Baskılı devre kartınızın yerleşimini tasarlamak, güvenilir, uygun maliyetli bir kart oluşturmak için çok önemlidir. Devre tasarımı ve bileşen seçimi de önemli olmakla birlikte, PCB yerleşimi için her zaman yeterli zaman ayırdığınızdan emin olmalısınız. Optimum PCB yerleşim tasarımının belirlenmesinde çok şey var, özellikle de günümüz kartları daha karmaşık, kompakt ve hafif hale geldiğinden. Esnek PCB'lerin artan popülaritesi de süreci zorlaştırıyor.
PCB yerleşimi ile ilgili önemli hususları hesaba katmazsanız, gerçek dünyaya iyi yansımayan bir tasarımla karşılaşabilirsiniz. Yetersiz bir yerleşim, elektromanyetik girişim , kartın her iki tarafındaki bileşenlerden kaynaklanan çakışmalar, sınırlı kart işlevselliği ve hatta toplam kart arızası gibi sorunlara neden olabilir . Ayrıca, yerleşim düzenini ilk seferde doğru bir şekilde elde edemezseniz, üzerinde yeniden çalışmanız gerekecek ve bu da üretimde gecikmelere ve ek maliyetlere neden olabilir.
Peki, PCB düzeni tasarım kuralları ve aklınızda bulundurmanız gereken hususlar nelerdir? PCB yerleşim tasarımının adımlarına bakalım ve her aşama için bazı temel hususları belirleyelim. Elbette, aklınızda bulundurmak isteyebileceğiniz başka hususlar da vardır, ancak bunlar, PCB yerleşim tasarımının bilmeniz gereken en kritik yönlerinden bazılarıdır.
TEMEL PCB TASARIM ADIMLARI
PCB tasarımı , bir PCB'ye ihtiyacınız olduğunu anladığınız andan nihai üretime kadar baskılı devre kartı üretim sürecinin her adımında rol oynar . Temel tasarım süreci altı adım içerir.
1. Konsept
Bir PCB ihtiyacını belirledikten sonraki adım, kartın nihai konseptini belirlemektir. Bu ilk aşama, PCB'nin sahip olacağı ve gerçekleştireceği işlevlerin, özelliklerinin, diğer devrelerle olan bağlantılarının, nihai ürüne yerleştirilmesinin ve yaklaşık boyutlarının tanımlanmasını içerir. Ayrıca, kartın çalışacağı yaklaşık sıcaklık aralığını ve diğer çevresel kaygıları göz önünde bulundurun.
2. Şematik
Bir sonraki aşama, nihai konsepte dayalı olarak devre şemasını çizmektir. Bu şema, panonun elektrikli bileşenlerinin uygun şekilde çalışması için gereken tüm bilgilerin yanı sıra bileşen adları, değer, derecelendirme ve üretici parça numaraları gibi ayrıntıları içerir.
Şemanızı oluştururken, malzeme listenizi de oluşturacaksınız. Bu ürün reçetesi, PCB'niz için ihtiyacınız olan tüm bileşenler hakkında bilgi içerir. Bu iki belgeyi her zaman güncel tutun.
3. Blok Şeması
Ardından, PCB'nin son boyutlarını açıklayan bir çizim olan pano düzeyinde bir blok diyagramı tamamlayacaksınız. Her blok için belirlenmiş alanları, elektriksel nedenlerle veya kısıtlamalar nedeniyle bağlanan bileşenlerin bölümlerini işaretleyin. İlgili bileşenleri bir arada tutmak, izlerinizi kısa tutmanızı sağlayacaktır.
4. Bileşen Yerleştirme
Bir sonraki adım, her bir elemanı panoda nereye yerleştireceğinizi belirleyen bileşen yerleştirmedir. Çoğu zaman, birkaç rafine etme bileşeni yerleştirme turundan geçebilirsiniz.
5. İlk Geçiş Yönlendirme
Ardından, devre için yönlendirmeyi ve yönlendirme önceliğini belirleyin.
6. Test
Tasarımı tamamladıktan sonra, tüm ihtiyaçlarınızı karşıladığından emin olmak için bir dizi test yapmalısınız. Eğer öyleyse, tasarım tamamlanmıştır. Değilse, ayarlamalar yapmanız gereken aşamalara geri döneceksiniz.
Elektronik
PCB'nizi oluşturmaya devam ederken, çok sayıda belge geliştireceksiniz. Bu belgeler şunları içerir:
· Donanım Boyutlu Çizimleri: Çıplak tahtanın boyutunu tanımlar
· Şematik: Kartın elektriksel özelliklerinin haritasını çıkarır
· Malzeme Listesi : Proje için gerekli bileşenleri açıklar
· Düzen Dosyası: PCB'nin temel düzenini açıklar
· Bileşen Yerleştirme Dosyası: Ayrı ayrı bileşenlerin konumunu açıklar.
