PCB-suunnittelun tärkeimmät kohdat

PCB-suunnittelu on elektroniikkatuotteiden perusta. Piirilevyn laatu vaikuttaa suoraan siihen, kuinka hyvin laite toimii, kuinka luotettava se on ja kuinka paljon sen tuottaminen maksaa. Suunnittelussa on useita tärkeitä osia painetut piirilevyt (PCB). Tähän kuuluu asettelun suunnittelu, reititysstrategioiden päättäminen ja sen varmistaminen, että virta ja signaali ovat kunnossa. Myös valmistusprosessin vaatimukset ovat tärkeitä.

1. PCB-asettelun suunnittelu

PCB-layout on suunnittelun ensisijainen vaihe, jossa komponenttien oikea sijoittelu optimoi signaalivirran, vähentää häiriöitä ja parantaa lämpötehokkuutta.

1.1 Toiminnallinen osioinnin ja eristämisen suunnittelu

• Analoginen/digitaalinen/RF-alueen eristys: Saavutetaan fyysisellä etäisyydellä (≥5mm) ja maatason erottelulla.
• Suurjännite- ja pienjännitealuejako: Tehomuuntomoduulien etäisyys herkistä signaaleista on säilytettävä 10-15 mm.
• Lämpöherkkien komponenttien sijoittaminen: BGA-kotelot vaativat 5 mm:n suojavyöhykkeen; lämpöä tuottavien komponenttien (esim. teho-MOSFETit) tulisi olla lähellä levyn reunoja.

1.2 Mekaaniset ja termiset suunnittelustandardit

• Koordinaattijärjestelmän asennus: Alkukohta kulman kiinnitysreikien keskipisteessä (±0,05 mm tarkkuus).
• Lämmönhallinnan suunnittelu:
• Luonnollinen konvektioasettelu: Korkean lämpötilan komponentit piirilevyn yläosassa
• Pakotettu ilmajäähdytys: Komponentit kohdistetaan ilmavirran suuntaan
• Rakenteellinen yhteensopivuus: Liittimien on oltava linjassa kotelon aukkojen kanssa (±0,2 mm:n toleranssi).

2. High-Speed PCB Reititysstrategiat

2.1 Reitityksen perusperiaatteet

• 3W sääntö: Jäljen väli ≥3× jäljen leveys (esim. 15mil väli 5mil leveydelle).
• Ortogonaalisen kerroksen reititys: Vierekkäiset signaalikerrokset käyttävät kohtisuoraa reititystä (0°/90° risteys).
• Optimoinnin kautta: Suurnopeussignaalit, jotka vaihtavat kerrosta, vaativat vierekkäisiä maadoitettuja paluukujia (väli ≤λ/10).

2.2 Erikoissignaalien käsittely

3. Tehon eheyden suunnittelu

3.1 Monikerroksisen piirilevyn tehoarkkitehtuuri

• Tason segmentointi:
• Digitaalinen (1,2V/1,8V) ja analoginen virraneristys.
• 20H-sääntö: Dielektrinen paksuus maasta 20×.
• Decoupling-kondensaattorin sijoittaminen:
• Bulk-kondensaattorit (10μF) tehonsyötöissä
• Pienet kondensaattorit (0,1μF) lähellä IC-nastoja (≤3mm).

3.2 Jännitteen muuntamisen suunnittelu

• DC-DC-asettelun perusteet:
• Induktorin ja kytkimen välinen etäisyys ≤5mm
• Takaisinkytkentäjäljet ohjataan poispäin melulähteistä
• Ripple Control:
• Kuorman siirtymävaste ΔV<2%
• ≥40dB kohinanvaimennus @100MHz

4. Kehittynyt signaalin eheyden optimointi

4.1 Siirtojohdon valvonta

• Impedanssin sovituksen laskeminen:

  Mikroliuskaimpedanssin kaava:  
  Z0 = [87/sqrt(εr+1.41)] * ln[5.98h/(0.8w+t)]  

• Lopettamisstrategiat:
• Lähdesarjan terminointi (22-33Ω)
• Pääteparalleliitäntä (50Ω maahan)

4.2 Ristikkäisviestien lieventämistekniikat

• 3D-välien säännöt:
• Saman kerroksen väli ≥3H (H = korkeus vertailutasoon nähden).
• Liittymäkerroksen porrastettu reititys
• Suojausmenetelmät:
• 1 maadoitusjälki jokaista 5 nopeaa signaalia kohti
• Kriittiset signaalit nauhakokoonpanossa

5. DFM (Design for Manufacturing) -standardit

5.1 Prosessikapasiteetin parametrit

5.2 Erityisrakenteiden suunnittelu

• Thermal Via Arrays: 0,3 mm halkaisija, 0,6 mm jako
• Kuparin tasapainottaminen: <30% kuparin pinta-alaero per puoli
• Panelointi suunnittelu: V-leikkauslinjat, joilla vältetään tiheät reititysalueet.

6. Suunnittelun todentamisprosessi

6.1 Tuotantoa edeltävä tarkistuslista

1. Sähköinen sääntötarkastus (ERC): Auki/lyhyt-tarkastus
2. Suunnittelusääntöjen tarkistus (DRC): 300+ prosessisääntöä
3. Signaalin eheyden simulointi: >15%.
4. Lämpöanalyysi: <80%-luokitus.