PCB ซึ่งย่อมาจาก Printed Circuit Board ผลิตขึ้นด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ และทำหน้าที่ให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ แผนผังวงจร (Schematic diagram) เป็นหลักการเพียงอย่างเดียวที่การออกแบบ PCB ต้องยึดถือ โดยจะกำหนดจำนวนชั้นของ PCB ตามความซับซ้อนของแผนผังวงจรและขนาดของ PCB เพื่อให้สามารถใช้งานฟังก์ชันต่าง ๆ ที่ผู้ออกแบบวงจรกำหนดไว้ได้อย่างสมบูรณ์
ในแง่ของจำนวนชั้น PCB สามารถแบ่งออกได้เป็นแบบชั้นเดียว แบบสองชั้น แบบสี่ชั้น แบบหกชั้น และประเภทอื่น ๆ ที่มีหลายชั้น ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ PCB ได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในทุกสาขา และถูกติดตั้งอยู่ในเกือบทุกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• การออกแบบสคีม
ก่อนการออกแบบผลิตภัณฑ์ประเภทหนึ่ง จะต้องทำการออกแบบโครงร่าง วางแผนโมดูลพื้นฐานของวงจร และเขียนแผนผังวงจร ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถทำได้ด้วยตนเอง จากนั้นจะนำการออกแบบอย่างง่ายมาใช้เป็นตัวอย่างเพื่อแสดงให้เห็นถึงกระบวนการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)
• การออกแบบแผนผังวงจร
ทุกอย่างเริ่มต้นจากไอเดีย จากนั้นจึงเป็นการวาดแผนผังวงจรไฟฟ้า และสุดท้ายคือการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) การออกแบบแผนผังวงจรเป็นพื้นฐานของการออกแบบ PCB และมีความสัมพันธ์กับผลลัพธ์ของการออกแบบ PCB ดังนั้นหากมีข้อผิดพลาดในแผนผังวงจร ก็ย่อมทำให้เกิดความผิดพลาดบนแผ่น PCB ด้วยเช่นกัน ดังนั้นสิ่งสำคัญอันดับแรกคือการตรวจสอบให้แน่ใจว่าการออกแบบแผนผังวงจรถูกต้องและแม่นยำ
• การจัดทำแผนผังแบบร่าง
1). เปิดโปรแกรม Altium Designer และเข้าสู่หน้าอินเทอร์เฟซหลัก
ตามลำดับความสำคัญ ให้คลิก File>>New>>Project>>PCB Project และทำการสร้างไฟล์วิศวกรรมให้เรียบร้อยก่อนที่จะบันทึกไฟล์นี้ ข้อดีอย่างหนึ่งของการสร้างไฟล์วิศวกรรมคือ ช่วยให้คุณจัดการไฟล์ต่าง ๆ ได้สะดวกขึ้น รวมถึงไฟล์สัญลักษณ์แผนผังวงจร (.schlib), ไฟล์แพ็กเกจ PCB (.pcblib), ไฟล์แผนผังวงจร (.SCH) และไฟล์ PCB (.PCB) ซึ่งทั้งหมดถูกรวมอยู่ในไฟล์วิศวกรรม หลังจากการแปลและแก้ไขแผนผังวงจรแล้ว เน็ตรายการ (net list) จะถูกนำเข้าไปยัง PCB ทำให้แผนผังวงจรและ PCB ถูกมองว่าเชื่อมโยงกัน และสามารถดำเนินการโต้ตอบระหว่างไฟล์ได้ หากไม่ได้ถูกจัดให้อยู่ในไฟล์วิศวกรรมเดียวกัน PCB และแผนผังวงจรจะถูกมองว่าเป็นอิสระต่อกัน และเน็ตรายการของแผนผังวงจรจะไม่ถูกนำเข้าไปยังไฟล์ PCB โดยอัตโนมัติ หากไม่มีไฟล์วิศวกรรม จะต้องค้นหาเส้นทางไปยังแผนผังวงจรในระหว่างกระบวนการนำเข้าเน็ตรายการใน PCB ในระดับหนึ่ง การสร้างไฟล์วิศวกรรมจึงสะดวกกว่า
