PCB-komponentin asettelun periaatteet
Osoitteessa PCB:n ulkoasun suunnittelu, komponenttien sijoittelu on ratkaisevan tärkeää. Se vaikuttaa siihen, kuinka siistiltä levy näyttää ja kuinka pitkiä ja montaa painettua jälkeä siinä on. Se vaikuttaa myös laitteen yleiseen luotettavuuteen. Seuraavassa on useita perussääntöjä, joita piirilevykomponenttien sijoittelun tulisi noudattaa.
Tasainen ja johdonmukainen jakelu
Aseta komponentit niin, että ne jakautuvat tasaisesti koko levylle. Pidä tiheys ja välit yhtenäisinä. Älä anna komponenttien täyttää levyä kokonaan. Jätä hieman tilaa levyn reunoille. Se, kuinka suuri tyhjän marginaalin tulisi olla, riippuu levyn pinta-alasta ja siitä, miten levy on kiinnitetty tuotteeseen. Aivan piirilevyn reunaan istuvien komponenttien tulisi olla vähintään 3 mm:n päässä piirilevyn reunasta. Elektroniikkalaitteissa on tavallista jättää 5-10 mm tilaa kummallekin reunalle.
Yleisesti ottaen kannattaa komponentit sijoittaa piirilevyn yhdelle puolelle, kun se on mahdollista. Komponentin jokaisen johtimen johtimen tulisi käyttää omaa juotosalustaa.
Ei päällekkäisyyttä ja riittävä vapaa tila
Komponentit eivät saa olla päällekkäin ylhäältä alaspäin siten, että ne menevät ristiin. Pidä riittävä väli vierekkäisten komponenttien välillä. Väli ei saa olla liian pieni fyysisen kosketuksen välttämiseksi. Jos kahdella lähekkäisellä komponentilla on suuri potentiaaliero, pidä niiden välillä turvallinen etäisyys. Tavallisissa ympäristöissä turvallinen ilmaväli on noin 200 V/mm. Toisin sanoen, jos odotat suuria jännite-eroja, lisää välimatkaa.
Matala asennuskorkeus
Tee komponenttien asennuskorkeus mahdollisimman matalaksi. Komponentin johto ei saisi nousta yli 5 mm:n korkeudelle levystä. Jos osat istuvat liian korkealla, ne kestävät huonosti tärinää ja iskuja. Korkeat osat voivat kallistua, kaatua tai koskettaa viereisiä komponentteja. Tämä heikentää luotettavuutta.
Akselin suunta ja säännöllisyys
Päätä komponenttien akselien suunnat sen mukaan, miten piirilevy istuu ja kiinnitetään lopulliseen tuotteeseen. Säännöllisiä komponenttiryhmiä varten kohdista suurten osien akselit siten, että ne ovat pystysuorassa tuotteeseen nähden. Tämä parantaa piirilevyn mekaanista vakautta. Akselien kohdistaminen auttaa pitämään osat paikoillaan tärinässä.
Pad-väli ja Lead Bends
Komponentin molemmissa päissä olevien tyynyjen on oltava hieman leveämmällä etäisyydellä toisistaan kuin komponentin aksiaalinen runkopituus. Kun taivutat johtoja, älä taivuta suoraan juuresta. Jätä jonkin verran suoraa johtimen pituutta ennen taivutusta - vähintään 2 mm - jotta runko ei vahingoitu. Tämä vähentää komponentin johtoon ja juotosliitokseen kohdistuvaa rasitusta.
Miten komponentit asennetaan ja kiinnitetään PCB:hen
Piirilevyn komponenttien kiinnitystyylejä on kaksi: pystysuora (pystyasennossa) ja vaakasuora (makuuasennossa). Vaakasuora tarkoittaa, että komponentin akseli on yhdensuuntainen piirilevyn pinnan kanssa. Pystysuora tarkoittaa, että akseli on kohtisuorassa. Molemmilla menetelmillä on hyvät ja huonot puolensa. Käytä niitä joustavasti suunnitellessasi. Voit käyttää yhtä tyyliä tai molempien yhdistelmää. Varmista, että piiri kestää tärinää, sitä on helppo huoltaa ja komponenttien asettelu on tasainen. Tämä auttaa myös jälkien reitityksessä.
