طراحی برد مدار چاپی (PCB)

 

در طراحی هر برد مدار چاپی قسمت هایی وجود دارند که در نتیجه کار بسیار تاثیرگزار می باشند:

 

-شماتیک

قبل از اینکه شروع به طراحی برد مدار چاپی PCB کنید، باید یک طرح کامل و دقیق از مدارتان داشته باشید. بسیاری از مردم مستقیم به طراحی فیبر PCB می پرند!! در حدی که فقط مداری در سر دارند، بدون اینکه حتی شماتیکی روی یک تکه کاغذ کشیده باشند. این برای شروع طراحی PCB کافی نیست. اگر شماتیک شما مرتب و دقیق طراحی شده باشد، کار طراحی PCB بسیار ساده خواهد بود. مثلاً سیگنال های ورودی و خروجی بطور واضح مشخص شده باشند یا خازن های بای پس کنار کامپوننت های مربوطه قرار گرقته باشند. نوشته های کوچک در هر شماتیک به طراحی بهتر PCB  کمک شایانی می کند. برای مثال جمله ی “این پین باید با سیگنال زمین محافظت شود” به طراح PCB کمک می کند که هنگام طراحی چه احتیاط هایی را باید در نظرداشته باشد. حتی اگر طراح شماتیک و طراح PCB خودتان باشید. این نوشته ها علاوه بر اینکه هنگام طراحی PCB به یک طراحی خوب کمک می کنند، برای افرادی که طرح شماتیک شما را بازبینی می کنند، نیز مفید می باشند. شماتیک باید طوری کشیده شود که کاملا برای طراح PCB قابل فهم باشد.

طراحی شماتیک مدارتان را به اتمام رسانده اید، حالا زمان آن فرا رسیده است که آن را به یک برد مدار چاپی (PCB) خوب تبدیل کنید. برای بعضی از طراحان مدار، طراحی PCB یک تجربه ساده است. اما برای افراد زیادی پروسه طراحی و Lay Out یک PCB می تواند کار بسیار دشواری باشد. حتی امروزه طراحان شماتیک با تجربه ی فراوانی وجود دارند، که در مورد طراحی PCB اطلاعات خیلی کمی دارند و طراحی برد مدار چاپی هایشان را به دست یک کارشناس حوزه طراحی PCB می سپارند. حتی کمپانی های زیادی دپارتمان های طراحی PCB مربوط به خودشان را دارند. این اصلا عجیب نیست زیرا پروسه طراحی برد مدار چاپی PCB حجم بالایی از دانش و استعداد را می طلبد تا بتوان صدها قطعه (component) و هزاران track را درون یک PCB بگونه ای قرار داد که کلیه الزامات و انتظارات الکتریکی و فیزیکی را برآورده کند. طراحی PCB مناسب، اغلب بخش مجتمع پروسه طراحی است. در شمار زیادی از طراحی ها (دیجیتال سرعت بالا، آنالوگ Low Level، و مدارات RF) طراحی نامناسب PCB، ممکن است خروجی و عملکرد مورد نظر طراحی شماتیک را برآورده نکند. این نکته باید همواره مدنظر باشد که Trackهای یک PCB درست مانند کلیه اجزای مدار، دارای خاصیت مقاومتی، سلفی، و خازنی می باشند و ممکن است در خروجی نهایی مدار اختلال ایجاد کرده و باعث شوند که خروجی مطلوبتان را نداشته باشید.

 

نکات مهمی که باید در طراحی یک برد مدارچاپی (PCB) رعایت کنید عبارتند از:

