Richtlijnen voor de plaatsing van componenten op printplaten: de invloed van plaatsing op routing, assemblage en betrouwbaarheid.

Inhoudsopgave

1. Wat is componentplaatsing in PCB-ontwerp?

2. Hoe begin je met het plaatsen van componenten op een printplaat?

3. Elektrische en thermische factoren bij de plaatsing van componenten

4. Plaatsing van PCB-componenten voor productie en assemblage.

5. Ontwerpen met het oog op testen, inspectie en toegankelijkheid

6. Conclusie

7. Veelgestelde vragen

---

De plaatsing van componenten op een printplaat gaat niet alleen over het plaatsen van alle componenten in het printplaatframe; het is een cruciale stap in het printplaatontwerp. Een goede plaatsing van componenten heeft direct invloed op de lengte van de sporen, signaalpaden, stroomverdeling, thermische prestaties en produceerbaarheid. Als de componenten te ver uit elkaar staan, kunnen in de toekomst langere sporen en meer via's nodig zijn; als snelle componenten, vermogenscomponenten of warmtegenererende onderdelen onjuist geplaatst zijn, zal dit ook de signaaloverdracht, het thermisch beheer en de productie bemoeilijken.

 

Een verstandige plaatsing van componenten moet daarom rekening houden met elektrische, mechanische, thermische en productie-eisen. De daadwerkelijke lay-outregels voor printplaten moeten niet alleen de afstand tussen componenten in acht nemen, maar ook de daaropvolgende routing vereenvoudigen en voldoende ruimte bieden voor assemblage, inspectie, testen en herstelwerkzaamheden.

 

In dit artikel introduceren we de lay-outprincipes die van belang zijn bij het daadwerkelijke ontwerpen van printplaten, vanuit verschillende invalshoeken: het basisconcept van componentplaatsing op de printplaat, de eerste stappen in de lay-out, elektrisch en thermisch ontwerp, productie- en assemblagevereisten, evenals testen en toegankelijkheid.

 

Wat is componentplaatsing in PCB-ontwerp?

 

Het proces waarbij wordt bepaald waar en hoe elektronische componenten op een printplaat worden geplaatst, staat bekend als PCB-componentplaatsing. Het kan worden samengevat als het omzetten van de circuitverbindingsrelaties in het schema naar de daadwerkelijke fysieke lay-out op de printplaat, voor degenen die zich afvragen "wat is PCB-componentplaatsing?".

 

Bij een juiste plaatsing van componenten op een printplaat wordt rekening gehouden met signaalstroom, warmteafvoer, beschikbare ruimte, routing, assemblage en mechanische constructiebeperkingen. Gerelateerde componenten worden vaak zo dicht mogelijk bij elkaar geplaatst, wat resulteert in kortere en directere sporen. Componenten met veel ruis, hoge snelheden of een hoge warmteontwikkeling vereisen echter mogelijk specifieke afstanden of scheidingseisen. Een geschikte componentplaatsing kan het aantal onnodige via's en complexe sporen verminderen, de signaal- en thermische prestaties verbeteren en de productie en assemblage van printplaten vereenvoudigen.

 

Hoe begin je met het plaatsen van componenten op een printplaat?

 

Een goede plaatsingsprocedure voor printplaatcomponenten begint met de onderdelen die het minst flexibel zijn qua positionering. In plaats van de componenten één voor één te plaatsen, is het beter om eerst de algehele mechanische structuur en functionele indeling van de printplaat te bepalen. Een praktische plaatsingsvolgorde is als volgt:

 

1. Plaats eerst de vaste mechanische onderdelen.

 

Bepaal eerst de contouren van de printplaat, de montagegaten, connectoren, schakelaars, antennes, verboden gebieden en andere mechanische beperkingen. Deze posities worden meestal bepaald door de behuizing, de interface-locaties of de productstructuur, dus deze moeten vastgelegd worden voordat andere componenten worden geplaatst.

