از طراحی نقشهها تا تولید انبوه واقعی، یک برد مدار باید بر موانع متعددی غلبه کند، از جمله قابلیت پردازش، قابلیت ساخت، یکپارچگی سیگنال و EMC. این مقاله به طور سیستماتیک منطق طراحی را در مورد 13 مفهوم اصلی رایج اما حیاتی در طراحی PCB شرح میدهد و تفکر مهندسی و قابلیتهای طراحی PCB شما را افزایش میدهد.
1. مواد برد FR4: سنگ بنای دنیای سیگنال
FR-4، که معمولاً مورد استفادهترین زیرلایه PCB است، یک لمینت روکشدار مسی است که از الیاف شیشه و رزین اپوکسی ساخته شده است. مقاومت حرارتی آن با Tg (دمای انتقال شیشه) اندازهگیری میشود.
- برد با Tg پایین (Tg≈130℃): برای کاربردهای عمومی استفاده میشود.
- برد با Tg متوسط (Tg>150℃): مناسب برای مدارهای با پیچیدگی متوسط.
- برد با Tg بالا (Tg≥170℃): برای محیطهای لحیمکاری با دمای بالا، فرآیندهای بدون سرب و سناریوهای با قابلیت اطمینان بالا، مانند خودرو و ارتباطات، توصیه میشود.
بردهای با Tg بالا نه تنها مقاومت حرارتی بالایی دارند، بلکه مقاومت در برابر رطوبت و مواد شیمیایی را نیز به طور قابل توجهی بهبود میبخشند و پایداری ابعادی بردهای چند لایه را در طول عملیات طولانی مدت تضمین میکنند.
2. تطبیق امپدانس: «نگهبان» مسیریابی سیگنال با سرعت بالا
در مدارهای دیجیتال با سرعت بالا (مانند DDR، USB، PCIe)، سیگنالهایی که تطبیق امپدانس دقیقی ندارند، مشکلاتی مانند انعکاس و تداخل را تجربه خواهند کرد. روشهای کنترل امپدانس رایج عبارتند از:
- امپدانس دیفرانسیل: 100Ω/90Ω
- امپدانس تک سر: 50Ω
چگونه طراحی تطبیق انجام دهیم؟ شبیهسازی دقیق مورد نیاز است و عواملی مانند چیدمان لایه، عرض و فاصله مسیر، صفحه مرجع و ثابت دیالکتریک در نظر گرفته میشود.
3. فرآیندهای عملیات سطحی: تعیین کیفیت و طول عمر لحیمکاری
پنج عملیات سطحی رایج:
| فرآیند |
مزایا |
معایب |
سناریوهای قابل اجرا |
| کشیدن قلع |
هزینه کم؛ فرآیند بالغ و پایدار |
سطح ناهموار؛ سرعت اکسیداسیون بالا |
محصولات الکترونیکی مصرفی تولید انبوه |
| غوطهوری در قلع |
تخت بودن سطح عالی |
مستعد اکسیداسیون و سیاه شدن |
محصولات تجهیزات ارتباطی |
| غوطهوری در طلا |
قابلیت لحیمکاری عالی؛ عملکرد تماس الکتریکی عالی |
هزینه تولید بالا |
بردهای مدار با فرکانس بالا؛ بردهای بستهبندی شده BGA (Ball Grid Array) |
| آبکاری طلا |
سختی سطح بالا؛ مقاومت در برابر سایش قوی |
قابلیت لحیمکاری ضعیف |
پینهای طلایی PCB؛ اجزای تماس دکمه |
| OSP (نگهدارنده قابلیت لحیمکاری آلی) |
هزینه فوقالعاده کم؛ عملیات ساده |
اکسید شدن آسان؛ قابلیت اطمینان طولانی مدت ضعیف |
نمونهسازی سریع بردهای مدار؛ تولید آزمایشی با چرخه کوتاه |
غوطهوری در طلا یا غوطهوری در قلع برای کنترل امپدانس با فرکانس بالا اکیداً توصیه میشود. کشیدن قلع را نمیتوان در بردهای بستهبندی شده BGA استفاده کرد.
4. برد هسته/Prepreg: مواد کلیدی که ضخامت برد، چیدمان لایه و عملکرد الکتریکی را تعیین میکنند
برد هسته (Core) + PP (Prepreg) ساختار و پایداری برد چند لایه را تعیین میکند. ضخامت، سرعت جریان رزین و ثابتهای الکتریکی آن همگی باید همراه با شبیهسازی چیدمان لایه در نظر گرفته شوند.
- هسته: برد سفت و سخت با لمینت مسی دو طرفه
- PP: رزین نیمه جامد که برای اتصال بین لایهها استفاده میشود
نسبتهای مناسب برای جلوگیری از مشکلات فرآیند مانند تاب برداشتن برد، حفرهها و پوستهپوستهشدن مس در هنگام لمینت کردن بسیار مهم است.
