การออกแบบ PCB คืออะไร? พื้นฐาน ขั้นตอน การซ้อนและเคล็ดลับการแก้ปัญหา

การออกแบบ พีซีบี คืออะไร?

การออกแบบ PCB เป็นกระบวนการแปลแผนผังวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไปเป็นรูปแบบฟิสิคัลบอร์ดที่สามารถผลิตได้ ผู้ออกแบบจะระบุว่าส่วนประกอบแต่ละชิ้นอยู่ที่ตำแหน่งใด รอยทองแดงที่เชื่อมต่อกันอย่างไร จำนวนชั้นที่บอร์ดต้องการ และวัสดุและเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนที่ผู้สร้างต้องปฏิบัติตาม ผลลัพธ์คือชุดของไฟล์ Gerber ซึ่งเป็นรูปแบบมาตรฐานอุตสาหกรรมที่ขับเคลื่อนอุปกรณ์การผลิตแบบอัตโนมัติ

PCB สำเร็จรูปเป็นมากกว่าแผนภาพการเดินสายไฟแบบถาวร เป็นโครงสร้างทางกล ระบบการจัดการระบายความร้อน และสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดในคราวเดียว เส้นทางบอร์ดที่ออกแบบมาอย่างดีให้ส่งสัญญาณได้สะอาด กระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ และผ่านการทดสอบ EMC อุปกรณ์ที่ออกแบบมาไม่ดีอาจทำงานบนม้านั่งสำรองได้ แต่ใช้งานไม่ได้ในสนามเนื่องจากปัญหาเสียงรบกวน สัญญาณรบกวน หรือปัญหาความสมบูรณ์ของกำลังที่ปรากฏภายใต้สภาพการใช้งานจริงเท่านั้น

พื้นฐานของ PCB การออกแบบที่วิศวกรทุกคนควรรู้

ก่อนที่จะเปิดเครื่องมือ EDA ใดๆ นักออกแบบจะต้องคุ้นเคยกับแนวคิดพื้นฐานจำนวนหนึ่งที่ควบคุมทุกการตัดสินใจระหว่างเค้าโครง

เลเยอร์และ Stackup

PCB ประกอบด้วยชั้นทองแดงสลับและชั้นฉนวน (ฉนวน) ที่เคลือบเข้าด้วยกัน การออกแบบที่เรียบง่ายใช้ 2 ชั้น บอร์ดที่มีความหนาแน่นของส่วนประกอบสูงกว่าหรือข้อกำหนดความสมบูรณ์ของสัญญาณที่เข้มงวดกว่าจะใช้ 4, 6, 8 หรือมากกว่า แต่ละเลเยอร์ทำหน้าที่ในการกำหนดเส้นทางสัญญาณ การอ้างอิงกราวด์ หรือการกระจายพลังงาน และการจัดเรียงของเลเยอร์เหล่านี้เรียกว่าสแต็กอัป

ความต้านทานและความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ที่ความถี่สูง เส้นทองแดงจะทำหน้าที่เป็นสายส่ง มัน ความต้านทานลักษณะเฉพาะ — กำหนดโดยความกว้างของรอยเส้น ความหนาของทองแดง ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก และระยะห่างจากระนาบอ้างอิงที่ใกล้ที่สุด — ต้องตรงกับแหล่งกำเนิดและอิมพีแดนซ์โหลดเพื่อป้องกันการสะท้อน อินเทอร์เฟซดิจิทัลส่วนใหญ่กำหนดเป้าหมายไปที่ 50 Ω single-ended หรือ 100 Ω differential การเบี่ยงเบนไปจากค่าเหล่านี้จะทำให้สัญญาณเสื่อมลงและแย่ลงตามความถี่

กลับกระแสและระนาบอ้างอิง

กระแสสัญญาณทุกกระแสมีเส้นทางกลับ ที่ความถี่สูง กระแสที่ไหลกลับจะเดินทางโดยตรงใต้ร่องรอยสัญญาณบนระนาบอ้างอิงที่ใกล้ที่สุด ไม่ใช่ผ่านเส้นทาง DC ที่สั้นที่สุด ขัดขวางเส้นทางกลับนี้ ตัวอย่างเช่น การกำหนดเส้นทางการติดตามข้ามระนาบแยกหรือช่อง บังคับให้กระแสไฟไหลกลับเป็นทางเบี่ยง และสร้างเสาอากาศแบบวนรอบที่แผ่ EMI การรักษาระนาบอ้างอิงให้ต่อเนื่องภายใต้การกำหนดเส้นทางความเร็วสูงเป็นหนึ่งในการตัดสินใจเกี่ยวกับเค้าโครงที่มีผลกระทบมากที่สุดที่นักออกแบบทำ

