12 Krytyczne środki ostrożności przy projektowaniu płyt PCB: unikanie kosztownych błędów i zapewnienie niezawodności

Projektowanie płyt PCB jest równoważeniem: inżynierowie muszą optymalizować wydajność, miniaturyzację i możliwość produkcji, unikając jednocześnie błędów, które prowadzą do ponownej pracy, opóźnień,lub awarii produktuNawet niewielkie zaniedbania (np. nieprawidłowe rozstawienie śladów, słabe zarządzanie cieplne) mogą powodować zwarcia, pogorszenie sygnału lub przedwczesną awarię części,Koszty dla producentów średnio 1 USD500 EUR za iterację projektu, zgodnie z danymi IPC.

W niniejszym przewodniku przedstawiono 12 podstawowych środków ostrożności w zakresie projektowania PCB, obejmujących wszystko, od umieszczenia komponentów po zarządzanie cieplne i integralność sygnału.rozwiązania wykonalne, a także przykłady z rzeczywistości, które pomogą Ci zbudować niezawodne, wyprodukowalne i ekonomiczne PCB.Środki te zminimalizują ryzyko i usprawnią produkcję.

Dlaczego ważne są środki ostrożności w projektowaniu płyt PCB
Przed podjęciem szczegółowych środków ostrożności ważne jest zrozumienie wpływu błędów projektowych:
1Koszt: Przetwarzanie pojedynczej partii PCB może kosztować (5.000 ‰) 50,000, w zależności od wielkości i złożoności.
2Czas: błędy projektowe opóźniają uruchomienie produktu o 2 ̇8 tygodni, brakuje okien rynkowych.
3Niezawodność: usterki w polu ze względu na złą konstrukcję (np. naprężenie cieplne, krzyżową głośność) niszczą reputację marki i zwiększają roszczenia gwarancyjne.
Badanie przeprowadzone w 2024 r. wśród producentów urządzeń elektronicznych wykazało, że 42% problemów związanych z PCB wynika z błędów projektowych, co czyni proaktywne środki ostrożności najskuteczniejszym sposobem zmniejszenia ryzyka.

Ostrożność 1: przestrzeganie norm IPC dotyczących śladów i przestrzeni
Ryzyko
Cienkie odstępy między śladami (mniej niż 0,1 mm) lub niewielkie ślady powodują:
1.Crosstalk: zakłócenia sygnału między sąsiednimi śladami, obniżające wydajność w konstrukcjach o dużej prędkości (> 100 MHz).
2. Krótkie obwody: Ładowanie podczas montażu, zwłaszcza w przypadku elementów o cienkiej rozdzielczości.
3.Obecne problemy z pojemnością: niewielkie ślady przegrzania, prowadzące do wypalenia miedzi w zastosowaniach o dużej mocy.

Rozwiązanie
Należy przestrzegać norm IPC-2221, które określają minimalne ślady/przestrzeń w oparciu o napięcie, prąd i możliwości produkcyjne:

Pro Tip
Wykorzystaj kontrole zasad projektowania (DRC) w oprogramowaniu PCB (Altium, KiCad) do oznaczania naruszeń w czasie rzeczywistym.

Ostrożność 2: optymalizacja umieszczenia części w celu zapewnienia możliwości produkcji
Ryzyko
Niewłaściwe umieszczenie komponentów prowadzi do:
a.Wyzwania związane z montażem: maszyny do zbierania i umieszczania mają problem z niewłaściwym ustawieniem lub przepełnieniem części, co zwiększa częstość wad.
b.Punkty cieplne: Komponenty zasilania (np. MOSFET, diody LED) umieszczone zbyt blisko części wrażliwych na ciepło (np. kondensatory) powodują przedwczesną awarię.
c.Trudność ponownej pracy: składniki ściśle ułożone uniemożliwiają naprawę bez uszkodzenia sąsiednich części.

Rozwiązanie
Postępuj zgodnie z poniższymi wytycznymi:
a.Grupacja według funkcji: klaster składników zasilania, obwodów analogowych i cyfrowych oddzielnie w celu zminimalizowania zakłóceń.
b.Oddzielenie termiczne: Utrzymać elementy zasilania (dyssypujące > 1 W) co najmniej 5 mm od części wrażliwych na ciepło (np. kondensatorów elektrolitycznych, czujników).
c. Odległość produkcyjna: utrzymywać odległość 0,2 mm między ciałami komponentów a krawędziami deski; 0,5 mm dla BGA o cienkiej pasmości (≤ 0,4 mm pasmo).
d. Spójność orientacji: ustawić pasywy (rezystory, kondensatory) w tym samym kierunku w celu przyspieszenia montażu i zmniejszenia błędów.

