แนวทางการออกแบบ PCB | แนวปฏิบัติที่ดีที่สุดของ DFM เ...

บทนำเกี่ยวกับ DFM

Design for Manufacturing (DFM) เป็นสะพานเชื่อมระหว่างแผนผังวงจรของคุณกับผลิตภัณฑ์จริงที่ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ การออกแบบที่ดูสมบูรณ์แบบบนหน้าจออาจเป็นไปไม่ได้หรือมีค่าใช้จ่ายสูงในการผลิตหากไม่พิจารณา DFM การปฏิบัติตามแนวทาง IPC เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความสามารถในการผลิต

ต้นทุนในการแก้ไขปัญหาเพิ่มขึ้นอย่างมากในแต่ละขั้นตอน:

ระยะออกแบบ: $1
ต้นแบบ: $10
การผลิต: $100
ภาคสนาม: $1000+

การลงทุนเวลาใน DFM ในระหว่างการออกแบบจะช่วยประหยัดต้นทุนและเวลาอย่างมากในภายหลัง สิ่งนี้มีความสำคัญไม่ว่าคุณจะใช้การประกอบแบบ turnkey หรือจัดการชิ้นส่วนเอง

แนวทางการออกแบบเส้นตัวนำ (Trace)

ความกว้างของเส้นตัวนำ

ความกว้างของเส้นตัวนำกำหนดความสามารถในการรับกระแสและมีผลต่อ yield ในการผลิต ตามมาตรฐาน IPC-2221:

ความกว้างขั้นต่ำ:

FR4 PCB มาตรฐาน: 6 mil (0.15mm)
PCB ขั้นสูง: 4 mil (0.1mm)
HDI: 3 mil (0.075mm) หรือน้อยกว่า (ดูคู่มือ HDI)

ความสามารถรับกระแส:

ใช้ IPC-2152 หรือเครื่องคำนวณเพื่อการกำหนดขนาดที่แม่นยำ กฎง่ายๆ:

ชั้นนอก: ~25mA ต่อ mil ความกว้างต่อ oz ทองแดง
ชั้นใน: ~15mA ต่อ mil ความกว้างต่อ oz ทองแดง
สำหรับ heavy copper PCBs ให้ปรึกษาข้อกำหนดผู้ผลิต

แนวปฏิบัติที่แนะนำ:

ใช้เส้นตัวนำกว้างขึ้นสำหรับสาย power
อย่าออกแบบที่ค่าขั้นต่ำ—เพิ่ม margin
พิจารณาผลกระทบของความหนาทองแดง
คำนึงถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

ระยะห่างของเส้นตัวนำ

ระยะห่างส่งผลต่อการแยกสัญญาณและ Yield ในการผลิต

ระยะห่างขั้นต่ำ:

มาตรฐาน: 6 mil (0.15mm)
ขั้นสูง: 4 mil (0.1mm)
ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าสำหรับการออกแบบแรงดันสูง

ข้อพิจารณาแรงดันไฟฟ้าสูง:

IPC-2221 ให้แนวทางระยะห่างปลอดภัย
พิจารณาผลกระทบจากระดับความสูง
คำนึงถึงความเสี่ยงจากการปนเปื้อน
การเคลือบ Conformal สามารถช่วยได้

แนวปฏิบัติที่แนะนำ:

จับคู่ระยะห่างกับความกว้างเส้นตัวนำ
เพิ่มระยะห่างสำหรับสัญญาณสำคัญ
พิจารณาระยะห่างของคู่สัญญาณ Differential
ให้ margin สำหรับความแปรปรวนในการผลิต

การเดินเส้นตัวนำ

แนวทางทั่วไป:

หลีกเลี่ยงมุมฉาก (แนะนำ 45°)
ลดความยาวเส้นตัวนำสำหรับสัญญาณความเร็วสูง
เดินสัญญาณโดยตรง
หลีกเลี่ยงการเดินเส้นใต้ชิ้นส่วนที่มีสัญญาณรบกวน

แนวทางสัญญาณความเร็วสูง:

จับคู่ความยาวสำหรับคู่ Differential
ควบคุมอิมพีแดนซ์
หลีกเลี่ยงการแบ่ง Reference Plane
ลด Via ในเส้นทางสำคัญ

Power/Ground:

ใช้ Plane เมื่อทำได้
เส้นตัวนำกว้างสำหรับ Power
เส้นทาง Return สั้น
พิจารณาการแบ่ง Plane อย่างรอบคอบ

การออกแบบ Via

ประเภทและขนาด Via

Via แบบ Through-Hole:

มาตรฐาน: เจาะ 12 mil, แพด 24 mil
ขั้นต่ำ: เจาะ 8 mil, แพด 16 mil
อัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลางจำกัด ~10:1

Microvia: (ดู คู่มือ HDI PCB)

โดยทั่วไปเส้นผ่านศูนย์กลาง 4-6 mil
เจาะด้วยเลเซอร์
เชื่อมต่อข้ามชั้นเดียว

Blind/Buried Via:

เชื่อมต่อชั้นที่กำหนด
เพิ่มต้นทุนสำหรับ บอร์ดหลายชั้น
ใช้เมื่อจำเป็น

การวาง Via

แนวปฏิบัติที่ดีที่สุด:

หลีกเลี่ยง Via ในแพด (ยกเว้นออกแบบ Via-in-pad)
พิจารณา Via-in-pad พร้อมการเติม/ปิดผิว
ระยะห่าง Via-to-Via ขั้นต่ำ
กฎระยะห่าง Via-to-trace

Thermal Via:

ใต้ Thermal Pad
เชื่อมต่อกับ Ground Plane
แนะนำรูปแบบ Array
พิจารณาการดูดซึมบัดกรี

ความสามารถรับกระแส Via

Via หลายตัวจำเป็นสำหรับกระแสสูง:

คำนวณจากหน้าตัด
เพิ่ม Thermal Via สำหรับการระบายความร้อน
พิจารณา Duty Cycle

การวางชิ้นส่วน

กฎการวาง

แนวทางทั่วไป: (ตาม IPC-7351)

ชิ้นส่วนทั้งหมดทิศทางเดียวกัน (ช่วยการตรวจสอบ)
รักษาระยะห่างขั้นต่ำ
พิจารณาทิศทาง Reflow สำหรับชิ้นส่วน SMT
จัดกลุ่มฟังก์ชันที่เกี่ยวข้อง

ชิ้นส่วน Fine-Pitch:

Fiducial ใกล้เคียง
Land Pattern ที่เหมาะสมสำหรับแพ็คเกจ BGA
พิจารณาความคลาดเคลื่อนในการประกอบ
อาจต้องใช้ Via-in-pad สำหรับ การออกแบบ HDI

ชิ้นส่วนหนัก:

รองรับระหว่างการบัดกรี Wave
พิจารณาใช้กาว
การผ่อนคลายความเครียดรู Mounting

ระยะห่างชิ้นส่วน

ระยะห่างขั้นต่ำ (ทั่วไป):

SMD ถึง SMD: 0.5mm
SMD ถึงขอบ: 1mm
THT ถึง THT: 1.6mm
พิจารณาการเข้าถึงสำหรับซ่อมแซม

ระยะห่างที่แนะนำ:

ให้พื้นที่สำหรับการตรวจสอบ
การเข้าถึงเครื่องมือซ่อมแซม
การระบายความร้อน
การเข้าถึงหัววัด Test

ทิศทาง

แนวปฏิบัติที่แนะนำ:

จัดเรียงชิ้นส่วนที่มีขั้วอย่างสม่ำเสมอ
IC ในทิศทางเดียวกัน
พิจารณาทิศทาง Reflow สำหรับ การประกอบ SMT
ทิศทาง Wave Solder สำคัญสำหรับ THT (ดู คู่มือ SMT vs THT)

Solder Mask และ Silkscreen

การออกแบบ Solder Mask

ช่องเปิด Mask:

ใหญ่กว่าแพด (โดยทั่วไป 0.05mm ต่อด้าน)
พิจารณา Solder Mask Dam ระหว่างแพด
ความกว้าง Dam ขั้นต่ำ: 0.1mm (มาตรฐาน)

ระยะห่าง Solder Mask:

เล็กเกินไป: Mask บนแพด (ปัญหาบัดกรี)
ใหญ่เกินไป: อาจเกิด Solder Bridge
สมดุลสำหรับ Fine Pitch

การปิดผิว Via (Tenting):

ปิด Via ที่ไม่นำกระแส
ไม่ปิด Via ที่ต้องเข้าถึง
พิจารณาจุด Probe

แนวทาง Silkscreen

ข้อความ:

ความสูงขั้นต่ำ: 1mm (0.8mm อ่านได้)
ความกว้างเส้นขั้นต่ำ: 0.15mm
ใช้ฟอนต์ที่เหมาะสม

Reference Designator:

ใกล้ชิ้นส่วน
ห่างจากแพด
ทิศทางที่อ่านได้
ไม่อยู่ใต้ชิ้นส่วน

เครื่องหมายขั้ว:

ตัวบ่งชี้ขา 1 ชัดเจน
ขั้วสำหรับไดโอด/ตัวเก็บประจุ
รูปแบบเครื่องหมายสม่ำเสมอ

โครงสร้างชั้น (Layer Stackup)

หลักการ Stackup

ความสมบูรณ์ของสัญญาณ:

Reference Plane อยู่ติดกับชั้นสัญญาณ
ชั้นอิมพีแดนซ์ควบคุม
ความหนาฉนวนสม่ำเสมอ

ความสมบูรณ์ของพลังงาน:

Plane Power/Ground คู่กัน
Decoupling ที่เหมาะสม
Plane ที่มี Inductance ต่ำ

ความสามารถในการผลิต:

Stackup สมดุล
แนะนำวัสดุมาตรฐาน
พิจารณาผลกระทบต่อต้นทุน

Stackup ทั่วไป

4 ชั้น:

ชั้น 1: สัญญาณ

ชั้น 2: Ground

ชั้น 3: Power

ชั้น 4: สัญญาณ

6 ชั้น:

ชั้น 1: สัญญาณ

ชั้น 2: Ground

ชั้น 3: สัญญาณ

ชั้น 4: สัญญาณ

ชั้น 5: Power

ชั้น 6: สัญญาณ

กฎทั่วไป:

สัญญาณ Reference ไปที่ Plane ต่อเนื่อง
Power/Ground อยู่ติดกัน
โครงสร้างสมมาตร

การควบคุมอิมพีแดนซ์

เมื่อใดจำเป็น

ต้องการอิมพีแดนซ์ควบคุมสำหรับ:

ดิจิตอลความเร็วสูง (ขอบ >100MHz)
วงจร RF
USB, HDMI, Ethernet
อินเทอร์เฟซหน่วยความจำ DDR
การออกแบบ HDI PCB

อิมพีแดนซ์ทั่วไป

ตามข้อกำหนด IEEE:

Single-ended: 50Ω ทั่วไป
Differential: 90Ω, 100Ω ทั่วไป
USB: 90Ω differential
Ethernet: 100Ω differential