· Montaj Çizimleri ve Talimatları: Panonun nasıl monte edileceğini açıklar
· Kullanıcı Kılavuzları: Gerekli olmamakla birlikte, kullanıcıya ek bilgi sağlamak için kullanışlıdırlar.
· Gerber Dosya Seti: PCB üreticisinin PCB'yi oluşturmak için kullanacağı yerleşim düzeninin çıktı dosyalarının toplanması
PCB DÜZENİ VE TASARIM HUSUSLARI
PCB düzeni ve tasarımı ile ilgili dikkate alınması gereken çok şey var. Bazı hususlar tüm süreç için geçerliyken, bazıları belirli adımlara özeldir. İşte akılda tutulması gereken yedi ilgili faktör.
1. Kurul Kısıtlamaları
Bakmanız gereken ilk kısıtlamalar, çıplak tahta ile ilgili olanlardır. Bu temel kısıtlamalardan bazıları, tahtanın boyutunu ve şeklini içerir.
Devre için yeterli pano alanına sahip olduğunuzdan emin olmanız gerekecektir. Nihai ürünün boyutu, kartın sağlaması gereken işlevsellik ve diğer faktörler, kartın ne kadar büyük olması gerektiğini belirler. Elektronik ürünler ve içerdikleri devre kartları giderek küçülüyor. Tasarım sürecine başlamadan önce tahtanın boyutunu tahmin edin. Daha basit bir tasarım için gereken tüm işlevler için yeterli alanınız yoksa, çok katmanlı veya yüksek yoğunluklu ara bağlantı (HDI) tasarımı kullanmanız gerekebilir .
Standart PCB dikdörtgendir. Bu, ezici bir çoğunlukla PCB'ler için en yaygın şekil olmaya devam ediyor. Bununla birlikte, başka şekillerde panolar oluşturmak mümkündür. PCB tasarımcıları bunu çoğunlukla boyut kısıtlamaları veya düzensiz şekilli ürünlerde kullanım nedeniyle yaparlar.
Bir diğer kritik nokta, ihtiyaç duyacağınız katman sayısı, hangi güç seviyeleri ve tasarım karmaşıklığının karar vermenize yardımcı olacağıdır. Yerleşim tasarımı sürecinde kaç taneye ihtiyacınız olduğunu önceden bulmak en iyisidir. Daha fazla katman eklemek, üretim maliyetlerini artırabilir, ancak daha fazla parça eklemenizi sağlar. Bu, gelişmiş işlevselliğe sahip daha karmaşık kartlar için gerekli olabilir.
Tüm yüksek akımlı yollar için katman geçişleri yapmak için en az iki yol kullanın. Katman geçişlerinde çoklu yolların kullanılması güvenilirliği artırır, termal iletkenliği iyileştirir ve endüktif ve dirençli kayıpları azaltır.
2. Üretim Süreçleri
Ayrıca panoyu üretmek için kullanmak istediğiniz üretim süreçlerini de göz önünde bulundurmalısınız . Farklı yöntemlerin farklı sınırlamaları ve kısıtlamaları vardır. Karttaki üretim süreciyle çalışan referans delikleri veya noktaları kullanmanız gerekecek. Deliklerde bileşenler bulunmadığından daima emin olun.
Ayrıca, pano montaj yöntemini aklınızda bulundurun. Farklı yaklaşımlar, tahtanın farklı alanlarını açık bırakmanızı gerektirebilir. Hem delikten hem de yüzeye montaj bileşenleri gibi birden çok teknoloji türünü kullanmak, panolarınızın maliyetini artırabilir ancak bazı durumlarda gerekli olabilir.
İhtiyacınız olan pano tipini üretme yeteneklerine sahip olduklarından emin olmak için her zaman imalatçınıza danışın. Örneğin bazıları, çok katmanlı veya esnek bir tasarım kullanan panoları üretemeyebilir.
3. Malzemeler ve Bileşenler
Yerleşim aşamasında, panonuz için kullanmayı planladığınız malzemeleri ve bileşenleri göz önünde bulundurun . Öncelikle, istenen öğelerin erişilebilir olduğundan emin olmanız gerekir. Bazı malzemeleri ve parçaları bulmak zordur, bazıları ise o kadar pahalıdır ki maliyet engelleyicidir. Farklı bileşenler ve malzemeler de farklı tasarım ihtiyaçları ile gelebilir.
