نکات طراحی PCB

راهنمای عمومی طراحی PCB

آلبورگ  ، خدمات متنوعی در زمینه تولید محصولات الکترونیکی ارائه می ­نمایی طراحی PCBمدار چاپی  یکی از مراحل مهم در توسعه محصولات الکترونیکی است. در این راهنما، فرآیند طراحی PCB از ابتدا تا انتها بررسی شده و به نکات کلیدی برای بهینه‌سازی طرح اشاره می‌شود.

روند کلی طراحی مدار چاپی

روند کلی طراحی مدار چاپی را نمایش می‌دهد. این روند شامل مراحل زیر است:

1. تعیین نیازمندی‌ها و مشخصات برد
2. انتخاب ابزار طراحی مانند Altium یا Zuken
3. ایجاد شماتیک مدار
4. تعیین لیست قطعات (BOM)
5. جایابی قطعات
6. مسیریابی (Routing)
7. بررسی نویز و تداخل سیگنالی
8. ارزیابی حرارتی و مکانیکی
9. تست و خطایابی نهایی

لیست قطعات (BOM)

لیست قطعات شامل اطلاعات زیر برای هر قطعه می‌باشد:

• نام قطعه
• شماره فنی
• مقدار و واحد اندازه‌گیری
• نوع بسته‌بندی
• تولیدکننده و شماره مدل

جایابی قطعات

در جایابی قطعات (Placement)، موارد زیر باید در نظر گرفته شود:

• قرار دادن قطعات حساس در نزدیکی هم
• رعایت فاصله مناسب برای کاهش تداخل
• مسیرهای تغذیه و سیگنال با حداقل پیچیدگی
• کاهش اثرات گرمایی با جایابی مناسب قطعات پرمصرف

برنامه ­ریزی برای طراحی

– معمولا یک طراحی مدار چاپی با احساس نیاز برای یک محصول شروع می­ شود و تا زمان تست نهایی محصول این پروسه ادامه خواهد داشت. شکل زیر روند کلی طراحی PCB را نشان می­ دهد.

روند کلی طراحی مدار چاپی

لایه‌های طراحی PCB

PCB‌ها می‌توانند از یک لایه تا چندین لایه (Multilayer) متغیر باشند. انتخاب تعداد لایه‌ها به پیچیدگی مدار بستگی دارد.

– طراحی PCB  و مسیریابی یک روند تکراری است. ممکن است چندین بار طرح خود را تغییر دهید تا به طرح بهینه برسید. دانش و تجربه الکترونیکی در کنار هنر، خلاقیت و شکیبایی، راهگشا خواهد بود.

جایابی قطعات

– معمولا اولین مرحله طراحی، جایابی قطعات است. قبل از مسیرکشی، باید زمانی صرف جایابی مناسب قطعات شود. سعی شود تا تجهیزات به صورت ماژولار و مجزا جایابی گردند. شکل زیر دو نمونه از جایابی را نشان می­ دهد.

– بهتر است که ابتدا مکان کانکتور­ها مطابق با نیازمندی­ های طرح، تعیین گردد.

سپس مدارات با اولویت بالاتر طراحی، نظیر مدارات سرعت بالا USB طراحی گردند تا از بهینه بودن جایابی آنها اطمینان حاصل گردد.

قطعات مرتبط (مانند مدارات تغذیه) بایستی تا حد امکان نزدیک به هم پیاده­ سازی گردند.

معمولا قطعات پردازنده نظیر میکروکنترلرها را وسط برد در نظر می­ گیرند تا به راحتی به ابزار جانبی دسترسی مسیرکشی شوند.

– دقت کنید که از دیتاشیت های به روز شده استفاده شود. دیتاشیت­ ها معمولا در نگاه اول طولانی و پیچیده به نظر می ­رسند

اما آن­ ها حاوی اطلاعات مهمی برای طراحی PCB  می ­باشند.

به طور مثال دیتاشیت­ ها می ­توانند به مهندسان در پیدا کردن  pad layout مناسب برای یک قطعه کمک کنند.

