Hur man undviker vanliga misstag i PCB-design och förbättrar felsökning

När man designar kretskort är det lätt att missa detaljer som kan leda till svårigheter under implementering eller felsökning. En av de vanligaste problemen är kontakterna för knappar och switchar som tenderar att "studsa" innan de stannar i sitt slutgiltiga läge. Detta kan orsaka att mjukvaran läser fel värde om den inte är förberedd för denna korta period av instabilitet. Det är därför viktigt att implementera debouncing-kod i mjukvaran för att hantera detta problem utan att behöva ytterligare hårdvara. Detta gäller även potentiometrar och andra komponenter som påverkas av störningar från kontaktens rörelse.

När man arbetar med höghastighets- eller RF-signaler är det avgörande att terminera överföringslinjer på rätt sätt för att säkerställa signalintegritet. Att använda rätt impedans är viktigt och bör tas i beaktning beroende på applikationen. På samma sätt måste man vara noggrann med UART-anslutningar: TX och RX måste kopplas rätt. Felkopplingar mellan dessa pinnar kan orsaka kommunikationsproblem, så det är viktigt att noggrant läsa datablad och dubbelkolla alla kopplingar.

Även om dessa misstag kan verka uppenbara är de lätta att glömma. Därför kan det vara bra att behandla dessa problem som en checklista innan man skickar iväg Gerbers eller granskar någon annans design.

När det gäller felsökning är det avgörande att planera för detta redan i designfasen. För att underlätta felsökningen kan man lägga till testpunkter för viktiga signaler, samt jordpads nära dessa punkter för att enkelt kunna fästa en oscilloskopsond. Att inte glömma bort signalintegriteten är viktigt, särskilt vid höghastighets- och RF-nät. Om man inte vill använda fysiska testpunkter kan man istället använda en 0 Ω-resistor i serien med spår och på så sätt skapa en flexibel lösning.

För att underlätta debugging kan man också bryta ut klock- och datalinjer för varje buss i en testkontakt. Även om man inte behöver populera själva kontakten direkt, kan den ge betydande fördelar under felsökning och när man behöver observera eller ändra något på bussen. När man arbetar med höghastighetsbussar är det viktigt att följa riktlinjer för de specifika bussstandarder som används för att förhindra problem som kan uppstå på grund av reflektioner eller signalstörningar.

Användningen av LED-lampor på GPIO-pinnar är ett enkelt men effektivt sätt att ge feedback under utveckling och debugging. Genom att placera en LED på varje strömkälla kan man också få visuell verifiering på att spänningen är aktiv och funktionell. Detsamma gäller att placera en LED på databusser för att indikera att data faktiskt rör sig. Detta gör det möjligt att snabbt se om det uppstår problem med signalflödet utan att behöva analysera varje enskild signal noggrant.

Mätning av strömförbrukning under uppstart är ett annat viktigt steg för att säkerställa att kretskortet fungerar korrekt. Genom att använda en laboratorieförsörjning och mäta strömförbrukningen kan man få en bra indikation på kortets hälsa. Om man vill mäta ström vid specifika punkter kan det vara en bra idé att inkludera en liten ström-sensorresistor i serien med strömförsörjningen.

För bussen med SPI eller någon annan buss som använder chip-select, bör man se till att pull-up eller pull-down-resistorer är korrekt anslutna till chip-select-pinnarna för varje enhet på bussen. Detta förhindrar att flera enheter tävlar om kontrollen över bussen, vilket skulle göra felsökning mycket svårare. Det är bäst att använda externa motstånd istället för att förlita sig på interna pull-up eller pull-down-resistorer i mikrocontrolleren för att undvika problem med busstrafik.

Att implementera en in-circuit testläge (ICT) kan vara till stor nytta både under PCB-upprättande och i full produktion. Testlägen gör det möjligt att verifiera alla funktioner på en enhet efter att den är sammansatt, vilket sparar tid och resurser. Det är viktigt att noggrant planera för testläge innan produktionen, så att man kan säkerställa att det inte bara är möjligt att testa enheten, utan också att all funktionalitet kan kontrolleras.

När man använder 0 Ω-resistorer som en flexibel lösning för att underlätta felsökning, bör man dock vara medveten om att vissa digitala signaler kan påverkas om dessa resistorer används felaktigt. Resistorernas inverkan på signalens stighastighet är en aspekt som inte bör underskattas.

