طبق نمودار مدار توسعه‌یافته، شبیه‌سازی می‌تواند انجام شود و با خروجی گرفتن از فایل Gerber/drill، می‌توان PCB را طراحی کرد. صرف نظر از نوع طراحی، مهندسان باید دقیقاً بدانند که مدارها (و قطعات الکترونیکی) چگونه باید چیدمان شوند و چگونه کار می‌کنند. برای مهندسان الکترونیک، یافتن ابزارهای نرم‌افزاری مناسب برای طراحی PCB می‌تواند یک کار دلهره‌آور باشد. ابزارهای نرم‌افزاری که برای یک پروژه PCB خوب کار می‌کنند، ممکن است برای پروژه‌های دیگر خوب کار نکنند. مهندسان ابزارهای طراحی بردی می‌خواهند که شهودی باشند، حاوی ویژگی‌های مفید باشند، به اندازه کافی پایدار باشند تا ریسک را محدود کنند و دارای یک کتابخانه قوی باشند که آنها را برای چندین پروژه مناسب کند.

مشکل سخت‌افزاری

برای پروژه‌های اینترنت اشیا، یکپارچه‌سازی برای عملکرد و قابلیت اطمینان بسیار مهم است و ادغام مواد رسانا و نارسانا در PCBS مستلزم آن است که طراحان اینترنت اشیا تعاملات بین جنبه‌های مختلف الکتریکی و مکانیکی طراحی را مطالعه کنند. به طور خاص، با کاهش اندازه قطعات، گرمایش الکتریکی روی PCBS به طور فزاینده‌ای حیاتی می‌شود. در عین حال، الزامات عملکردی نیز در حال افزایش است. برای دستیابی به عملکرد مبتنی بر عملکرد طراحی، پاسخ دما، رفتار اجزای الکتریکی روی برد و مدیریت حرارتی کلی برای عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم بسیار مهم هستند.

برای اطمینان از حفاظت، برد مدار چاپی (PCB) باید ایزوله باشد. با محافظت از مسیرهای مسی که برای ایجاد سیستم الکترونیکی روی برد قرار می‌گیرند، از اتصال کوتاه جلوگیری می‌شود. در مقایسه با جایگزین‌های کم‌هزینه مانند کاغذ چسب رزین مصنوعی (SRBP، FR-1، FR-2)، FR-4 به دلیل خواص فیزیکی/مکانیکی خود، به ویژه توانایی حفظ داده‌ها در فرکانس‌های بالا، مقاومت حرارتی بالا و این واقعیت که نسبت به سایر مواد آب کمتری جذب می‌کند، به عنوان ماده زیرلایه مناسب‌تر است. FR-4 به طور گسترده در ساختمان‌های لوکس و همچنین تجهیزات صنعتی و نظامی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با عایق‌بندی فوق‌العاده بالا (خلاء فوق‌العاده بالا یا UHV) سازگار است.

با این حال، FR-4 به عنوان زیرلایه PCB با محدودیت‌هایی روبرو است که ناشی از عملیات شیمیایی مورد استفاده در تولید است. به طور خاص، این ماده مستعد تشکیل ناخالصی‌ها (حباب‌ها) و رگه‌ها (حباب‌های طولی) و همچنین تغییر شکل فیبر شیشه است. این نقص‌ها می‌توانند باعث ایجاد مقاومت دی‌الکتریک ناپایدار و اختلال در عملکرد سیم‌کشی PCB شوند. ماده جدید اپوکسی شیشه‌ای این مشکلات را حل می‌کند.

سایر مواد رایج مورد استفاده شامل پلی‌آمید/فیبر شیشه (که دماهای بالاتر را تحمل می‌کند و سخت‌تر است) و KAPTON (انعطاف‌پذیر، سبک، مناسب برای کاربردهایی مانند نمایشگرها و صفحه کلیدها) هستند. عواملی که باید هنگام انتخاب مواد دی‌الکتریک (زیرلایه‌ها) در نظر گرفته شوند شامل ضریب انبساط حرارتی (CTE)، دمای انتقال شیشه‌ای (Tg)، رسانایی حرارتی و استحکام مکانیکی است.

بردهای مدار چاپی نظامی/هوافضا نیازمند ملاحظات طراحی ویژه‌ای بر اساس مشخصات طرح‌بندی و پوشش ۱۰۰٪ طراحی برای آزمایش (DFT) هستند. استاندارد MIL-STD-883 روش‌ها و رویه‌هایی را برای آزمایش دستگاه‌های میکروالکترونیکی مناسب برای سیستم‌های نظامی و هوافضا، از جمله آزمایش‌های مکانیکی و الکتریکی، رویه‌های تولید و آموزش و سایر کنترل‌ها برای اطمینان از سطوح ثابت کیفیت و قابلیت اطمینان در سراسر سیستم، تعیین می‌کند. کاربردهای مختلف چنین دستگاه‌هایی.