Pystysuora (pystysuora) asennus
Pystysuoraan asennetut komponentit vievät vähemmän levyn pinta-alaa. Voit asentaa enemmän osia pinta-alayksikköä kohti. Tämä on hyvä ratkaisu tiheässä tuotesuunnittelussa, kuten kannettavien radioiden ja kuulokojeiden suunnittelussa. Monissa pienissä kannettavissa laitteissa käytetään pystyasennusta.
Pystysuorien osien on kuitenkin oltava pieniä ja kevyitä. Suuret tai painavat osat eivät sovellu pystyasennukseen. Raskaat osat vähentävät mekaanista lujuutta ja heikentävät tärinänkestävyyttä. Ne voivat kallistua tai pudota ja koskettaa muita osia, mikä aiheuttaa luotettavuusongelmia.
Vaakasuora (makuuasennossa) asennus
Vaakasuora asennus antaa paremman mekaanisen vakauden. Se saa levyn näyttämään siistimmältä. Vaaka-asennus lisää komponenttien välimatkaa juotospintojen välillä, mikä helpottaa johtimen reitittämistä kahden juotospisteen välillä. Tämä on hyödyllistä jäljen asettelussa. Vaaka-asennusta suositaan yleensä silloin, kun mekaaninen vakaus ja reitityksen helppous ovat tärkeitä.
PCB-komponentin järjestelyformaatit
Komponentit on sijoitettava tasaisesti, siististi ja tiiviisti levylle. Pyri vähentämään ja lyhentämään piirikokonaisuuksien ja yksittäisten komponenttien välisiä yhteyksiä. Piirilevyllä on kaksi pääasiallista asettelumuotoa: epäsäännöllinen sijoittelu ja säännöllinen sijoittelu. Voit käyttää jompaakumpaa yksin tai molempia yhdessä.
Epäsäännöllinen sijoittelu
Epäsäännöllisessä sijoittelussa komponenttien akselit eivät ole samassa linjassa eivätkä niiden sijainnit noudata tiukkoja sääntöjä. Tämä näyttää epäsäännölliseltä, mutta se vapauttaa komponenttien suuntauksen ja sijainnin. Tämä vapaus helpottaa usein jäljen asettelua. Se voi lyhentää tai vähentää kytkentöjä, mikä pienentää huomattavasti jäljen kokonaispituutta. Lyhyemmät jäljet pienentävät loisparametrejä ja auttavat vähentämään häiriöitä. Epäsäännöllinen sijoittelu on erittäin hyödyllistä suurtaajuuspiireissä. Sitä käytetään usein pystysuoraan asennettujen komponenttien kanssa.
Säännöllinen sijoittaminen
Säännöllinen sijoittelu kohdistaa komponenttien akselit siten, että ne ovat yhdensuuntaisia tai kohtisuorassa levyn reunoihin nähden. Korkeataajuusosia lukuun ottamatta useimmissa elektroniikkatuotteissa komponentit on pyrittävä sijoittamaan joko yhdensuuntaisesti tai kohtisuoraan. Tämä pätee erityisesti silloin, kun komponentit asennetaan vaakasuoraan. Säännöllinen sijoittelu parantaa levyn ulkonäköä ja helpottaa kokoonpanoa, juottamista ja virheenkorjausta. Se on myös helpompaa tuotannon ja huollon kannalta.
Säännöllinen sijoittelu on ihanteellinen matalataajuuspiireille, joissa on kohtalaisia komponenttityyppejä mutta suuria määriä. Monet instrumentit käyttävät tätä muotoa. Säännöllinen sijoittelu asettaa kuitenkin sijaintia ja suuntaa koskevia rajoituksia. Jäljen reitityksestä voi tulla monimutkaisempaa, ja sen seurauksena jäljen kokonaispituus voi kasvaa.
