Naam: . . . Klas: . . . Studentnummer: . . . .
1 Inleiding
Het maken van een design van een printed-circuit-board (PCB) is iets waar elke elektro- techniek student mee te maken krijgt. Het begint met het maken van een goed schema.
Wanneer dat gereviewed is en een Electrical-Rule-Check (ERC) geen fouten meer geeft, dan wordt het tijd om de Board-Editor te starten. Voor jullie als studenten Elektrotechniek zijn gratis tools als Eagle en KiCad beschikbaar. We schrijven niet voor welk pakket je gebruikt, je kunt hier zelf een keuze in maken. In het bedrijfsleven wordt vaak Altium-Designer ge- bruikt, maar kom je Eagle ook nogal eens tegen. Altium Designer is echter een duur pakket en wordt om die redenen vaak niet door hogescholen en kleine bedrijven gebruikt.
2 Leerdoelen
Een PCB kunnen maken, die aan de volgende voorwaarden voldoet:
• De print is zodanig dat deze geproduceerd kan worden door een PCB-fabrikant (m.a.w.
de Design-Rule-Check DRC geeft geen fouten meer en Gerber files zijn gemaakt).
• De print kan opgebouwd worden zonder continu het schema te moeten raadplegen (dit stelt speciale eisen aan het zogenaamde Silkscreen)
• De print heeft voorzieningen die het makkelijk maken om belangrijke signalen te kun- nen meten (design for testability)
Voorzie je gemaakte print van je naam + Hogeschool Rotterdam + je studentnummer + datum+ naam van de print.
De hierna genoemde eisen staan niet in een bepaalde volgorde van belangrijkheid, al is die er natuurlijk wel. De uiteindelijke print zal wel op al deze eisen gecontroleerd gaan worden. En dat kun je natuurlijk zelf ook doen, voordat je de print naar de PCB-fabrikant verstuurt.
Gebruik de hieronder gegeven checklist om al deze eisen voor jezelf te checken, voordat je de print naar de PCB-fabrikant verstuurd. De PCB-fabrikant verwacht van iedere layer van de print een zogeheten Gerber file. Meestal stuur je deze Gerber files verpakt in een .zip file naar de fabrikant. Ieder PCB pakket kan deze Gerber files maken.
3 Checklist
Tabel 1: Checklist voor PCB design
Eis nr. Naam Gedaan? Docent check
4.1 Routing strategie gevolgd?
4.2 Planes (GND) gemaakt?
4.3 Plaatsing componenten optimaal?
4.4 BOM en footprints correct?
4.5 PCB zo klein mogelijk?
4.6 Voedingslijnen zo dik en kort mogelijk?
4.7 Connectoren goed geplaatst?
4.8 Layout connectoren duidelijk?
4.9 Vermogenstransistoren aan de rand?
4.10 Mounting-holes aanwezig?
4.11 Plaatsing ICs en elco’s correct?
4.12 Plaatsing transistoren duidelijk?
4.13 Plaatsing ontkoppelcondensatoren correct?
4.14 Namen en waarden bij componenten?
4.15 Lettergrootte overal hetzelfde?
4.16 Tekst voor versie e.d. aanwezig?
4.17 Testpinnen aanwezig?
4.18 ERC en DRC foutloos?
4.19 Gerber files correct?
4 Eisen voor een PCB
4.1 Routing strategie
Dit is waarschijnlijk een van de meest gemaakte fouten, die ervoor zorgen dat een te grote print gemaakt wordt. Maar ook dat printbanen een halve cirkel beschrijven op een print.
Het gevolg is vaak dat nieuwe printbanen niet meer getrokken kunnen worden, omdat er een blokkade is van zo’n printbaan. De oplossing is om een bewuste strategie te volgen voor het routeren. In het plaatje zie je dat alle printbanen op de top-layer (de rode banen) verticaal lopen. Alle printbanen op de bottom-layer (de blauwe banen) lopen horizontaal.
Het enige nadeel van deze manier is dat er VIAs geplaatst moeten worden. Een VIA is een verbinding tussen 2 verschillende lagen. Omdat we de printen laten fabriceren bij een PCB- fabrikant, is dit geen probleem meer. Onderstaande checks kun je echter bij ieder pakket gebruiken en leveren je een beter printontwerp op.
