دستورالعمل‌های جایگذاری قطعات PCB: چگونگی تأثیر جایگذاری بر مسیریابی، مونتاژ و قابلیت اطمینان

فهرست مندرجات

۱. جایگذاری قطعات در طراحی PCB چیست؟

۲. نحوه شروع جایگذاری قطعات PCB

۳. عوامل الکتریکی و حرارتی در جایگذاری قطعات

۴. جایگذاری قطعات PCB برای ساخت و مونتاژ

۵. طراحی برای آزمایش، بازرسی و دسترسی‌پذیری

6. نتیجه

7. سQالات متداول

---

قرار دادن قطعات PCB صرفاً به معنای قرار دادن تمام قطعات در قاب برد نیست؛ بلکه گامی حیاتی در طراحی PCB است. قرار دادن خوب قطعات PCB مستقیماً بر طول مسیر، مسیرهای سیگنال، توزیع توان، عملکرد حرارتی و قابلیت تولید تأثیر می‌گذارد. اگر اجزای مرتبط خیلی دور از هم قرار گیرند، ممکن است در آینده به مسیرهای طولانی‌تر و مسیرهای بیشتری نیاز باشد. اگر موقعیت دستگاه‌های پرسرعت، اجزای برق یا قطعات تولیدکننده گرما به طور نامناسبی چیده شود، مدیریت سیگنال، گرما و تولید را نیز دشوار خواهد کرد.

 

بنابراین، یک جایگذاری منطقی قطعات باید الزامات الکتریکی، مکانیکی، حرارتی و تولیدی را در نظر بگیرد. قوانین واقعی چیدمان PCB نه تنها باید فاصله بین قطعات را در نظر بگیرند، بلکه باید مسیریابی بعدی را نیز آسان‌تر کرده و فضای مناسبی را برای مونتاژ، بازرسی، آزمایش و دوباره‌کاری باقی بگذارند.

 

در این مقاله، اصول چیدمانی را که باید در طراحی واقعی PCB از چندین جنبه مورد توجه قرار گیرند، معرفی خواهیم کرد: مفهوم اساسی قرارگیری قطعات PCB، مراحل اولیه چیدمان، طراحی الکتریکی و حرارتی، الزامات تولید و مونتاژ و همچنین آزمایش و دسترسی.

 

جایگذاری قطعات در طراحی PCB چیست؟

 

فرآیند تصمیم‌گیری در مورد محل و نحوه چیدمان قطعات الکترونیکی روی برد مدار چاپی، به عنوان جایگذاری قطعات PCB شناخته می‌شود. می‌توان آن را به صورت خلاصه به عنوان تبدیل روابط اتصال مدار در شماتیک به طرح فیزیکی واقعی روی برد برای کسانی که به دنبال "جایگذاری PCB چیست" هستند، تعریف کرد.

 

یک جایگذاری مناسب قطعات PCB، جریان سیگنال، اتلاف گرما، فضای موجود برد، مسیریابی، مونتاژ و محدودیت‌های ساخت مکانیکی را به طور همزمان در نظر می‌گیرد. قطعات مرتبط اغلب تا حد امکان نزدیک به هم قرار می‌گیرند که منجر به مسیرهای کوتاه‌تر و مستقیم‌تر می‌شود. با این حال، قطعاتی با نویز بالا، سرعت بالا یا تولید گرمای زیاد ممکن است نیاز به ملاحظات فاصله‌گذاری یا جداسازی خاصی داشته باشند. جایگذاری مناسب قطعات می‌تواند تعداد مسیرها و مسیرهای پیچیده غیرضروری را کاهش دهد، عملکرد سیگنال و حرارتی را بهبود بخشد و تولید و مونتاژ PCB را ساده کند.

 

نحوه شروع جایگذاری قطعات PCB

 

یک فرآیند خوب برای جایگذاری قطعات PCB باید با قطعاتی شروع شود که کمترین انعطاف‌پذیری را در موقعیت خود دارند. به جای قرار دادن قطعات به صورت تک تک، بهتر است ابتدا ساختار مکانیکی کلی و تقسیم‌بندی‌های عملکردی برد مدار را تعیین کنید. ترتیب عملی جایگذاری به شرح زیر است:

 

۱. ابتدا اجزای مکانیکی ثابت را قرار دهید.

