PCB-design för nybörjare: En steg-för-steg-guide för att bygga ditt första bräde

Det första kortet som en nybörjare skickar ut kommer vanligtvis tillbaka med ett av tre problem: ett kontaktavtryck som sitter en halv millimeter utanför kuddarna, ett kraftspår som går varmt under belastning, eller ett Gerber-paket som tillverkaren måste maila dig om innan jobbet ens kan börja. Inget av dessa är kretsfel. De är layout- och handoffbeslut som fattas efter att schemat redan har arbetats på skärmen.

För en första design är den pålitliga vägen smal. Håll kortet enkelsidigt eller tvåskiktigt, placera varje kontakt och monteringshål innan du dirigerar ett enda spår, dimensionera kraftspår från ett aktuellt bord istället för med ögat, och avsluta med en designregelkontroll som matchar vad din tillverkare faktiskt kan producera. Avsnitten nedan förklarar varför vart och ett av dessa steg finns och vad det kostar när du hoppar över det.

Börja med ett schema och fotspår som du kan verifiera

Schemat är inte pappersarbete du gör klart innan det "riktiga" designarbetet börjar. Det är nätlistan som driver layouten, stycklistan och monteringsritningen, och varje oöverensstämmelse som finns kvar i den blir ett kopparspår som du måste skära senare.

Tillbringa den extra timmen i biblioteket istället för layouten. Öppna förråd och distributörsplatser är fulla av fotspår som ritats av andra användare, och en dyna som är 0,2 mm för smal ser fortfarande övertygande ut på skärmen samtidigt som det gör handlödning nästan omöjlig.

• Kopiera det rekommenderade landmönstret från komponentdatabladet istället för att rita ditt eget.
• Bekräfta stift 1-orienteringen och kontrollera om delen är spegelvänd när den sitter på undersidan.
• Kontrollera att varje footprint-gård inte överlappar sina grannar.
• Matcha plattantalet för fotavtrycket med symbolen innan du importerar båda till layouten.

Om du fortfarande bygger en mental modell av hela flödet, är en genomgång av PCB-designens grunder, stackup-val och felsökningstips värd att läsa innan du bestämmer dig för ett layoutverktyg.

En enkelsidig eller tvålagersbräda räcker vanligtvis

För ett första projekt kommer ett eller två lager nästan alltid att bära kretsen, och det enklare kortet är billigare att göra, snabbare att komma fram och mycket lättare att omarbeta när något går fel.

En enkelsidig bräda sätter varje spår på den nedre kopparn och varje del på toppen. Det finns inga pläterade viaor att oroa sig för, och om ett spår måste passera ett annat löser du det med en trådlänk istället för en omdesign. Det är därför så många första projekt – timers, sensoravbrott, enkeltransistordrivrutiner – förblir enkelsidiga.

Ytfinish betyder mer än nybörjare förväntar sig. OSP, det organiska konserveringsmedlet för lödbarhet, lämnar platt koppar som löder bra, håller rimlig hållbarhet och kostar mindre än guldplätering. En enkelsidig OSP-bräda är en vettig första order eftersom det finns väldigt lite på den som en klumpig lödkolv kan skada.

Enkelsidigt OSP PCB-kort Enkelsidiga OSP PCB använder en organisk lödbarhetsfilm (OSP) ytbehandling, som är miljövänlig och giftfri. De erbjuder mycket platta kuddar, maki... Visa produkt →

Två lager ger dig ett kontinuerligt jordplan på ena sidan, vilket är den största brus- och signalkvalitetsförbättringen som finns tillgänglig för väldigt lite pengar. Om din design inkluderar en omkopplingsregulator, en SPI-buss eller en kristall, börja med två lager.

Flytta till fyra lager när routing eller buller kräver det

Fyra lager slutar vara en lyx när signaldensiteten eller klockhastigheten stiger. Det vanliga nybörjarvänliga arrangemanget är signal, jord, kraft, signal: varje spår får ett kontinuerligt referensplan direkt under sig, vilket tar bort det mesta av gissningar på returvägen som plågar tvåskiktslayouter.

Steget från två lager till fyra är verkligt men vanligtvis mindre än folk fruktar, och det köper en tystare bräda med mycket mindre layouttid. En standardkonstruktion i fyra lager med grön lödmask och en OSP-finish är där många första seriösa konstruktioner hamnar.

4 lager grön OSP PCB Fyra lager double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Visa produkt →

Placera komponenterna innan du kör någonting

Placeringen avgör det mesta av dina ruttsvårigheter. Nybörjare placerar ofta delar grovt, börjar dirigera och upptäcker först då att en kontakt måste flyttas.

1. Placera kontakter, strömbrytare, lysdioder och monteringshål först, eftersom höljet bestämmer vart de ska gå.
2. Lägg till delar med mekaniska begränsningar härnäst: kristaller, antenner, kylflänsar, allt med ett utrymme för att hålla sig utanför.
3. Sätt varje frånkopplingskondensator så nära strömstiftet som möjligt, på samma sida om utrymmet tillåter.
4. Ordna de återstående komponenterna så att anslutningarna mellan dem förblir korta och börja sedan dirigera.