 

2. Verdeel de printplaat in verschillende functionele zones.

 

Je kunt de printplaat indelen op basis van functies zoals voeding, analoog, digitaal, RF, sensoren, communicatie of besturingssecties. Dit is een van de meest praktische regels voor het ontwerpen van een printplaat, omdat het helpt om ruisgevoelige circuits gescheiden te houden van gevoelige circuits. Zo moeten bijvoorbeeld, indien mogelijk, gebieden met hoge stroomsterkte of hoge frequentie op een bepaalde afstand worden gehouden van analoge circuits met een laag vermogen en sensorcircuits.

 

3. Plaats de cruciale onderdelen.

 

Processors, FPGA's, geheugenchips, spanningsregelaars, transformatoren, voedingscomponenten en andere belangrijke IC's hebben doorgaans de grootste invloed op de daaropvolgende routing en circuitprestaties. Daarom moeten de posities van deze componenten eerst worden bepaald, vóór de kleinere en flexibelere onderdelen.

 

4. Voeg ondersteunende componenten toe.

 

Plaats de kritische condensatoren, weerstanden, filters en andere ondersteunende componenten, afhankelijk van hun daadwerkelijke elektrische functie, in de buurt van de apparaten die ze bedienen.

 

5. Plaats de algemene passieve componenten als laatste.

 

Algemene weerstanden, condensatoren en andere passieve componenten met relatief flexibele posities kunnen worden geplaatst nadat de hoofdlay-outstructuur van de printplaat is bepaald.

 

Door deze volgorde aan te houden voor de plaatsing van PCB-componenten, wordt de gehele lay-out vanaf het begin overzichtelijker. Dit helpt ook om latere routingconflicten, ruiskoppeling en onnodige lay-outaanpassingen in het ontwerpproces te verminderen.

 

Elektrische en thermische factoren bij de plaatsing van componenten

 

Bij het plaatsen van componenten moet doorgaans rekening worden gehouden met zowel de elektrische prestaties als het thermisch beheer. Het is lastig om je op slechts één aspect te concentreren, omdat de plaatsing van de componenten vaak tegelijkertijd van invloed is op de routing, de signaalkwaliteit en de warmteafvoer.

 

Als de afstand tussen kritieke componenten te groot is, kan het ontwerp later langere routing, meer via's en complexere signaalpaden vereisen; als de warmtegenererende componenten in hetzelfde gebied geconcentreerd zijn, kunnen er lokale hotspots ontstaan. Het is daarom meestal effectiever om deze problemen tijdens de lay-outfase aan te pakken dan later te vertrouwen op routing- of thermische maatregelen om ze te verhelpen.

 

Elektrische en signaaloverwegingen

 

Bij het plaatsen van signaalgerelateerde componenten op een printplaat kunnen we eerst kijken naar de relaties tussen de componenten in de signaalstroom. Een signaal komt bijvoorbeeld via een connector de printplaat binnen, passeert beveiligings- en filtercircuits, gaat vervolgens naar de interface-IC en bereikt uiteindelijk de processor. Het is het beste om de lay-out ook in deze volgorde te organiseren. De voordelen zijn duidelijk: kortere routing, geen herhaalde lussen nodig en eenvoudigere routing achteraf.

 

Bij het daadwerkelijke ontwerpen van een printplaat kunt u zich richten op het controleren van deze lay-outregels:

 

• Plaats snelle componenten zoals processors, geheugen, oscillatoren en andere apparaten dicht bij de componenten waarmee ze direct verbonden zijn.

 

• Kloklijnen, differentiële paren en andere kritieke verbindingen moeten kort en direct zijn.

 

• Probeer onnodige signaalterugkoppelingen, kruisingen en overbodige via's tot een minimum te beperken.

 

• Gevoelige analoge signalen en signalen met een laag spanningsniveau moeten uit de buurt worden gehouden van schakelgebieden met hoge stroomsterkte en hoge snelheden.

 

• Houd de hogesnelheidssignalen onder een continu referentievlak om te voorkomen dat het vlak naar believen wordt overschreden of opgesplitst.