  • فوت پرینت (Footprint) کلیه قطعات را چک کنید و بررسی کنید که از لحاظ ابعادی کاملاً با دیتاشیت قطعه مطابقت داشته باشد.
  • پین های کلیه قطعات در شماتیک را با دیتاشیت چک کنید و مطمئن شوید که ترتیب پین های شماتیک با ترتیب پین های فوت پرینتی که انتخاب کرده اید مطابقت دارد.
  • از اتصالات مدار شماتیک (مثلا Float نبودن نت ها) اطمینان حاصل کنید.
  • قبل از اینکه چیدمان فیبر را انجام دهید ابعاد تقریبی فیبر را مشخص کنید و کادر مربوطه را بکشید.
  • بعد از مشخص کردن خط برش اطراف فیبر، اولین  کار چیدمان قطعات بر روی فیبر است که باید فضای فیبر را به قسمتهای پاوری، سیگنالی، فرکانس بالا (High Frequency)، فرکانس پایین (Low Frequency)، ورودی، خروجی و … تقسیم بندی کنید.
  • مهمترین قسمت طراحی یک برد مدار چاپی حرفه ای، چیدمان درست می باشد. اگر در چیدمان درست قطعات دقت کافی را داشته باشید ترکینگ مدار زمان زیادی طول نمی کشد.
  • اگر قصد دارید فیبر مولتی لایر طراحی کنید ابتدا باید تعداد لایه ها را مشخص کنید و در مرحله بعد باید تفکیک لایه ها را مشخص کنید و تعیین کنید که کدام لایه را به زمین و کدام لایه را به تغذیه اختصاص می دهید.
  • ولتاژهای مدار را مشخص کنید و با توجه به ولتاژ مورد استفاده ایزولاسیون لازم را تعریف کنید.
  • جریانهای مدار را مشخص کنید و با توجه به جریان مورد استفاده ضخامت Track لازم را تعریف کنید.

همانطور که اشاره شد مهمترین قسمت طراحی یک برد مدار چاپی حرفه ای، چیدمان آن می باشد. اگر در چیدمان درست قطعات دقت کافی را داشته باشید ترکینگ مدار زمان زیادی طول نمی کشد.

طراحی برد مدار چاپی شامل دو قسمت می باشد: 90% چیدمان قطعات و 10% مسیرکشی (Routing). چیدمان خوب قطعات در محیط Layout، مهمترین قسمت طراحی برد مدار چاپی است و بهترین بازدهی الکتریکی را در پی دارد. برخی از نکاتی که باید در چیدمان رعایت شوند عبارتند از:

  • کامپوننت ها را بصورت بلوک بلوک از هم جدا کنید.
  • مسیرهای مهم و حساس مدار را مشخص کنید و اول از همه آن ها را مسیرکشی کنید.
  • چیدمان هر بلوک را بیرون از برد، بصورت جداگانه انجام دهید.
  • بلوک های کامل شده را به محلی که روی فیبر در نظر گرفته اید، انتقال دهید.
  • سیگنال های باقیمانده و اتصالات پاوری بین بلوک ها را مسیرکشی کنید.
  • همه بلوک ها را روی برد، مطابق با چیدمان موردنظرتان منظم کنید.
  • Design Rule Check (DRC) برد را انجام دهید.
  • از شخص دیگری بخواهید که طراحی تان را یکبار دیگر چک کند.

