Comment l'agencement des circuits imprimés garantit-il la fiabilité ?

Qu'est-ce que l'agencement des circuits imprimés et quelle est son importance ?

Si vous voulez garantir la fiabilité des produits PCB, vous devez d'abord faire les trois choses suivantes

1. Qu'est-ce que le PCB ?
2. Pourquoi l'agencement des circuits imprimés ?
3. Disposition des circuits imprimés : Comment garantir la fiabilité？

1. Qu'est-ce que le PCB ?

PCB est le support central des produits électroniques modernes, qui relie divers composants électroniques par un alignement précis des feuilles de cuivre afin de réaliser la fonction de conception du circuit et de fournir un support mécanique.

Symboles et terminologie des composants électroniques

Abréviations normalisées pour les composants électroniques

• RES: Résistance
• CAPCondensateur
• IND: Inducteur
• LEDDiode électroluminescente
• ICCircuit intégré

Terminologie de l'électronique des circuits imprimés

• Tension (V): Différence de potentiel, mesurée en volts
• Courant (I): Flux d'électrons, mesuré en ampères
• Résistance (R): Capacité à entraver le courant, mesurée en ohms
• Loi d&#8217Ohm: V = I×R
• Lois de Kirchhoff: Y compris la loi du courant (KCL) et la loi de la tension (KVL)

Structure des couches du circuit imprimé et sélection des matériaux

Types courants de structures de couches de PCB :

1. Cartes à simple face: Coût le plus bas, convient aux circuits simples
2. Panneaux double face: Traces des deux côtés connectées par des vias
3. Cartes multicouches (4-12 couches) : Préférence pour les circuits complexes avec des plans d'alimentation et de masse dédiés.

Matériaux de support courants :

• FR-4: Stratifié époxy renforcé de verre, le plus couramment utilisé
• Matériaux à haute fréquence, Comme le RO4003C de Rogers pour les circuits RF
• Matériaux souples: Polyimide pour circuits pliables

2. Pourquoi l'agencement des circuits imprimés ?

La mise en page du PCB fait référence au diagramme schématique dans le processus de conception du circuit imprimé, y compris le placement des composants, la planification de l'alignement, la connexion entre les couches et d'autres étapes clés.Une excellente mise en page du circuit imprimé garantit non seulement le bon fonctionnement du circuit, mais améliore également de manière significative la compatibilité électromagnétique (CEM), les performances thermiques et la fiabilité à long terme du produit.
Selon les statistiques, environ 70 % des défaillances des produits électroniques sont dues aux facteurs suivants Conception de circuits imprimés plutôt que des défauts dans les composants eux-mêmes. C'est pourquoi il est essentiel pour les ingénieurs en électronique de maîtriser les compétences professionnelles en matière de mise en page de circuits imprimés.
Comprendre clairement Après avoir bien compris les deux points précédents, nous nous penchons aujourd'hui sur le troisième point.Que faut-il faire pour garantir la fiabilité du circuit imprimé ?

PCB layout： How to ensure reliability？

Principes et techniques de base de l'implantation des circuits imprimés

Normes de placement des composants

• Principe de l'espacement minimal:

• ≥2mm distance between components and board edge (5mm recommended)
• Espacement des composants haute tension : Ajouter au moins 1 mm par 1000 V

• Le cloisonnement fonctionnel:

• Séparation stricte des circuits numériques/analogiques
• Zones dédiées aux circuits à haute fréquence
• Arrangement following signal flow (input → processing → output)

• Cohérence de l'orientation:

• Tous les composants doivent conserver la même orientation (horizontale ou verticale).
• Marquage clair de la polarité pour les composants polarisés

• Considérations relatives à la soudure:

• Espacement des composants pour le soudage à la vague : 50-100 mil (1,27-2,54 mm)
• La soudure par refusion permet un espacement légèrement plus petit

Principes de base de la conception des plans de puissance et de masse

L'intégrité de l'alimentation affecte directement la stabilité du système. D'excellentes conceptions devraient :

• Stratégie des couches:

• Couches d'alimentation et de masse dédiées dans les cartes multicouches
• Plans d'alimentation/de masse adjacents formant une capacité naturelle

• Spécifications de la trace:

• Largeur de la trace de terre > trace de puissance > trace de signal
• Traces de puissance critique utilisant des topologies en étoile ou en réseau

• Placement du condensateur de découplage:

• 0.1μF capacitor near each power pin
• One 10μF bulk capacitor per 5-10 ICs
• Les condensateurs sont placés aussi près que possible des broches d'alimentation