2). แผนผังวงจรเป็นการเชื่อมต่อกันอย่างสมบูรณ์ระหว่างสัญลักษณ์ในแผนผังวงจร ดังนั้นจึงควรกำหนดสัญลักษณ์ในแผนผังวงจรก่อน
ในไฟล์งานวิศวกรรม ให้คลิก File>>New>>Libraries>>Schematic Libraries แล้วบันทึก ขณะอยู่ในไฟล์แผนผังวงจร ให้สร้างสัญลักษณ์แผนผังวงจรที่ต้องการตามลำดับ ในวงจรของบทความนี้ สวิตช์ ไฟ LED และซ็อกเก็ต ล้วนถูกรวมอยู่ในวงจร และสัญลักษณ์ของคอมโพเนนต์เหล่านี้มีอยู่แล้วใน Altium Designer อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการสร้างงานออกแบบที่สอดคล้องกับความต้องการของคุณอย่างสมบูรณ์ วิธีที่ดีที่สุดคือสร้างไลบรารีของคุณเอง ความจริงแล้ว มีวิศวกรเพียงไม่กี่คนที่ใช้ไลบรารีที่มีมาให้ ในกระบวนการสร้างไลบรารี คุณจะต้องค้นหาสเปกของคอมโพเนนต์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งจะทำให้งานออกแบบของคุณสามารถรับประกันความถูกต้องของชื่อขาและสัญลักษณ์ต่าง ๆ เช่น ขั้วแอโนดและแคโทดของ LED หรือขาทั้งสามของทรานซิสเตอร์ได้
3). การจัดตั้งบรรจุภัณฑ์ PCB.
คลิก File>>New>>Libraries>>PCB Libraries (.pcblib) แล้วบันทึก การกำหนดแพ็กเกจ PCB ได้ดีหรือไม่นั้นเป็นตัวกำหนดความสามารถในการผลิตแผ่น PCB นอกจากการจับคู่ขั้วบวกและขั้วลบกับสัญลักษณ์ในสเกแมติกที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว ยังมีรายละเอียดอีกมากที่ต้องให้ความสำคัญ ตัวอย่างเช่น ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับแพ็กเกจ QFP เนื่องจากสเปกมักจะแสดงมุมมองด้านหลัง จึงจำเป็นต้องทำการกลับภาพในระหว่างขั้นตอนการสร้างแพ็กเกจ PCB มิฉะนั้นไลบรารีที่สร้างขึ้นจะกลับด้าน แพดสำหรับอุปกรณ์และขนาดของ via ก็ต้องเป็นไปตามหลักการ ขนาดของ via สำหรับอุปกรณ์ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของขาอุปกรณ์ ในขณะที่ขนาดของแพดขึ้นอยู่กับขนาดของ via
ลองมาดูตัวอย่างแพ็กเกจ LED ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของ LED เท่ากับ 3 มม. ระยะห่างขาของขาเท่ากับ 2.54 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางของขาเท่ากับ 0.6 มม. ในส่วนติดต่อผู้ใช้ของ PCB Libraries:
a. การวางแผ่นรอง
①. เส้นผ่านศูนย์กลางของรูแพด = เส้นผ่านศูนย์กลางขาของคอมโพเนนต์ + 0.3 มม. + 0.9 มม.;
②. แพดถูกออกแบบให้เป็นทรงกลม เส้นผ่านศูนย์กลางของมัน = เส้นผ่านศูนย์กลางของแพดเวีย 0.9 มม. + 1.2 มม. = 2.1 มม. (โดยทั่วไปแผ่นวงจรด้านเดียว + 1.2 มม. ในขณะที่แบบสองด้าน + 1.0 มม.)
