Riktlinjer för placering av kretskortskomponenter: Hur placering påverkar routing, montering och tillförlitlighet

Innehållsförteckning

1. Vad är komponentplacering i kretskortsdesign?

2. Hur man börjar placera kretskortskomponenter

3. Elektriska och termiska faktorer vid komponentplacering

4. Placering av kretskortskomponenter för tillverkning och montering

5. Utformning för testning, inspektion och tillgänglighet

6. Slutsats

7. Vanliga frågor

---

Placering av kretskortskomponenter handlar inte bara om att placera alla komponenter i kretskortsramen; det är ett avgörande steg i kretskortsdesignen. Bra placering av kretskortskomponenter kommer direkt att påverka spårlängden, signalvägarna, strömfördelningen, termisk prestanda och tillverkningsbarheten. Om de relaterade komponenterna placeras för långt ifrån varandra kan längre spår och fler vias krävas i framtiden. Om positionerna för höghastighetsenheter, strömförsörjningskomponenter eller värmegenererande delar är felaktigt arrangerade kommer det också att öka svårigheten med signal-, värmehantering och tillverkning.

 

Därför måste en rimlig komponentplacering ta hänsyn till både elektriska, mekaniska, termiska och tillverkningskrav. De faktiska kretskortslayoutreglerna bör inte bara ta hänsyn till avståndet mellan komponenterna, utan också göra den efterföljande routingen enklare och lämna tillräckligt utrymme för montering, inspektion, testning och omarbetning.

 

I den här artikeln kommer vi att introducera de layoutprinciper som behöver fokuseras på vid faktisk kretskortsdesign ur flera aspekter: det grundläggande konceptet för placering av kretskortskomponenter, de inledande layoutstegen, elektrisk och termisk design, tillverknings- och monteringskrav, samt testning och tillgänglighet.

 

Vad är komponentplacering i PCB-design?

 

Processen att bestämma var och hur man ska organisera elektroniska komponenter på ett kretskort kallas för PCB-komponentplacering. För de som letar efter "vad är PCB-placering" kan det sammanfattas som att konvertera kretsanslutningsförhållandena i schemat till den faktiska fysiska layouten på kortet.

 

En korrekt placering av kretskortskomponenter tar hänsyn till signalflöde, värmeavledning, tillgängligt kortutrymme, routing, montering och mekaniska konstruktionsbegränsningar samtidigt. Relaterade komponenter placeras ofta så nära varandra som möjligt, vilket resulterar i kortare och mer direkta spår; komponenter med högt brus, hög hastighet eller hög värmeutveckling kan dock kräva särskilda avstånds- eller separationsöverväganden. Lämplig komponentplacering kan minska antalet onödiga vias och komplexa spår, förbättra signal- och termisk prestanda och förenkla kretskortstillverkning och montering.

 

Så här börjar du placera kretskortskomponenter

 

En bra placeringsprocess för kretskortskomponenter bör börja med de delar som har minst flexibilitet i position. Istället för att placera komponenterna en efter en är det bättre att först bestämma kretskortets övergripande mekaniska struktur och funktionella indelningar. En praktisk placeringsordning är följande:

 

1. Placera de fasta mekaniska komponenterna först.

 

Bestäm först kortet, monteringshål, kontakter, brytare, antenner, förbjudna områden och andra mekaniska begränsningar. Dessa positioner bestäms vanligtvis av höljet, gränssnittsplacering eller produktstruktur, så de bör fixeras innan andra komponenter arrangeras.

 

2. Dela upp kretskortet i olika funktionella zoner.

 

Du kan dela upp det efter funktioner som effekt, analog, digital, RF, sensorer, kommunikation eller styrsektioner. Detta är en av de mycket praktiska reglerna för kretskortslayout, eftersom den hjälper till att hålla brusiga kretsar borta från känsliga kretsar. Till exempel, om förhållandena tillåter, bör områden med hög ström eller hög frekvens hållas på ett visst avstånd från analoga kretsar och sensorkretsar med låg nivå.

 

3. Placera de kritiska komponenterna.

 

Processorer, FPGA:er, minnesenheter, regulatorer, transformatorer, kraftenheter och andra större integrerade kretsar har vanligtvis störst inverkan på efterföljande routing och kretsprestanda. Därför bör positionerna för dessa komponenter bestämmas först innan mindre och mer flexibla delar.

