แผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นรากฐานด้านโครงสร้างและไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกชนิด เป็นกระดานแบน โดยทั่วไปทำจากอีพ็อกซี่ลามิเนตเสริมแก้ว FR-4 ซึ่งรองรับกลไกและเชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ทางไฟฟ้าผ่านเครือข่ายของร่องรอยทองแดงที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า แผ่น และจุดผ่านที่แกะสลักหรือสะสมบนพื้นผิวและชั้นใน หากไม่มี PCB อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่อย่างที่เราทราบคงเป็นไปไม่ได้ : แทนที่การเดินสายแบบจุดต่อจุดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยุคแรกๆ ด้วยโครงสร้างที่กะทัดรัด ทำซ้ำได้ และผลิตได้
PCB ทำหน้าที่พื้นฐานสามประการพร้อมกัน ประการแรก เป็นแพลตฟอร์มทางกายภาพสำหรับติดตั้งและบัดกรีส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ วงจรรวม ขั้วต่อ และชิ้นส่วนอื่นๆ อีกหลายร้อยชิ้น ประการที่สอง มันสร้างทางเดินไฟฟ้าที่ช่วยให้สัญญาณและพลังงานเดินทางระหว่างส่วนประกอบเหล่านั้นได้อย่างแม่นยำ ประการที่สาม ดำเนินการกำหนดเส้นทางนี้ในรูปแบบที่สามารถผลิตได้จำนวนมากโดยมีคุณภาพสม่ำเสมอในวงกว้าง ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคที่จัดส่งเป็นพันล้านไปจนถึงฮาร์ดแวร์การบินและอวกาศที่ผลิตในหน่วยเดียว
PCB ถูกแบ่งประเภทตามจำนวนชั้นและการก่อสร้าง บอร์ดชั้นเดียวมีรอยด้านหนึ่งและพบได้ทั่วไปในสินค้าอุปโภคบริโภคราคาประหยัด บอร์ดสองด้านใช้ทั้งสองพื้นผิว PCB หลายชั้น — โดยทั่วไปแล้วจะมีเลเยอร์ 4, 6, 8 หรือสูงกว่า — เป็นมาตรฐานในการใช้งานใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับการจัดวางส่วนประกอบที่หนาแน่น อิมพีแดนซ์แบบควบคุม ระนาบความสมบูรณ์ของกำลัง หรือสัญญาณดิจิทัลความเร็วสูง บอร์ดเชื่อมต่อระหว่างกันความหนาแน่นสูง (HDI) ก้าวไปอีกขั้นโดยใช้คุณสมบัติ microvias และระยะพิทช์ที่ละเอียดเพื่อบรรจุวงจรมากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็กลง ดังที่เห็นในสมาร์ทโฟนและอุปกรณ์สวมใส่
นอกเหนือจากโครงสร้าง FR-4 ที่มีความแข็งแกร่งมาตรฐานแล้ว PCB ที่ยืดหยุ่น (วงจรเฟล็กซ์) ยังใช้ซับสเตรตโพลีอิไมด์เพื่อให้สามารถดัดงอและพับเป็นรูปทรงสามมิติได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ การเดินสายไฟในการบินและอวกาศ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคขนาดกะทัดรัด บอร์ด Rigid-flex รวมเทคโนโลยีทั้งสองไว้ในชุดเดียว ช่วยลดการเชื่อมต่อ และลดน้ำหนักและจุดเสียหายในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูง
การบันทึกแผนผังเป็นจุดเริ่มต้นของการออกแบบ PCB โดยจะกำหนดการเชื่อมต่อแบบลอจิคัลระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ก่อนที่เค้าโครงทางกายภาพใดๆ จะเริ่มต้นขึ้น จากนั้นจะใช้แผนผังเพื่อสร้าง netlist ที่ขับเคลื่อนเครื่องมือเค้าโครง PCB การเลือกซอฟต์แวร์ EDA (การออกแบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์) ที่เหมาะสมไม่เพียงส่งผลต่อประสบการณ์การออกแบบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลลัพธ์ของ DFM (การออกแบบเพื่อความสามารถในการผลิต) เวิร์กโฟลว์การทำงานร่วมกัน และเอกสารประกอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้วย