متخصصان در هنگام طراحی PCB

از دیتاشیت برای چک کردن ابعاد قطعه، پلاریته آن، تعیین مکان پین شماره 1 و یا به عنوان نمونه بازبینی اطلاعات مربوط به لحیم کردن قطعه استفاده می­ کنند.

– همواره اسمبل کردن برد را مدنظر قرار دهید. قطعاتی که اندازه نیستند یکی از رایج ­ترین مشکلاتی هستند که در هنگام اسمبل کردن با آن برخورد می­ شود.

جهت قرار گرفتن قطعات نیز از دیگر مشکلات رایج است. از فوت پرینت توصیه شده توسط سازندگان پیروی کنید. اندازه فوت پرینت برای هر کامپوننت به روش لحیم کاری نیز بستگی دارد

و باید بین 3 تا 20 میل بزرگتر از پایه های کامپوننت باشد. (10 میل (mil) برابر با 0.254 میلی متر (mm) می باشد.)

– در بسته هایی مانند BGA ها و QFN ها که تمام پایه ها در زیر قرار دارند استفاده از اشعه ایکس لازم می ­باشد.

در نتیجه هزینه تولید اندکی افزایش می یابد. اجزایی که SMD نمی باشند معمولا با دست لحیم می ­شوند.

بنابراین بهتر است برای کاهش هزینه ها در صورت امکان از قطعات SMD استفاده کنید.

– نازکی برد باید متناسب با اندازه و تعداد کامپوننت ها باشد. چرا که برد های بسیار نازک منجر به  خمیدگی برد می شود.

لایه ها ی طراحی PCB

–  تعداد لایه ها با توجه به سطوح پاور و پیچیدگی برد انتخاب می­شوند. لایه­ها به صورت جفت اضافه می­ شوند.

برد­های معمولی 2 یا 4 لایه می باشند و قطر سوراخ­های دریل آنها 10 میل یا بیشتر می­باشد.

حداقل فاصله هوایی (air gap) و پهنای مسیر 5 میل دارند و معمولا از FR4 با کلفتی 0.062  اینچ یا 1.5748 میلی متر استفاده می­کنند.

اگر تعداد لایه ها بیشتر از 4 باشد یا برد­های نازک­تر یا کلفت­تری نیاز داشته باشیم هزینه های تولید بیشتر می­شوند.

وجود وایا های درون پد (back-filled vias) یا وایا های مدفون یا کور نیز همه و همه به هزینه­ های تولید می افزایند.

مسیریابی (ROUTING)

• استفاده از مسیرهای کوتاه و مستقیم برای کاهش تأخیر و نویز
• رعایت حداقل فاصله بین مسیرها
• جلوگیری از استفاده از زوایای 90 درجه در مسیرکشی
• بهینه‌سازی مسیر برگشت جریان برای کاهش نویز

سرعت الگویابی در مسیر کشی

– اولویت های مسیریابی باید بر پایه سطوح پاور، نویز و … باشد.

برای کاهش هزینه ­ها تا جایی که امکان دارد مدارات چاپی را ساده طراحی نمایید، تا با ساده­ ترین تکنولوژی ممکن قابل تولید باشد.

برای این منظور، مسیرها باید 10 میل یا بیشتر از لبه برد فاصله داشته باشند. فاصله بین دو مسیر که در واقع فاصله بین مراکز دو مسیر می ­باشد باید 10 میل یا بیشتر باشد.

  سمت چپ زاویه 90 درجه- سمت راست زاویه روش درست

– بهتر است که به جای استفاده از autoroute ، به طور دستی مسیریابی (routing) را انجام دهید. فرکانس ­های بالا (بزرگتر از 3MHz) و سیگنال ­هایی که با سرعت بالا تغییر می ­کنند

باید با دقت بیشتری مسیریابی شوند. زمانی که با مدار­های فرکانس بالا سروکار داریم طول مسیر­ها باید تا حد ممکن کوتاه باشد. کوتاه بودن طول مسیر­ها به کاهش اثرات پارازیتی کمک می­ کند.