 

• Ontkoppelingscondensatoren moeten zo dicht mogelijk bij de bijbehorende voedingspinnen worden geplaatst, in plaats van ze willekeurig te plaatsen nadat de resterende ruimte leeg is gelaten.

 

Als je merkt dat een kritiek netwerk over een lange afstand moet worden aangelegd of dat er tijdens de initiële routing continu meer via's nodig zijn, hoef je niet per se meteen te overgaan tot "optimalisatie van de routing". In veel gevallen is het beter om eerst de plaatsing van de componenten op de printplaat te controleren en de posities van de relevante componenten redelijkerwijs aan te passen, waardoor het probleem gemakkelijker op te lossen is.

 

Thermische overwegingen

 

Thermisch beheer is een aspect van componentplaatsing dat vaak wordt onderschat. Apparaten zoals processoren, MOSFET's, spanningsregelaars en vermogensweerstanden genereren warmte tijdens gebruik. Als deze componenten geconcentreerd zijn in een klein gebied, kan er, zelfs als de temperatuur van een enkel apparaat acceptabel lijkt, geleidelijk aan een hete plek ontstaan ​​in het hele gebied.

 

Bij het plannen van de componentplaatsing op een printplaat houden we doorgaans ook rekening met de volgende aspecten:

 

• Zijn krachtige apparaten te geconcentreerd en is het nodig om ze op de juiste manier te spreiden?

 

• Is de positionering van de warmtegenererende componenten geschikt voor het gebruik van luchtstroom, koelplaten, thermische via's of grote koperfolies?

 

• Staan temperatuurgevoelige componenten zoals sensoren en analoge precisieapparaten te dicht bij de belangrijkste warmtebron?

 

• Worden hoge componenten geblokkeerd door ventilatoren of de belangrijkste luchtstroompaden?

 

Het gaat hier niet alleen om het scheiden van alle warmtegenererende componenten. Waar het om gaat, is waar de warmte uiteindelijk naartoe gaat. Een verstandige plaatsing van componenten voor thermisch beheer moet een duidelijke afvoerweg voor de belangrijkste warmtebron creëren en temperatuurgevoelige componenten uit de buurt houden van duidelijk door warmte beïnvloede gebieden.

 

Plaatsing van PCB-componenten voor productie en assemblage

 

Zelfs als een printplaat geen elektrische ontwerpfouten vertoont, kunnen er tijdens de assemblage alsnog problemen ontstaan ​​als de componentplaatsing niet overeenkomt met het daadwerkelijke productieproces. Daarom moeten we, voordat we de lay-out definitief vaststellen, deze meestal opnieuw controleren vanuit een productieperspectief: hoe de printplaat gesoldeerd, geïnspecteerd en gedemonteerd zal worden, en of het gemakkelijk is om de lay-out aan te passen in geval van problemen.

 

Enkele praktische regels voor het ontwerpen van printplaten zijn:

 

• Zorg voor voldoende afstand tussen de componenten.

 

Als de componenten te dicht bij elkaar worden geplaatst, bespaart dit weliswaar ruimte op de printplaat, maar het solderen, de AOI-inspectie en latere herstelwerkzaamheden worden lastiger. De exacte benodigde ruimte hangt af van de afmetingen van de behuizing, de assemblagemethode, de detectiemethode en de productiecapaciteit van de printplaatassemblagefabriek.

 

• Let goed op de randen van de printplaat en het demontagegebied.

 

Als de componenten te dicht bij de gefreesde rand, V-vormige uitsparing of afbreekbare gedeeltes zitten, kan de mechanische spanning die tijdens demontage en hantering ontstaat, de soldeerverbindingen of de componenten zelf beschadigen. Daarom is het meestal nodig om deze gebieden van tevoren met een veiligheidsmarge te beschermen.

 

• Zorg voor een logische plaatsing en oriëntatie van de componenten.