1. Techniques de mise à la terre:

• Connexion en un seul point pour les masses numériques/analogiques
• Mise à la terre multipoints pour les circuits à haute fréquence
• Éviter les boucles de terre

Gestion de l'intégrité du signal

• Routage prioritaire:

• Acheminer d'abord les horloges, les paires différentielles à grande vitesse
• Maintenir une longueur égale et un acheminement symétrique

• Règle des 3W:

• Center-to-center spacing ≥3×trace width
• Réduction de la diaphonie

• Contrôle de l'impédance:

• Calculer l'impédance caractéristique des signaux à grande vitesse
• Maintien d'une impédance cohérente dans les paires différentielles

• Via l'optimisation:

• Minimiser les vias dans les signaux à grande vitesse
• Utiliser des vias aveugles/enfouis si nécessaire

Techniques pratiques de conception CEM/EMI

Contrôler les trois éléments de l&#8217EMI

• Suppression des sources de bruit:

• Bouclier des circuits d'horloge
• Use π-filters for switching power supplies
• Ajouter de petites résistances en série aux dispositifs à commutation rapide

• Blocage de la voie de couplage:

• Éloigner les signaux sensibles des sources de bruit
• Utiliser des traces de garde pour les signaux critiques
• Augmenter la distance entre les couches

• Protection des circuits sensibles:

• Séparer les circuits analogiques des zones numériques
• Coulée locale de cuivre pour les circuits à haute fréquence
• Mettre en œuvre des selfs de mode commun

Méthodes de mise en œuvre

• Stratégie d'empilage:

• Empilement typique de 4 couches : Signal-Sol-Alimentation-Signal
• Les cartes à 6 couches peuvent ajouter des couches de routage dédiées

• Techniques de filtrage:

• Condensateurs électrolytiques en vrac aux entrées d'alimentation
• Condensateurs de découplage en céramique aux broches d'alimentation du circuit intégré
• π-type or T-type filters for signal lines

• Mesures de blindage:

• Coulée locale de cuivre moulu dans les zones sensibles
• Boucliers métalliques si nécessaire
• Perles de ferrite aux ports du câble

Problèmes courants de mise en page des circuits imprimés et solutions

Problème 1 : Comment résoudre le problème de la réflexion du signal dans les circuits à grande vitesse ?

Solutions:

• Mise en œuvre de l'adaptation d'impédance : terminaison source-série ou extrémité-parallèle
• Appliquer les stratégies de terminaison appropriées : Parallèle, Thevenin, etc.
• Contrôle de la longueur des traces :Garder les traces à grande vitesse courtes et droites
• Avoid sharp angles: Use 45° or curved corners

Problème 2 : Comment optimiser le réseau de distribution d'énergie (PDN) dans les cartes multicouches ?

Solutions:

• Concevoir des plans de puissance à faible impédance
• Combinaisons correctes de condensateurs de découplage (grandes + petites valeurs)
• Utiliser des outils d'analyse de l'intégrité de l'alimentation pour la simulation
• Ajouter des plans d'alimentation locaux à proximité des circuits intégrés critiques
• Maintenir un couplage étroit entre les plans de puissance et de masse

Problème 3 : Comment réduire efficacement les interférences entre les circuits numériques et les circuits analogiques ?

Solutions:

• Séparation physique : Maintenir un espacement d'au moins 5 mm
• Cloisonnement du plan de masse :Connexion à point unique pour les masses numériques/analogiques
• Alimentation indépendante :Utilisation de LDO pour les sections analogiques
• Isolation des signaux :Optocoupleurs ou coupleurs magnétiques pour les signaux numériques-analogiques
• Optimisation de la mise en page :Placez les circuits analogiques près des bords de la carte pour réduire les chemins d'interférence.

Résumé

Une excellente disposition des circuits imprimés est la pierre angulaire de la qualité des produits électroniques.En suivant les principes et les conseils ci-dessous, vous pouvez améliorer considérablement la réussite de votre conception :

1. Planifier d'abord: Compléter le partitionnement fonctionnel et la conception de l'empilage avant de commencer.
2. Priorité à la puissance: Consacrer suffisamment d'efforts à l'optimisation de la distribution de l'énergie
3. Concentration du signal: Acheminer d'abord les signaux critiques pour garantir l'intégrité
4. Conception CEM: Contrôler les interférences électromagnétiques à la source plutôt que de les corriger a posteriori
5. Tests de vérification: Utiliser les contrôles DRC et les simulations nécessaires pour valider les conceptions.

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