Tasarım çizimlerinden seri üretime kadar, bir devre kartı, işlenebilirlik, üretilebilirlik, sinyal bütünlüğü ve EMC dahil olmak üzere sayısız engeli aşmalıdır. Bu makale, PCB mühendislik düşüncenizi ve tasarım yeteneklerinizi geliştiren, PCB tasarımında 13 yaygın ancak kritik öneme sahip temel kavram etrafındaki tasarım mantığını sistematik olarak özetleyecektir.

1. FR4 Kart Malzemesi: Sinyal Dünyasının Köşe Taşı

En yaygın kullanılan PCB alt tabakası olan FR-4, cam elyaf ve epoksi reçineden yapılmış bakır kaplı bir laminattır. Isı direnci, Tg (cam geçiş sıcaklığı) ile ölçülür.

• Düşük Tg Kart (Tg≈130℃): Genel uygulamalar için kullanılır.
• Orta Tg Kart (Tg>150℃): Orta karmaşıklıktaki devreler için uygundur.
• Yüksek Tg Kart (Tg≥170℃): Otomotiv ve iletişim gibi yüksek sıcaklıklı lehimleme ortamları, kurşunsuz işlemler ve yüksek güvenilirlik senaryoları için önerilir.

Yüksek Tg kartları sadece güçlü ısı direncine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda çok katmanlı kartların uzun süreli çalışması sırasında boyutsal kararlılığını sağlayan nem ve kimyasal direncini de önemli ölçüde iyileştirir.

2. Empedans Eşleşmesi: Yüksek Hızlı Sinyal Yönlendirmesinin "Koruyucusu"

DDR, USB, PCIe gibi yüksek hızlı dijital devrelerde, hassas empedans eşleşmesi olmayan sinyaller yansıma ve çapraz konuşma gibi sorunlar yaşayacaktır. Yaygın empedans kontrol yöntemleri şunlardır:

• Diferansiyel empedans: 100Ω/90Ω
• Tek uçlu empedans: 50Ω

Nasıl eşleştirme tasarlanır? Katman yığını, iz genişliği ve aralığı, referans düzlemi ve dielektrik sabiti gibi faktörler dikkate alınarak doğru simülasyon gereklidir.

3. Yüzey İşlem Süreçleri: Lehimleme Kalitesini ve Ömrünü Belirleme

Beş Yaygın Yüzey İşlemi:

Yüksek frekanslı empedans kontrolü için daldırma altın veya daldırma kalay şiddetle tavsiye edilir. BGA paketlenmiş kartlarda kalay çekme kullanılamaz.

4. Çekirdek Kart/Ön Emprenye: Kart Kalınlığını, Katman Yığınını ve Elektriksel Performansı Belirleyen Temel Malzemeler

Çekirdek kart (Çekirdek) + PP (Ön Emprenye), çok katmanlı kartın yapısını ve kararlılığını belirler. Kalınlığı, reçine akış hızı ve elektriksel sabitlerinin tümü, katman yığını simülasyonu ile birlikte dikkate alınmalıdır.

• Çekirdek: Çift taraflı bakır laminasyonlu sert kart
• PP: Katmanlar arası yapıştırma için kullanılan yarı katı reçine

Laminasyon sırasında kart eğilmesi, boşluklar ve bakır soyulması gibi işlem sorunlarından kaçınmak için uygun oranlar çok önemlidir.

5. Diferansiyel Hatlar: Sinyal bütünlüğü için simetrik yönlendirme esastır

Diferansiyel sinyaller, LVDS, USB ve PCIe gibi yüksek hızlı veri iletimi için kullanılır ve aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır:

• Eşit uzunluk, genişlik ve aralık
• Tutarlı toprak düzlemi referansı
• Kesintili referans düzlemlerinden kaçının

Diferansiyel izlerdeki asimetri, saat çarpıklığını ve çapraz konuşmayı doğrudan etkiler ve yerleşim aşamasında kapsamlı bir şekilde dikkate alınmalıdır.