 

ابتدا، طرح کلی برد، سوراخ‌های نصب، کانکتورها، سوئیچ‌ها، آنتن‌ها، نواحی ممنوعه و سایر محدودیت‌های مکانیکی را تعیین کنید. این موقعیت‌ها معمولاً توسط محفظه، مکان‌های رابط یا ساختار محصول تعیین می‌شوند، بنابراین باید قبل از چیدمان سایر اجزا، آنها را ثابت کنید.

 

۲. برد مدار چاپی را به مناطق عملکردی مختلف تقسیم کنید.

 

شما می‌توانید آن را بر اساس عملکردهایی مانند بخش‌های تغذیه، آنالوگ، دیجیتال، RF، حسگرها، ارتباطات یا کنترل تقسیم کنید. این یکی از قوانین بسیار کاربردی طرح‌بندی PCB است، زیرا به دور نگه داشتن مدارهای نویزدار از مدارهای حساس کمک می‌کند. به عنوان مثال، در صورت امکان، نواحی جریان بالا یا فرکانس بالا باید در فاصله مشخصی از مدارهای آنالوگ سطح پایین و مدارهای حسگر نگه داشته شوند.

 

۳. اجزای حیاتی را قرار دهید.

 

پردازنده‌ها، FPGAها، دستگاه‌های حافظه، رگولاتورها، ترانسفورماتورها، دستگاه‌های قدرت و سایر ICهای اصلی معمولاً بیشترین تأثیر را بر مسیریابی و عملکرد مدار بعدی دارند. بنابراین، موقعیت این اجزا باید ابتدا قبل از قطعات کوچک‌تر و انعطاف‌پذیرتر تعیین شود.

 

۴. اجزای پشتیبان را اضافه کنید.

 

خازن‌ها، مقاومت‌ها، فیلترها و سایر اجزای پشتیبان مهم را مطابق با عملکرد الکتریکی واقعی، نزدیک دستگاه‌هایی که به آنها سرویس می‌دهند، قرار دهید.

 

۵. اجزای غیرفعال عمومی را در آخر قرار دهید.

 

مقاومت‌های عمومی، خازن‌ها و سایر اجزای غیرفعال با موقعیت‌های نسبتاً انعطاف‌پذیر را می‌توان پس از تعیین ساختار طرح اصلی برد مدار، مرتب کرد.

 

با دنبال کردن این ترتیب برای جایگذاری قطعات PCB، کل طرح می‌تواند از همان ابتدا واضح‌تر شود و همچنین به کاهش تداخلات مسیریابی بعدی، اتصال نویز و اصلاحات غیرضروری طرح‌بندی در مراحل بعدی طراحی کمک می‌کند.

 

عوامل الکتریکی و حرارتی در جایگذاری قطعات

 

هنگام انجام جانمایی قطعات، معمولاً باید عملکرد الکتریکی و مدیریت حرارتی را با هم در نظر گرفت. تمرکز فقط روی یک جنبه دشوار است زیرا محل قرارگیری قطعات اغلب به طور همزمان بر مسیریابی، کیفیت سیگنال و اتلاف گرما تأثیر می‌گذارد.

 

اگر فاصله بین اجزای حیاتی خیلی زیاد باشد، ممکن است طراحی به مسیریابی طولانی‌تر، مسیرهای بیشتر و مسیرهای سیگنال پیچیده‌تری در آینده نیاز داشته باشد؛ اگر اجزای تولیدکننده گرما در یک منطقه متمرکز باشند، ممکن است نقاط داغ محلی تشکیل شوند. بنابراین، پرداختن به این مسائل در مرحله چیدمان معمولاً مؤثرتر از تکیه بر مسیریابی یا اقدامات حرارتی برای اصلاح بعدی است.