– به طور معمول طراحان برد نیاز دارند که قسمت­ هایی از سطح برد را با مس بپوشانند که به طور مثال این کار در آلتیوم با استفاده از Fills ، Solid Regions و  Polygon Pours صورت می­ گیرد.

اما برای جلوگیری از خمیدگی برد باید مس ­ها به طور متقارن بر روی برد پخش شوند.

– نواحی کوچک غیر متصل مسی یا شبکه ­های مس باریک که ممکن است فرایند ساخت را دچار مشکل کند،

در صورتیکه نیاز زیادی به آنها نیست، نباید استفاده شوند.

حریم برد (Outline)

– بهتر است رئوس برد (PCB Outline) مشخص گردد. برای این منظور می ­توان با استفاده از خط خیلی نازک معمولا 0.05 میلیمتری (20 mil) که مرکز آن بر مرز برد قرار دارد اینکار را انجام داد. این خطوط در فرایند ساخت درنظر گرفته نمی ­شود.

تداخل  (Crosstalk) و نویز

مسیرهای سیگنالی و زمین مربوطه حاوی جریان­ های متغیر با زمانی است که منجر به ایجاد میدان مغناطیسی می ­گردند. این میدان مغناطیسی ممکن است باعث ایجاد نویز در اجزای نزدیک به این مسیر گردند.

  طراحی PCB :تداخل در مسیرهای حاوی جریان متغیر با زمان

یکی از روش­ های مقابله با این مشکل قرار دادن مسیر برگشت سیگنال و یا سیگنال زمین نزدیک مسیر حامل جریان متغیر است.

  قرار دادن مسیر برگشت نزدیک مسیر ایجاد کننده میدان مغناطیسی

– نویز الکتریکی نیز از دیگر ملاحظات ضروری در هنگام قرار دادن کامپوننت­ ها می باشد. سیگنال­ های حساس باید در برابر منابع نویز از طریق صفحات (plane) محافظت شوند.

برای عملکرد درست برد­های سرعت بالا فاکتور­هایی مانند تولید نویز، انعکاس سیگنال و تداخل (crosstalk) باید در نظر گرفته شود. بسیاری از وسایل قابل حمل امروزی که دارای برد هایی با ابعاد کوچک می باشند

از ارتباطات با سرعت بالا استفاده می کنند.

این سیگنال های سرعت بالا باید بر روی برد به خوبی مسیریابی شوند تا بتوان تداخل (crosstalk) را به حداقل رساند.

به طور مثال تداخل زمانی کمتر می شود که فاصله بین سیگنال ها افزایش می یابد. اما ایجاد این فاصله ها در برد های کوچک مشکل می باشد.

حریم برد (Outline) و تداخل (Crosstalk)

رعایت حریم برد و فاصله بین مسیرها موجب کاهش نویز و جلوگیری از تداخل سیگنال‌ها می‌شود.

مدیریت گرما

در طراحی PCB باید موارد زیر رعایت شود:

• استفاده از وایاهای حرارتی
• افزایش سطح مسی برای خنک‌سازی
• استفاده از هیت‌سینک در قطعات پرتوان

وایا (VIA)

وایا برای اتصال لایه‌های مختلف برد استفاده می‌شود. شکل 7 تأثیر استفاده نادرست از وایا روی پد را نمایش می‌دهد.

.

وایای روی پد موجب جداشدن لحیم از پد می­ شوند.

– ممکن است که طراح نیاز به استفاده از این نوع وایا داشته باشد. به طور مثال ممکن است که فضای کافی روی برد وجود نداشته باشد و یا اینکه برای دفع گرما به وایای درون پد نیاز داشته باشد.

وایا درون پد باید طراحی مناسبی داشته باشد. به طور مثال اگر می خواهید که وایا را درون پد قرار دهید وایا نباید باز باشد و باید با مس پوشیده شود.