แพลตฟอร์มหลักในการออกแบบ PCB ระดับมืออาชีพ ได้แก่:
ไม่ว่าจะเลือกใช้เครื่องมือแบบใด แผนผังจะต้องมีค่าส่วนประกอบที่สมบูรณ์และถูกต้อง ตัวระบุอ้างอิง และการกำหนดพิน — ข้อผิดพลาดในแผนผังเผยแพร่โดยตรงไปยังบอร์ดที่ผลิต . ขั้นตอนการทำงานแบบมืออาชีพส่วนใหญ่จะบังคับใช้การตรวจสอบแผนผังอย่างเป็นทางการกับข้อกำหนดการออกแบบก่อนที่จะเริ่มเค้าโครง
IPC (เดิมชื่อ Institute for Printing Circuits ปัจจุบันเรียกง่ายๆ ว่า IPC — Association Connecting Electronics Industries) เผยแพร่มาตรฐานที่ได้รับการยอมรับทั่วโลกซึ่งควบคุมการออกแบบ PCB การผลิต การประกอบ และการตรวจสอบ การปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC ไม่ใช่ทางเลือกในอุตสาหกรรมที่เป็นมืออาชีพและได้รับการควบคุมส่วนใหญ่ — เป็นข้อกำหนดตามสัญญาโดย OEM, กองกำลังป้องกัน และผู้ผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ และได้รับการตรวจสอบบ่อยครั้ง
| มาตรฐานไอพีซี | ขอบเขต | นำไปใช้กับ |
|---|---|---|
| ไอพีซี-2221 | มาตรฐานการออกแบบ PCB ทั่วไป — ความกว้างของรอยเส้น ระยะห่าง ขนาดรู การลดความร้อน | นักออกแบบ PCB ทุกคน |
| ไอพีซี-2222/2223 | ข้อกำหนดการออกแบบหน้าตัดของบอร์ดที่เข้มงวดและยืดหยุ่น | วิศวกรโครงร่าง PCB แบบแข็งและยืดหยุ่น |
| ไอพีซี-A-600 | การยอมรับบอร์ดพิมพ์ — เกณฑ์การตรวจสอบด้วยภาพและไมโครเซ็กชัน | ผู้ผลิตและทีมตรวจสอบที่เข้ามา |
| ไอพีซี-A-610 | การยอมรับของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ — คุณภาพข้อต่อประสาน, การจัดวางส่วนประกอบ | พีซีบีA assemblers and quality inspectors |
| ไอพีซี-7711/21 | การทำงานซ้ำ การดัดแปลง และการซ่อมแซมชุดประกอบอิเล็กทรอนิกส์ | ช่างซ่อมและปฏิบัติการ MRO |
| ไอพีซี J-STD-001 | ข้อกำหนดสำหรับการบัดกรีส่วนประกอบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ | การดำเนินการ SMT และการประกอบผ่านรู |
IPC-A-610 และ J-STD-001 กำหนดประเภทผลิตภัณฑ์สามประเภท ได้แก่ คลาส 1 (อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป), คลาส 2 (อิเล็กทรอนิกส์สำหรับบริการเฉพาะ) และคลาส 3 (ความน่าเชื่อถือสูง รวมถึงการทหารและการแพทย์) คลาส 3 กำหนดข้อกำหนดการบัดกรี ความสะอาด และฝีมือการผลิตที่เข้มงวดที่สุด และเรียกร้องให้ผู้ปฏิบัติงานและผู้ตรวจสอบ IPC ที่ได้รับการรับรอง (CIS/CIT) ในพื้นที่การผลิต การระบุประเภทที่ไม่ถูกต้อง — หรือไม่ระบุเลย — เป็นสาเหตุให้เกิดความขัดแย้งด้านคุณภาพระหว่างผู้ซื้อและผู้ผลิตตามสัญญา
ความสมบูรณ์ของสัญญาณ (SI) หมายถึงคุณภาพของสัญญาณไฟฟ้าขณะเคลื่อนที่ผ่าน PCB โดยเฉพาะว่าสัญญาณจะมาถึงปลายทางด้วยแอมพลิจูดที่เพียงพอ ความแม่นยำของจังหวะเวลา และรูปร่างที่อุปกรณ์รับจะตีความได้อย่างถูกต้องหรือไม่ เนื่องจากความเร็วสัญญาณนาฬิกาและอัตราข้อมูลเพิ่มขึ้นในช่วงกิกะเฮิรตซ์ ความสมบูรณ์ของสัญญาณได้เปลี่ยนจากข้อกังวลเฉพาะกลุ่มไปสู่หลักการออกแบบกระแสหลัก บอร์ดที่ผ่าน DRC และดูเค้าโครงที่ถูกต้องยังคงไม่ผ่านการทดสอบการทำงานเนื่องจากปัญหา SI ที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า
