Tryckta kretskort (PCB) är de viktigaste delarna i moderna elektroniska apparater. De håller ihop de elektroniska komponenterna och tillhandahåller de elektriska anslutningarna. Kvaliteten på designen av kretskort (PCB) har en direkt inverkan på elektroniska produkters prestanda och tillförlitlighet. Den här artikeln ger elektronikingenjörer all nödvändig information om hur man utformar kretskort. Den tar upp hur korten ska utformas, hur de ska routas, vilka designregler som gäller samt hur de ska tillverkas och testas.
1. Omfattande översikt över grunderna för mönsterkort
1.1 Definition och kärnvärde för PCB
Ett PCB (Printed Circuit Board) är en elektronisk komponent som använder isolerande material som substrat för att skapa ledande banor genom specifika processer. Det ger inte bara mekaniskt stöd för elektroniska komponenter utan utgör också grunden för kretsens funktionalitet. Utmärkt PCB-design kan avsevärt förbättra kretsprestanda, minska produktionskostnaderna och förbättra produkttillförlitligheten.
1.2 Teknologisk utveckling och utvecklingstrender
Kretskortstekniken har utvecklats från enskiktskretsar till dagens flerskiktskretsar och HDI kretskort och går mot utveckling med hög densitet, hög frekvens och hög hastighet. Med en växande efterfrågan från AI-hårdvara och smarta fordon fortsätter PCB-tekniken att expandera till områden som flexibla kretskort och Styv-flexskivortill banbrytande områden som vikbara skärmar och flyg- och rymdindustrin.
1.3 PCB-klassificering och tillämpningsområden
| Typ av kretskort | Egenskaper | Tillämpningsscenarier |
|---|
| Enkelsidig | Låg kostnad, enkel design | Enkel konsumentelektronik |
| Dubbelsidig | Flexibel design, kostnadseffektivt | Industriell kontrollutrustning |
| Flera lager | Hög densitet, bra avskärmning | Kommunikationsutrustning, datorer |
| HDI | Sammankoppling med hög densitet | Smartphones, bärbara enheter |
| Flexibel | Böjbar, lättviktig | Bärbara enheter, medicinska instrument |
2.1 Betydelsen av layoutdesign
Layoutdesign är en kritisk del av PCB-designprocessen och avgör kretssignalintegritet, termisk hanteringseffektivitet och elektromagnetisk kompatibilitet. Rimlig layout kan minska signalöverhörning, förbättra kretsstabiliteten och sänka produktionskostnaderna.
2.2 Grundläggande layoutprinciper
- Princip för funktionell uppdelning: Dela upp områden efter kretsfunktioner (t.ex. analoga, digitala och effektområden)
- Princip för signalflöde: Följ signalflödet för layout, minska området för signalslingor
- Princip för termisk hantering: Fördela värmealstrande komponenter och placera dem nära värmeavledningsytor
- Principen om högfrekvent prioritering: Prioritera layout av högfrekventa komponenter och förkorta kritiska signalvägar
2.3 Layoutprocess och kontrollpunkter
- Planering före layouten: Bestäm kortstorlek och placering av huvudkomponenter
- Placering av nyckelkomponenter: Först ut är kärnkomponenter som processorer och minne
- Stödjande komponentarrangemang: Placera passiva komponenter som resistorer och kondensatorer
- Optimering av layouten: Justera komponentpositioner, optimera dirigeringsvägar
- Konstruktionsinspektion: Kontrollera avstånd, värmeavledning och signalintegritet
3. Tekniker och strategier för kretskortsdirigering
3.1 Grundläggande routningskoncept
Routning är processen där kretsscheman omvandlas till faktiska fysiska anslutningar, vilket direkt påverkar signalkvaliteten och kretsens prestanda. Utmärkt routing bör säkerställa signalintegritet, minska elektromagnetisk interferens och förbättra kretsens tillförlitlighet.
3.2 Viktiga tekniker för routning
- Val av spårbredd: Bestäm bredden baserat på ström; strömskenor är vanligtvis bredare än signalskenor
- Impedansreglering: Bibehåller konstant karakteristisk impedans för högfrekventa signalledningar
- Routning av differentiella par: Se till att differentialsignalledningarna är lika långa, lika långt ifrån varandra och parallella
- Undvik skarpa vinklar: Använd 45-gradiga vinklar eller bågformade hörn för att minska signalreflektionen
3.3 Särskilda krav på signalvägar
| Signaltyp | Krav på routning | Försiktighetsåtgärder |
|---|
| Höghastighetssignaler | Impedansanpassning, längdkontroll | Undvik vior, minska stubbar |
| Klocksignaler | Kortaste vägen, bort från känsliga kretsar | Lägg till jordskärmning |
| Analoga signaler | Bort från digitala kretsar, ett separat jordplan | Undvik tvärsegmentering |
| Kraftspår | Tillräcklig bredd, lågimpedanta banor | Bäst att använda motorplan |
4. Regler och specifikationer för PCB-design
4.1 Betydelsen av designregler
Konstruktionsregler utgör grunden för att säkerställa tillverkningsbarhet och tillförlitlighet för mönsterkortsdesign. Rimliga konstruktionsregler kan förhindra produktionsproblem, förbättra produktutbytet och förkorta utvecklingscyklerna.