این چک لیست یک راهنمای عمومی برای طراحی فیبر مدار چاپی است و لازم است برای یک طراحی حرفه ای First-class این نکات را رعایت کنید. بیایید نگاهی به جزئیات بیشتر موارد مذکور بیندازیم.
افراد علاقه دارند که چیدمان همه قطعات را به روشی که تصور می کنند بهترین position روی برد است، همزمان با هم انجام دهند؛ همه قطعات به یکباره!! در حالیکه این روش فقط می تواند برای مدارهای کوچک جواب دهد. وقتی که چندین مدار پیچیده دارید که هر کدام صدها کامپوننت و چندین بلوک دارند، امیدوار نباشید که این روش موثر باشد. اگر پس از اینکه جایگاه همه کامپوننت ها را فیکس کردید سپس Tracing را شروع کنید، طراحی بسیار برایتان ساده و جذاب خواهد بود. تا جایی که امکان دارد بین کامپوننت ها فضای خالی باقی نگذارید تا ابعاد بردتان زیاد نشود. یک برد مدار چاپی که قطعات آن با فاصله های زیاد چیده شده اند و هزاران Track و Via دارد که بصورت مورب از روی هم عبور کرده  اند، نشانه ی طراحی یک طراح بی تجربه است. این برد ممکن است تا حدی خواسته شما را برآورده کند اما جدای از هزینه های بالای تولید برد، خروجی مناسب و مدنظرتان را هرگز محقق نخواهد کرد. روش درست به این صورت است که ابتدا شماتیک را آنالیز و تحلیل کنید و مشخص کنید که کدام یک از قسمت های مدار می تواند به بلوک های کوچکتر شکسته شود. اغلب اینکار بسیار ساده و راحت است. برای مثال اگر مدار شماتیک دارای یک فیلتر Active می باشد، این فیلتر معمولا یک سیگنال ورودی و یک سیگنال خروجی دارد؛ و همچنین تعداد زیادی کامپوننت دیگر که همگی در یک لوکیشن قرار گرفته اند. بنابراین باید این مهارت را داشته باشید که تمامی این کامپوننت ها را طوری در کنار هم بچینید که علاوه بر اشغال کمترین فضای ممکن، الزامات الکتریکی مدار را هم برآورده سازد. حالا نیاز به پارتیشن بندی برد مدار چاپی دارید که باید در آن قسمتهای حساس الکتریکی را جدا کنید. یک مثال مهم در این زمینه، مدارهایی هستند که در آنها ترکیبی از آنالوگ و دیجیتال استفاده شده است. قسمتهای دیجیتال و آنالوگ نه تنها باید بصورت الکتریکی از هم ایزوله باشند، بلکه باید از لحاظ فیزیکی هم از هم جدا باشند. مثال دیگری در این زمینه، مدارات High Frequency و مدارات High Current می باشند؛ این مدارات نیز نباید با مدارات حساس Low Frequency و Low Current ترکیب شوند.
به عنوان یک قاعده کلی این اصل را رعایت کنید: کامپوننت ها باید بطور مرتبی در کنار هم چیده شوند. پارامترهای الکتریکی باید همیشه بالاترین اولویت را در چینش کامپوننت ها داشته باشند.
تقارن و آراستگی در طراحی فیبر مدار چاپی PCB مهم است و از نظر زیبایی شناختی در نگاه اول حس خوبی منتقل می کند. اگر چند بلوک یکسان و مشابه یکدیگر دارید، سعی کنید چینش همه بلوک ها شبیه به هم باشد.
اگر چیدمان برد را عاقلانه و بر اساس تحلیل و آنالیز مدار انجام دهید 90% طراحی برد انجام شده است. 10% باقیمانده شامل Tracking بین کامپوننت ها می باشد. اغراق آمیز نخواهد بود اگر بگویم با یک چیدمان خوب تقریبا کار طراحی برد (PCB) تمام می شود.

پهنای Trackای که در طراحی برد مدار چاپی استفاده می کنید به فرکانس کاری مدار، الزامات الکتریکی مدار، جریان عبوری از آن Track، ایزولاسیون این ترک با ترک های کناری و بازدهی موردنظر بستگی دارد.

با توجه به این که طراحی برای بردهای فرکانس بالا با فرکانس پایین متفاوت است در این بخش اصول طراحی برای برد های فرکانس پایین پرداخته می شود و در مقاله ای دیگر به طور مفصل اصول فرکانس بالا بیان می گردد.

در هر طراحی PCBای طیف متنوعی از الزامات الکتریکی وجود دارد که بین Trackهای روی برد متفاوت است. در طراحی های PCB ترکیبی از پهناهای مختلف Track استفاده می شود. به عنوان یک قانون کلی برای بردهای فرکانس پایین این را در نظر داشته باشید: Track با پهنای بیشتر بهتر است. Trackهای با عرض بیشتر مقاومت DC کمتر،خاصیت سلفی کمتر دارند و همچنین برای تولید کننده در مرحله اسیدشویی تولید PCB راحتتر می باشند. برای شروع مثلاً ممکن است پهنای Trackها را بصورت زیر انتخاب کنید: 25mil برای Trackهای سیگنالی، 50mil برای Trackهای پاوری و Ground، و 10-15mil برای Trackهای بین پدهای IC و کامپوننت. برخی طراحان دوست دارند Trackهای سیگنالی باریک و در حد 10-15mil باشند در حالیکه برخی دیگر دوست دارند که همه Trackها بزرگ و چاق (chunky) باشند. در یک طراحی خوب Trackها تا جای ممکن پهن نگه داشته می شوند و تنها وقتی نازک تر می شوند که به الزامات Clearance برخورد کنند. تغییر پهنای Track از بزرگ به کوچک و سپس برگشت دوباره به پهنای بزرگ اصطلاحاً به necking (تنگه) معروف است. اغلب وقتی که باید از بین پدهای یک کامپوننت Track عبور دهید، نیاز دارید که پهنای Track را کاهش دهید. این علاوه بر اینکه به شما انعطاف پذیری لازم برای عبور از بین شیارهای نازک را می دهد، اجازه می دهد که Trackهای با امپدانس پایین داشته باشید.