ปัญหาความสมบูรณ์ของสัญญาณที่พบบ่อยที่สุดและการบรรเทาปัญหาระดับการออกแบบ ได้แก่:
การจำลองก่อนเลย์เอาท์ (โดยใช้โมเดล IBIS และเครื่องคำนวณสายส่ง) และการแยกหลังเลย์เอาต์ (โดยใช้ตัวแก้ปัญหาสนามแม่เหล็กไฟฟ้า 3 มิติ เช่น Ansys HFSS หรือ Cadence Sigrity) เป็นวิธีปฏิบัติมาตรฐานบนบอร์ดความเร็วสูง ที่อัตราข้อมูลสูงกว่า 10 Gbps การวิเคราะห์ SI ไม่ใช่ขั้นตอนการตรวจสอบหลังการออกแบบ แต่เป็นข้อมูลป้อนเข้าสู่กลยุทธ์การซ้อนและการกำหนดเส้นทางตั้งแต่วันแรก
การประกอบ PCB ที่ตอบสนองอย่างรวดเร็ว — จัดส่งบอร์ดใช้งานได้ภายใน 24 ชั่วโมงถึง 5 วัน แทนที่จะเป็น 10–15 วันทำการมาตรฐาน — ได้กลายเป็นสิ่งที่สร้างความแตกต่างในการแข่งขันระหว่างผู้ผลิตตามสัญญา (CM) ที่ให้บริการการสร้างต้นแบบ, NPI และข้อกำหนดการผลิตเร่งด่วน การทำความเข้าใจว่าอะไรเป็นตัวขับเคลื่อนระยะเวลารอคอยในการประกอบช่วยให้ผู้ซื้อตัดสินใจได้อย่างชาญฉลาดยิ่งขึ้น แทนที่จะจ่ายอัตราเบี้ยประกันภัยสำหรับบริการที่อาจไม่ได้ผลลัพธ์ที่รวดเร็วกว่า
ปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดระยะเวลาในการประกอบ ได้แก่:
โดยทั่วไปแล้ว CM ที่นำเสนอการประกอบของแท้ตลอด 24 ชั่วโมงจะรักษารายการสินค้าฝากขายของพาสซีฟทั่วไป (ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ 0402/0603 ในซีรีส์ E24/E96) ใช้งานสาย SMT แบบดับเบิ้ลชิฟต์ และมีทีมวิศวกรที่พร้อมให้ความช่วยเหลือเพื่อแก้ไขข้อสอบถาม DFM โดยไม่มีปัญหาคอขวดในเวลาทำการ สำหรับปริมาณการผลิต ความสามารถในการหมุนเร็วอย่างแท้จริงจำเป็นต้องมีการวางตำแหน่งวัสดุล่วงหน้าและการกำหนดเวลาเครื่องจักรล่วงหน้า งานเร่งด่วนเฉพาะกิจในระดับการผลิตไม่ค่อยน่าเชื่อถือ
กฎข้อบังคับการค้าอาวุธระหว่างประเทศ (ITAR) เป็นกรอบการกำกับดูแลของสหรัฐอเมริกา บริหารงานโดย Directorate of Defense Trade Controls (DDTC) ภายใต้กระทรวงการต่างประเทศ ควบคุมการส่งออกและการนำเข้าสิ่งของด้านกลาโหม บริการด้านกลาโหม และข้อมูลทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องซึ่งระบุไว้ในรายชื่ออาวุธยุทโธปกรณ์ของสหรัฐอเมริกา (USML) พีซีบีs designed or used in military, satellite, weapons, or certain dual-use systems are frequently ITAR-controlled และ CM ใดๆ ที่สร้าง ประกอบ หรือแม้แต่จัดการข้อมูลทางเทคนิคสำหรับบอร์ดเหล่านี้จะต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดของ ITAR
การปฏิบัติตาม ITAR สำหรับผู้ผลิตตามสัญญา PCB เกี่ยวข้องกับภาระผูกพันเฉพาะหลายประการ:
เมื่อมีคุณสมบัติตามข้อกำหนด PCB CM ที่สอดคล้องกับ ITAR ผู้ซื้อควรขอสำเนาการลงทะเบียน DDTC ในปัจจุบันของซัพพลายเออร์ ตรวจสอบแผนควบคุมเทคโนโลยี (TCP) และตรวจสอบว่ามาตรการรักษาความปลอดภัยของสถานที่ รวมถึงระบบไอที การเข้าถึงของผู้เยี่ยมชม และการคัดกรองพนักงาน ตรงกับระดับการจัดหมวดหมู่ของงานที่กำลังดำเนินการ บทลงโทษสำหรับการละเมิด ITAR นั้นรุนแรง : ค่าปรับทางแพ่งสูงสุด 1 ล้านดอลลาร์ต่อการละเมิดและโทษทางอาญา รวมถึงการตัดเงินจากการทำสัญญากับรัฐบาลในอนาคต การพิจารณาท่าทาง ITAR ของ CM ก่อนมอบรางวัลโปรแกรม ไม่ใช่หลังจากการตรวจสอบบทความครั้งแรก เป็นแนวทางมาตรฐานอุตสาหกรรม