Podrobný průvodce prototypováním PCB: Od konceptu k realitě

Proč je prototypování PCB důležité?

Prototypování PCB je zásadní pro vývoj elektronických zařízení. Na jakémkoli virtuálním produktu, konceptu nebo nápadu hodně záleží. Výhody prototypování PCB, jak je uvedeno níže.

• Detekce chyb: Prototypování desek plošných spojů umožňuje včasnou detekci a opravu chyb, což šetří čas a zdroje.
• Testování funkčnosti: Prototypování PCB umožňuje testování návrhu v reálném světě, aby bylo zajištěno, že bude fungovat podle plánu.
• Zpětná vazba zúčastněných stran/zákazníků: Prototypování desek plošných spojů slouží jako platforma pro zpětnou vazbu, která umožňuje zlepšení v závislosti na postřezích uživatelů a zainteresovaných stran.
• Efektivita nákladů: Prototypování desek plošných spojů umožňuje včasná vylepšení, která zabraňují pozdějším nákladným úpravám a zefektivňují proces vývoje.

Kroky prototypování PCB od konceptu k realitě

V prototypování PCB je spousta kroků od konceptu až po skutečné PCB. Přečtěte si prosím následující hlavní kroky.

Krok 1: Konceptualizace a návrh

Výchozím bodem prototypování DPS je konceptualizace, kdy firma jasně definuje zamýšlený účel a cíle DPS.

Konceptualizace poskytne jasnou definici druhu problémů, na které se PCB zaměří. To je velmi důležité, protože od toho se bude odvíjet návrh a vývoj prototypu DPS.

• Načrtnutí schématu obvodu

Schéma zapojení pak navrhne tým designérů a nakreslí. Je zobrazena většina hlavních komponent pro prototyp PCB s jejich základními spoji.

Schéma zapojení ukáže velmi obecný pohled na rozsah projektu a vztahy mezi součástmi. Právě na této úrovni jsou položeny základy, jak technické, tak kreativní, pro další fázi detailu v návrhu.

• Vytvoření schematického diagramu

Přechod z náčrtu na schematický diagram usnadňuje software Electronic Design Automation (EDA). Představuje úplný obvod zobrazující všechny elektronické součástky: rezistory, kondenzátory a mikročipy propojené.

Schéma se snaží učinit složitost návrhu obvodu zvládnutelnou a přístupnou pomocí standardních symbolů.

• Výběr komponentů

Druhým krokem je výběr součástek pro prototyp DPS podle požadavků schématu. V tomto kroku výrobce pokračuje v položení docela pečlivého základu pro každý prototyp PCB. Tento konceptuální a designový přístup je velmi nezbytný pro vytvoření inovativního a praktického prototypu PCB.

Krok 2: Návrh rozvržení PCB

Zde proces prototypování DPS přechází z podrobného schématu do skutečného uspořádání DPS. Toto je fáze, ve které je třeba určit přesné polohy součástek na desce a také elektrické cesty (trasy), které je spojí.

Návrh rozložení ovlivňuje přesnost. Ovlivňuje, jak dobře je prototyp PCB vyroben a jak později funguje.

• Prvky návrhu rozložení DPS

1. Umístění komponent: Umístění těchto různých komponent musí být velmi strategické. Komponenty musí být upevněny na místě. Například konektory budou muset zůstat tam, kde jsou. Cílem je minimalizovat délku kritických signálových cest a zabránit jakémukoli možnému rušení, které by mohlo nastat, aby bylo dosaženo optimálního výkonu obvodu.
2. Směrování: Toto je proces, při kterém se provádí směrování pro připojení komponent podle schematického diagramu. V tomto případě je třeba dodržovat osvědčené postupy šířky stopy, rozteče a úhlů směrování, aby nedocházelo ke ztrátě nebo rušení signálů.
3. Napájecí a zemnící roviny: Tyto samostatné vyhrazené vrstvy napříč prototypováním PCB pomáhají minimalizovat elektronický šum a také umožňují lepší distribuci energie.

• Kontrola a ověření návrhu

Po dokončení návrhu se provede důkladná kontrola návrhu pomocí softwaru EDA prostřednictvím jeho kontroly pravidel návrhu (DRC). Tato úplná kontrola návrhu s pomocí funkce DRC softwaru se provádí za účelem předvídání možných chyb. Například menší rozestupy stop nebo ponechání kolíků nezapojených, aby mohly být opraveny. Tento proces často vyžaduje úpravy jak ve schématu, tak v návrhu rozvržení.