③. หากใช้ SMT แพดมักจะถูกวางไว้ที่เลเยอร์บนสุด
④. พิกัดการวาง: แกน X (-1.27 มม.) และแกน Y (0)
⑤. Pad ถูกกำหนดให้เป็นขาเดียว (Designator ถูกกำหนดให้เป็น 1);
⑥. แผ่นรองตัวที่สองถูกวางด้วยวิธีเดียวกัน ยกเว้นว่าพิกัดการวางคือ X (1.27 มม.) และ Y (0) และแผ่นรองถูกออกแบบให้เป็นขา 2 โดยมีตัวระบุออกแบบกำหนดเป็น 2
เพื่อความสะดวกในการผลิต ตำแหน่งจุดกำเนิดจึงถูกกำหนดให้เป็นจุดกึ่งกลางของคอมโพเนนต์ในแพ็กเกจคอมโพเนนต์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพิกัดของแผ่นรองที่กล่าวถึงข้างต้นจึงเป็น 1.27 และ -1.27 ตามลำดับ
b. ซิลค์สกรีนถูกวาดทันทีหลังจากการวางแพด
c. บันทึกและตั้งชื่อไฟล์
4). เมื่อมีการกำหนดสัญลักษณ์เชิงสเกแมติกของคอมโพเนนต์และแพ็กเกจ PCB แล้ว ขั้นตอนถัดไปคือการเชื่อมต่อระหว่างสัญลักษณ์เชิงสเกแมติกกับแพ็กเกจ PCB
แพ็กเกจ PCB ต้องเชื่อมต่อกับสัญลักษณ์สเกแมติกในแอตทริบิวต์ของคอมโพเนนต์ หลังจากสร้างไลบรารีสัญลักษณ์สเกแมติกและไลบรารีแพ็กเกจ PCB แล้ว จำเป็นต้องแก้ไขและแปลงไลบรารีที่สอดคล้องกัน ในขณะเดียวกัน Altium Designer จะตรวจสอบข้อมูลของแต่ละคอมโพเนนต์ และหากเกิดข้อผิดพลาด หน้าต่างแจ้งเตือนจะปรากฏขึ้นโดยอัตโนมัติ
5). ภาพวาดแผนผัง
หลังจากกำหนดสัญลักษณ์เชิงสัญลักษณ์และแพ็กเกจ PCB แล้ว จึงเริ่มทำการวาดแผนผัง ในไฟล์โปรเจกต์ ให้คลิก File>>New>>Schematic
ในส่วนติดต่อผู้ใช้ของแผนผังวงจร ให้เลือกกระดาษวาดแบบขนาด A4 (จริง ๆ แล้วสามารถเลือกขนาดกระดาษที่เหมาะสมตามโปรเจกต์ของคุณได้) จากนั้นค้นหาสัญลักษณ์แผนผังวงจรที่สร้างไว้แล้วและวางลงในหน้าต่างแผนผังวงจรทีละตัว สุดท้ายให้เชื่อมต่อขา (pins) เข้าด้วยกันผ่านเส้นการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า
เมื่อเสร็จสิ้นแผนผังวงจรแล้ว สามารถตรวจสอบข้อผิดพลาดในการออกแบบได้โดยอัตโนมัติ บนแผนผังวงจร ให้คลิกขวาที่แผนผังที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว และเลือก "compile document ***.Schdoc" ในเมนูที่ปรากฏขึ้น
• การจัดตั้งแมลงวัน PCB
ในไฟล์โปรเจกต์ ให้คลิก ไฟล์>>ใหม่>>PCB>>บันทึก
1). วาดกรอบแผ่นงานของ PCB และสามารถกำหนดขนาดได้ตามโครงสร้างของระบบบน Mechanical 1 ได้มีการวาดกรอบแผ่น PCB ไว้แล้ว ในตัวอย่างของบทความนี้ ขนาดของ PCB คือ 62*55 มม.