Praktyczny przykład
Firma produkująca elektronikę użytkową zmniejszyła wady montażu o 35% po przeorganizowaniu umieszczania komponentów w oddzielnych obwodach zasilania i sygnału, zgodnie z wytycznymi IPC-A-610.

Uwaga 3: Podkładki projektowe zgodnie z normami IPC-7351
Ryzyko
Powszechne lub nieprawidłowe rozmiary podkładek powodują:
a.Kamienie grobowe: Małe elementy (np. rezystory 0402) odciągają się od jednej podkładki z powodu nierównomiernego przepływu lutowania.
b.Niewystarczające złącza lutowe: słabe połączenia podatne na awarie w cyklu termicznym.
c. Łączenie lutownictwa: nadmiar lutownictwa między podkładkami, powodujący zwarcia.

Rozwiązanie
Używać odcisków IPC-7351, które określają wymiary podkładek w zależności od typu i klasy części (klasa 1: konsumencka; klasa 2: przemysłowa; klasa 3: lotnicza):

Pro Tip
W przypadku elementów QFN (Quad Flat No Lead) dodaj drogi ucieczki pasty lutowej (0,1 mm) w celu zapobiegania wyciekowi lutowej pod nadwoziem elementu.

Ostrożność 4: Wdrożyć odpowiednie strategie uziemienia
Ryzyko
Przyczyny złego uziemienia:
a.EMI (interferencje elektromagnetyczne): niekontrolowane prądy naziemne emitują hałas, zakłócając czułe obwody (np. czujniki, moduły RF).
b. Utrata integralności sygnału: pętle naziemne tworzą różnice napięcia, degradując sygnały dużych prędkości (> 1 GHz).
c. Hałas zasilania: wahania potencjału ziemskiego wpływają na regulację napięcia, powodując niestabilność części.

Rozwiązanie
Wybierz odpowiednią topologię uziemienia dla projektu:

Pro Tip
W przypadku projektów RF (5G, Wi-Fi 6E) użyj “grunt stitching” (przewody co 5 mm wzdłuż płaszczyzn gruntowych), aby zmniejszyć EMI o 40 – 60%.

Środek ostrożności 5: Zarządzanie rozpraszaniem cieplnym dla komponentów o dużej mocy
Ryzyko
Ignorowanie zarządzania cieplnym prowadzi do:
a.Zagrodzenie składników: Wzrost temperatury połączenia o 10°C skraca żywotność składników o 50% (prawo Arrheniusa).
b.Zmęczenie stawów lutowniczych: cykle termiczne (ogrzewanie/chłodzenie) osłabiają stawy, powodując przerywane awarie.
c. Zmniejszanie wydajności: procesory i układy IC zasilania zmniejszają prędkość, aby uniknąć przegrzania, co obniża wydajność produktu.

Rozwiązanie
Wdrożyć następujące zabezpieczenia termiczne:
a.Przewody cieplne: umieszcza się 4 ̇6 przewodów (0,3 mm średnicy) pod komponentami zasilania (np. regulatorami napięcia) w celu przenoszenia ciepła do wewnętrznych płaszczyzn podłoża.
b. Wyspy miedziane: Użyj dużych obszarów miedzianych (2 oz grubości) pod wysokiej mocy diody LED lub IGBT do rozprzestrzeniania ciepła.
c. Odbiorniki ciepła: Zaprojektuj odciski PCB dla dołączalnych odbiorników ciepła (np. przy użyciu kleju termicznego lub śrub) dla komponentów rozpraszających > 5 W.
d.Symulacja termiczna: Wykorzystanie oprogramowania takiego jak ANSYS Icepak do modelowania przepływu ciepła i identyfikacji punktów gorących przed produkcją.

Wpływ na rzeczywistość
Producent elektroniki mocy zmniejszył awarie pola o 70% po dodaniu przewodów termicznych do swoich 100W PCB inwerterów, obniżając temperaturę komponentów o 22 °C.

Środek ostrożności 6: Zapewnienie odpowiedniego zaprojektowania i umieszczenia
Ryzyko
Słaba konstrukcja powoduje:
a. Odbicie sygnału: nieużywane poprzez sztuby (nadmierna długość) działają jak anteny, odbijając sygnały o dużej prędkości i powodując drżenie.
b.Oporność termiczna: Małe lub źle pokryte przewody ograniczają transfer ciepła, przyczyniając się do występowania punktów gorących.
c. Słabość mechaniczna: zbyt wiele przewodów w małym obszarze osłabia PCB, zwiększając ryzyko pęknięcia podczas montażu.