Hur man separerar PCB från paneler: Tekniker och tips

V-grooving-metoden kräver mycket liten kraft och ger relativt rena kanter, vilket är en stor fördel jämfört med andra separationsmetoder. Men det finns också viktiga överväganden att ta hänsyn till. Till exempel kan V-grooving skapa en liten extra marginal på alla sidor av kortet, vilket kan påverka passformen om PCB:n ska installeras i ett hölje. Dessutom kan V-groovingsmaskiner inte göra svängar mitt på kortet som en fräsmaskin kan. Därför måste alla V-grooves gå genom hela kortet, från kant till kant.

En annan begränsning är att V-grooving inte är lämpligt för mycket tunna PCB:er, vanligtvis krävs en tjocklek på över 3 mm. För att undvika skador på komponenter, särskilt höga komponenter, måste dessa hållas på ett avstånd från skärlinjen. En tumregel kan vara att hålla komponenter som är högre än 25 mm minst 5 mm från V-groove-linjen. PCB:er som inte är rektangulära kan anpassas till en rektangulär panel genom att använda metoder som inkluderar både frästa spår och V-grooves, vilket gör det möjligt att separera korten utan att använda sneda snitt.

Förutom V-grooving finns andra metoder för att separera PCB:er från paneler. En vanlig metod är att använda perforerade flikar, som är små hål i solid flikar som gör att PCB:erna kan brytas bort för hand eller med en vinkelslip. När du använder perforerade flikar är det viktigt att undvika att placera hål nära komponenter eller på kanterna av flikarna, för att förhindra att det blir små utskjutande bitar av PCB-material efter separation.

En annan metod som kan användas om det inte finns behov av en fin kant är att såga PCB:erna med en bandsåg eller en handsåg. Detta är en enklare och billigare metod men innebär risker som att koppar på flera lager kan smetas ut vid snittet, vilket kan orsaka kortslutningar. Vid sågning måste en kanal skapas utan koppar på alla lager, minst 5 mm bred, för att förhindra sådana problem.

Vid panelisering av flera PCB:er på en enda panel är det också viktigt att tänka på hur dessa kort ska separeras efter testning. Om panelen ska genomgå en våg-lödning är det viktigt att undvika stora hål eller mellanrum i panelen, eftersom detta kan orsaka att lödning från lödvågen sprider sig till kortets ovansida. Därför måste hål som är större än 600 kvadratmil ha en knockout, ett område utan komponenter eller spår som tas bort vid separation.

För att optimera monteringsprocessen är det viktigt att ta hänsyn till design för montering (DFA). En välplanerad PCB med lättmonterade komponenter bidrar inte bara till att produktionen blir mer kostnadseffektiv, utan gör även reparation och omarbetning enklare. Detta gäller särskilt när man använder automatisk montering med pick-and-place-maskiner. En viktig aspekt här är användningen av fiducials – visuella markörer som hjälper maskiner att korrekt identifiera och placera komponenterna. Dessa markörer ska placeras på strategiska ställen på PCB:n för att säkerställa en exakt placering av både små och stora komponenter.

Det är också avgörande att tänka på komponenternas avstånd från PCB:ns kant, särskilt när V-grooving eller perforering används för att separera korten. För att undvika att komponenter skadas under separationsprocessen, bör alla höga komponenter placeras minst 5 mm från skärlinjen och särskilt MLCC-kondensatorer bör hållas ännu längre bort, för att förhindra mikroskopiska sprickor som kan leda till att de misslyckas under långvarig användning.

En viktig aspekt vid alla metoder för PCB-separation är att beakta hur varje metod påverkar tillverknings- och monteringsprocessen. Vid användning av V-grooving eller perforerade flikar är det viktigt att inte bara tänka på hur korten kommer att separeras utan även på hur denna separation kan påverka de efterföljande stegen, såsom lödning och inspektion. Att förstå dessa förhållanden kan markant förbättra effektiviteten och kvaliteten på produktionen.

Hur man förbereder och skickar korrekt PCB-design för produktion

När man arbetar med PCB-tillverkning är det lätt att missa detaljer som kan försena hela projektet. Om fabriken saknar filer, inte kan öppna dem på grund av felaktigt format, eller upptäcker problem som kan påverka produktionen, kan de sätta stopp på beställningen och samarbeta med dig för att lösa det. Eftersom PCB-tillverkare arbetar snabbt kan en enda fördröjning, även om den bara varar ett par timmar, leda till att leveransdatumet förskjuts med en eller flera dagar.