 

4. Lägg till stödjande komponenter.

 

Placera kritiska kondensatorer, motstånd, filter och andra stödjande komponenter nära de enheter de betjänar, beroende på den faktiska elektriska funktionen.

 

5. Placera de allmänna passiva komponenterna sist.

 

Allmänna motstånd, kondensatorer och andra passiva komponenter med relativt flexibla positioner kan arrangeras efter att kretskortets huvudlayoutstruktur har bestämts.

 

Genom att följa denna sekvens för placering av kretskortskomponenter kan hela layouten göras tydligare från början, och det hjälper också till att minska efterföljande routingkonflikter, bruskoppling och onödiga layoutmodifieringar senare i designen.

 

Elektriska och termiska faktorer vid komponentplacering

 

Vid placering av komponenter måste elektrisk prestanda och värmehantering vanligtvis beaktas tillsammans. Det är svårt att bara fokusera på en aspekt eftersom var komponenterna placeras ofta samtidigt påverkar routing, signalkvalitet och värmeavledning.

 

Om avståndet mellan kritiska komponenter är för långt kan konstruktionen kräva längre routing, fler vias och mer komplexa signalvägar senare. Om de värmegenererande komponenterna är koncentrerade till samma område kan lokala hotspots bildas. Därför är det vanligtvis mer effektivt att åtgärda dessa problem under layoutfasen än att förlita sig på routing eller termiska åtgärder för åtgärd senare.

 

Elektriska och signalrelaterade överväganden

 

När vi arbetar med placering av signalrelaterade kretskortskomponenter kan vi först titta på relationerna mellan komponenterna längs signalflödet. Till exempel kommer en signal in i kretskortet från en kontakt, passerar genom skydds- och filtreringskretsar, går sedan in i gränssnitts-IC:n och når slutligen processorn. Det är bäst att också arrangera layouten i denna ordning. Fördelarna är tydliga: kortare routing, inget behov av upprepade loopar och enklare hantering av efterföljande routing.

 

I faktisk PCB-design kan du fokusera på att kontrollera dessa PCB-layoutregler:

 

• Placera höghastighetsenheter som processorer, minne, oscillatorer och andra enheter nära de komponenter de är direkt anslutna till.

 

• Klockledningar, differentialpar och andra kritiska anslutningar bör hållas korta och direkta.

 

• Försök att minimera onödig signalbackspårning, korsningar och överdrivna vias.

 

• Känsliga analoga signaler och lågnivåsignaler bör hållas borta från områden med hög ström och hög hastighet.

 

• Håll höghastighetssignalerna under ett kontinuerligt referensplan för att undvika att korsa eller dela planet valfritt.

 

• Avkopplingskondensatorer bör placeras så nära motsvarande effektstift som möjligt, snarare än att placera dem slumpmässigt efter att ha lämnat det återstående tomma utrymmet.

 

Om du märker att ett kritiskt nätverk behöver dirigeras över långa avstånd eller kräver kontinuerliga ökningar av vias under den initiala routningen, behöver du inte nödvändigtvis skynda dig att "optimera routningen". I många fall är det bättre att först kontrollera kretskortskomponenternas placering och justera positionerna för relevanta komponenter på ett mer rimligt sätt, vilket gör problemet lättare att lösa.

 

Termiska överväganden

 

Värmehantering är också en del av komponentplaceringen som ofta underskattas. Enheter som processorer, MOSFET:er, spänningsregulatorer och effektmotstånd genererar värme när de är i drift. Om de är koncentrerade till ett litet område, även om temperaturen på en enskild enhet verkar acceptabel, kan hela området gradvis bilda en het punkt.

 

När vi planerar placeringen av kretskortskomponenter tar vi vanligtvis även hänsyn till följande:

 

• Är högeffektsenheter för koncentrerade och är det nödvändigt att sprida dem på lämpligt sätt?

 

• Är placeringen av värmealstrande anordningar lämplig för användning av luftflöde, kylflänsar, termiska vior eller stora kopparfolier?

 

• Är temperaturkänsliga komponenter som sensorer och analoga precisionsenheter för nära den huvudsakliga värmekällan?

 

• Blockerar höga komponenter fläktar eller huvudsakliga luftflödesvägar?