4.2 Detaljerad förklaring av grundläggande konstruktionsregler
- Regler för mellanslag: Avstånd från spår till spår, från spår till platta och från platta till platta
- Regler för spårbredd: Bestäm minsta bredd baserat på strömförande kapacitet
- Aperturregler: Förhållandet mellan plugghål, hålstorlekar och dynor
- Regler för lödmask: Krav på avstånd mellan lödmaskfönster och pad
4.3 Kontroll av konstruktionsregler (DRC)
Moderna EDA-verktyg har DRC-funktionalitet för att automatiskt kontrollera om konstruktioner följer förutbestämda regler. Regelbundna DRC-kontroller är avgörande för att säkerställa designkvaliteten.
5. Komplett tillverknings- och testprocess för PCB
5.1 Översikt över tillverkningsprocessen för PCB
Tillverkningsprocessen för mönsterkort omfattar materialberedning, mönsteröverföring, kemisk etsning, mekanisk borrning, plätering, tryckning av lödmask, ytbehandling och andra steg. Varje steg kräver strikt kontroll av processparametrarna för att säkerställa slutproduktens kvalitet.
5.2 Viktiga tillverkningsprocesser
- Val av substrat: Välj FR-4, högfrekventa material etc., baserat på applikationskrav
- Mönsterbildning: Skapa kretsmönster genom fotolitografi
- Lamineringsprocess: Flerskiktsskivor som pressas för att bilda en komplett struktur
- Ytbehandling: Skydda plattorna med processer som guldimmersion, HASL, OSP etc.
5.3 Testmetoder för PCB
- Test med flygande sond: Lämplig för testning av prototyper i små serier
- Test av spikar i säng: Lämplig för testning av massproduktion
- AOI Inspektion: Automatiserad optisk inspektion för ytdefekter
- Röntgeninspektion: Kontrollera dolda lödfogar som BGA
6. Designoptimering och lösning av gemensamma problem
6.1 Optimering av signalintegritet
PCB med hög hastighet kräver särskild uppmärksamhet på signalintegritetsfrågor, inklusive signalreflektion, överhörning och timingproblem. Signalkvaliteten kan effektivt förbättras genom termineringsmatchning, rimlig stackupdesign och impedansreglering.
6.2 Design av kraftintegritet
Utformningen av kraftdistributionsnätet är avgörande för kretsstabiliteten. Använd tillräckligt med frikopplingskondensatorer, utforma strömvägar med låg impedans och undvik att strömstörningar påverkar känsliga kretsar.
6.3 Strategier för termisk hantering
- Termisk analys: Utföra termisk simuleringsanalys under konstruktionsfasen
- Design för värmeavledning: Använd termiska vior och kylflänsar för att förbättra avledningen
- Optimering av layouten: Distribuera värmealstrande komponenter bort från värmekänsliga komponenter
7. Introduktion till professionella tjänster för PCB-design
I komplexa PCB-designprojekt kan professionella designtjänster ge värdefullt tekniskt stöd. Topfast, som är en professionell leverantör av elektroniska ingenjörstjänster, har lång erfarenhet av mönsterkortsdesign och kan erbjuda kunderna heltäckande lösningar från koncept till färdig produkt.
Topfasts professionella team är kunniga inom olika PCB-designtekniker, inklusive höghastighets digitala kretsar, analoga kretsar och RF-kretsar, och är bekanta med olika EDA-verktyg och designprocesser. Vi fokuserar på att balansera designkvalitet och tillverkningsbarhet för att säkerställa att kunderna får konstruktioner som uppfyller både prestandakrav och produktionsmöjligheter.
Våra tjänster omfattar:
- Komplex PCB-layout och routing-design
- Analys av signalintegritet och effektintegritet
- Konstruktion och optimering av EMC/EMI
- Designgranskning och teknisk support
- Snabb prototypframtagning och testning
Genom att samarbeta med Topfast kan kunderna förkorta produktutvecklingscyklerna, minska de tekniska riskerna och förbättra produkternas konkurrenskraft. Oavsett om det gäller konsumentelektronik, industriell styrutrustning eller kommunikationssystem kan vi erbjuda professionella och tillförlitliga tjänster för mönsterkortsdesign.
Slutsats
Kretskortsdesign är en blandning av teknik och konst. Konstruktörerna måste hitta den bästa balansen mellan elektrisk prestanda, mekanisk struktur, värmehantering och hur mycket det kostar att tillverka korten. I takt med att den elektroniska tekniken blir allt bättre kommer mönsterkortsdesignen att möta både utmaningar och möjligheter. För att bli en framgångsrik mönsterkortsdesigner måste du lära dig grunderna väl, följa den vetenskapliga designprocessen och fortsätta att lära dig ny teknik.