För att undvika sådana förseningar är det viktigt att göra en DRC (Design Rule Check) och ERC (Electrical Rule Check) innan du genererar dina utdatafiler. Alla PCB-tillverkare kommer att ha specifika DRC-krav på sina webbplatser, vilket gör att du kan kontrollera mot deras designbegränsningar. Vissa tillverkare erbjuder även nedladdningsbara DRC-filer för vanliga CAD-verktyg, så att du kan importera dem och köra kontrollerna. Andra tillverkare har ett onlineverktyg som låter dig ladda upp dina designfiler och automatiskt kontrollera dem för fel.

För tillverkning av en två-lagers PCB krävs många filer. De mest viktiga filerna listas i Tabell 12-1, där varje filtyp motsvarar ett specifikt lager eller en funktion på kortet, som silkscreen, koppar, lödpasta, lödmask, och borrfiler. Alla PCB-tillverkare använder Gerber-formatet, som är ett textbaserat format för grafisk information om var funktioner finns på ditt kort. Den aktuella versionen är RS-274X, så se till att din CAD-programvara genererar den versionen och inte den äldre RS-274-D.

Dina CAD-verktyg kan också generera fler filer än de som listas i tabellen. Om du har fler än två lager kommer du behöva filer för varje lager, samt eventuellt en outline-fil, mekaniska lager, en netlist (vanligtvis i IPC-D-356-format), eller annan information om designen. Kom också ihåg borrfilen, som ofta glöms bort eftersom vissa CAD-program exporterar den separat. Den standardiserade borrfilen kallas NC Drill och skiljer sig från Gerber-formatet.

En annan viktig sak att tänka på är att skicka ytterligare stödjande filer för att hjälpa tillverkaren att bättre förstå designen. Ett exempel på detta är en README-fil. Det är bra praxis att inkludera en sådan fil som listar de filer du skickar, beskriver vad de är och specificerar eventuella designbehov som inte är uppenbara. Om tillverkaren ser något ovanligt kan de stoppa produktionen, och en README kan hjälpa till att förebygga detta genom att förklara designens specifika egenskaper.

Ett alternativ till att skicka en README-fil är att lägga till dessa instruktioner som ett extra lager i Gerber-filerna. Det finns mindre chans att tillverkaren missar informationen om den finns direkt i Gerber-filerna, eftersom de är tvungna att öppna och kontrollera dessa för att kunna tillverka din design. Om du använder en egen stackup, inkludera ett diagram som visar material, substratets tjocklek, kopparens tjocklek och relaterad permittivitet för varje lager. Om du har impedanskontrollerade linjer, bör du ha en lista över nät som behöver impedanskontroll, deras önskade bredd och impedans samt vilket lager de refereras till.

Utöver att noggrant kontrollera dina Gerber-filer är en annan nyckel för att hålla tillverkningsprocessen på rätt spår att tillhandahålla en korrekt förberedd BOM (Bill of Materials), som innehåller all information som behövs för att köpa rätt komponenter från rätt leverantörer. En väl förberedd BOM kan avsevärt påskynda inköpsprocessen. De viktigaste fälten i en BOM är referensbeteckning, kvantitet och tillverkarens artikelnummer. Andra användbara fält inkluderar distributörens artikelnummer, enhetskostnad, subtotal, beskrivning av komponenten, komponentens footprint och en länk till artikelns sida på distributörens webbplats.

Vid beställning av komponenter kan du välja mellan att köpa från distributörer eller direkt från tillverkaren. För de flesta delar, och för mindre serier, kommer du troligtvis att köpa alla komponenter från distributörer som DigiKey, Mouser, Newark/Farnell och Arrow. För RF-komponenter kan RFMW och Richardson RFPD vara bra alternativ. En användbar funktion på Mouser-webbplatsen är att sökfältet kan förstå DigiKey-nummer, vilket gör det lättare att hitta delar som kan vara slut på lager på DigiKey.

De flesta distributörers webbplatser erbjuder ett verktyg för att importera BOM-filer, vanligtvis i XLS- eller CSV-format. Dessa verktyg letar automatiskt upp och lägger till alla delar i din kundvagn och varnar om några delar är slut i lager eller har otillräckligt lager. Några verktyg föreslår också ersättningar. Du kan även använda Octopart.com för att kontrollera lagerstatus hos flera distributörer på en gång. När du laddar upp din BOM till en distributörs webbplats, använd tillverkarens artikelnummer snarare än distributörens, för att hålla din BOM oberoende av distributören.

När du beställer delar är det också en bra idé att använda fält för att lägga till kommentarer för varje komponent. Dessa kommentarer kan ange referensbeteckningen för varje komponent eller namnet på projektet, vilket hjälper till att hålla ordning och snabba upp monteringen av kortet om du gör det för hand.