 

Fokus här är inte bara att separera alla värmegenererande enheter. Det som spelar roll är vart värmen slutligen går. En rimlig placering av komponenter för värmehantering bör lämna en tydlig värmeavledningsväg för den huvudsakliga värmekällan och hålla temperaturkänsliga enheter borta från uppenbara värmepåverkade områden.

 

Placering av kretskortskomponenter för tillverkning och montering

 

Även om ett kretskort inte har några problem med den elektriska konstruktionen, kan problem uppstå under monteringsfasen om komponentplaceringen inte överensstämmer med den faktiska tillverkningsprocessen. Därför behöver vi vanligtvis kontrollera layouten ur ett tillverkningsperspektiv innan vi slutför den: hur kortet ska lödas, inspekteras och demonteras, och om det är lämpligt för omarbetning om problem uppstår.

 

Några praktiska regler för PCB-layout inkluderar:

 

• Se till att det finns ett lämpligt avstånd mellan komponenterna.

 

Om de placeras för tätt tillsammans, även om det kan spara utrymme på kretskortet, blir lödning, AOI-inspektion och senare omarbetning svårare. Den exakta mängden utrymme som behövs beror på förpackningsstorlek, monteringsmetod, detekteringsmetod och tillverkningskapaciteten hos kretskortsmonteringsfabriken.

 

• Var uppmärksam på kortets kanter och demonteringsområdet.

 

Om komponenterna är för nära den frästa kanten, V-skärningen eller områden där brytningen går sönder, kan mekanisk stress som genereras under demontering och hantering påverka lödfogarna eller själva komponenterna. Därför behöver dessa områden vanligtvis reserveras med säkerhetsutrymme i förväg.

 

• Ordna komponenternas placering och orientering på ett rimligt sätt.

 

Riktningskänsliga komponenter som dioder, lysdioder, polariserade kondensatorer och integrerade kretsar bör ha sin polaritet eller Pin 1 tydligt markerad för enkel identifiering. För samma typ av komponenter kan de, om förhållandena tillåter, hållas i samma orientering. Om detta påverkar routing eller termisk prestanda är det dock inte nödvändigt att tvångsmässigt förena dem för att de ska "se snygga ut".

 

• Layouten bör samordnas med den faktiska lödprocessen.

 

Kraven på komponentpositioner och avstånd varierar för olika monteringsmetoder, såsom SMT-omlödning, våglödning, selektiv lödning och manuell montering. Till exempel, vid användning av våglödning måste vi också vara uppmärksamma på komponentens orientering, höjd och om stora komponenter kommer att blockera det efterföljande svetsområdet.

 

• Glöm inte att lämna utrymme för reparation.

 

Under själva reparationen kan tekniker behöva sonder, pincetter, lödkolvar eller varmluftspistoler. Om komponenterna blockeras av stora komponenter eller om det nästan inte finns något arbetsutrymme i närheten, kommer efterföljande underhåll och omarbetning att bli mycket besvärligt.

 

Faktum är att det inte finns någon fast uppsättning regler för avstånd eller komponentplacering och orientering som fungerar för alla kretskort. En mer tillförlitlig metod är att granska kretskortskomponenternas placering före produktion genom att kombinera faktiska DFM- och monteringskrav. Detta kan hjälpa till att upptäcka problem vid lödning, testning och omarbetning tidigare och minska behovet av att modifiera layouten för produktionsändamål senare.

 

Utformning för testning, inspektion och tillgänglighet

 

Placering av kretskortskomponenter kan inte bara beakta huruvida kretskortet kan monteras. Efter att kretskortet har producerats och rullats av produktionslinjen behöver det vanligtvis genomgå elektriska tester, inspektioner, programmering, felsökning och ibland till och med omarbetningar. Alla dessa processer kräver faktiska operationer på de relevanta positionerna på kretskortet.

 

Gör testpunkterna lättillgängliga

 

För IKT- eller flygande probtestning måste testpunkterna placeras på positioner där fixturerna eller proberna faktiskt kan komma i kontakt. Även om en testpunkt är korrekt ansluten i CAD-filen, om den är placerad under en stor enhet eller för nära en hög kontakt, kan den fortfarande vara svår att använda under faktisk testning.