Rozwiązanie
Postępuj zgodnie z poniższymi wytycznymi:
a. Wielkość przewodu: do większości zastosowań należy użyć przewodu o średnicy 0,2 mm (8 mil); w przypadku ultragęstych konstrukcji HDI - 0,15 mm (6 mil).
b. Pierścień pierścieniowy: utrzymywać pierścień pierścieniowy o długości co najmniej 0,1 mm (miedziany wokół poprzez), aby zapobiec podnoszeniu podkładki, co jest niezbędne do wiercenia mechanicznego.
c. Usunięcie sztabki: w przypadku konstrukcji o dużej prędkości (> 10 Gbps) należy wykorzystać wiertnictwo tylne w celu usunięcia sztabek, zmniejszając odbicie sygnału o 80%.
d. Odległość między przewodami: utrzymywać odległość między przewodami co najmniej 0,3 mm w celu uniknięcia pęknięcia wiertarki i zapewnienia niezawodnego pokrycia.

Pro Tip
W przypadku konstrukcji typu via-in-pad (VIPPO) (w ramach BGA) wypełniaj przewody miedzią lub żywicą, aby utworzyć płaską powierzchnię do lutowania, zapobiegając pustkom lutowniczym.

Zasada ostrożności 7: sprawdź dostępność i kompatybilność części

Ryzyko
Używanie przestarzałych lub trudnych do pozyskania komponentów lub niezgodnych śladów powoduje:
Opóźnienia w produkcji: oczekiwanie na niestandardowe komponenty może wydłużyć czas realizacji o 4-12 tygodni.
b.Błędy montażu: niezgodne ślady (np. użycie śladu 0603 dla elementu 0402) sprawiają, że PCB są niewykorzystane.
c. Przekroczenie kosztów: przestarzałe komponenty często kosztują 5-10 razy więcej niż standardowe alternatywy.

Rozwiązanie
a. Sprawdź dostępność komponentów: Użyj narzędzi takich jak Digi-Key, Mouser lub Octopart, aby zweryfikować czas realizacji zamówienia (cel: <8 tygodni) i minimalną ilość zamówienia.
b. Priorytetyzowanie standardowych komponentów: Wybierz wspólne wartości (np. rezystory 1kΩ, kondensatory 10μF) i rozmiary opakowań (0402, 0603, SOIC), aby uniknąć przestarzałości.
c. Zweryfikuj ślady: sprawdź karty danych komponentów wraz z biblioteką PCB, aby upewnić się, że wymiary podkładek, liczba pinów i pasma pasują.
d. Dodaj alternatywne komponenty: do BOM należy dodać 1 ‰ 2 alternatywnych numerów części dla składników krytycznych, zmniejszając ryzyko w łańcuchu dostaw.

Pro Tip
Wykorzystaj narzędzia “checker footprint” w Altium lub KiCad, aby porównać swój projekt ze standardami IPC-7351 i arkuszami danych komponentów.

Ostrożność 8: Optymalizacja maski lutowej i jedwabnicy do montażu
Ryzyko
Słaba konstrukcja maski lutowej lub jedwabnicy prowadzi do:
a.Wady lutownicze: podkładki pokrywające maskę lutowniczą (poślizg maski) uniemożliwiają lutowanie; brak maski naraża miedź na utlenianie.
b.Wyzwania związane z inspekcją: nieczytelny ekran jedwabny utrudnia identyfikację elementów podczas montażu i ponownej obróbki.
c. Problemy z przyczepieniem: podkładki pokrywające się z jedwabnym ekranem zanieczyszczają złącza lutowe, powodując niewilgocenie.

Rozwiązanie
a. Odległość maski lutowej: utrzymać odległość 0,05 mm (2 mil) między maską lutową a podkładkami, aby uniknąć problemów z pokryciem.
b. Grubość maski: Należy określić grubość maski 25μm ̇ zbyt cienkie zagrożenie otworami szpilkowymi; zbyt gruba przeszkadza w lutowaniu o cienkiej rozdzielczości.
c. Wytyczne dotyczące jedwabnicy:
Utrzymać rozmiar tekstu ≥ 0,8 mm x 0,4 mm (32 pct x 16 pct) dla czytelności.
Utrzymuj odległość 0,1 mm między silkscreenem a podkładkami.
W celu zapewnienia kompatybilności z AOI (automatyczna kontrola optyczna) należy użyć czarnego lub białego atramentu (najwyższy kontrast).

