e i problemi di temporizzazione. La qualità del segnale può essere efficacemente migliorata attraverso l'abbinamento delle terminazioni, una ragionevole progettazione dello stackup e il controllo dell'impedenza.
6.2 Progettazione dell'integrità di potenza
La progettazione della rete di distribuzione dell'alimentazione è fondamentale per la stabilità dei circuiti. Utilizzate condensatori di disaccoppiamento sufficienti, progettate percorsi di alimentazione a bassa impedenza ed evitate che il rumore di alimentazione influisca sui circuiti sensibili.
6.3 Strategie di gestione termica
- Analisi termica: Eseguire l'analisi di simulazione termica durante la fase di progettazione
- Design a dissipazione di calore: Utilizzare vias termici e dissipatori di calore per migliorare la dissipazione.
- Ottimizzazione del layout: Distribuire i componenti che generano calore lontano dai componenti sensibili al calore.
7. Introduzione ai servizi professionali di progettazione di PCB
Nei progetti complessi di progettazione di PCB, i servizi di progettazione professionale possono fornire un valido supporto tecnico. Topfast, in qualità di fornitore di servizi professionali di ingegneria elettronica, ha una vasta esperienza nella progettazione di PCB e può fornire ai clienti soluzioni complete, dall'idea al prodotto finito.
Il team di professionisti di Topfast è esperto in varie tecnologie di progettazione di PCB, tra cui circuiti digitali ad alta velocità, circuiti analogici e circuiti RF, e ha familiarità con vari strumenti EDA e processi di progettazione. Ci concentriamo sull'equilibrio tra qualità del progetto e producibilità per garantire ai clienti progetti che soddisfino sia i requisiti di prestazione che la fattibilità della produzione.
I nostri servizi includono:
- Progettazione di layout e routing di PCB complessi
- Analisi dell'integrità del segnale e dell'alimentazione
- Progettazione e ottimizzazione EMC/EMI
- Revisione della progettazione e supporto tecnico
- Prototipazione e test rapidi
Collaborando con Topfast, i clienti possono abbreviare i cicli di sviluppo dei prodotti, ridurre i rischi tecnici e migliorare la competitività dei prodotti. Che si tratti di elettronica di consumo, apparecchiature di controllo industriali o sistemi di comunicazione, siamo in grado di fornire servizi di progettazione di PCB professionali e affidabili.
conclusioni
La progettazione di PCB è un mix di tecnologia e arte. I progettisti devono trovare il miglior equilibrio tra prestazioni elettriche, struttura meccanica, gestione del calore e costi di produzione delle schede. Con il continuo miglioramento della tecnologia elettronica, la progettazione di PCB dovrà affrontare sia sfide che opportunità. Per essere un progettista di PCB di successo, è necessario imparare bene le basi, seguire il processo di progettazione scientifica e continuare a imparare nuove tecnologie.