NOTE: Verder zie je hier verbindingen die haaks op elkaar staan. Zeker bij digitale signalen heeft het de voorkeur om deze in hoeken van 45 graden met elkaar te verbinden.
4.2 Planes
Normaliter maken we een tweelaags PCB. Het is dan goed om op zowel de top-layer als de bottom-layer een ground (GND) plane te maken. Soms zijn er zoveel VCC (bijv. +5V) aansluitingen dat het zinvol kan zijn om de top-layer plane VCC te maken in plaats van GND.
Het maken van een plane doe je met een polygon. Zorg wel voor voldoende clearance (= afstand) ten opzichte van de signaallijnen, zeker als je met hogere spanningen werkt.
4.3 Plaatsing componenten
Het is erg belangrijk om bij het plaatsen van de componenten al rekening te houden met de onderlinge verbindingen. Plaats componenten met veel verbindingen onderling, zo dicht mogelijk bij elkaar. Minimaliseer de lengte van de onderlinge verbindingen. Let hierbij goed op de hoeveelheid air-wires (= de nog te plaatsen verbindingen). Neem hier even de tijd voor, want het succesvol routeren van alle verbindingen staat of valt met een optimale plaatsing!
4.4 BOM en footprints van componenten
Een Bill-of-Materials (BOM) moet je niet pas maken wanneer de print klaar is. Tijdens het plaatsen van de componenten moet je al nadenken over de grootte van die componenten.
Doe je dit niet, dan krijg je straks bij de montage te maken met componenten die te groot zijn voor de ruimte (footprint) op de print. Die footprint is erg belangrijk. Maak een BOM dus al als je nog bezig bent met het tekenen van het schema en zorg ervoor dat bij de leverancier (Digikey, Farnell, Mouser, Conrad) deze componenten ook daadwerkelijk op voorraad zijn.
Controleer de datasheet en zorg ervoor dat het volledige nummer van de component ook overeenkomt met de door jouw geselecteerde footprint. Samengevat: klopt de footprint van de componenten met de footprint op de print?
4.5 PCB grootte
Het lijkt triviaal, maar dat is het niet. Maak de print zo klein mogelijk! Nadat je de com- ponenten geplaatst hebt, kun je deze vaak weer naar binnen schuiven, zodat er ruimte aan de randen vrijkomt. En daarmee kun je de print weer kleiner maken. Zo’n verklein actie is vaak weer handig om na het routeren te doen, dan zie je vanzelf hoeveel ruimte er bespaard kan worden.
4.6 Voedingslijnen
Als je geen plane gebruikt voor de voedingsspanning, routeer de printbaan voor de voe- dingsspanning dan als eerste en maak deze zo dik mogelijk. Hoe dikker, des te beter kan de stroom hier doorheen lopen. Maak ze ook zo kort mogelijk, dus zoveel mogelijk in een rechte lijn direct vanaf de input connector.
4.7 Plaatsing connectoren
Plaats connectoren (input en output) altijd aan de rand van de print op een logische manier.
Logisch betekent dat je inputs bijvoorbeeld aan de linkerkant plaatst en outputs aan de rechterkant.
4.8 Layout connectoren
Plaats bij iedere pin van een connector een tekst zodat duidelijk is wat hierop aangesloten moet worden (bijvoorbeeld een tekst als+5V, GND, SDA, SCL).
4.9 Plaatsing vermogenstransistoren
Vermogenstransistoren en FETs kun je het beste aan de rand van de print plaatsen, zodat je ruimte hebt om deze bijvoorbeeld op een koelblok te monteren.
4.10 Mounting-holes
Plaats mounting-holes van 3 mm op de hoeken van de print. Hiermee kun je de print altijd bevestigen in een behuizing.
4.11 Plaatsing ICs en elco’s
Plaats ICs altijd in de juiste oriëntatie, bijvoorbeeld met pin 1 naar boven. Dit voorkomt een verkeerde plaatsing bij het solderen. Mocht het echt niet anders kunnen, plaats dan een waarschuwing (bijvoorbeeld: NOTE: Orientation of IC1!) bij het IC.
Hetzelfde geldt voor elektrolytische condensatoren (elco’s): plaats deze altijd met de+ op dezelfde manier op de print.