 

ملاحظات الکتریکی و سیگنال

 

هنگام کار بر روی جایگذاری قطعات PCB مرتبط با سیگنال، ابتدا می‌توانیم به روابط بین قطعات در امتداد جریان سیگنال نگاه کنیم. به عنوان مثال، یک سیگنال از یک کانکتور وارد PCB می‌شود، از مدارهای حفاظتی و فیلتر عبور می‌کند، سپس وارد IC رابط می‌شود و در نهایت به پردازنده می‌رسد. بهتر است چیدمان را نیز به این ترتیب انجام دهید. مزایای آن واضح است: مسیریابی کوتاه‌تر، عدم نیاز به حلقه‌های تکراری و مدیریت آسان‌تر مسیریابی‌های بعدی.

 

در طراحی PCB واقعی، می‌توانید روی بررسی این قوانین طرح‌بندی PCB تمرکز کنید:

 

• دستگاه‌های پرسرعت مانند پردازنده‌ها، حافظه‌ها، نوسان‌سازها و سایر دستگاه‌ها را نزدیک به اجزایی که مستقیماً به آنها متصل هستند قرار دهید.

 

• خطوط ساعت، زوج‌های تفاضلی و سایر اتصالات حیاتی باید کوتاه و مستقیم نگه داشته شوند.

 

• سعی کنید پس‌گردی‌های غیرضروری سیگنال، تقاطع‌ها و مسیرهای بیش از حد را به حداقل برسانید.

 

• سیگنال‌های آنالوگ حساس و سیگنال‌های سطح پایین باید از نواحی سوئیچینگ با جریان بالا و سرعت بالا دور نگه داشته شوند.

 

• سیگنال‌های پرسرعت را زیر یک صفحه مرجع پیوسته نگه دارید تا از قطع یا شکافتن صفحه به دلخواه جلوگیری شود.

 

• خازن‌های جداکننده باید تا حد امکان نزدیک به پین‌های تغذیه مربوطه قرار گیرند، نه اینکه پس از خالی کردن فضای خالی باقی‌مانده، به صورت تصادفی قرار داده شوند.

 

اگر متوجه شدید که یک شبکه حیاتی باید در مسافت طولانی مسیریابی شود یا در طول مسیریابی اولیه نیاز به افزایش مداوم مسیرها دارد، لزوماً نباید برای "بهینه‌سازی مسیریابی" عجله کنید. در بسیاری از موارد، بهتر است ابتدا محل قرارگیری قطعات PCB را بررسی کنید و موقعیت اجزای مربوطه را به طور منطقی‌تری تنظیم کنید تا حل مشکل آسان‌تر شود.

 

ملاحظات حرارتی

 

مدیریت حرارتی نیز بخشی از جانمایی قطعات است که اغلب دست کم گرفته می‌شود. دستگاه‌هایی مانند پردازنده‌ها، MOSFETها، تنظیم‌کننده‌های ولتاژ و مقاومت‌های قدرت هنگام کار گرما تولید می‌کنند. اگر آنها در یک منطقه کوچک متمرکز شوند، حتی اگر دمای یک دستگاه واحد قابل قبول به نظر برسد، کل منطقه ممکن است به تدریج یک نقطه داغ تشکیل دهد.

 

هنگام برنامه‌ریزی برای قرارگیری قطعات PCB، معمولاً موارد زیر را نیز در نظر می‌گیریم:

 

• آیا دستگاه‌های پرقدرت بیش از حد متمرکز هستند و آیا لازم است که آنها را به طور مناسب پراکنده کنیم؟

 

• آیا موقعیت دستگاه‌های تولید گرما برای استفاده از جریان هوا، هیت سینک‌ها، ویاس‌های حرارتی یا فویل‌های مسی بزرگ مناسب است؟

 

• آیا اجزای حساس به دما مانند حسگرها و دستگاه‌های آنالوگ دقیق خیلی به منبع اصلی گرما نزدیک هستند؟

 

• آیا اجزای بلند، فن‌ها یا مسیرهای اصلی جریان هوا را مسدود کرده‌اند؟

 

تمرکز اینجا صرفاً جداسازی تمام دستگاه‌های تولیدکننده گرما نیست. مهم این است که گرما در نهایت به کجا می‌رود. یک چیدمان منطقی برای مدیریت حرارتی باید مسیر اتلاف گرما را برای منبع اصلی گرما باز نگه دارد و دستگاه‌های حساس به دما را از مناطق آسیب‌دیده از گرما دور نگه دارد.