Krok 3: Výroba prototypu

Jakmile je návrh plošného spoje dokončen a důkladně vyhodnocen, je čas převést digitální plán na skutečnou desku. Tento krok je kritický, protože přibližuje vaši představu prototypu PCB realitě.

• Výběr materiálu

Jedním z nejdůležitějších kroků při prototypování DPS je výběr materiálu pro prototyp DPS . Nejběžnější volbou materiálu je FR-4, protože nabízí vynikající hodnotu za cenu a má dobré izolační vlastnosti. Na základě projektu však lze použít i jiné materiály.

• Příprava souboru

Soubory návrhů jsou poté připraveny pro výrobu ve formátu Gerber. Formát Gerber je typický formát souboru pro elektronický průmysl, který se používá k odeslání návrhu desky plošných spojů výrobci. Soubor vede výrobce k tomu, co by měly návrhy zobrazovat. Například měděné trasování a umístění součástí.

• Výběr správného výrobce

Výběr správného výrobce je velmi důležitý. Při výběru správného výrobce vždy vezměte v úvahu dobu jeho zpracování, náklady a kvalitu předchozích projektů.

• Výrobní proces

1. Laminace: Tento krok kombinuje více vrstev materiálu za tepla a tlaku, aby se vytvořil substrát PCB.
2. Vrtání: Přesné vrtání otvorů se provádí pro součásti s průchozími otvory a prokovy, aby bylo možné elektrické spojení mezi vrstvami desek plošných spojů.
3. Měděné vzorování: Proces leptání odstraňuje přebytečnou měď a zanechává navržený vzor nedotčený.
4. Pokovování a povlakování: Větší pokovování mědí umožňuje vrtání otvorů přes vodivé pozice, zejména podél stěn fazet, zatímco aplikace pájecí masky chrání před zkraty.

Krok 4: Montáž prototypu PCB

Po výrobní fázi montážní proces uvede obvod do provozu připojením a připájením různých součástí na desku.

Zahrnuje dvě hlavní technologie: SMT (technologie povrchové montáže) a THT (technologie průchozích děr), z nichž každá má své vlastní komponenty a požadavky.

• Montáž SMT a THT PCB

Technologie povrchové montáže (SMT) a technologie průchozí díry (THT) jsou nejběžnější techniky používané v průmyslu pro spojování součástí.

V technologii SMT je součástka namontována přímo nad povrchem desky. Na druhou stranu u technologie THT se vývody součástky vkládají do předem vyvrtaných otvorů v desce, načež se připájejí na místo.

• Proces montáže

1. Tisk pájecí pastou : Pro SMT použijte pájecí pastu na místech na desce plošných spojů, kde budou umístěny součástky. Tento proces se provádí pomocí šablony, aby bylo zajištěno správné nanesení pasty.
2. Umístění součástek: V případě SMT použijte zařízení pro výběr a umístění nebo při práci s THT použijte k umístění součástek na desku ruční montáž.
3. Pájení: SMT součástky jsou pájeny pomocí přetavovací pece, zatímco THT součástky jsou pájeny vlnou nebo technikami ručního pájení.
4. Kontrola a testování: Kontrola a testování se provádí, aby se zajistilo, že všechny součásti jsou správně nainstalovány a fungují podle konkrétního návrhu.

Vizuální kontrola, automatizovaná optická kontrola (AOI) a rentgenová kontrola jsou standardní metody pro zajištění kvality vyrobené desky.

Krok 5: Testování a ladění

Po sestavení prototypu PCB se provede testování a ladění, aby se ověřilo, zda splňuje specifikace návrhu a funguje podle očekávání. Ladění zahrnuje řadu kontrol a testů, které zajistí hladký chod desky.

• Vizuální kontrola a test v okruhu

Začněte vizuální kontrolou desky plošných spojů, zda neobsahuje problémy, jako jsou pájecí můstky (neúmyslná spojení mezi kolíky), chybějící součástky a špatně uspořádané součástky. K tomuto procesu se většinou používá lupa nebo mikroskop.

Přiveďte proud do desky plošných spojů s sekvencí zapínání, abyste zahájili provozní test. To znamená začátek zjišťování, zda je deska normální s neporušeným vodičem nebo ne, nebo zda došlo ke zkratu, který vede k přehřátí nebo poškození. Použijte omezený zdroj napájení, abyste snížili pravděpodobnost poruchy.

