Решение проблем проектирования печатной платы

Правильная конструкция печатной платы (ПП) имеет решающее значение для возможности создания прототипов электроники, которые будут эффективны как с точки зрения эксплуатации, так и с коммерческой точки зрения. Это особенно верно для встраиваемых приложений. Встроенные схемы различаются по размеру и типу в зависимости от микропроцессора, компонентов и операционной системы, но, прежде всего, от сложности программного обеспечения, которая может варьироваться от нескольких сотен байтов до нескольких мегабайт кода.

На основе разработанной принципиальной схемы можно выполнять моделирование и проектировать печатную плату, экспортируя файлы Gerber / Drill. Независимо от конструкции, инженеры должны точно знать, как должны быть расположены электрические цепи (и электронные компоненты) и как они будут работать. Для EE поиск подходящих программных инструментов для проектирования печатных плат может быть непростой задачей. Программный инструмент, который идеально подходит для одного проекта печатной платы, может оказаться менее подходящим для других. EE хотят, чтобы инструменты проектирования плат были интуитивно понятными, включали полезные функции, были достаточно стабильными, чтобы ограничить риски, и имели надежную библиотеку, которая делает их применимыми к нескольким проектам.

Проблемы с оборудованием

Для проектов, ориентированных на Интернет вещей, в которых интеграция является центральным элементом производительности и надежности, интеграция проводящих и непроводящих материалов в печатную плату требует, чтобы проектировщики Интернета вещей изучали взаимодействие между различными электрическими и механическими аспектами конструкции. В частности, электрический нагрев печатной платы становится все более критическим фактором, поскольку размер компонентов продолжает уменьшаться. В то же время повышаются функциональные требования. Для достижения проектных характеристик, основанных на характеристиках, температурный отклик, поведение электрических компонентов на плате и общее регулирование температуры критически важны для функциональности и надежности системы.

Печатная плата должна быть изолирована для обеспечения защиты. Короткие замыкания предотвращаются путем защиты медных проводов, размещенных на плате, для создания электронной системы. FR-4 предпочтительнее в качестве материала подложки по сравнению с более дешевыми альтернативами, такими как связанная синтетической смолой бумага (SRBP, FR-1, FR-2) из-за его физико-механических характеристик, особенно его способности сохранять данные на высоких частотах, высокая термостойкость и способность поглощать меньше воды, чем другие материалы. FR-4 широко используется в высокотехнологичном строительстве, а также в промышленном и военном оборудовании. Он совместим со сверхвысокой изоляцией (сверхвысокий вакуум или UHV).

Но FR-4 сталкивается с рядом ограничений в качестве подложки для печатных плат, которые связаны с химической обработкой, используемой в производстве. В частности, материал подвержен образованию включений (пузырьков воздуха) и полос (продольных пузырьков воздуха), а также деформации стеклоткани. Эти недостатки приводят к несоответствиям в диэлектрической прочности и ухудшают характеристики трассировки печатной платы. Новые стекловолоконные эпоксидные материалы решают эти проблемы.

Другими широко используемыми материалами являются полимид / стекловолокно, которое выдерживает более высокие температуры и является более жестким, и KAPTON, который является гибким, легким и подходящим для таких приложений, как дисплеи и клавиатуры. Факторы, которые следует учитывать при выборе диэлектрического материала (подложки), включают коэффициент теплового расширения (CTE), температуру стеклования (Tg), теплопроводность и механическую жесткость.

Печатные платы для военного / аэрокосмического назначения требуют особого подхода к проектированию, основанного на спецификациях компоновки и 100% -ном покрытии «дизайн для испытаний» (DFT). Стандарт MIL-STD-883 устанавливает методы и процедуры для тестирования микроэлектронных устройств, подходящих для использования в военных и аэрокосмических системах, включая механические и электрические испытания, процедуры производства и обучения, а также другие средства контроля, чтобы гарантировать единый уровень качества и надежности во всех сферах. различные приложения для таких устройств.

Конструкция электронного устройства для автомобильной системы должна соответствовать ряду правил в дополнение к соответствию различным стандартам, таким как механическое и электронное тестирование AEC-Q100 для корпусных интегральных схем. Эффекты перекрестных помех могут снизить безопасность автомобиля. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, разработчики печатных плат должны установить минимальное расстояние между сигнальной и силовой линиями. Проектированию и стандартизации способствуют программные инструменты, которые автоматически выделяют аспекты конструкции, которые требуют дальнейшей модификации для соответствия пределам помех и условиям рассеивания тепла, чтобы избежать нарушения работы системы.

Рисунок 1:Altium Designer (Изображение:Altium)

Помехи от самой схемы - не единственная угроза качеству сигнала. Печатные платы в автомобилях подвергаются воздействию шума, который сложным образом взаимодействует с кузовом автомобиля, вызывая в цепях нежелательный ток. А пики и колебания напряжения, вызванные системой зажигания автомобиля, могут вытолкнуть компоненты за пределы допусков на обработку.