در عمل پهنای Trackها توسط جریان عبوری از آن و ماکزیمم دمایی که می خواهید Track تحمل کند، تعیین می شود. بخاطر داشته باشید که هر Trackای مقدار معینی خاصیت مقاومتی دارد؛ بنابراین هر Track گرما را درست مانند یک مقاومت پراکنده می کند. Trackهای پهن تر مقاومت کمتری دارند.

-پد (Pad)

سایز، شکل و اندازه پد علاوه بر کامپوننت مورد استفاده، به پروسه تولید و اسمبل کردن برد وابسته است. یک پارامتر مهم شناخته شده برای نسبت پد/سوراخ وجود دارد که نسبت سایز پد به سایز سوراخ را مشخص می کند. هر یک از تولیدکنندگان PCB مینیمم مقدار مربوط به خودشان را دارند. به عنوان یک قانون ساده در نظر داشته باشید که پد باید حداقل 1.8 بار بزرگتر از قطر سوراخ باشد؛ یا لااقل 0.5mm.

برای کامپوننت های پایه دار (leaded components) مانند مقاومت ها، خازن ها، و دیودها، پد باید گرد باشد. برای کامپوننت های با پایه های دو ردیفه (DIL) مانند آی سی ها، پدهای بیضی شکل بهتر است. (معمولا 60mil طول و 90-100mil عرض). همیشه پین شماره 1 چیپ شکل متفاوتی با سایر پین های آی سی دارد. معمولا مستطیلی شکل است با همان اندازه های سایر پین ها. در اغلب کامپوننت های نصب سطحی (SMD) از شکل پد مستطیلی استفاده می شود بجز آی سی های با پکیج SO که شکل پد بیضی دارند. در این کامپوننت ها هم پین 1 مستطیل شکل است. در سایر کامپوننت ها که Pin Number برایشان مهم است مانند کانکتورها و پک های مقاومت SIP باید پین 1 با شکل مستطیلی شکل مشخص شود. پدهای هشت ضلعی بندرت استفاده می شوند و عموما باید از بکار بردن آنها اجتناب کرد.

*به عنوان یک قانون کلی از پدهای گرد یا بیضوی استفاده کنید مگر اینکه نیاز به استفاده پد مستطیلی داشته باشید.

-وایا (Via)

Viaها با استفاده از یک سوراخ، اتصال یک سمت برد را به سمت دیگر برد فراهم می کنند. Viaهای با سوراخ های قلع اندود (متالیزه)،
Plated Through Holes (PTH) نامیده می شوند. سوراخ های Plated (متالیزه) اجازه می دهند تا اتصال الکتریکی بین لایه های مختلف برد برقرار شود.

اما تفاوت بین پد و وایا چیست؟

هر دوی آنها سوراخ های متالیزه هستند. اما هنگام طراحی PCB تفاوت هایی بین آنها وجود دارد. هنگام طراحی برد مدار چاپی باید با پد و Via متفاوت رفتار کرد. (پد با عبور از تمام لایه ها لایه بالایی را به پایینی وصل می کند اما وایا با توجه به کاربردش در بردهای چند لایه، برای اتصال لایه های داخلی یا لایه بیرونی به لایه های داخلی استفاده می شود). این تفاوت مخصوصاً هنگام طراحی فیبرهای چند لایه آشکارا مشخص است. بنابراین بجای Via از پد استفاده نکنید. سوراخ Viaها معمولا اندکی از پدهای کامپوننت ها کوچکتر است؛ عموما 0.5-0.7mm. استفاده از Via برای اتصال دو لایه، عموماً Stitching (بخیه) نامیده می شود.