Håll koppar minst 0,3 mm från skivans kontur om inte tillverkaren anger något annat, och kom ihåg att V-skårade eller räfflade kanter tar bort material efter montering. Gräv inte ner en testpunkt under en hög del, och lämna sonderingsutrymme runt allt du behöver mäta - du kommer att mäta det.

Storleksspår från ström, inte från vana

Spårbredd är ett termiskt beslut innan det är något annat. Ett spår som är för smalt för sin ström värms upp, och den temperaturökningen - inte bara strömmen - är det som till slut skadar laminat eller en lödfog.

IPC-2221-kurvor sitter bakom nästan alla spårbreddskalkylatorer online, och mönstret är enkelt: bredden växer snabbare än nuvarande. Att flytta från 1 A till 2 A på samma koppartjocklek multiplicerar den nödvändiga bredden med ungefär 2,6, inte med två. Inre skiktspår blir också varmare eftersom laminat fångar värme, så ett inre spår behöver cirka 2,6 gånger bredden av dess yttre skiktmotsvarighet.

Behandla dessa siffror som minimivärden endast för temperatur. Spänningsfall, kontrollerad impedans och smältström är alla tryckbredder högre.

När en design verkligen bär ström blir kopparvikt och ytfinish layoutbeslut snarare än inköpsdetaljer. Två uns koppar halverar ungefär varje bredd i tabellen, och en blyfri lödfinish, som den som används på ett dubbelsidigt blyfritt kort byggt för kraft- och bilelektronik, är värt att specificera tidigt eftersom det förändrar både processen och ytan du ska löda till.

Dubbelsidig grön blyfri lödd PCB för kraft- och fordonselektronik Dubbelsidig grön blyfri förtennad skiva. Den tjocka metallbarriären som bildas av tennbeläggningen har utmärkt värmeavledningsförmåga och förmågan att hantera... Visa produkt →

Geometri spelar också roll. Ruta i 45 grader snarare än 90, håll högströmsslingor fysiskt små och kör signalspår över obruten mark varhelst stackupen tillåter det.

Kör DRC mot tillverkarens verkliga gränser

Designregelkontroll är inte en formalitet som sparas till slut. Ställ in dina regler från tillverkarens publicerade kapacitet innan du börjar, kör sedan kontrollen efter placering och igen efter routing.

Flerskiktsfabriker kan hålla 3/3 mil linjebredd och avstånd - en 6-lagers guldpläterad bräda med den geometrin är rutinproduktion för många av dem - men att designa på 6/6 mil kostar en långsam första bräda ingenting i prestanda och lämnar marginal mot etsningsvariationer och billigare offerter.

Rensa dessa kontroller innan du exporterar:

• Oanslutna nät och nät med enkel platta, vilket vanligtvis betyder att en schematisk symbol aldrig var kopplad.
• Utsläppsbrott mellan spår, kuddar och koppar.
• Silkscreen tryckt över exponerade kuddar, vilket stör lödpastan.
• Ringformade ringar och borrstorlekar under tillverkarens minimum.
• Överlappande eller dubblerade kuddar, ofta kvar när ett fotavtryck redigeras.

Exportera sedan Gerbers i RS-274X-format, en fil per lager, plus en NC-borrfil i matchande enheter och en kort textanteckning med lagerantal, skivtjocklek, kopparvikt, ytfinish och eventuella impedanskrav. Varje fråga en tillverkare måste ställa till dig lägger till en dag till offerten.

Vad ska skickas och vad som kommer tillbaka

Produktionen går snabbt när filerna är korrekta. Standardledtider för en enkel bräda ser ut så här:

• Enkelsidiga och dubbelsidiga stora partier: 6 till 7 dagar
• 4 till 8 lager: 9 till 20 dagar
• 10 till 16 lager: 20 till 25 dagar
• 16 till 32 lager: 25 till 45 dagar
• HDI-kort: inom 25 dagar
• Dubbelsidiga prototyper: så snabbt som 24 timmar

Priset styrs av storlek, antal lager, kopparvikt, finish, kvantitet och hur hårt du pressar toleransen. Certifieringar visar vilka marknader en fabrik kan betjäna: ISO 9001, ISO 14001 och ISO 45001 omfattar allmän kvalitets-, miljö- och säkerhetsledning, medan IATF 16949 har betydelse när styrelsen hamnar i ett fordon och UL har betydelse när den färdiga produkten säljs i Nordamerika. Att läsa servicesidan för en potentiell leverantör innan du låser Gerbers berättar vilka toleranser och ytbehandlingar de kör varje dag, vilket är mer användbart än de minimivärden som skrivs ut i en kapacitetstabell.

Om du tar bort en sekvens från den här artikeln, gör den till den här:

1. Rita schemat och verifiera varje fotavtryck mot ett datablad.
2. Välj det lägsta antal lager som bär dina signaler och lägg till ett jordplan så fort du flyttar till två lager.
3. Placera kontakter, monteringshål och frånkopplingskondensatorer innan du drar något.
4. Storlek på effektspår från en strömtabell och håll strömslingor korta.
5. Kör DRC, exportera RS-274X Gerbers med en NC-borrfil och skicka paketet med en skriftlig stackup-nota.

Beställ sedan en liten prototypkvantitet, sätt på den långsamt och skriv ner vad du skulle ändra. Det andra kortet är alltid bättre än det första, och det snabbaste sättet att lära sig PCB-design är att avsluta ett.