 

Richtingsgevoelige componenten zoals diodes, LED's, gepolariseerde condensatoren en IC's moeten duidelijk gemarkeerd zijn met hun polariteit of Pin 1 voor eenvoudige identificatie. Componenten van hetzelfde type kunnen, indien mogelijk, in dezelfde oriëntatie worden geplaatst. Als dit echter de routing of de thermische prestaties beïnvloedt, is het niet nodig om ze geforceerd te uniformeren omwille van een "nette uitstraling".

 

• De lay-out moet afgestemd zijn op het daadwerkelijke soldeerproces.

 

De eisen aan de positionering en onderlinge afstand van componenten variëren afhankelijk van de montagemethode, zoals SMT-reflowsolderen, golfsolderen, selectief solderen en handmatige montage. Bij golfsolderen moet bijvoorbeeld ook rekening worden gehouden met de oriëntatie en hoogte van de componenten, en of grote componenten het daaropvolgende soldeergebied niet blokkeren.

 

• Vergeet niet om ruimte vrij te laten voor reparaties.

 

Tijdens de daadwerkelijke reparatie hebben technici mogelijk meetinstrumenten, pincetten, soldeerbouten of heteluchtpistolen nodig. Als de componenten worden geblokkeerd door grote componenten of als er nauwelijks werkruimte is, zullen latere onderhouds- en herstelwerkzaamheden zeer lastig worden.

 

Er bestaat in feite geen vaste set afstanden of plaatsings- en oriëntatieregels voor componenten die voor alle printplaten werkt. Een betrouwbaardere aanpak is om de componentplaatsing op de printplaat vóór de productie te controleren door de daadwerkelijke DFM- en assemblagevereisten te combineren. Dit kan helpen om problemen tijdens het solderen, testen en herwerken eerder op te sporen en de noodzaak om de lay-out later voor productiedoeleinden aan te passen te verminderen.

 

Ontwerpen met het oog op testen, inspectie en toegankelijkheid.

 

Bij de plaatsing van componenten op een printplaat moet niet alleen gekeken worden of de printplaat wel of niet geassembleerd kan worden. Nadat de printplaat geproduceerd is en van de productielijn is gerold, moet deze meestal nog elektrisch getest, geïnspecteerd, geprogrammeerd, gedebugd en soms zelfs herwerkt worden. Al deze processen vereisen daadwerkelijke handelingen op de betreffende posities op de printplaat.

 

Zorg ervoor dat de testpunten gemakkelijk toegankelijk zijn.

 

Bij ICT- of flying probe-testen moeten de testpunten zo geplaatst worden dat de testopstellingen of probes daadwerkelijk contact kunnen maken. Zelfs als een testpunt correct is aangesloten in het CAD-bestand, kan het tijdens de daadwerkelijke test lastig te gebruiken zijn als het zich onder een groot apparaat bevindt of te dicht bij een hoge connector.

 

De juiste afstand tussen testpunten, tussen testpunten en componenten, en tussen testpunten en de rand van de printplaat varieert afhankelijk van de testmethode en de apparatuur die de fabrikant gebruikt. Daarom moet er tijdens de plaatsing van de componenten op de printplaat al rekening worden gehouden met de toegankelijkheid van de testpunten, in plaats van dit pas achteraf toe te voegen.

 

Overweeg inspectie en herwerking.

 

De opstelling van de componenten heeft ook invloed op de inspectieresultaten. Als de componenten te dicht bij elkaar geplaatst zijn, zal de inspectie, zowel met AOI als met handmatige inspectie, veel moeilijker zijn. Bij BGA-pakketten, waarbij de soldeerverbindingen aan de onderkant van de componenten verborgen zitten, kan röntgeninspectie ook nodig zijn.

 

Hetzelfde geldt voor herwerk. Als bepaalde componenten in de toekomst mogelijk vervangen, gedebugd of technisch aangepast moeten worden, is het raadzaam om voldoende ruimte eromheen te laten zodat meetinstrumenten, pincetten, soldeerbouten of heteluchtgereedschap normaal kunnen werken. Dit is vooral belangrijk bij prototypes en NPI-projecten, omdat deze projecten vaker aanpassingen vereisen.