Komponenttityynyjen sijoittaminen piirilevyyn
Komponentin jokaisen johdon on oltava piirilevyn juotosalustalla. Padin sijainti riippuu komponentin koosta ja siitä, miten se on kiinnitetty. Pystyasennuksessa tai epäsäännöllisessä sijoittelussa komponenttien koko ja etäisyys toisistaan voivat rajoittaa padin sijaintia vähemmän. Säännöllisessä sijoittelussa on noudatettava tiettyjä standardeja.
Minkään menetelmän yhteydessä tyynyn keskipisteiden (eli päällystetyn reiän keskipisteen) ei pitäisi olla liian lähellä levyn reunaa. Tyypillinen etäisyys on vähintään 2,5 mm. Ainakin padin keskipisteen tulisi olla suurempi kuin levyn paksuus etäisyydellä reunasta.
Alustan sijainnin olisi mieluiten sijaittava vakiokoordinaattiruudukossa.
IEC-standardissa, perusritiläväli on 2,54 mm (kotimainen standardi on 2,5 mm). Alaruutujen jako on 1,27 mm tai 0,635 mil (1,25 mm tai 0,625 mil). Näillä ruudukkostandardeilla on merkitystä, kun käytetään tietokoneavusteista suunnittelua, automaattista porausta tai automaattista komponenttien sijoittelua ja juottamista. Manuaalisessa porauksessa, lukuun ottamatta kahden IC-piirin pin-väliä, voit lieventää ruudukon tiukkaa noudattamista. Silti tikkujen sijainnin pitäisi silti pitää komponentit siisteinä ja johdonmukaisina. Jos osat ovat samankokoisia, yritä pitää tyynyjen etäisyydet yhtenäisinä. Padien keskiväli ei saisi olla pienempi kuin levyn paksuus. Tämä pitää asiat siisteinä ja helpottaa kokoonpanoa ja johtojen taivuttamista.
Siisteys on tietysti suhteellista. Käytä erityistapauksissa harkintaa.
PCB-asetteluun vaikuttavat tekijät
Monet tekijät vaikuttavat hyvään piirilevyn ulkoasuun. Tässä käsitellään tärkeimpiä niistä.
Signaalin virtaussuunta
Kun järjestät piiriyksiköitä levylle, jaa koko piiri toiminnon mukaan. Sijoita toiminnalliset moduulit signaalivirran mukaisessa järjestyksessä. Tämä tekee asettelusta kätevän signaalireittien kannalta. Pyri pitämään signaalien suunnat yhdenmukaisina. Järjestä signaalivirta useimmiten vasemmalta oikealle (tulo vasemmalla, lähtö oikealla) tai ylhäältä alas (tulo ylhäällä, lähtö alhaalla).
Sijoita komponentit, jotka liitetään suoraan tulo- ja lähtöliittimiin, näiden liittimien lähelle. Asettele kunkin toiminnallisen lohkon ydinlaitteen ympärille. Käytä esimerkiksi transistoria tai IC:tä ytimenä ja sijoita sitten siihen liittyvät komponentit sen ympärille. Ota huomioon osan muoto, koko, napaisuus ja nastojen määrä. Säädä asentoa ja suuntausta johdotuksen lyhentämiseksi.
Erityiskomponenttien sijainti
Häiriöt elektronisissa laitteissa voivat olla peräisin monista lähteistä: sähköisistä, magneettisista, termisistä ja mekaanisista. Kun suunnittelet piirilevyn asettelua, analysoi ensin piirikaavio. Tunnista ensin erityiskomponentit ja sijoita sitten muut osat. Näin vältät häiriöt ja ryhdyt toimiin niiden vähentämiseksi mahdollisimman paljon.
Erityiskomponentit ovat sellaisia, jotka vaikuttavat laitteeseen sähköisesti, magneettisesti, termisesti tai mekaanisesti. Ne voivat olla myös osia, jotka on kiinnitettävä tiettyihin paikkoihin toiminnan vaatimusten vuoksi.
Sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) estäminen
Sähkömagneettista häiriötä esiintyy usein toimivissa laitteissa. Syitä ovat ulkoiset sähkömagneettiset aallot ja huono reititys tai komponenttien huono sijoittelu piirilevyllä. Monet häiriöongelmat voidaan välttää asetteluvaiheessa. Jos tämä jätetään huomiotta jo varhaisessa vaiheessa, suunnittelu voi epäonnistua.
Erottele tai suojaa osat, jotka voivat vaikuttaa toisiinsa. Lyhennä liitäntöjä korkeataajuisissa osissa hajautettujen parametrien ja keskinäisen sähkömagneettisen kytkennän vähentämiseksi. Jos aiot käyttää metallisia suojapurkkeja RF-osissa, jätä piirilevyn alue suojakokoa varten.
Herkät osat eivät saa olla liian lähellä meluisia osia. Korkeajännitteiset (esim. 220 V) ja matalajännitteiset osat on erotettava toisistaan, ja tulo- ja lähtövaiheet on erotettava toisistaan. Jos tasavirtajohdot ovat pitkiä, lisää suodatusosia 50 Hz:n kohinan pysäyttämiseksi.
Jos joillakin komponenteilla tai jäljillä voi olla suuria potentiaalieroja, suurenna välejä, jotta vältetään purkautuminen tai hajoaminen. Vältä metallikoteloitujen osien koskettamista toisiinsa. Esimerkiksi NPN-transistorin metallikotelo tai tehotransistorin jäähdytyselementti voi olla kytkettynä kollektoriin, joka voi olla korkeassa potentiaalissa. Elektrolyyttikondensaattorikotelot ovat usein negatiivisella potentiaalilla tai maassa. Jos näitä metallikoteloita ei ole eristetty, varmista riittävä etäisyys tai lisää eristystä, muuten voi syntyä oikosulku.
Lämpöhäiriöiden hallinta
Myös lämpötilan nousu aiheuttaa häiriöitä. Tunnista asettelussa, mitkä osat tuottavat lämpöä ja mitkä ovat lämpötilaherkkiä.
Sijoita lämpöä tuottavat osat, kuten suuritehoiset vastukset, lähelle koteloa tai sellaiseen paikkaan, jossa on hyvä ilmavirtaus. Käytä tuuletusaukkoja jäähdytyksen helpottamiseksi. Älä ryhmittele lämpöä tuottavia osia yhteen. Harkitse jäähdytyslevyjä tai pientuuletinta, jotta lämpötilan nousu pysyy rajoissa. Suuret teho-osat voidaan ankkuroida runkoon, jotta metallikuori voidaan käyttää lämmönpoistoon. Jos niiden on oltava piirilevyllä, anna niille suuret jäähdytyselementit ja pidä ne erillään muista osista.
Lämpötilaherkät osat, kuten transistorit, IC:t ja suuret elektrolyyttikondensaattorit, eivät saisi olla lähellä lämmönlähteitä tai laitteen yläosassa, jossa lämpötila nousee enemmän. Pitkäaikainen kuumeneminen muuttaa toimintapisteitä ja voi heikentää suorituskykyä.
Mekaanista lujuutta koskevat näkökohdat
Huolehdi laudan tasapainosta ja vakaudesta. Älä luota isojen ja painavien osien (tehomuuntajat, suuret elektrolyyttikondensaattorit, tehotransistorit jäähdytyslevyineen) osalta pelkästään piirilevyn juotosliitoksiin. Asenna ne mahdollisuuksien mukaan alustaan, jotta painopiste on matalalla ja tuote on vakaa. Suuret komponentit voivat vääntää piirilevyä tai vahingoittaa muita komponentteja ja liittimiä.
Jos komponentti painaa yli 15 grammaa ja sen on oltava piirilevyllä, älä luota pelkästään juotoksiin. Käytä kiinnikkeitä, puristimia tai muita mekaanisia tukia.
Kun levyt ovat suurempia kuin noin 200 mm × 150 mm, levyyn kohdistuu taivutus- ja tärinärasitusta. Lisää mekaaninen kehys tai jäykiste muodonmuutosten estämiseksi. Jätä tilaa kiinnityskannattimille, paikoitusruuveille ja liittimien kiinnityksille.