6. Sinyal Bütünlüğü (SI): Yüksek hızlı PCB tasarımının ruhu

Sinyal bütünlüğünü etkileyen beş ana faktör:

• Yansıma (empedans uyumsuzluğu)
• Çapraz konuşma (izler çok yakın)
• Toprak sıçraması (birden fazla çipin aynı anda anahtarlanmasıyla üretilen toprak dönüş akımı paraziti)
• Yanlış filtreleme tasarımı
• Yetersiz PCB yapısı tasarımı

SI sorunları genellikle sistem arızasına, sık sıfırlamalara ve veri hatalarına yol açar.

7. Sinyal Yansıması: Sinyallerin "Aynı Yoldan Dönmesini" Önleyin

Sinyal yansıması şunlara neden olabilir:

• Aşma
• Düşme
• Halkalanma
• Basamaklı dalga biçimleri

Yansımayı kontrol etmek için, empedans eşleşmesine ek olarak, uygun sonlandırma eşleşmesi (kaynak ve yük uçları) gereklidir ve referans düzlemi kırılmalarından kaçınılmalıdır.

8. Çapraz Konuşma: Sinyal Hatları Arasındaki "Gürültü Kirliliği"

Toprak referansı olmayan sıkıca paketlenmiş yüksek hızlı hatlar, özellikle DDR veya yüksek hızlı veri yolu paralel yönlendirmesinde belirgin olan şiddetli çapraz konuşma üretecektir.

Kapasitif eşleşme → Akım çapraz konuşması
Endüktif eşleşme → Gerilim çapraz konuşması
Çözümler: Toprak düzlemi koruyucuları ekleyin, izler arasında uygun aralığı koruyun ve iz yönünü kontrol edin.

9. Dahili Güç Katmanı: Kararlı Güç Kaynağı ve Girişim Bastırma İçin Gizli Silah

Güç ve toprak, yüzen adaları ve kırık güç döngülerini önlemek için makul bölümlendirme ve yoğun geçiş yerleşimi ile geniş alanlı düzlemler olarak tasarlanmalıdır.

10. Kör/Gömülü Geçişler: Yüksek Yoğunluklu PCB Tasarımında Temel Bir Teknik

• Birinci dereceden kör geçiş: L2-TOP
• İkinci dereceden kör geçiş: L3-TOP
• Gömülü geçiş: L3-L6 arasında birbirine bağlı

Kör/gömülü geçişler, HDI kartlarında yaygın olarak kullanılır, uzay kullanımını önemli ölçüde iyileştirir, ancak yüksek maliyet ve işleme gereksinimleri getirir.

11. Test Noktaları: Seri Üretim Hata Ayıklama İçin "Sigortalar"

Fonksiyonel test, devre içi programlama ve hata ayıklama konumlandırması için kullanılır. BGA çip alanları, uçan problar veya sınır taraması kullanılarak ele alınmalıdır.

12. İşaret Noktaları: SMT Yerleşim Doğruluğunu Sağlama

SMT yerleşim konumlandırması için kullanılır. İşaret noktası tasarım önerileri:

• Çoğunlukla 1 mm dairesel;
• İşaret noktalarının etrafında lehim maskesi açıklıkları bırakın;
• Kart üzerindeki üç işaret noktası, tutarlı bir arka plan bakır folyo ile simetrik olarak düzenlenmelidir.

13. PTH/NPTH Delikleri: Bağlantı ve Sabitleme Taşıyıcıları

• PTH (Metalize Delik): Elektriksel bağlantılar için kullanılır;
• NPTH (Metalik Olmayan Delik): Yapısal konumlandırma, vida montajı vb. için kullanılır.

İşlem sırasında mühendislik dosyasında delik nitelikleri doğru bir şekilde işaretlenmelidir, böylece yeniden çalışmadan kaçınılır.

Sonuç: Temel Ayrıntılara Hakim Olmak Yüksek Kaliteli PCB Tasarımına Yol Açar

PCB tasarımı sadece "çizim" değildir, elektriksel performansı, işlem uygulanabilirliğini, üretim maliyetlerini ve gelecekteki bakımı dikkate alan karmaşık bir sistem mühendisliği projesidir. Her bir terimin arkasındaki tasarım mantığını ve mühendislik önemini anlamak, profesyonel bir PCB mühendisi olmanın başlangıç noktasıdır.