Pro Tip
W przypadku zastosowań o wysokiej niezawodności (przestrzeni powietrznej, medycyny) należy stosować maskę lutową LPI (Liquid Photoimageable), która zapewnia lepszą precyzję niż maska z suchego filmu.

Uwaga 9: Badanie integralności sygnału w konstrukcjach dużych prędkości
Ryzyko
Nieoptymalizowane sygnały dużych prędkości (> 100 MHz) cierpią na:
a. Strata wstawienia: osłabienie sygnału z powodu oporu śladowego i utraty dielektrycznej.
b. Przesłuch: zakłócenia między sąsiednimi śladami, powodujące błędy w danych.
c. Niezgodności impedancji: Niespójne szerokości śladów lub grubość dielektryczna tworzą punkty odbicia.

Rozwiązanie
a.Kontrolowana impedancja: ślady projektowe dla 50Ω (jednostronnych) lub 100Ω (diferencyjnych) przy użyciu kalkulatorów impedancji (np. Saturn PCB Toolkit).
Przykład: W przypadku śladów 50Ω z jednym końcem na 1,6-milimetrowym FR-4 należy użyć szerokości śladu 0,25 mm z grubością dielektryczną 0,15 mm.
b.Routing pary różniczkowej: zachować pary różniczkowe (np. USB 3.0, PCIe) równoległe i rozmieszczone od siebie o odległości 0,15 ± 0,2 mm w celu zminimalizowania zakłóceń.
c.Symulacja sygnału: Wykorzystanie narzędzi takich jak Keysight ADS lub Cadence Allegro do symulacji integralności sygnału i identyfikacji problemów przed produkcją.
d. Rezystory końcowe: Dodawanie końcowego serii (50Ω) w źródle sygnałów dużych prędkości w celu zmniejszenia odbicia.

Praktyczny przykład
Firma telekomunikacyjna poprawiła integralność sygnału 10G Ethernet o 35% po wdrożeniu kontrolowanej impedancji i różnicowego trasowania par, spełniając standardy IEEE 802.3ae.

Środek ostrożności 10: Plan sprawdzalności i ponownej pracy
Ryzyko
a. Nieosiągalne punkty badawcze lub trudne do ponownej obróbki elementy powodują:
b.Niewiarygodne badania: Niepełne pokrycie sieci krytycznych zwiększa ryzyko wysyłki wadliwych PCB.
Wysokie koszty przebudowy: Komponenty, które wymagają specjalistycznych narzędzi (np. stacji ciepłego powietrza), aby usunąć zwiększone koszty pracy.

Rozwiązanie
1.Konstrukcja punktu badawczego:
a. Umieszczanie punktów badawczych (0,8 ∼1,2 mm średnicy) na wszystkich krytycznych sieciach (sygnały zasilania, uziemienia, prędkości).
b. Utrzymuje się odległość 0,5 mm między punktami badania a komponentami umożliwiającymi dostęp do sondy.
2.Rework Dostęp:
a. Pozostawić 2 mm wolnego miejsca wokół elementów BGA/QFP dla narzędzi do ponownego obróbki.
b. Unikać umieszczania komponentów pod pochłaniaczami ciepła lub złączami, które blokują dostęp.
3.DFT (projektowanie do badań):
a. Włączenie interfejsów JTAG (boundary-scan) dla złożonych układów integracyjnych w celu umożliwienia kompleksowego testowania.
b.Używanie kuponów testowych (małych próbek PCB) do sprawdzania skuteczności lutowania i materiału.

Pro Tip
W przypadku produkcji dużych objętości PCB należy zaprojektować tak, aby były kompatybilne z urządzeniami do badań na nogach, które skracają czas badania o 70%.

Zasada ostrożności 11: Zwróć uwagę na zgodność z przepisami dotyczącymi środowiska i przepisami
Ryzyko
Niezgodne projekty są narażone:
a. Zakazy wprowadzania do obrotu: ograniczenia RoHS dotyczące substancji niebezpiecznych (ołowiu, rtęci) blokują sprzedaż w UE, Chinach i Kalifornii.
b.Kary prawne: naruszenie norm takich jak IEC 60950 (bezpieczeństwo) lub CISPR 22 (EMC) skutkuje grzywną do 100 USD,000.
c.Uszkodzenie reputacji: Produkty niezgodne z wymogami naruszają zaufanie do marki i tracą lojalność klientów.