که این روش تولید برد را بسیار هزینه بر می کند. بهترین روش برای وایا های درون پد های BGA پر کردن آن ها می باشد. پیشنهاد می شود که در مورد این وایا ها با سازندگان برد مشورت کنید.

پوشاندن سطح وایای روی پد

لایه Silkscreen

این لایه شامل اطلاعات متنی و گرافیکی مانند نام قطعات و راهنمای مونتاژ است.

پنلایز کردن (Panelization)

برای تولید انبوه، چندین برد روی یک پنل طراحی می‌شوند تا فرآیند تولید بهینه شود.

مارکینگ های silkscreen

معمولا بر روی برد استفاده می شوند و نوع قطعه، پلاریته ها، نقاط تست، شماره قطعات،

اطلاعات برد و غیره را بر روی سطح برد مشخص می سازند. مشخص بودن مارکینگ های silkscreen برد به طور مثال پلاریته دیود های smd بسیار مهم است.

طراحی بردهای RF

• استفاده از خطوط انتقال مناسب (Microstrip، Stripline)
• رعایت فاصله مناسب بین مسیرهای RF و سیگنال‌های دیجیتال
• مدیریت بازگشت جریان برای کاهش نویز

.

جایابی ماژول­ های مختلف در طراحی PCB 

– طول خطوط حامل سیگنال­ های RF و مایکروویو از اهمیت بالایی برخوردار است.

این طول حداکثر باید 20/1 طول موج باشد تا از دست رفتگی رخ ندهد. برای نمونه برای یک سیگنال 433 مگا هرتزی:

***اگر طول بیشتری نیاز باشد باید تطبیق امپدانسی با سلف و خازن در انتهای خط اعمال شود

– اگر از PCB چند لایه استفاده می­کنید، خطوط کوتاه RF را در لایه بالا (top layer) بکشید. برای کاهش نویز،

خطوط توان را بین دولایه زمین بکشید. حتما باید یک لایه زمین زیر لایه­ای که شامل خطوط سیگنال RF است استفاده گردد.

– خطوط سیگنالی RF را کاملا جداگانه رسم کنید. اگر آنها مجاور هم هستند، ممکن است تداخل فرکانسی (crosstalk) اتفاق بیفتد

– از حداقل تعداد وایا در سطح RF استفاده نمایید.

– پین­ های زمین تراشه­ های RF را با استفاده از وایا به صفحه زمین متصل کنید و تا جای ممکن سعی نمایید این اتصال کوتاه باشد.

می­ توان از چندید وایا استفاده نمود تا از تاثیرات ناخواسته زمین جلوگیری گردد.

– هنگامیکه تمام لایه­ ها را تمام نمودید، فضاهای خالی را با مس که به زمین متصل است پر نمایید.

وایاهایی که به لایه زمین متصل است را با فاصله λ/20 از یکدیگر قرار دهید.****

– رسم مناسب گوشه ­ها به صورت زیر است:

استفاده از زوایای گوشه درست در طرح مدار چاپی برد RF

– گره­ ها T شکل باید مطابق شکل زیر باشند:

 گره­ های T شکل در مسیرکشی طراحی PCB  

– ولتاژ تغذیه را دکوپله نمایید. یک مثال مداری و طرح مدار چاپی آن به صورت زیر است: خازن با کمترین ظرفیت نزدیک به IC قرار می­ گیرد.

– کویل ­ها مولد میدان مغناطیسی قوی هستند، آنها را کاملا جدا از یکدیگر جانمایی نمایید تا از اثر متقابل با هم جلوگیری شود.

خطایابی قبل از چاپ

قبل از ارسال برد به تولید، بررسی خطاها (DRC) و تست‌های الکتریکی (ERC) انجام می‌شود.

فرمت داده مورد قبول

فرمت‌های متداول برای ارسال فایل‌های تولید شامل Gerber، ODB++ و IPC-2581 هستند.

