Projektowanie PCB – 8 najważniejszych zasad, o których każdy powinien pamiętać

© Lamides

Budzisz się rano, wychodzisz na trening a przy tym zabierasz ze sobą swój smartfon, aby posłuchać ulubionego hitu lub dowiedzieć się kolejnej historii opowiadanej w ostatnim audiobooku. Wracasz, włączasz radio, aby podczas śniadania pijąc poranną aromatyczną kawę, sprawdzić najnowsze informacje. Wybiegasz w pośpiechu otwierając pilotem automatyczną bramę, żeby zdążyć do pracy na czas o czym przypomina Ci smartwatch. Brzmi znajomo dla wielu z Nas, prawda. To co łączy każdą z tych sytuacji to fakt, że w każdym momencie stykamy się z PCB. Nie zdajemy sobie sprawy, że smartfon, radio, pilot czy smartwatch, aby działać potrzebują PCB.

PCB, to płytka obwodu drukowanego która stanowi kluczowy element wielu urządzeń, aby mogły działać bez problemu i cieszyć swojego właściciela. Dobrze zaprojektowana płytka obwodu drukowanego to klucz do prawidłowego działania urządzenia. Bardzo łatwo jest pominąć wytyczne dotyczące projektowania PCB i od razu przejść do rysowania ścieżek czy rozmieszczania komponentów. Należy jednak pamiętać, że dobry projekt to wysoka jakość i niezawodność oraz o czym wielu projektantów zapomina, łatwość i efektywność jej produkcji.

W tym artykule zostało przedstawionych 8 głównych zasad, o których każdy projektant powinien pamiętać i korzystać z nich również w trakcie używania dedykowanego oprogramowania. Stanowią one podstawowy drogowskaz zarówno dla młodych inżynierów projektantów jak i doświadczonych producentów płytek PCB.

ZASADA 1. WYBIERZ ODPOWIEDNI MATERIAŁ PCB

Na wstępie należy zastanowić się nad materiałem jaki zostanie wykorzystany do produkcji PCB. Kluczowy staje się tutaj obszar zastosowania danego projektu. Najbardziej popularnym materiałem wykorzystywanym na rynku jest laminat epoksydowy FR4. Obecnie zyskują na popularności laminaty typy flex w przypadku których możemy wybierać np. pomiędzy materiałami PI i PET. Dobrze dobrany materiał to pierwszy krok do sukcesu.

ZASADA 2. MANUALNE CZY AUTOMATYCZNE PROWADZENIE ŚCIEŻEK

Oprogramowania dostępne na rynku często posiadają funkcję automatycznego prowadzenia ścieżek. Wystarczy uruchomić narzędzie autoroutingu lub wcisnąć odpowiedni przycisk, aby ten krok wykonać, ale nie jest to optymalne. Dla początkujących może być to idealne rozwiązanie, ale nic bardziej mylnego. W rzeczywistości żadna tego typu funkcja nie zastąpi umiejętności, doświadczenia i elastyczności projektanta. Manualne prowadzenie ścieżek pozwala uniknąć błędów i daje pewność maksymalnej optymalizacji projektu.

ZASADA 3. ZADBAJ O JAK NAKRÓTSZĄ ŚCIĘŻKĘ NA PŁYTCE DRUKOWANEJ

Wydaje się, że to oczywista zasada a jednak wielu projektantów to ignoruje. Pamiętaj o tym na każdym etapie projektu nawet gdyby oznaczałoby to konieczność przeprojektowania. Na końcu ta troska przyniesie wymierne korzyści.

ZASADA 4. PCB STACK-UP

Określenie liczby warstw, z których będzie się składała PCB pozwala na podjęcie decyzji odnośnie odpowiedniego procesu wytwarzania, umożliwi osiągnięcie pożądanej wydajności, niezawodności, impedancji między warstwami czy zminimalizowania kosztów produkcji.

ZASADA 5. ODPOWIEDNIO ODDZIEL ŚCIEŻKI ANALOGOWE I CYFROWE

Pamiętaj, że ścieżki przenoszące sygnały cyfrowe, szczególnie o wysokiej częstotliwości należy separować od ścieżek przenoszących sygnały analogowe. Sygnały cyfrowe np. magistrale adresowe lub magistrale danych często są na równoległych ścieżkach co stwarza ryzyko powstania sprzężeń pojemnościowych lub zjawiska interferencji pomiędzy sygnałami. Prowadzi to do generacji zakłóceń co zaburza funkcjonowanie płytki obwodu drukowanego.

ZASADA 6. ZADBAJ O ODPOWIEDNIE ROZMIESZCZANIE KOMPONENTÓW ELEKTRONICZNYCH

Na tym etapie projektu odkrywamy w sobie prawdziwego stratega. Umiejętności strategicznego podejścia do miejsca dostępnego na PCB pozwalają na jak najlepsze wykorzystanie i zoptymalizowanie przestrzeni. Należy zadbać o prawidłowe orientacje komponentów z podobnych grup jak np. kondensatory i rezystory SMD oraz aby elementy SMT – do montażu powierzchniowego były możliwie zlokalizowane na jednej stronie płytki a THT – do montażu przewlekanego na drugiej. Jeśli jest to niemożliwe przemyśl już teraz rozmieszczenie komponentów, aby późniejszy montaż był jak najprostszy i jak najbardziej wydajny.

ZASADA 7. UMIEŚĆ PRZELOTKI TERMICZNE I PADY TERMALNE

Te elementy są niezbędne, aby poprawić odprowadzanie ciepła. Przelotki termiczne pozwalają dodatkowo na uzyskanie połączenia elektrycznego pomiędzy warstwami laminatu oraz mogą służyć jako element do przenoszenia ciepła z najgorętszych komponentów elektronicznych na zewnątrz. Poprawia to niezawodność i trwałość PCB.

ZASADA 8. ZWERYFIKUJ EFEKT WYKONANEJ PRACY

Ostatnia a zarazem bardzo istotna wskazówka. Na końcowym etapie projektowania PCB zaleca się zweryfikowanie całej pracy pod kątem reguł projektowych. W tym kroku można zlokalizować ostatnie elementy wymagające poprawy i je skorygować. Częstym narzędziem wspomagającym kontrolę jakości pracy jest wbudowany moduł w oprogramowanie projektowe - DRC (DESIGN RULES CHECK). Pozwala to w sposób zautomatyzowany szybko sprawdzić czy wszystkie przyjęte na początku zasady zostały w projekcie spełnione.

Podsumowując, w powyższym artykule starałem się przybliżyć 8 podstawowych zasad jakimi przy projektowaniu obwodów drukowanych powinien kierować się każdy projektant. Stanowi to jedynie bazę do późniejszego poszerzenia i rozszerzania umiejętności projektowania PCB. Doświadczenie to ważny czynnik, aby potrafić sprawnie wykonać projekt PCB. Co mogę doradzić? Próbuj i projektuj. Praktyka czyni mistrza!!!

Autor: Artur Brzychciński

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Lamides