Rozwiązanie
1Zgodność z RoHS/REACH:
a. Używać lutownicy wolnej od ołowiu (SAC305), laminatów wolnych od halogenów i komponentów zgodnych z RoHS.
b.Zaproś od dostawców o dokumenty deklaracji zgodności (DoC).
2.EMC zgodność:
a. Dodawanie filtrów EMI do wprowadzanych źródeł zasilania i linii sygnałowych.
b.Wykorzystanie samolotów naziemnych i zbiorników osłon w celu zmniejszenia emisji.
c. Prototypy badawcze zgodnie z normami CISPR 22 (emisje promieniowane) i IEC 61000-6-3 (odporność).
3.Normy bezpieczeństwa:
a.Przestrzeganie normy IEC 60950 w odniesieniu do sprzętu informatycznego lub normy IEC 60601 w odniesieniu do wyrobów medycznych.
b. Utrzymuje się minimalną przebiegłość (odległość między przewodnikami) i przepustkę (przestrzeń powietrza) w zależności od napięcia (np. 0,2 mm dla 50 V, 0,5 mm dla 250 V).

Pro Tip
Współpraca z laboratorium zgodności na wczesnym etapie procesu projektowania w celu zidentyfikowania problemów przed rozpoczęciem produkcji zmniejsza koszty ponownej obróbki o 50%.

Zasada ostrożności 12: Przeprowadzenie przeglądu DFM (projektowania w celu wykonania)
Ryzyko
Ignorowanie DFM prowadzi do:
a.Wady produkcyjne: Projekty niezgodne z możliwościami fabryki (np. zbyt małe przewody) zwiększają wskaźniki złomu.
b. Przekroczenie kosztów: procedury niestandardowe (np. wiercenie laserowe dla przewodów 0,075 mm) zwiększają koszty produkcji o 20-30%.

Rozwiązanie
1.Współpracuj z producentem: udostępnij pliki Gerber i BOMs dostawcy PCB w celu przeglądu DFM – większość oferuje tę usługę za darmo.
2.Kluczowe kontrole DFM:
a.Czy fabryka może wiercić w twoim rozmiarze (minimum 0,1 mm dla większości producentów)?
b. Czy twój ślad/przestrzeń znajduje się w granicach ich możliwości (zwykle 0,1 mm/0,1 mm)?
c. Czy ma pan wystarczającą liczbę znaków powierniczych?
3Pierwszy prototyp: wyprodukować 5 ∼ 10 prototypów w celu przetestowania możliwości produkcji przed wielkoskalową produkcją.

Wpływ na rzeczywistość
Firma produkująca urządzenia medyczne zmniejszyła stawkę złomu z 18% do 2% po wdrożeniu przeglądów DFM, oszczędzając 120 000 dolarów rocznie.

Częste pytania
P: Jaki jest najczęstszy błąd projektowy prowadzący do awarii PCB?
A: słabe zarządzanie cieplne (38% awarii, według danych IPC), a następnie nieprawidłowe ślady/przestrzeń (22%) i niezgodne ślady (15%).

P: Jak mogę zmniejszyć EMI w projekcie PCB?
Odpowiedź: Użyj stałych płaszczyzn gruntowych, szwów gruntowych, różnicowego układu przemieszczania par oraz filtrów EMI.

P: Jaka jest minimalna szerokość śladu dla prądu 5A?
Odpowiedź: Dla 1 uncji miedzi użyj śladu 0,5 mm (20 mil).

P: Ile przewodów cieplnych potrzebuję do 10W komponentu?
Odpowiedź: 8 ′′10 przewodów (0,3 mm średnicy) z odstępem 1 mm, podłączonych do 2 oz miedzianego poziomu podłoża, skutecznie rozprasza 10W.

P: Kiedy powinienem używać wiosów do wiercenia z tyłu?
Odpowiedź: W przypadku konstrukcji o dużej prędkości (> 10 Gbps) wiertnictwo wsteczne ma kluczowe znaczenie w celu wyeliminowania wstrząsów, które powodują odbicie sygnału i drżenie.

Wniosek
Środki ostrożności w zakresie projektowania płyt PCB to nie tylko "najlepsze praktyki" - są one niezbędne do uniknięcia kosztownych błędów, zapewnienia niezawodności i usprawnienia produkcji.optymalizacja umieszczenia komponentów, zarządzanie integralnością termiczną i sygnałową, i weryfikacja możliwości produkcji, można budować PCB, które spełniają cele wydajności przy jednoczesnym zminimalizowaniu ryzyka.

Najbardziej udane projekty zrównoważają wymagania techniczne z praktycznymi ograniczeniami produkcyjnymi.i frustracji w dalszym ciągu łącząc dobry projekt z świetnym produktem.