Tahtanız için en uygun malzemeleri ve bileşenleri seçtiğinizden ve ayrıca bu öğelerin güçlü yönlerine uyan bir tahta tasarladığınızdan emin olmak için zaman ayırın.
4. Bileşen Yerleştirme Sırası
En temel PCB tasarım yönergelerinden biri, bileşenleri panoya yerleştirme sıranızı içerir. Önerilen sıra, konektörler, ardından güç devreleri, ardından hassas devreler, ardından kritik devreler ve ardından diğer öğelerdir. Güç seviyeleri, gürültü duyarlılığı, üretim ve yönlendirme yeteneği de bir devre için yönlendirme önceliğini etkiler.
5. Oryantasyon
Bileşenleri yerleştirirken birbirine benzeyenleri aynı yöne yönlendirmeye çalışın. Bu, lehimleme sürecini daha verimli hale getirecek ve bu sırada hataların oluşmasını önlemeye yardımcı olacaktır.
6. Yerleştirme
PCB'nin, kaplanmış açık delikli parçaların arkasına oturacak lehim tarafına parçalar yerleştirmemeye çalışın.
7. Organizasyon
Bileşenlerinizi mantıksal olarak organize etmek, gerekli montaj adımlarının sayısını azaltabilir, verimliliği artırabilir ve maliyetleri azaltabilir. Tüm yüzeye montaj bileşenlerinizi kartın bir tarafına ve tüm açık delik bileşenlerinizi üst tarafa koymayı hedefleyin.
GÜÇ, TOPRAK VE SİNYAL İZİ HUSUSLARI
Yukarıdaki ipuçları, PCB bileşenlerinin yerleştirilmesine odaklanmıştır. Bu bileşenlerin istenildiği gibi çalışması için güç, toprak ve sinyal izlerini de yönlendirmeniz gerekir. Bu adımı verimli bir şekilde tamamlamak, panonuzun düzgün çalışmasını sağlamak için sinyallerinizin güvenilir bir seyahat yoluna sahip olmasını sağlamaya yardımcı olacaktır. İşte akılda tutulması gereken beş faktör.
1. Güç ve Yer Düzlemleri
Temel bir PCB düzeni tasarım kuralı, güç ve yer düzlemlerinizi dahili olarak kartınızda tutmaktır . Ayrıca tahtanızın eğilmesini ve bükülmesini önlemek için ortalanmış ve simetrik olmalıdırlar. Eğilme, bileşenlerin yerinden çıkmasına ve potansiyel olarak tahtaya zarar vermesine neden olabilir. Diğer öneriler arasında, her bir tedarik için ortak rayların kullanılması, güvenilir, kapsamlı izlere sahip olduğunuzdan emin olunması ve bileşenleri bağlamak için zincirler oluşturmaktan kaçınılması yer alır.
Güç devrelerindeki yüksek voltaj, düşük voltaj ve akım kontrol devrelerine müdahale edebilir. Bu paraziti en aza indirmeye yardımcı olmak için güç topraklamanızın yerleşimini ve kontrol toprağını kullanabilirsiniz. Her güç kaynağı aşaması için topraklarınızı ayrı tutmaya çalışın. Bazılarını bir araya getirmeniz gerekiyorsa, tedarik yolunuzun sonuna doğru olduklarından emin olun. Yer düzleminiz kartınızın orta katmanındaysa, güç devresi girişimini önlemek için küçük bir empedans yolu ekleyin.
Dijital ve analog topraklarınızı da benzer şekilde ayrı tutmalısınız. Kapasitif kuplajı azaltmak için yalnızca analog hatların analog topraklamanızı geçmesini sağlayın.
2. Parça Tasarımı
Bu adım ayrıca, şematiklerinize göre sinyal izlerinin bağlanmasını da içerir. İzlerinizin her zaman mümkün olduğunca kısa ve doğrudan olmasını istersiniz. PCB'nin bir tarafında yatay iz yönlendirmeniz varsa, dikey izleri diğer tarafa yerleştirin.
Panonuz, ihtiyacınız olan ağ genişliğini belirleyecek farklı akımlara sahip birden fazla ağ gerektirebilir. Bir iz genişliği hesaplayıcısı kullanmak bu adımda yardımcı olabilir. İnce parçalar ancak çok fazla akım taşıyabilir. 0,010 inç veya 10 mil kalınlığındaki parçalar yalnızca yaklaşık bir amperlik bir akım alabilirken, 250 mil kalınlığındaki bir iz, 30 derecelik bir sıcaklık artışıyla 15 amper kadar taşıyabilir.