ขั้นตอนการออกแบบบอร์ด PCB

กระบวนการออกแบบ PCB เป็นไปตามลำดับที่สอดคล้องกันโดยไม่คำนึงถึงความซับซ้อนของบอร์ด การข้ามขั้นตอน — โดยเฉพาะการตรวจสอบการออกแบบในช่วงแรกๆ — โดยทั่วไปแล้วจะส่งผลให้ต้องเสียค่าใช้จ่ายสูง

1. การจับภาพแผนผัง : กำหนดส่วนประกอบทั้งหมด การเชื่อมต่อเน็ต และกฎทางไฟฟ้าในเครื่องมือ EDA กำหนดรอยเท้าให้กับแต่ละสัญลักษณ์ส่วนประกอบ
2. ข้อกำหนดและข้อจำกัดในการออกแบบ : ขนาดแผงเอกสาร, จำนวนเลเยอร์, กฎการติดตาม/พื้นที่ขั้นต่ำ, เป้าหมายอิมพีแดนซ์, ข้อกำหนดด้านความร้อน และมาตรฐานกฎระเบียบ (IPC-2221, IPC-2152 ฯลฯ)
3. คำนิยาม กองซ้อน : เลือกจำนวนชั้น วัสดุ ความหนาไดอิเล็กทริก และน้ำหนักทองแดง ยืนยันเป้าหมายอิมพีแดนซ์กับผู้สร้างของคุณก่อนที่จะเริ่มการกำหนดเส้นทาง
4. การจัดวางส่วนประกอบ : วางส่วนประกอบเพื่อลดความยาวร่องรอยสำหรับตาข่ายวิกฤต จัดกลุ่มวงจรที่เกี่ยวข้อง คำนึงถึงโซนความร้อน และปฏิบัติตามข้อจำกัดทางกล ตำแหน่งจะขับเคลื่อนคุณภาพการกำหนดเส้นทางถึง 80%
5. การเดินสายไฟฟ้าและสายดิน : กำหนดเส้นทางรางไฟฟ้าและสร้างระนาบกราวด์ก่อนกำหนดเส้นทางสัญญาณ ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนจะต้องอยู่ใกล้กับพินกำลังของ IC มากที่สุด
6. การกำหนดเส้นทางสัญญาณ : กำหนดเส้นทางสัญญาณความเร็วสูงและละเอียดอ่อนก่อน โดยรักษาอิมพีแดนซ์ ลดขนาดผ่านการเปลี่ยน และรักษาคู่ดิฟเฟอเรนเชียลให้ตรงกันและจับคู่ตามความยาว
7. การตรวจสอบกฎการออกแบบ (DRC) : ดำเนินการตรวจสอบอัตโนมัติสำหรับการละเมิดระยะห่าง ตาข่ายที่ไม่ได้เชื่อมต่อ ขนาดวงแหวน และข้อจำกัดในการประดิษฐ์
8. การทบทวนการสร้างและการประดิษฐ์ของ Gerber : ส่งออกไฟล์การผลิตและตรวจสอบในโปรแกรมดู Gerber ก่อนส่ง ยืนยันการซ้อน ไฟล์เจาะ และซิลค์สกรีนกับผู้ผลิต

ตัวอย่างการซ้อน PCB 6 ชั้น

การสแต็กอัพ 6 เลเยอร์เป็นการอัพเกรดที่ใช้งานได้จริงที่สุดจากบอร์ด 4 เลเยอร์ เมื่อการออกแบบเกี่ยวข้องกับอินเทอร์เฟซความเร็วสูง การกำหนดเส้นทาง BGA ที่หนาแน่น หรือข้อกำหนด EMI ที่เข้มงวด เลเยอร์เพิ่มเติมช่วยให้ระนาบอ้างอิงเฉพาะยึดเลเยอร์สัญญาณด้านใน สร้างสภาพแวดล้อมแถบแถบควบคุมที่ลดการแผ่รังสีและครอสทอล์ค

การจัดเรียงมาตรฐาน 6 ชั้นสำหรับบอร์ด FR-4 1.6 มม.:

ด้วย L2 เป็นกราวด์และ L4 เป็นกำลัง เลเยอร์ 3 จึงอยู่ในการกำหนดค่าสตริปไลน์ที่แท้จริง ซึ่งประกบอยู่ระหว่างระนาบอ้างอิงสองระนาบ ทำให้เป็นบ้านที่เหมาะสมสำหรับสัญญาณที่ไวต่อสัญญาณรบกวนมากที่สุด พรีเพกแบบบางระหว่าง L1 และ L2 (โดยทั่วไปคือ 3–4 mil) จะรักษาความกว้างของการติดตาม 50 Ω ที่ประมาณ 4–5 mil ซึ่งเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตมาตรฐาน

วิธีแก้ปัญหา PCB

แม้แต่บอร์ดที่ได้รับการออกแบบอย่างดีบางครั้งก็มาจากการผลิตที่มีข้อบกพร่องหรือล้มเหลวหลังการประกอบ กระบวนการแก้ไขปัญหาแบบมีโครงสร้าง แทนที่จะสลับส่วนประกอบแบบสุ่ม ช่วยให้พบข้อผิดพลาดได้รวดเร็วยิ่งขึ้น และหลีกเลี่ยงความเสียหายของหลักประกัน

ขั้นตอนที่ 1: การตรวจสอบด้วยภาพก่อนเปิดเครื่อง

ภายใต้การขยาย ให้ตรวจสอบบอร์ดเพื่อหาสะพานบัดกรีบน IC ระดับละเอียด ข้อต่อเย็น (หมองคล้ำและเป็นเม็ดแทนที่จะเป็นเรียบและเป็นมัน) ส่วนประกอบที่ขาดหายไปหรือกลับด้าน และความเสียหายร่องรอยใดๆ ที่มองเห็นได้ สัดส่วนที่มีนัยสำคัญของข้อบกพร่องในการประกอบสามารถมองเห็นได้ก่อนที่จะจำเป็นต้องใช้เครื่องมือใดๆ

ขั้นตอนที่ 2: การตรวจสอบรางไฟฟ้า

ก่อนที่จะจ่ายไฟเต็ม ให้วัดความต้านทานจากรางจ่ายไฟแต่ละรางถึงกราวด์ด้วยมัลติมิเตอร์ การอ่านค่าที่ต่ำหรือใกล้ศูนย์บ่งชี้ถึงการลัดวงจร สาเหตุที่พบบ่อย ได้แก่ สะพานบัดกรี ตัวเก็บประจุที่เสียหาย หรือส่วนประกอบโพลาไรซ์แบบกลับด้าน เมื่อชัดเจนแล้ว ให้จ่ายไฟผ่านแหล่งจ่ายไฟสำรองแบบจำกัดกระแสซึ่งตั้งค่าไว้สูงกว่าปริมาณการใช้ที่คาดไว้ รางพังทลายภายใต้ภาระ ชี้ไปที่ตัวควบคุมที่โอเวอร์โหลดหรือส่วนประกอบดาวน์สตรีมที่ลัดวงจร

ขั้นตอนที่ 3: การวินิจฉัยระดับสัญญาณ

เมื่อรางยืนยันว่าใช้งานได้ดี ให้ใช้ออสซิลโลสโคปเพื่อตรวจสอบสัญญาณนาฬิกา รีเซ็ตสาย และกิจกรรมบัสสื่อสาร นาฬิกาที่หายไป เส้นรีเซ็ตค้าง หรือรูปคลื่น SPI/I2C/UART ที่มีรูปแบบไม่ถูกต้อง แต่ละจุดไปยังพื้นที่ที่เกิดข้อผิดพลาดเฉพาะ เครื่องวิเคราะห์ลอจิกมีประสิทธิภาพมากกว่าออสซิลโลสโคปสำหรับการจับพฤติกรรมบัสดิจิทัลแบบหลายสัญญาณในช่วงเวลาหนึ่ง

ขั้นตอนที่ 4: การทดสอบระดับส่วนประกอบ

หากการติดตามสัญญาณแยกส่วนประกอบที่ต้องสงสัย การวัดความต้านทานในวงจร (เมื่อปิดเครื่อง) จะสามารถยืนยันจุดเชื่อมต่อแบบเปิดหรือลัดวงจรบนพาสซีฟได้ สำหรับไอซี การเปรียบเทียบแรงดันพินกับตารางเงื่อนไขการทำงานของเอกสารข้อมูลจะจำกัดให้แคบลงอย่างรวดเร็วว่าอุปกรณ์ได้รับการจ่ายไฟ อ้างอิง และเปิดใช้งานสัญญาณที่ถูกต้องหรือไม่ เมื่อส่วนประกอบได้รับการยืนยันว่ามีข้อผิดพลาด แทนที่ด้วยส่วนที่รู้ว่าดี ก่อนที่จะสรุปผล — การแทนที่ด้วยชิ้นส่วนอื่นจากชุดเดียวกันที่อาจเกิดข้อบกพร่องไม่ได้ช่วยแก้ไขอะไรเลย