Huoltokelpoisuus ja saavutettavuus
Jos kyseessä ovat säädettävät osat, kuten potentiometrit, muuttuvat kondensaattorit tai virityskäämit, mieti, miten tuotetta säädetään. Jos säätö tapahtuu ulkopuolelta, sovita osan asento etupaneelissa olevaan nuppiin. Jos säätö on sisäinen, sijoita komponentti niin, että se on helposti saatavilla piirilevyllä.
Sijoita korkeajännitteiset osat niin, että kädet eivät todennäköisesti kosketa niihin, jotta vianmääritys ja huolto olisi turvallista. Sijoita esimerkiksi kuvaputkien korkeajännitekomponentit sellaiseen paikkaan, josta niihin on vaikea päästä käsiksi.
Yhteenveto PCB-asettelusta
Layout on PCB-suunnittelun tärkein osa. Osien oikea järjestäminen kiinteälle levyn alueelle on ensimmäinen vaihe. Asettelu ei ole vain komponenttien yhdistämistä piirikaavion mukaisilla painetuilla viivoilla. Luotettavan tuotteen valmistamiseksi osat ja niiden liitännät on sijoitettava harkitusti.
Jos ulkoasu on huono, voi syntyä häiriöitä tai huono suorituskyky, ja teoreettinen suunnittelu voi epäonnistua. Jotkin layoutit täyttävät tekniset vaatimukset, mutta näyttävät sotkuisilta. Epätasainen ja epäjärjestyksessä oleva sijoittelu ei ainoastaan heikennä visuaalista laatua, vaan se myös vaikeuttaa kokoonpanoa ja huoltoa. Se ei ole järkevää suunnittelua.
Yllä olevien ohjeiden tarkoituksena on opettaa peruspiirilevyjen asettelun tuntemus tavallisille painetuille piireille. Noudata niitä, jotta asettelu olisi mahdollisimman järkevää. Hyvä asettelu vähentää jäljen pituutta, vähentää häiriöitä, parantaa mekaanista kestävyyttä, auttaa jäähdytyksessä ja helpottaa valmistusta ja huoltoa.
Käytännön tarkistuslista PCB-asettelua varten (pikaohje)
- Jaa piiri toiminnallisiin lohkoihin ja sijoita lohkot signaalivirran mukaisesti.
- Sijoita tuloon ja lähtöön liittyvät osat liittimien lähelle.
- Sijoita korkeataajuiset lohkot tiiviisti ja pidä niiden jäljet hyvin lyhyinä.
- Korkeajännite- ja pienjännitealueet on erotettava toisistaan.
- Varaa tarvittaessa tilaa metallisuojille.
- Pidä lämpöä tuottavat osat lähellä tuuletusta tai alustaa.
- Pidä lämpötilaherkät osat kaukana lämmönlähteistä.
- Käytä pystysuoraa asennusta tiheille, pienille osille. Käytä vaaka-asennusta vakauden ja helpomman reitityksen vuoksi.
- Pidä vähintään 3 mm:n etäisyys komponenttien tyynyistä levyn reunaan, kun osat ovat levyn reunalla; tyypillinen tyynyn keskikohdan ja reunan välinen etäisyys ≥ 2,5 mm.
- Käytä vakioruudukkoväliä, kun suunnittelet automaattista kokoonpanoa (2,54 mm tai 2,5 mm).
- Pidä tyynyjen keskiväli vähintään levyn paksuutta pienempänä.
- Käytä painavissa osissa juottamisen lisäksi mekaanisia tukia.
- Lisää jäykisteet tai kehykset suurille levyille (> 200 × 150 mm).
- Jätä tilaa testauspisteille ja huoltoyhteyksille.
- Varmista, että komponenttien akselit kohdistuvat toisiinsa siisteyden vuoksi aina kun mahdollista, mutta valitse epäsäännöllinen asettelu RF:lle, jotta jäljityspituutta voidaan vähentää.