 

جایگذاری قطعات PCB برای ساخت و مونتاژ

 

حتی اگر یک برد مدار چاپی هیچ مشکل طراحی الکتریکی نداشته باشد، اگر قرارگیری قطعات با فرآیند تولید واقعی همسو نباشد، ممکن است در مرحله مونتاژ مشکلاتی ایجاد شود. بنابراین، قبل از نهایی کردن طرح، معمولاً باید آن را از دیدگاه تولید دوباره بررسی کنیم: اینکه برد چگونه لحیم، بازرسی و دمونتاژ خواهد شد و اینکه آیا در صورت بروز مشکل، برای کار مجدد مناسب است یا خیر.

 

برخی از قوانین کاربردی طرح‌بندی PCB عبارتند از:

 

• مطمئن شوید که فاصله مناسبی بین اجزا وجود دارد.

 

اگر آنها خیلی نزدیک به هم قرار داده شوند، اگرچه ممکن است در فضای برد صرفه‌جویی شود، لحیم‌کاری، بازرسی AOI و کارهای مجدد بعدی دشوارتر خواهد بود. مقدار دقیق فضای مورد نیاز به اندازه بسته، روش مونتاژ، روش تشخیص و قابلیت‌های تولید کارخانه مونتاژ PCB بستگی دارد.

 

• به لبه‌های برد و محل جداسازی قطعات توجه کنید.

 

اگر قطعات خیلی نزدیک به لبه شیاردار، برش V یا نواحی جداشونده باشند، تنش مکانیکی ایجاد شده در حین جداسازی و جابجایی ممکن است بر اتصالات لحیم یا خود قطعات تأثیر بگذارد. بنابراین، معمولاً باید از قبل فضای ایمنی برای این نواحی در نظر گرفته شود.

 

• محل قرارگیری و جهت‌گیری قطعات را به طور معقولی تنظیم کنید.

 

قطعات حساس به جهت مانند دیودها، LEDها، خازن‌های قطبی و آی‌سی‌ها باید قطبیت یا پین ۱ خود را به وضوح مشخص کنند تا به راحتی قابل شناسایی باشند. برای قطعات مشابه، در صورت امکان، می‌توان آنها را در جهت یکسانی نگه داشت. با این حال، اگر این امر بر مسیریابی یا عملکرد حرارتی تأثیر بگذارد، لازم نیست آنها را به زور برای "ظاهر مرتب" یکسان کرد.

 

• طرح باید با فرآیند لحیم کاری واقعی هماهنگ باشد.

 

الزامات مربوط به موقعیت‌ها و فاصله‌های اجزا برای روش‌های مختلف مونتاژ مانند لحیم‌کاری جریانی SMT، لحیم‌کاری موجی، لحیم‌کاری انتخابی و مونتاژ دستی متفاوت است. به عنوان مثال، هنگام استفاده از لحیم‌کاری موجی، باید به جهت‌گیری اجزا، ارتفاع و اینکه آیا اجزای بزرگ ناحیه جوشکاری بعدی را مسدود می‌کنند یا خیر نیز توجه کنیم.

 

• فراموش نکنید که برای تعمیر، جایی بگذارید.

 

در طول تعمیر واقعی، تکنسین‌ها ممکن است به پروب، موچین، هویه لحیم‌کاری یا تفنگ هوای گرم نیاز داشته باشند. اگر قطعات توسط اجزای بزرگ مسدود شده باشند یا تقریباً هیچ فضای عملیاتی در اطراف وجود نداشته باشد، تعمیر و نگهداری و دوباره‌کاری‌های بعدی بسیار دردسرساز خواهد شد.