کلاس مدارچاپی و سطح تکنولوژی

بسته به پیچیدگی طراحی، بردهای PCB در کلاس‌های مختلفی قرار می‌گیرند. انتخاب کلاس مناسب باعث بهینه‌سازی هزینه و کیفیت تولید می‌شود.

نتیجه‌گیری

طراحی PCB نیازمند رعایت نکات فنی متعددی است که تأثیر مستقیمی بر عملکرد و قابلیت تولید برد دارد. با رعایت اصول جایابی، مسیریابی، مدیریت نویز و گرما، می‌توان یک PCB با کیفیت و کارایی بالا طراحی کرد.

فرمت داده مورد قبول

فرمت ­های مورد قبول برای تولید مدارچاپی عبارتند از:

• فایل گربر gerber
• فایل .pcb
• فایل .pcbdoc
• فایل .cam

رعایت نکات زیر در فایل ارسالی ضروری است:

• فرمت استاندارد برای سازندگان مدارات چاپی ، فایل گربر است. برای تهیه فایل گربر می ­توانید به آموزش ­های وبسایت مراجعه نمایید.
• فایل­ های با مقیاس واقعی ارسال کنید و از تغییر مقیاس بپرهیزید.
• در نامگذاری فایل­ ها، از حروف انگلیسی استفاده نمایید.

همچنین برای مونتاژ و خدمات PCBA فایل سوراخکاری مورد نیاز است، که همراه با فایل گربر باید تهیه گردد.

کلاس مدارچاپی- سطح تکنولوژی موردنیاز

خصوصیات طرح مدار چاپی باید به گونه ­ای باشد که قابلیت تولید داشته باشد.

موارد زیر تعیین کننده سطح تکنولوژی ساخت مدار چاپی است.

• کمتر عرض مسیرهای مسی و فاصله بین آنها برای کلیه لایه ­های داخلی و خارجی.
• کمترین فاصله بین سوراخ ­های مس اندود و سطح مس در لایه ­های درونی و بیرونی.
• کم قطر حلقه­ های مسی(فاصله بین مس و سایز سوراخ) در لایه درونی و بیرونی.
• ویژگی سوراخ (کمترین اندازه و فرایند تولید متناظر با آن)
• دقت مورد نیاز برای سوراخ­ ها
• ویژگی چاپ محافظ(فاصله، کمترین اندازه خط، قرار گیری روی سوراخ و …)
• نیازمندی­ های مکانیکال

کمترین یا بیشترین مقادیر این خصوصیات، تعیین کننده کلاس تولید مدار چاپی است. در نرم­افزار آلتیوم از طریق منوی Reports و سپس زیر منوی Board Information، میتوان خصوصیات برد طراحی شده را استخراج نمود.

کادری باز می ­شود که مشخصات کلی طراحی PCB ،برد را نشان می ­دهد. برای اطلاعات جزئی ­تر، گزینه Reports را کلیک نمایید:

در کادر باز شده می ­توانید موارد موردنیاز را تیک بزنید و گزینه Report را کلیک نمایید.

در تب باز شده که مطابق موارد تیک زده شده خصوصیات برد را نشان می ­دهد. به عنوان مثال در تصویر زیر دو اندازه مختلف برای مسیرها وجود دارد و تعداد بکاررفته از هر مورد نیز ذکر شده است.

شرکت آلبورگ  محصولات خود را در سه کلاس تکنولوژی ارائه نموده است. مدارات چاپی معمولی که کم هزینه ­ترین تکنولوژی است عموما از ماده   FR4 استفاده می­ کند، که نوعی ماده کامپوزیتی متشکل از پشم شیشه و رزین اپوکسی است و مرسوم ­ترین ماده پایه و لایه نارسانا در ساختار طراحی PCB  است. در صورتیکه تجهیزات با تولید حرارتی بالایی در طرح مدار چاپی موجود باشد، استفاده از بردهای یکروی آلومینیومی می ­تواند به عنوان گزینه جایگزین برای بردهای با ماده پایه FR4 مطرح گردد.  آلبورگ  این بردها را به صورت ویژه تولید می­ نماید.