 

Lämpligt avstånd mellan testpunkter, mellan testpunkter och komponenter, samt mellan testpunkter och kanten på kortet varierar beroende på testmetod och utrustning som används av tillverkaren. Därför bör testtillgänglighet beaktas i förväg under placeringen av kretskortskomponenter, snarare än att läggas till efter att routingen är klar.

 

Överväg inspektion och omarbetning

 

Komponenternas placering påverkar också inspektionsresultaten. Om komponenterna placeras för tätt tillsammans, oavsett om det används AOI eller manuell inspektion, blir svårigheten mycket större. För BGA-kapslar där lödfogarna är dolda längst ner på komponenterna kan röntgeninspektion också vara nödvändig.

 

Omarbetning är detsamma. Om vissa komponenter kan behöva bytas ut, felsökas eller genomgå tekniska modifieringar i framtiden är det bäst att lämna tillräckligt med utrymme runt dem så att sonder, pincetter, lödkolvar eller varmluftsverktyg kan fungera normalt. Detta är särskilt viktigt för prototyp- och NPI-byggen, eftersom sådana projekt är mer benägna att modifieras.

 

Kontrollera tillgängligheten efter slutmontering

 

Att bedöma tillgängligheten kan inte bara förlita sig på det obehandlade kretskortet. Det bör också beaktas i samband med produktens slutliga monteringstillstånd. Till exempel kan delar som programmeringsgränssnitt och kontakter, som verkar ha gott om utrymme i kretskortsdesignprogramvaran, blockeras av kylflänsar, kapslingar, kablar eller andra kretskort efter installationen, vilket gör det omöjligt att fungera normalt.

 

Panelisering påverkar också komponenternas placering. Om komponenterna är för nära V-snitt, trasiga anslutningspunkter eller frästa kanter är de benägna att utsättas för mekanisk stress vid delning. Att lämna tillräckligt med avstånd i dessa områden i förväg kan bättre skydda komponenterna och lödfogarna.

 

Enkelt uttryckt behöver placeringen av kretskortskomponenter inte bara göra kretskortet enkelt att montera, utan också göra efterföljande testning, inspektion, felsökning och underhåll enklare.

 

Slutsats

 

En korrekt placering av kretskortskomponenter syftar inte till att göra layouten snyggare, utan till att underlätta en smidig utveckling av designen in i tillverknings-, monterings- och testfaserna. Många problem som först uppstår senare kan faktiskt identifieras och åtgärdas under placeringsfasen.

 

Det är därför som regler för kretskortslayout i faktiska projekt inte bara bör begränsas till CAD-designnivå, utan också kontrolleras i samband med den faktiska produktionskapaciteten. PCBasic kan utföra DFM-granskningar för komponentavstånd, kretskortskantområden, svetsmetoder, testpunkter och tillverkningsbarhet enligt kretskortstillverkning och kretskortsmonteringskrav innan projektet går i produktion, och tillhandahålla tjänster som kretskortstillverkning, komponentanskaffning, SMT/DIP-montering, AOI, röntgen, flygande probtestning och funktionstestning.

 

Om din design är färdig kan du skicka in dina Gerber-filer, stycklista och monteringsfiler till PCBasic, så att PCBasics teknikteam kan hjälpa till att kontrollera potentiella tillverknings- och monteringsproblem före produktion.

 

Vanliga frågor

 

F1: Vad betyder PCB-plats?

 

A1: Sökfrasen *vad är PCB-placering* syftar generellt på vad PCB-placering är. Inom kretskortsdesign betyder placering att arrangera komponentavtryck på kortet före detaljerad routing så att elektriska, mekaniska och tillverkningsmässiga krav kan uppfyllas.

 

F2: Vilka komponenter ska placeras först på ett kretskort?

 

A2: Börja placeringen av kretskortskomponenter med mekaniskt begränsade delar såsom kontakter, brytare, monteringshål, antenner och externa gränssnitt. Upprätta sedan funktionella zoner och placera viktiga integrerade kretsar, kraftenheter och andra kritiska komponenter före generella passiva delar.

 

F3: Hur påverkar komponentplaceringen kretskortsdragningen?

 

A3: Bra placering av komponenter kan förkorta kritiska anslutningar, minska korsningar och onödiga vias, förenkla differentialpar- och effektdragning och ge mer direkta signalvägar. Dålig placering tvingar ofta spår att ta längre och mer komplicerade vägar.