 

در واقع، هیچ مجموعه ثابتی از فاصله‌گذاری یا قوانین قرارگیری قطعات و جهت‌گیری وجود ندارد که برای همه بردهای مدار چاپی (PCB) کارساز باشد. یک رویکرد قابل اعتمادتر، بررسی قرارگیری قطعات برد مدار چاپی قبل از تولید با ترکیب DFM واقعی و الزامات مونتاژ است. این می‌تواند به تشخیص زودهنگام مشکلات در لحیم‌کاری، آزمایش و دوباره‌کاری کمک کند و نیاز به اصلاح مجدد طرح برای اهداف تولید در آینده را کاهش دهد.

 

طراحی برای آزمایش، بازرسی و دسترسی‌پذیری

 

جایگذاری قطعات PCB فقط به این موضوع محدود نمی‌شود که آیا برد مدار قابل مونتاژ است یا خیر. پس از تولید و خروج PCBA از خط تولید، معمولاً نیاز به آزمایش الکتریکی، بازرسی، برنامه‌نویسی، اشکال‌زدایی و گاهی حتی دوباره‌کاری دارد. همه این فرآیندها نیاز به عملیات واقعی در موقعیت‌های مربوطه روی برد مدار دارند.

 

نقاط تست را به راحتی در دسترس قرار دهید

 

برای آزمایش فناوری اطلاعات و ارتباطات یا کاوشگر پرنده، نقاط آزمایش باید در موقعیت‌هایی قرار گیرند که فیکسچرها یا کاوشگرها بتوانند واقعاً با هم تماس پیدا کنند. حتی اگر یک نقطه آزمایش در فایل CAD به درستی متصل شده باشد، اگر در زیر یک دستگاه بزرگ یا خیلی نزدیک به یک کانکتور بلند قرار داشته باشد، ممکن است استفاده از آن در طول آزمایش واقعی دشوار باشد.

 

فاصله مناسب بین نقاط تست، بین نقاط تست و قطعات، و بین نقاط تست و لبه برد، بسته به روش تست و تجهیزات مورد استفاده سازنده متفاوت خواهد بود. بنابراین، دسترسی به تست باید از قبل در مرحله جایگذاری قطعات PCB در نظر گرفته شود، نه اینکه پس از تکمیل مسیردهی اضافه شود.

 

بازرسی و دوباره کاری را در نظر بگیرید

 

چیدمان قطعات نیز بر نتایج بازرسی تأثیر می‌گذارد. اگر قطعات خیلی نزدیک به هم قرار داده شوند، چه با استفاده از بازرسی AOI و چه دستی، مشکل بسیار بیشتر خواهد بود. برای بسته‌های BGA که اتصالات لحیم در پایین قطعات پنهان هستند، بازرسی با اشعه ایکس نیز ممکن است ضروری باشد.

 

دوباره‌کاری نیز به همین صورت است. اگر اجزای خاصی ممکن است در آینده نیاز به تعویض، اشکال‌زدایی یا اصلاحات مهندسی داشته باشند، بهتر است فضای کافی در اطراف آنها باقی بماند تا پروب‌ها، موچین‌ها، هویه‌های لحیم‌کاری یا ابزارهای هوای گرم بتوانند به طور عادی کار کنند. این امر به ویژه برای نمونه‌های اولیه و ساخت‌های NPI بسیار مهم است، زیرا چنین پروژه‌هایی بیشتر مستعد الزامات اصلاح هستند.

 

بررسی دسترسی پس از مونتاژ نهایی

 

قضاوت در مورد قابلیت دسترسی نمی‌تواند تنها به PCB خالی متکی باشد. همچنین باید آن را در کنار وضعیت مونتاژ نهایی محصول در نظر گرفت. به عنوان مثال، قطعاتی مانند رابط‌های برنامه‌نویسی و کانکتورها که به نظر می‌رسد فضای عملیاتی زیادی در نرم‌افزار طراحی PCB دارند، ممکن است پس از نصب توسط هیت سینک‌ها، محفظه‌ها، کابل‌ها یا برد مدار دیگری مسدود شوند و عملکرد عادی آن را غیرممکن سازند.