5. خطوط دیفرانسیل: مسیریابی متقارن برای یکپارچگی سیگنال ضروری است
سیگنالهای دیفرانسیل برای انتقال داده با سرعت بالا، مانند LVDS، USB و PCIe استفاده میشوند و باید الزامات زیر را برآورده کنند:
- طول، عرض و فاصله برابر
- مرجع صفحه زمین ثابت
- اجتناب از صفحات مرجع ناپیوسته
عدم تقارن در مسیرهای دیفرانسیل مستقیماً بر انحراف ساعت و تداخل تأثیر میگذارد و باید در طول فاز چیدمان به طور جامع در نظر گرفته شود.
6. یکپارچگی سیگنال (SI): روح طراحی PCB با سرعت بالا
پنج عامل اصلی که بر یکپارچگی سیگنال تأثیر میگذارند:
- انعکاس (عدم تطابق امپدانس)
- تداخل (مسیرها خیلی نزدیک به هم)
- جهش زمین (تداخل جریان برگشتی زمین که توسط سوئیچینگ همزمان چندین تراشه ایجاد میشود)
- طراحی فیلترینگ نامناسب
- طراحی ساختار PCB ناکافی
مشکلات SI اغلب منجر به خرابی سیستم، ریستهای مکرر و خطاهای داده میشود.
7. انعکاس سیگنال: جلوگیری از «بازگشت سیگنالها در همان مسیر»
انعکاس سیگنال میتواند باعث ایجاد:
- Overhoot
- Undershoot
- Ringing
- شکل موجهای پلهای
برای کنترل انعکاس، علاوه بر تطبیق امپدانس، تطبیق ترمیناسیون مناسب (انتهای منبع و بار) ضروری است و باید از شکستگیهای صفحه مرجع اجتناب شود.
8. تداخل: «آلودگی نویز» بین خطوط سیگنال
خطوط با سرعت بالا که به هم نزدیک هستند و مرجع زمین ندارند، تداخل شدیدی ایجاد میکنند، به ویژه در مسیریابی موازی DDR یا باس با سرعت بالا قابل توجه است.
جفتشدگی خازنی → تداخل جریان
جفتشدگی القایی → تداخل ولتاژ
راهحلها: اضافه کردن محافظهای صفحه زمین، حفظ فاصله مناسب بین مسیرها و کنترل جهت مسیر.
9. لایه قدرت داخلی: سلاح مخفی برای منبع تغذیه پایدار و سرکوب تداخل
قدرت و زمین باید به عنوان صفحات با مساحت زیاد با پارتیشنبندی منطقی و قرارگیری متراکم ویاها طراحی شوند تا از جزایر شناور و حلقههای قدرت شکسته جلوگیری شود.
10. ویاهای کور/مدفون: یک تکنیک کلیدی در طراحی PCB با چگالی بالا
- ویا کور مرتبه اول: L2-TOP
- ویا کور مرتبه دوم: L3-TOP
- ویا مدفون: متصل بین L3-L6
ویاهای کور/مدفون به طور گسترده در بردهای HDI استفاده میشوند و استفاده از فضا را به طور قابل توجهی بهبود میبخشند، اما هزینهها و الزامات پردازش بالایی را تحمیل میکنند.
11. نقاط تست: «فیوز» برای اشکالزدایی تولید انبوه
برای تست عملکردی، برنامهنویسی درون مدار و موقعیتیابی اشکالزدایی استفاده میشود. مناطق تراشه BGA باید با استفاده از پروبهای پرنده یا اسکن مرزی مورد بررسی قرار گیرند.
12. نقاط علامتگذاری: اطمینان از دقت قرارگیری SMT
برای موقعیتیابی قرارگیری SMT استفاده میشود. توصیههای طراحی نقطه علامتگذاری:
- عمدتاً دایرهای 1 میلیمتری؛
- بازشوهای ماسک لحیم را در اطراف نقاط علامتگذاری بگذارید؛
- سه نقطه علامتگذاری روی برد باید به طور متقارن با فویل مسی پسزمینه ثابت مرتب شوند.
13. سوراخهای PTH/NPTH: حاملهای اتصال و تثبیت
- PTH (سوراخ متالیزه): برای اتصالات الکتریکی استفاده میشود؛
- NPTH (سوراخ غیر فلزی): برای موقعیتیابی ساختاری، نصب پیچ و غیره استفاده میشود.
ویژگیهای سوراخ باید در طول پردازش به طور دقیق در فایل مهندسی علامتگذاری شوند تا از کار مجدد جلوگیری شود.
نتیجهگیری: تسلط بر جزئیات کلیدی منجر به طراحی PCB با کیفیت بالا میشود
طراحی PCB صرفاً «طراحی» نیست، بلکه یک پروژه مهندسی سیستم پیچیده است که عملکرد الکتریکی، امکانسنجی فرآیند، هزینههای تولید و نگهداری آینده را در نظر میگیرد. درک منطق طراحی و اهمیت مهندسی پشت هر اصطلاح، نقطه شروع برای تبدیل شدن به یک مهندس PCB حرفهای است.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!