Dai disegni di progettazione alla produzione di massa effettiva, una scheda di circuito deve superare numerosi ostacoli, tra cui la processabilità, la fabbricabilità, l'integrità del segnale e l'EMC.Questo articolo delinea sistematicamente la logica di progettazione attorno a 13 concetti chiave comuni ma cruciali nella progettazione di PCB, migliorando le tue capacità di pensiero e progettazione di ingegneria PCB.

1. FR4 Board Material: La pietra angolare del mondo del segnale

FR-4, il substrato PCB più comunemente utilizzato, è un laminato rivestito di rame composto da fibra di vetro e resina epossidica.

• Low Tg Board (Tg≈130°C): utilizzato per applicazioni generali.
• Tavola a Tg medio (Tg> 150°C): adatta a circuiti di complessità media.
• High Tg Board (Tg≥170°C): raccomandato per ambienti di saldatura ad alta temperatura, processi privi di piombo e scenari ad alta affidabilità, come l'automotive e le comunicazioni.

Le schede ad alta Tg non solo hanno una forte resistenza al calore, ma anche una resistenza all'umidità e alle sostanze chimiche significativamente migliorata,garantire la stabilità dimensionale delle tavole multistrato durante il funzionamento a lungo termine.

2Matching di impedenza: il "Guardiano" del Routing del segnale ad alta velocità

Nei circuiti digitali ad alta velocità (come DDR, USB, PCIe), i segnali senza accurata corrispondenza di impedenza incontreranno problemi come riflessione e crosstalk.:

• Impedenza differenziale: 100Ω/90Ω
• Impedanza a un solo estremo: 50Ω

Come progettare l'adeguamento: è necessaria una simulazione accurata, tenendo conto di fattori quali l'accumulo di strati, la larghezza e la spaziatura delle tracce, il piano di riferimento e la costante dielettrica.

3Processi di trattamento superficiale: determinazione della qualità e della durata della saldatura

Cinque trattamenti di superficie comuni:

Per il controllo dell'impedenza ad alta frequenza è fortemente raccomandato l'immersione in oro o in stagno.

4. Core Board/Prepreg: Materiali chiave che determinano lo spessore della scheda, lo stack-up dello strato e le prestazioni elettriche

La struttura e la stabilità della scheda a più strati sono determinate dalla scheda di base (Core) + PP (Prepreg).e le costanti elettriche devono essere considerate in concomitanza con la simulazione dello stack-up di strati.

• Core: Tavola rigida con laminazione in rame a doppio lato
• PP: resina semisolida utilizzata per il legame tra strati

Le proporzioni corrette sono cruciali per evitare problemi di processo come la deformazione del pannello, i vuoti e la buccia del rame durante la laminazione.

5Linee differenziali: il percorso simmetrico è essenziale per l' integrità del segnale.

I segnali differenziali sono utilizzati per la trasmissione di dati ad alta velocità, come LVDS, USB e PCIe, e devono soddisfare i seguenti requisiti:

• Lunghezza, larghezza e spaziamento uguali
• Referenza del piano di terra coerente
• Evitare piani di riferimento discontinui

L'asimmetria nelle tracce differenziali influisce direttamente sullo scorrimento dell'orologio e sul crosstalk, e deve essere considerata in modo completo durante la fase di layout.

6. Integrità del segnale (SI): l'anima della progettazione di PCB ad alta velocità

Cinque fattori principali che influenzano l'integrità del segnale:

• Riflessione (discorrispondenza di impedenza)
• Interferenza (tracce troppo vicine)
• Rimborso di terra (interferenza di corrente di ritorno a terra generata dalla commutazione simultanea di più chip)
• Progettazione impropria del filtro
• Progettazione inadeguata della struttura del PCB

I problemi di SI spesso portano a guasti del sistema, frequenti reset e errori di dati.

7. Riflessione del segnale: impedire ai segnali di "tornare lungo lo stesso sentiero"

Il riflesso del segnale può causare:

• Superamento
• Sottostiglio
• Suona.
• Forme d'onda a gradini

Per controllare la riflessione, oltre alla corrispondenza di impedenza, è necessaria una corretta corrispondenza di terminazione (fine sorgente e carico) e devono essere evitate le rotture del piano di riferimento.

8. Crosstalk: "Inquinamento acustico" tra le linee di segnale

Le linee ad alta velocità strette senza riferimento a terra genereranno un forte crosstalk, particolarmente evidente nel DDR o nel collegamento parallelo con autobus ad alta velocità.

Accoppiamento capacitivo → crosstalk di corrente
Accoppiamento induttivo → crosstalk di tensione
Soluzioni: aggiungere guardie a terra, mantenere un'adeguata distanza tra le tracce e controllare la direzione della traccia.

9. Strato di alimentazione interno: l' arma segreta per l' alimentazione stabile e la soppressione delle interferenze

La potenza e il terreno devono essere progettati come piani di grande area con una divisione ragionevole e una posizione densa per evitare isole galleggianti e circuiti di alimentazione rotti.

10Vias ciechi/interrati: una tecnica chiave nella progettazione di PCB ad alta densità

• Blind di primo ordine tramite: L2-TOP
• Blind di secondo ordine tramite: L3-TOP
• Seppellito tramite: Interconnesso tra L3-L6

I vias ciechi/interrati sono ampiamente utilizzati nelle schede HDI, migliorando significativamente l'utilizzo dello spazio, ma impongono elevati costi e requisiti di elaborazione.

11Punti di prova: "fusibili" per la debug di produzione di massa

Utilizzato per i test funzionali, la programmazione in circuito e il posizionamento di debugging.

12. Punti di segno: Assicurare la precisione del posizionamento SMT

Utilizzato per il posizionamento SMT.

• per lo più circolari di 1 mm;
• Lasciare aperture per la maschera di saldatura attorno ai punti di marcatura;
• Tre punti di marcatura sulla tavola devono essere disposti simmetricamente con uno sfondo uniforme di foglio di rame.

13- Fori PTH/NPTH: portatori per il collegamento e il fissaggio

• PTH (Metallized Hole): utilizzato per le connessioni elettriche;
• NPTH (Non-metallic Hole): utilizzato per il posizionamento strutturale, l'installazione di viti, ecc.

Gli attributi dei fori devono essere accuratamente contrassegnati nel fascicolo tecnico durante la lavorazione per evitare rilavorazioni.

Conclusione: padroneggiare i dettagli chiave porta a una progettazione di PCB di alta qualità

La progettazione di PCB non è semplicemente un "disegno", ma un complesso progetto di ingegneria dei sistemi che considera le prestazioni elettriche, la fattibilità del processo, i costi di produzione e la futura manutenzione.Comprendere la logica di progettazione e il significato ingegneristico dietro ogni termine è il punto di partenza per diventare un ingegnere PCB professionale.