3. Ped ve Delik Boyutu
Ayrıca PCB tasarım sürecinin başlarında ped ve delik boyutlarını belirlemeniz gerekecektir. Pedlerin ve deliklerin boyutu küçüldükçe, doğru ped-delik boyutu oranını elde etmek daha önemli hale gelir. Geçiş delikleriyle çalışırken özellikle kritiktir. Çıplak PCB üreticisi onlar gerektiren standartları ve boy oranına kurallarının belirlenmesini mümkün olabilir.
Bir diğer önemli husus, PCB pedlerinin şeklidir. PCB ayak izleri üretim sürecine göre değişebilir. Dalga lehimleme , örneğin, kızıl ötesi yeniden akışlı lehimlemeye göre tipik olarak daha büyük ayak izleri gerektirir.
4. Sinyal Bütünlüğü ve RF Sorunları
PCB yerleşim tasarımı, sinyal bütünlüğünü sağlamada ve genellikle radyo frekansı paraziti veya elektromanyetik parazit olarak adlandırılan parazit gibi elektrik sorunlarını önlemede çok önemli bir rol oynar.
Bu sorunlardan kaçınmanın, izlerinizi nasıl yönlendirdiğinizle çok ilgisi vardır. Sinyal sorunlarını önlemek için birbirine paralel koşu parkurlarından kaçının. Paralel parçalarda daha fazla karışma olacaktır, bu da PCB'yi kurduktan sonra düzeltilmesi zor olan çeşitli sorunlara neden olabilir. Paletlerin birbirinin üzerinden geçmesi gerekiyorsa, bunu dik açılarda yaptıklarından emin olun. Bu, hatlar arasındaki kapasitansı ve karşılıklı endüktansı azaltacak ve sırayla karışmayı azaltacaktır.
Düşük elektromanyetik radyasyon üreten yarı iletken bileşenlerin kullanılması da sinyal bütünlüğüne yardımcı olabilir. Bazen başka ihtiyaçlar daha yüksek elektromanyetik üretime sahip parçalar gerektirebilir.
Bir PCB tasarlarken, elektromanyetik enerji yayan antenlerin yanı sıra yüksek frekanslar taşıyan büyük sinyal döngülerini ve toprak dönüş hatlarını ortadan kaldırın. Kısa ara bağlantı hatları elde etmek için entegre devreleri dikkatli bir şekilde yerleştirmelisiniz.
PCB üzerine yakın bir topraklama ızgarası yerleştirmek , dönüş hatlarının sinyal hatlarına yakın olmasını sağlamaya yardımcı olan bir diğer önemli RF PCB yerleşim tasarım kılavuzudur. Bu, etkili anten alanını nispeten küçük tutar. Çok katmanlı bir tahtada bunu bir yer düzlemi ile başarabilirsiniz.
5. Termal Sorunlar
Termal sorunlar, tasarım sürecinin birçok farklı bölümünü etkileyebilir. Daha büyük kartlar ve daha yüksek bileşen yoğunluğuna ve daha yüksek işleme hızlarına sahip olanlar, ısıyla ilgili daha fazla soruna sahip olma eğilimindedir. Daha küçük panolar için bir endişe kaynağı olmayabilirler, ancak daha gelişmiş olanlar için önemli bir zorluk olabilir.
Isı ile ilgili sorunları önlemek için, ısının dağılmasına izin vermeniz gerekir. İlk olarak, çok fazla ısı üreten bileşenleri belirleyin. Her bileşenin termal direnç derecelerini veri sayfasında bulabilmeniz gerekir. Ardından, ısıyı o bileşenden yönlendirmek için önerilen yönergeleri takip edebilirsiniz.
Isınabilecek tüm bileşenlerin etrafında yeterli boşluk bıraktığınızdan emin olun. Ne kadar çok ısı yaratırlarsa, soğumaları gereken alan o kadar fazla olacaktır. Kritik bileşenleri ısı kaynaklarının yakınına yerleştirmemek de çok önemlidir.
İdeal olarak, tüm pano aynı çalışma sıcaklığına sahip olacaktır. Isı transferi için kullanılan yüzey alanını artırarak sıcaklığın düşme hızını hızlandıran geniş bir alana ısıyı dağıtmak için termal olarak iletken düzlemler kullanın.
Anakartınız için termal sorunlar önemliyse, çok katmanlı panolarda ve yüksek bakır içeriğine sahip tertibatlarda dalga lehimleme için kritik olan soğutma fanları, ısı emiciler ve termal tahliyeleri dahil etmeniz gerekebilir. İnce dağılmış katı parçacıklarla doldurulmuş bir polimer olan ısı emici macunu kullanarak ısı alıcılar oluşturabilirsiniz. Bu macunu ekran veya şablon baskı kullanarak uygulayabilirsiniz . Kurutma veya fırınlama işleminden sonra sabitlenir ve bir soğutucu görevi görür.