• Funkční testování

Nyní proveďte funkční zkoušku a ověřte, zda deska plošných spojů pracuje ve specifikovaných parametrech podle návrhu. To zahrnuje:

1. Testování signálu: Obrazovka počítače je jediným nástrojem, který lze použít k měření a analýze mřížkových vzorů vytištěných na desce plošných spojů (PCB). Ujistěte se, že přenos dat probíhá prostřednictvím signálových průchodů bez přerušení a šumu.
2. Hodnoty napětí a proudu: Jsou tak důležité pro zkoumání, zda desky plošných spojů fungují podle plánu. Multimetr bude pro inženýry žádoucím nástrojem. Pomocí multimetru mohou zjistit napětí ve vybraných bodech na DPS a zkontrolovat, zda rozložení těchto napětí odpovídá návrhu.
3. Testování součástí: Je to jedna z technik používaných k ověření, zda jsou konkrétní součásti na desce plošných spojů, jako jsou LED diody, spínače, senzory a integrované obvody, funkční a funkční.

• Ladění

Když jsou pomocí těchto testovacích metod zjištěny problémy, je zahájen proces ladění, aby se identifikovaly a napravily základní problémy. Ladění je nezbytné pro řešení různých problémů, včetně konstrukčních nedostatků, selhání součástí a problémů s pájením.

Techniky ladění obvodů zahrnují:

1. Kontrola stop a součástí: Tento krok se skládá z důkladné kontroly PCB pod mikroskopem, aby se identifikovaly všechny takové zlomy, zkraty a vady a opravily je během jejich umístění a pájení.
2. Úprava obvodu : Všechny závady jsou objeveny co nejdříve a jsou okamžitě provedeny úpravy. Mohli bychom například změnit špatné součástky nebo se zaměřit na vhodnou hodnotu odporu, která reguluje úroveň signálu, aby obvod fungoval v požadovaných mezích.
3. Úprava softwaru a hardwaru: Desky plošných spojů, které mají kombinaci programu a ovladače, lze opravit pomocí úprav softwarového kódu a oprav hardwaru. Flexibilita pro vyladění charakteristik PCB poskytuje konstruktérovi požadovanou funkčnost desky, což byl jinak obtížný úkol kvůli složité interakci hardwaru a softwaru.

Krok 6: Iterace

Návrh prototypu PCB skutečně zahrnuje proces opakování. Umožňuje provádět změny a neustále aktualizovat prototyp PCB ve snaze o dokonalost.

Cyklus by začal počínaje analýzou výsledků testů a identifikací problému kritickým způsobem. Po přezkoumání jsou provedeny případné změny na desce plošných spojů a návrhu. Výše uvedené změny se zaměřují na změnu uspořádání obvodu a specifikací součástí.

Později, se všemi konstrukčními změnami, měl být prototyp PCB vyroben, testován a odladěn. Po absolvování všech těchto fází je prototyp DPS připraven k finální výrobě.

Krok 7: Dokončení výroby

Po potvrzení prototypu PCB zákazníkem bude dalším krokem sériová výroba finálního prototypu PCB pro našeho zákazníka. V tomto bodě by mělo být provedeno komplexní vyhodnocení, které shrnuje všechny cíle a kritéria dosažená před zahájením výroby.

Měla by být vypracována schémata a montážní pokyny. Mělo by to být provedeno takovým způsobem, aby se proces konečné montáže prováděl z dokumentace na vysoké úrovni, aby byl usnadněný a vodící.

Nejdůležitější ze všeho je mít toho správného partnera ve výrobě, jehož schopnosti a zkušenosti jsou klíčovým prvkem úspěchu při škálování výroby. Probíhá hromadná výroba prototypu DPS, která převádí prototyp DPS z konceptu do reality.

Shrnutí kroků prototypování PCB

Závěr

Na závěr lze říci, že prototypování PCB je důležitou a komplexní technikou pro přenos konceptů elektronického designu do reality. Tento proces zahrnuje posloupnost fází, včetně počáteční koncepce návrhu, optimalizace rozvržení, výroby, montáže, důkladného testování a opakovaných vylepšení, které všechny vedou ke konečnému návrhu připravenému pro sériovou výrobu.

Takový komplexní a detailní přístup zaručuje vývoj funkčních, spolehlivých a účinných PCB, čímž umožňuje úspěšný vývoj produktů a podporuje inovace v elektronickém sektoru.

To zdůrazňuje kritickou roli prototypování PCB v širším kontextu elektronického inženýrství a výroby a vytváří půdu pro pokročilý technologický pokrok a řešení.

Literatura

Viasion. “Step-by-Step Guide to PCB Prototyping: From Concept to Reality.” Viasion PCB, 10 Apr. 2024, https://www.viasion.com/blog/step-by-step-guide-to-pcb-prototyping/.