Placas de circuitos impressos (PCB) são as peças-chave dos dispositivos electrónicos modernos. Mantêm os componentes electrónicos unidos e fornecem as ligações eléctricas. A qualidade da conceção das placas de circuito impresso (PCB) tem um impacto direto no desempenho e na fiabilidade dos produtos electrónicos. Este artigo fornece aos engenheiros electrónicos todas as informações necessárias sobre a conceção de placas de circuito impresso. Aborda a forma de conceber as placas, como as encaminhar, quais são as regras de conceção e como as fabricar e testar.
1. Visão geral abrangente dos conceitos básicos de PCB
1.1 Definição e valor central dos PCB
Uma PCB (placa de circuitos impressos) é um componente eletrónico que utiliza material isolante como substrato para criar vias condutoras através de processos específicos. Não só fornece suporte mecânico para os componentes electrónicos, como também constitui a base para a funcionalidade do circuito. Uma excelente conceção de PCB pode melhorar significativamente o desempenho do circuito, reduzir os custos de produção e aumentar a fiabilidade do produto.
1.2 Evolução tecnológica e tendências de desenvolvimento
A tecnologia PCB evoluiu das placas de camada única para as actuais placas multicamadas e IDH placas, avançando para o desenvolvimento de alta densidade, alta frequência e alta velocidade. Com a crescente procura de hardware de IA e veículos inteligentes, a tecnologia PCB continua a expandir-se para áreas como as placas de circuitos flexíveis e placas rigid-flexe que se estende a domínios de ponta como os dispositivos de ecrã dobrável e a indústria aeroespacial.
1.3 Classificação dos PCB e áreas de aplicação
| Tipo de PCB | Caraterísticas | Cenários de aplicação |
|---|
| Uma face | Baixo custo, conceção simples | Eletrónica de consumo simples |
| Frente e verso | Conceção flexível, rentável | Equipamentos de controlo industrial |
| Multicamadas | Alta densidade, boa blindagem | Equipamento de comunicação, computadores |
| IDH | Interconexão de alta densidade | Smartphones, dispositivos portáteis |
| Flexível | Dobrável, leve | Dispositivos vestíveis, instrumentos médicos |
2.1 Importância da conceção do layout
O design do layout é um ponto crítico no processo de design de PCB, determinando a integridade do sinal do circuito, a eficácia do gerenciamento térmico e a compatibilidade eletromagnética. O layout razoável pode reduzir a diafonia do sinal, melhorar a estabilidade do circuito e reduzir os custos de produção.
2.2 Princípios básicos de apresentação
- Princípio da divisão funcional: Dividir as áreas de acordo com as funções do circuito (por exemplo, áreas analógicas, digitais e de potência)
- Princípio do fluxo de sinal: Seguir o fluxo de sinal para a disposição, reduzindo a área do circuito de sinal
- Princípio de gestão térmica: Distribuir os componentes geradores de calor e colocá-los perto de áreas de dissipação de calor
- Princípio da prioridade de alta frequência: Dar prioridade à disposição dos componentes de alta frequência, encurtando os caminhos de sinal críticos
2.3 Processo de configuração e pontos de inspeção
- Planeamento pré-layout: Determinar o tamanho da placa e a localização dos principais componentes
- Colocação de componentes-chave: Primeiro, os componentes principais, como processadores e memória
- Arranjo dos componentes de apoio: Colocar componentes passivos como resistências e condensadores
- Otimização do layout: Ajustar as posições dos componentes, otimizar os percursos de encaminhamento
- Inspeção da conceção: Verificar o espaçamento, a dissipação de calor e a integridade do sinal
3. Técnicas e estratégias de encaminhamento de PCB
3.1 Conceitos básicos de encaminhamento
O encaminhamento é o processo de transformação de esquemas de circuitos em ligações físicas reais, afectando diretamente a qualidade do sinal e o desempenho do circuito. Um encaminhamento excelente deve garantir a integridade do sinal, reduzir as interferências electromagnéticas e melhorar a fiabilidade do circuito.
3.2 Principais técnicas de encaminhamento
- Seleção da largura do traço: Determinar a largura com base na corrente; os traços de potência são normalmente mais largos do que os traços de sinal
- Controlo de impedância: Manter a impedância caraterística constante para linhas de sinal de alta frequência
- Encaminhamento do par diferencial: Manter as linhas de sinal diferencial iguais em comprimento, equidistantes e paralelas
- Evitar ângulos agudos: Utilizar ângulos de 45 graus ou cantos em arco para reduzir a reflexão do sinal
3.3 Requisitos especiais de encaminhamento de sinais
| Tipo de sinal | Requisitos de encaminhamento | Precauções |
|---|
| Sinais de alta velocidade | Correspondência de impedância, controlo de comprimento | Evitar vias, reduzir stubs |
| Sinais de relógio | Caminho mais curto, longe de circuitos sensíveis | Adicionar blindagem de terra |
| Sinais analógicos | Longe dos circuitos digitais, um plano de terra separado | Evitar a segmentação cruzada |
| Traços de potência | Largura suficiente, caminhos de baixa impedância | É melhor utilizar aviões a motor |
4. Regras e especificações de conceção de PCB
4.1 Importância das regras de conceção
As regras de conceção constituem a base para garantir a capacidade de fabrico e a fiabilidade da conceção de PCB. Regras de conceção razoáveis podem evitar problemas de produção, melhorar o rendimento do produto e encurtar os ciclos de desenvolvimento.