-پلیگان (Polygon)

پلیگان ها روی اغلب برد ها وجود دارند. پلیگان یک فضای مشخص شده را بطور اتوماتیک پر کرده و در اطراف Trackها و پدها جاری می شود. آن ها برای قرار دادن Plane های زمین بسیار مفید هستند. پلیگان را باید بعد از اتمام Tracking مدار مورد استفاده قرار داد. پلیگان می تواند هم بصورت Solid مورد استفاده قرار گیرد و هم بصورت Hatched. که تفاوت آنها در شکل زیر نشان داده شده است.

-ایزولاسیون

ایزولاسیون (فاصله الکتریکی) یک پارامتر مهم برای همه بردهاست. یک ایزولاسیون کم بین Trackها و پدها می تواند اتصال کوتاه ایجاد کند و همچنین باعث مشکلاتی در طول پروسه تولید فیبر شود. پیدا کردن اتصال کوتاه بوجود آمده، بعد از اسمبل کردن فیبر  بسیار مشکل خواهد بود.

حداقل ایزولاسیون 15mil برای طراحی های Through Hole معمول، و 10mil یا 8mil برای طراحی های SMD مناسب است. در صورت نیاز به ایزولاسیون کمتر، بهتر است ابتدا مطمئن شوید که تولیدکننده فیبر توان تولید آن را دارد یا خیر.

در استاندارد IPC جدول هایی وجود دارد که برای ولتاژهای مختلف حداقل ایزولاسیون لازم را مشخص کرده است.

ایزولاسیون بسته به اینکه در لایه های داخلی است یا در لایه های خارجی، متفاوت است. همچنین ایزولاسیون به ارتفاع از سطح دریا برای مکانی که PCB در آن مورد استفاده قرار می گیرد نیز بستگی دارد؛ زیرا لایه اتمسفر در ارتفاعات بالاتر نازک تر است.

-Routing

ترکینگ پروسه قرار دادن Traceها بر روی برد می باشد تا اتصالات کامپوننت ها را برقرار نماید؛ یک اتصال الکتریکی بین دو یا چند پد که “نت” NET نامیده می شوند.

  • تا جای ممکن نت ها را کوتاه نگه دارید. Trace طولانی تر، مقاومت، خازن و اندوکتانس بیشتری دارد. که همه این فاکتورها مطلوب ما نیستند.
  • Traceها باید فقط زاویه 45 درجه داشته باشند. از بکاربردن زاویه 90 درجه اجتناب کنید. این امر بسیار مهمی است تا خروجی موردنظر شما را برآورده سازد.

 

بعد از اتمام ترکینگ مدار، Design Rule Check را Run کنید. این مرحله مهمی از طراحی برد مدار چاپی است که قبل از ساخت فیبر، به شما اطمینان می دهد تمامی اتصالات برقرار، و تمامی الزامات الکتریکی رعایت شده است. DRC، اتصالات و عرض (Width)  صحیح Trackها، و ایزولاسیون ها را چک می کند.

در مرحله آخر از شخص دیگری بخواهید تا بردتان را چک کند زیرا ممکن است در طراحی فیبر الزام خاصی را فراموش کرده باشید و یا حتی با ایده ای دیگر بتوانید چیدمان بهتری را داشته باشید. این مرحله ظاهرا مهم نیست اما در عمل، برای یک طراحی خوب بسیار موثر است. مهم نیست که چقدر در طراحی برد مدار چاپی PCB حرفه ای هستید، همیشه چیزی وجود دارد که از قلم افتاده است. از نگاه یک شخص دیگر مشکلاتی دیده می شود که شما هرگز ندیده اید.

اگر کسی را ندارید که بردتان را چک کند حتما خودتان اینکار را بکنید. به این صورت که ابتدا از شماتیک تان پرینت بگیرید و یک خودکار هایلایت دم دست بگذارید. حالا هر اتصال “NET” الکتریکی سیگنال را با بردتان مقایسه کنید؛ نت به نت. مقایسه هر نتی که کامل شد آنرا هایلایت کنید. وقتی که کارتان تمام شد، نباید هیچ اتصال الکتریکی باقی مانده باشد. به این طریق می توانید کاملا مطمئن شوید که الزامات الکتریکی مدار رعایت شده است.

 

 

 

کلمات کلیدی: طراحی برد مدار چاپی، طراحی برد، پد، وایا، پلیگان، شماتیک، ایزولاسیون، ترک،PCB, Track, Via, Pad