Delikten geçen bileşenlerde, ısının bileşen plakalarından geçme hızını yavaşlatan termal tahliyelerin kullanılması her zaman tavsiye edilir. Genel bir kural olarak, bir geçiş veya delik bir zemine veya güç düzlemine her bağlandığında bir termal tahliye modeli kullanın. Ek destek sağlamak ve termal stresi azaltmak için izlerin ve pedlerin birleştiği yerlerde gözyaşı damlaları da kullanmak isteyebilirsiniz.
TEST ETMENİN ÖNEMİ
PCB tasarım süreci ve PCB üretim sürecinin geri kalanı boyunca, işinizi sürekli olarak kontrol etmelisiniz. Sorunları erkenden yakalamak, etkilerini en aza indirmeye yardımcı olacak ve bunları düzeltme maliyetlerini azaltacaktır.
Yapmanız gereken iki yaygın test, elektrik kuralları kontrolü ve tasarım kuralları kontrolüdür. Bu testler, karşılaşabileceğiniz daha önemli sorunların çoğunu çözmenize yardımcı olacaktır.
ERC ve DRC testlerinizi sorunsuz bir şekilde geçtikten sonra, her sinyalin yönlendirmesini kontrol etmeli ve kartınızı şematik ile detaylı olarak karşılaştırmalısınız.
CAD İLE PCB YERLEŞİM PROBLEMLERİNİ ÇÖZME
Günümüzde çoğu PCB tasarımcısı, PCB'lerini oluşturmak için gelişmiş bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılım sistemlerini kullanıyor. Benzer şekilde, üreticiler bilgisayar destekli üretim yazılımı kullanırlar. Bu sistemleri kullanmak, karşılaşabileceğiniz birçok yerleşim problemini çözmenize yardımcı olabilir. Bu yazılım sistemlerini kullanmanın avantajlarından bazıları şunlardır:
· Basit, Yarı Otomatik Tasarım Süreçleri: CAD programları, bileşenleri tasarımınıza devam etmeleri için ihtiyaç duyduğunuz yere sürükleyip bırakmanıza olanak tanır. Hatta birçok sistem sizin için izleri bile oluşturacaktır ve ardından bileşenleri taşıyabilir, ekleyebilir veya kaldırabilir veya gerektiğinde yeniden yönlendirebilirsiniz. Bu yaklaşım, tasarım sürecinizin verimliliğini ve doğruluğunu artırabilir.
· Tasarım Doğrulama: Tasarımınızı üretim aşamasına göndermeden önce, toleranslarınızı, uyumluluğunuzu, bileşen yerleşiminizi ve diğer hususları doğrulamak için bir CAD sistemi kullanarak test edebilirsiniz. Hatta birçok sistem, temel hataları gerçek zamanlı olarak yakalayarak etkilerini en aza indirebilir veya ortadan kaldırabilir.
· Üretim Dosyası Oluşturma: Bir CAD sistemi ile üreticiye göndermeniz gerekebilecek Gerber dosyaları ve diğer dosya formatlarını oluşturabilirsiniz. Bu dosyaları doğrudan tasarım yazılımından oluşturmak, doğruluklarını artırmaya ve üretim aşamasına sorunsuz bir geçiş sağlamaya yardımcı olabilir.
· Dokümantasyon: Bu sistemleri ayrıca bileşen kullanımı, hata raporları, tasarım durumu, versiyon kontrolü ve daha fazlasıyla ilgili ayrıntılı dokümantasyon oluşturmak ve kaydetmek için de kullanabilirsiniz ve bu dokümanlar gelecekteki projelere yardımcı olabilir.
· Kural Oluşturma: Bu programlardan bazıları, yazılımın işlevselliğini geliştirmek için tasarımcılarla paylaşabileceğiniz özel kural kümeleri oluşturmanıza ve saklamanıza olanak tanır.
· Şablon Oluşturma: Gelecekteki projelerde kullanmak için şablonlar bile oluşturabilirsiniz. Bir tasarım oluşturduğunuzda, onu kaydedebilir ve diğer projeler için şablon olarak yeniden kullanabilirsiniz.
· Artan Verimlilik ve Azaltılmış Maliyetler: Bilgisayar destekli tasarımı operasyonlarınıza dahil etmek, tasarım sürecinizin verimliliğini ve doğruluğunu artırabilir, bu da genel maliyetleri düşürür.