4.2 Explicação pormenorizada das regras de conceção principais
- Regras de espaçamento: Distâncias traço-a-traço, traço-a-passo e pastilha-a-pastilha
- Regras de largura de traço: Determinar a largura mínima com base na capacidade de transporte de corrente
- Regras de abertura: Relação entre orifícios de obturação, tamanhos de via e coxins
- Regras da máscara de solda: Requisitos de espaçamento entre a janela da máscara de soldadura e a almofada
4.3 Verificação das regras de conceção (DRC)
As ferramentas modernas de EDA fornecem a funcionalidade DRC para verificar automaticamente se os projectos cumprem as regras pré-determinadas. As verificações regulares de DRC são cruciais para garantir a qualidade do projeto.
5. Processo completo de fabrico e ensaio de PCB
5.1 Visão geral do processo de fabrico de PCB
O processo de fabrico de PCB inclui a preparação do material, a transferência de padrões, a gravação química, a perfuração mecânica, o revestimento, a impressão da máscara de soldadura, o tratamento de superfície e outras fases. Cada fase exige um controlo rigoroso dos parâmetros do processo para garantir a qualidade do produto final.
5.2 Principais processos de fabrico
- Seleção do substrato: Escolha FR-4, materiais de alta frequência, etc., com base nos requisitos da aplicação
- Formação de padrões: Criar padrões de circuitos através de fotolitografia
- Processo de laminação: Prensagem de placas multicamadas para formar uma estrutura completa
- Tratamento de superfície: Proteger as almofadas com processos como ouro de imersão, HASL, OSP, etc.
5.3 Métodos de ensaio de PCB
- Teste de sonda voadora: Adequado para ensaios de protótipos em pequenos lotes
- Teste da cama de pregos: Adequado para testes de produção em massa
- Inspeção AOI: Inspeção ótica automatizada de defeitos de superfície
- Inspeção por raios X: Verificar juntas de soldadura ocultas como BGA
6. Otimização da conceção e resolução de problemas comuns
6.1 Otimização da integridade do sinal
PCB de alta velocidade requer uma atenção especial às questões de integridade do sinal, incluindo reflexão do sinal, diafonia e problemas de temporização. A qualidade do sinal pode ser efetivamente melhorada através da correspondência de terminações, de uma conceção razoável do empilhamento e do controlo da impedância.
6.2 Conceção da integridade da potência
A conceção da rede de distribuição de energia é crucial para a estabilidade do circuito. Utilize condensadores de desacoplamento suficientes, conceba caminhos de potência de baixa impedância e evite que o ruído de potência afecte circuitos sensíveis.
6.3 Estratégias de gestão térmica
- Análise térmica: Efetuar análises de simulação térmica durante a fase de conceção
- Conceção da dissipação de calor: Utilizar vias térmicas e dissipadores de calor para melhorar a dissipação
- Otimização do layout: Distribuir os componentes geradores de calor longe dos componentes sensíveis ao calor
7. Introdução aos serviços profissionais de conceção de placas de circuito impresso
Em projetos complexos de design de PCB, serviços de design profissional podem fornecer suporte técnico valioso. Topfast, como um fornecedor profissional de serviços de engenharia eletrónica, tem uma vasta experiência em design de PCB e pode fornecer aos clientes soluções abrangentes desde o conceito até ao produto acabado.
A equipa de profissionais da Topfast é proficiente em várias tecnologias de design de PCB, incluindo circuitos digitais de alta velocidade, circuitos analógicos e circuitos RF, e está familiarizada com várias ferramentas EDA e processos de design. Nosso foco é equilibrar a qualidade do projeto e a capacidade de fabricação para garantir que os clientes recebam projetos que atendam aos requisitos de desempenho e viabilidade de produção.
Os nossos serviços incluem:
- Conceção complexa de layout e roteamento de PCB
- Análise da integridade do sinal e da integridade da potência
- Conceção e otimização EMC/EMI
- Revisão do projeto e apoio técnico
- Prototipagem e testes rápidos
Em parceria com Topfast, os clientes podem encurtar os ciclos de desenvolvimento de produtos, reduzir os riscos técnicos e melhorar a competitividade do produto. Quer se trate de produtos electrónicos de consumo, equipamentos de controlo industrial ou sistemas de comunicação, podemos fornecer serviços de design de PCB profissionais e fiáveis.
Conclusão
O design de PCB é uma mistura de tecnologia e arte. Os designers têm de encontrar o melhor equilíbrio entre o desempenho elétrico, a estrutura mecânica, a gestão do calor e o custo de fabrico das placas. À medida que a tecnologia eletrónica continua a melhorar, a conceção de PCB enfrentará desafios e oportunidades. Para ser um designer de PCB bem sucedido, é necessário aprender bem as bases, seguir o processo de design científico e continuar a aprender novas tecnologias.