 

پنل‌بندی همچنین بر قرارگیری قطعات تأثیر می‌گذارد. اگر قطعات خیلی نزدیک به برش‌های V شکل، نقاط اتصال شکسته یا لبه‌های مسیردهی شده باشند، در هنگام جداسازی مستعد تنش مکانیکی هستند. ایجاد فاصله کافی در این مناطق از قبل می‌تواند از قطعات و اتصالات لحیم‌کاری بهتر محافظت کند.

 

به عبارت ساده، جایگذاری قطعات PCB نه تنها باید مونتاژ برد مدار را آسان کند، بلکه باید آزمایش، بازرسی، اشکال‌زدایی و نگهداری بعدی را نیز راحت‌تر کند.

 

نتیجه

 

قرار دادن صحیح قطعات PCB نه تنها باعث مرتب‌تر به نظر رسیدن طرح می‌شود، بلکه پیشرفت روان طراحی را در مراحل تولید، مونتاژ و آزمایش تسهیل می‌کند. بسیاری از مشکلاتی که بعداً ظاهر می‌شوند، در واقع می‌توانند در مرحله قرار دادن شناسایی و اصلاح شوند.

 

به همین دلیل است که در پروژه‌های واقعی، قوانین طرح‌بندی PCB نه تنها باید به سطح طراحی CAD محدود شوند، بلکه باید در ارتباط با ظرفیت تولید واقعی نیز بررسی شوند. PCBasic می‌تواند بررسی‌های DFM را برای فاصله‌گذاری قطعات، نواحی لبه برد، روش‌های جوشکاری، نقاط تست و قابلیت تولید مطابق با الزامات ساخت PCB و مونتاژ PCBA قبل از شروع پروژه انجام دهد و خدماتی مانند ساخت PCB، تهیه قطعات، مونتاژ SMT/DIP، AOI، اشعه ایکس، آزمایش پروب پرنده و آزمایش عملکردی ارائه دهد.

 

اگر طرح شما آماده و تکمیل شده است، می‌توانید فایل‌های Gerber، BOM و فایل‌های مونتاژ خود را به PCBasic ارسال کنید، که به تیم مهندسی PCBasic اجازه می‌دهد تا قبل از تولید، مشکلات احتمالی تولید و مونتاژ را بررسی کند.

 

سوالات متداول

 

Q1: منظور از محل PCB چیست؟

 

A1: عبارت جستجوی «جایگذاری PCB چیست؟» عموماً به معنای جایگذاری PCB است. در طراحی PCB، جایگذاری به معنای مرتب کردن ردپاهای قطعات روی برد قبل از مسیریابی دقیق است تا الزامات الکتریکی، مکانیکی و تولیدی برآورده شود.

 

سوال ۲: کدام قطعات باید ابتدا روی برد مدار چاپی قرار گیرند؟

 

A2: جایگذاری قطعات PCB را با قطعات مکانیکی محدود مانند کانکتورها، سوئیچ‌ها، سوراخ‌های نصب، آنتن‌ها و رابط‌های خارجی شروع کنید. سپس مناطق عملکردی را ایجاد کنید و IC های اصلی، دستگاه‌های قدرت و سایر قطعات حیاتی را قبل از قطعات غیرفعال عمومی قرار دهید.

 

سوال ۳: نحوه قرارگیری قطعات روی مسیر PCB چگونه است؟

 

الف) جایگذاری خوب قطعات می‌تواند اتصالات حیاتی را کوتاه کند، تقاطع‌های مسیریابی و مسیریاب‌های غیرضروری را کاهش دهد، مسیریابی جفت دیفرانسیلی و توان را ساده کند و مسیرهای سیگنال مستقیم‌تری را فراهم کند. جایگذاری نامناسب اغلب باعث می‌شود مسیرها مسیرهای طولانی‌تر و پیچیده‌تری را طی کنند.