4.12 Plaatsing transistoren
Zet bij de transistoren de letters E, B en C bij de juiste pinnen. Bij de FETs plaats je een G, D en S. Dit is handig bij foutzoeken op een print en het voorkomt een verkeerde plaatsing.
4.13 Plaatsing ontkoppelcondensatoren
Plaats bij ieder IC ontkoppelcondensatoren van 100 nF zo dicht mogelijk bij de voedingspin van het IC. Een ontkoppelcondensator zorgt ervoor dat stroompieken vanuit een IC opge- vangen worden, zodat ze niet naar de rest van de print gaan en daar voor storingen kunnen zorgen. Het beste is om vanaf de voedingslijn eerst naar de ontkoppelcondensator te gaan en daarna naar de voedingspin van het IC.
4.14 Namen en waarden
Zorg dat je van iedere component de naam (bijv. R12) en de waarde (bijvoorbeeld 3,3 kΩ) bij de component plaatst op de top-layer. Bij voorkeur zet je de naam en waarde naast de component en niet er in, maar zeker als je de print klein maakt lukt dat niet altijd.
Het plaatsen van de naam en de waarde maakt het makkelijk bij het opbouwen van de schakeling. Maar ook bij het foutzoeken voorkom je hier veel problemen mee. Dus altijd doen!
4.15 Lettergrootte
Zorg dat alle tekst op het silkscreen dezelfde grootte heeft en dat de letters voldoende dik zijn (een ratio van 15 % is goed leesbaar). Te dunne letters zie je later niet meer goed terug.
Zorg voor een vector font en plaats de teksten zodanig dat duidelijk is waar ze bij horen.
Zorg dat tekst niet overlapt met een component of IC-pin, daar wordt niets geprint. Ook op de bottom-layer kun je teksten plaatsen, de meeste PCB-fabrikanten ondersteunen dit.
4.16 Versie
Zorg dat er een versienummer + datum zichtbaar is op de print. Maar ook de naam van wie de print gemaakt heeft (met een studentnummer erbij). Geef ook de naam van de print weer (bijvoorbeeld: 6-bit pipeline AD-DA converter).
4.17 Testpinnen
Zijn er testpinnen aanwezig, inclusief naam, van enkele belangrijke signalen? Zeker bij SMD ICs wil je vaak niet direct op de pinnen meten, maar is het heel handig om een testpin te hebben, zodat je makkelijk dat signaal op de scoop kunt krijgen of een spanning kunt meten met de multimeter. Denk na over hoe je dadelijk wilt gaan testen en welke signalen je daarvoor nodig zou hebben.
4.18 ERC en DRC
De Electrical-Rule-Check (ERC) en de Design-Rule Check (DRC) helpen je bij het correct krijgen van het schema en van de layout. Een ERC is een controle van het schema op fouten (bijvoorbeeld twee outputs die met elkaar verbonden zijn, of een ingang die niet aangesloten is). Een DRC controleert de print layout op fouten, waardoor een PCB fabrikant niet in staat zou zijn deze print te realiseren.
Zorg er wel voor dat je deze beide tools goed ingesteld hebt. Zeker bij de DRC moet je de gegevens van de PCB-fabrikant invoeren. Vaak betreft het minimale dikte van printbanen en de minimale afstand tussen printbanen onderling en tussen printbaan en pinnen. Maar de meeste pakketten signaleren ook of er nog printbanen gelegd moeten worden. De ERC en DRC MOETEN gedraaid zijn en mogen geen fouten meer opleveren!
4.19 Gerber files
Iedere PCB-fabrikant kent weer zijn eigen regels hoe je een Gerber file moet aanleveren.
Bijna altijd is dit verpakt in een .zip file. De volgende bestanden moeten minimaal aanwe- zig zijn: Drill en board-outline, top-layer copper, bottom-layer copper, soldermask top-layer, soldermask bottom-layer, solderpaste top, solderpaste bottom, silkscreen top en silkscreen bottom.
De silkscreen van de top-layer moet uiteraard de name-layer en de value-layer bevatten van de componenten, maar ook de documentation layer. Controleer voor jezelf met een Gerber Viewer dat de silkscreen (van zowel top-layer als bottom-layer) de juiste info bevat en volledig is.