علاوه بر رعایت استانداردهای مختلف، طراحی قطعات الکترونیکی سیستم خودرو باید از مجموعه‌ای از قوانین، مانند آزمایش مکانیکی و الکترونیکی AEC-Q100 برای بسته‌بندی مدارهای مجتمع، پیروی کند. اثرات تداخل می‌تواند ایمنی خودرو را مختل کند. برای به حداقل رساندن این اثرات، طراحان PCB باید فاصله‌ای بین خط سیگنال و خط برق مشخص کنند. طراحی و استانداردسازی توسط ابزارهای نرم‌افزاری تسهیل می‌شود که به طور خودکار جنبه‌هایی از طراحی را که نیاز به اصلاح بیشتر دارند، برجسته می‌کنند تا محدودیت‌های تداخل و شرایط اتلاف گرما را برآورده کنند تا از تأثیر بر عملکرد سیستم جلوگیری شود.

یادداشت‌ها:

تداخل ناشی از خود مدار، تهدیدی برای کیفیت سیگنال نیست. برد مدار چاپی (PCB) خودرو مملو از نویز است که به روش‌های پیچیده‌ای با بدنه تعامل می‌کند و جریان ناخواسته‌ای را در مدار القا می‌کند. نوسانات و افزایش ناگهانی ولتاژ ناشی از سیستم‌های احتراق خودرو می‌تواند اجزا را بسیار فراتر از تحمل ماشینکاری آنها تحت فشار قرار دهد.

مشکل نرم‌افزاری

ابزارهای امروزی طراحی برد مدار چاپی باید ترکیبات عملکردی متعددی داشته باشند تا بتوانند الزامات طراحان را برآورده کنند. انتخاب ابزار مناسب طراحی باید اولین نکته در طراحی برد مدار چاپی باشد و هرگز نباید از آن غافل شد. محصولات Mentor Graphics، OrCAD Systems و Altium از جمله ابزارهای امروزی طراحی برد مدار چاپی هستند.

طراح آلتیوم

Altium Designer یکی از بسته‌های طراحی PCB سطح بالا در بازار امروز است. با عملکرد سیم‌کشی خودکار، پشتیبانی از تنظیم طول خط و مدل‌سازی سه‌بعدی. Altium Designer شامل ابزارهایی برای همه وظایف طراحی مدار، از ثبت شماتیک گرفته تا HDL و همچنین شبیه‌سازی مدار، تجزیه و تحلیل سیگنال، طراحی PCB و توسعه FPGA embedded است.

پلتفرم طرح‌بندی PCB شرکت Mentor Graphics چالش‌های اصلی پیش روی طراحان سیستم امروزی را برطرف می‌کند: برنامه‌ریزی تودرتوی دقیق، کارآمد و مبتنی بر استفاده مجدد؛ مسیریابی کارآمد در توپولوژی‌های متراکم و پیچیده؛ و بهینه‌سازی الکترومکانیکی. یکی از ویژگی‌های کلیدی این پلتفرم و نوآوری کلیدی برای صنعت، Sketch Router است که به طراحان کنترل تعاملی کامل بر فرآیند باز کردن خودکار/کمکی را می‌دهد و همان نتایج با کیفیت باز کردن دستی را تولید می‌کند، اما در زمان بسیار کمتری.

ویرایشگر مدار چاپی OrCAD

OrCAD PCB Editor یک محیط تعاملی است که برای طراحی برد در هر سطح فنی، از ساده تا پیچیده، توسعه داده شده است. به دلیل مقیاس‌پذیری واقعی آن با راه‌حل‌های PCB Cadence Allegro PCB Designer، OrCAD PCB Editor از توسعه فنی تیم‌های طراحی پشتیبانی می‌کند و قادر است محدودیت‌ها (سرعت بالا، یکپارچگی سیگنال و غیره) را مدیریت کند، در حالی که رابط گرافیکی و فرمت فایل یکسانی را حفظ می‌کند.

فایل گربر

فرمت فایل استاندارد صنعتی Gerber برای انتقال اطلاعات طراحی برای تولید PCB استفاده می‌شود. از بسیاری جهات، Gerber شبیه PDFS در الکترونیک است؛ این فقط یک فرمت فایل کوچک است که با یک زبان کنترل ماشین ترکیبی نوشته شده است. این فایل‌ها توسط نرم‌افزار قطع‌کننده مدار تولید شده و به نرم‌افزار CAM برای سازنده PCB ارسال می‌شوند.

ادغام ایمن سیستم‌های الکترونیکی در خودروها و سایر سیستم‌های پیچیده، ملاحظات مهمی را هم برای سخت‌افزار و هم برای نرم‌افزار در بر می‌گیرد. مهندسان قصد دارند تعداد تکرارهای طراحی و زمان توسعه را به حداقل برسانند که این امر مزایای قابل توجهی برای طراحانی دارد که گردش کار را پیاده‌سازی می‌کنند.