2). นำส่วนประกอบตะกั่วเข้าไปข้อมูลคอมโพเนนต์ในแผนผังวงจรและเน็ตรายการจะถูกนำเข้าไปยัง PCB คลิก Design >> "Update PCB Document ***.pcbDOC" >> "Validate Changes" และ "Execute Changes"
3). การตั้งค่ากฎการออกแบบในส่วนนี้จะมีการตั้งค่าความกว้างของเส้น ระยะห่างระหว่างเส้น ความกว้างของเส้นสายไฟ และเส้นกราวด์
4). เลย์เอาต์ การจัดเลย์เอาต์ที่ดีถือว่าทำงานสำเร็จไปแล้วครึ่งหนึ่งกฎที่คุณต้องยึดถือในการจัดเลย์เอาต์ควรประกอบด้วย:
a. ควรแก้ไขตำแหน่งรู
b. ควรติดตั้งชิ้นส่วนที่ต้องการตำแหน่งตายตัวก่อน เพื่อป้องกันไม่ให้ถูกขยับเมื่อมีการย้ายชิ้นส่วนอื่น
c. การจัดวางควรดำเนินการจากส่วนใหญ่ไปหาส่วนเล็ก จากส่วนที่ยากไปหาส่วนที่ง่าย โดยอิงตามโมดูลฟังก์ชัน
5). การกำหนดเส้นทางการเดินสายเป็นกระบวนการที่วางลายทองแดงและวิอาบนแผ่น PCB เพื่อเชื่อมต่อชิ้นส่วนต่าง ๆ
a. การเดินลายวงจรแบบโต้ตอบ: คลิก Place>>Interactive Routing โดยเคอร์เซอร์จะเปลี่ยนเป็นรูปกากบาทสำหรับการเดินลายวงจร
b. การกำหนดเส้นทางอัตโนมัติ: คลิก Auto Route>>All>>Route All จากนั้นการกำหนดเส้นทางอัตโนมัติจะเริ่มต้นขึ้น
6). การเพิ่มรูปหยดน้ำและการเคลือบทองแดงช่วยเสริมความแข็งแรงทางกลระหว่างลายวงจรกับแผ่นรองบัดกรี หรือระหว่างรูทะลุผ่าน (via)
โดยทั่วไปแล้ว การเคลือบทองแดงพื้นที่ขนาดใหญ่ควรดำเนินการบนแผ่น PCB หลังจากการวางลายวงจร โดยปกติการเคลือบทองแดงจะใช้เชื่อมต่อกับสายกราวด์และเพิ่มพื้นที่ของสายกราวด์ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการลดอิมพีแดนซ์ของสายกราวด์ เพื่อให้การส่งผ่านพลังงานและสัญญาณมีความเสถียร
7). สาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก
คลิก Tools>>Design Rule Check ผ่านกระดานข้อมูล คุณสามารถดูรายการรายงานข้อผิดพลาด ซึ่งคุณสามารถใช้ปรับเปลี่ยนการออกแบบ PCB ของคุณ หลังจากนั้นให้ทำการ DRC ซ้ำจนกว่าจะไม่พบข้อผิดพลาด
•ไฟล์เกอร์เบอร์: มันถูกส่งให้กับผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
• แผนผังการประกอบ: ไฟล์นี้ถูกจัดเตรียมให้กับเวิร์กช็อปเพื่อใช้เป็นคู่มือการปฏิบัติงาน
• พิกัดของชิ้นส่วน: มีการนำเสนอให้กับเวิร์กชอปเพื่อใช้ในการติดตั้งอัตโนมัติบนเครื่องจักร
• BOM: เสนอให้กับแผนกจัดหาจัดซื้อและแผนกการผลิต
• ไฟล์อื่น ๆ ที่มีรูปแบบประเภทอื่นหากจำเป็น
จนถึงตอนนี้ เราได้ทำการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทั้งหมดเสร็จสิ้นแล้ว ตั้งแต่แผนผังวงจรไปจนถึงการส่งออกไฟล์ PCB บทความนี้เป็นการสรุปภาพรวมของกระบวนการนี้ และรายละเอียดเพิ่มเติมจะถูกค้นพบโดยคุณเองในการปฏิบัติจริง