 

Controleer de toegankelijkheid na de eindmontage.

 

De beoordeling van de toegankelijkheid kan niet alleen afhangen van de kale printplaat. Er moet ook rekening worden gehouden met de uiteindelijke assemblage van het product. Onderdelen zoals programmeerinterfaces en connectoren, die in de PCB-ontwerpsoftware voldoende werkruimte lijken te hebben, kunnen bijvoorbeeld na installatie worden geblokkeerd door koelplaten, behuizingen, kabels of een andere printplaat, waardoor normaal gebruik onmogelijk wordt.

 

De paneelindeling heeft ook invloed op de plaatsing van de componenten. Als de componenten te dicht bij V-vormige uitsparingen, gebroken verbindingspunten of gefreesde randen liggen, zijn ze gevoelig voor mechanische spanning tijdens het splitsen. Door vooraf voldoende ruimte in deze gebieden te laten, kunnen de componenten en soldeerverbindingen beter worden beschermd.

 

Simpel gezegd moet de plaatsing van componenten op een printplaat er niet alleen voor zorgen dat de printplaat gemakkelijk te monteren is, maar ook dat het latere testen, inspecteren, debuggen en onderhoud eenvoudiger verloopt.

 

Conclusie

 

Een correcte plaatsing van componenten op een printplaat is niet zozeer bedoeld om de lay-out er netter uit te laten zien, maar om een ​​soepel verloop van het ontwerp naar de productie-, assemblage- en testfase te garanderen. Veel problemen die pas later aan het licht komen, kunnen al tijdens de plaatsingsfase worden opgespoord en verholpen.

 

Daarom moeten de lay-outregels voor printplaten in de praktijk niet alleen beperkt blijven tot het CAD-ontwerpniveau, maar ook worden gecontroleerd in samenhang met de daadwerkelijke productiecapaciteit. PCBasic kan DFM-reviews uitvoeren voor componentafstand, printplaatranden, lasmethoden, testpunten en maakbaarheid, conform de eisen voor printplaatproductie en PCBA-assemblage, voordat het project in productie gaat. Daarnaast bieden we diensten aan zoals printplaatproductie, componentinkoop, SMT/DIP-assemblage, AOI, röntgenonderzoek, flying probe-testen en functionele testen.

 

Als uw ontwerp compleet is, kunt u uw Gerber-bestanden, stuklijst (BOM) en assemblagebestanden naar PCBasic sturen. Het engineeringteam van PCBasic kan u dan helpen bij het controleren op mogelijke productie- en assemblageproblemen vóór de productie.

 

Veelgestelde vragen

 

Vraag 1: Wat betekent "wat is PCB-plaats"?

 

A1: De zoekterm "wat is PCB-plaatsing?" verwijst over het algemeen naar wat PCB-plaatsing inhoudt. In PCB-ontwerp betekent plaatsing het rangschikken van componentvoetafdrukken op de printplaat vóór de gedetailleerde routing, zodat aan de elektrische, mechanische en productie-eisen kan worden voldaan.

 

Vraag 2: Welke componenten moeten als eerste op een printplaat worden geplaatst?

 

A2: Begin met het plaatsen van PCB-componenten met mechanisch beperkte onderdelen zoals connectoren, schakelaars, montagegaten, antennes en externe interfaces. Bepaal vervolgens de functionele zones en positioneer de belangrijkste IC's, vermogenscomponenten en andere kritieke onderdelen vóór de algemene passieve onderdelen.

 

Vraag 3: Hoe beïnvloedt de plaatsing van componenten de routing van de printplaat?

 

A3: Een goede plaatsing van componenten kan kritieke verbindingen verkorten, kruisingen van bedrading en onnodige via's verminderen, de bedrading van differentiële paren en voedingen vereenvoudigen en directere signaalpaden creëren. Een slechte plaatsing dwingt sporen vaak tot langere en complexere routes.