9 Steps to design a PCB

by

9 ขั้นตอนในการออกแบบ PCB

บทความนี้จะกล่าวถึงขั้นตอนของ PCB Development ตั้งแต่เริ่มสร้างการออกแบบ Schematic ที่มีข้อกำหนดเฉพาะต่างๆ ไปจนถึงขั้นตอนสุดท้ายของการออกแบบ PCB Layout รวมถึงการจัดเตรียมเอกสารข้อมูลสำหรับกระบวนการผลิต PCB (PCB Fabrication) บทความนี้จะสรุปขั้นตอนการออกแบบตัวอย่าง และใช้โปรแกรมการออกแบบ PCB ด้วย Altium Designer เพื่อใช้ในการสร้างรูปภาพประกอบบทความ รูปด้านล่างแสดงตัวอย่าง 9 ขั้นตอนการออกแบบ PCB

จากรูป ทำให้เรามองเห็นภาพรวมของขั้นตอนการออกแบบ PCB แล้ว แต่ก่อนที่เราเริ่มต้นออกแบบ PCB ของเรา เราจำเป็นต้องมีข้อมูลหรือข้อกำหนดสำหรับการสร้างการออกแบบ PCB ดังนี้:

  • Block Diagram เป็นกรอบหรือแนวคิดในการออกแบบ PCB สำหรับอุปกรณ์ที่จะสร้างขึ้นใหม่
  • Finish Circuit Design วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ได้รับการออกแบบสำหรับอุปกรณ์ตัวใหม่ของเราที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว โดยอาจจะอยู่ในรูปแบบ Hand Drawing, PDF File, หรือรูปแบบอื่น ๆ เป็นต้น
  • Critical Electronic Component BOM (Bill of Materials) รายการอุปกรณ์ที่สำคัญที่จะใช้ในการออกแบบ PCB
  • Board Specification ข้อกำหนดต่าง ๆ ได้แก่ ข้อกำหนดด้านกระจาย Power, ข้อกำหนดด้านวงจรและการเลือกอุปกรณ์, ข้อกำหนดด้าน PCB (Design Rule), ข้อกำหนดด้าน Mechanical เป็นต้น
  • Reference Design เป็นข้อมูลอ้างอิงที่จำเป็น ได้แก่ ข้อมูลงานออกแบบที่ผ่านมา หรืออาจจะมี Design Guideline เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบ PCB
  • Datasheet สำหรับอุปกรณ์เฉพาะ หรืออาจจะเป็น Datasheet สำหรับอุปกรณ์ทั้งหมดที่อยู่ในวงจรได้เช่นกัน

ข้อมูลสำหรับการออกแบบ PCB ไม่จำเป็นต้นมีครบทุกข้อกำหนดก็ได้ แต่สิ่งที่ขาดไม่ได้ก็คือ Block Diagram, และ Finish Circuit Design ส่วนข้อมูลที่เหลือสามารถเพิ่มเติมได้ภายหลัง แต่หากได้ข้อมูลครบเราก็จะสามารถออกแบบได้รวดเร็วและประหยัดเวลาในการออกแบบได้มากเลยทีเดียว

 หากเราทราบข้อมูลหรือข้อกำหนดต่างๆ กันแล้ว ดังนั้นเรามาเริ่มขั้นตอนแรกกันเลย

1. Schematic Capture

ไม่ว่าเราจะเริ่มต้นการออกแบบจาก Template หรือสร้างใหม่ตั้งแต่เริ่มต้นจากโปรแกรมออกแบบ PCB แนวทางที่ดีที่สุดคือการเริ่มต้นจาก Blank Schematic โดยที่ Schematic คล้ายกับแบบแปลนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเรา และสิ่งสำคัญก็คือต้องมีความเข้าใจสิ่งที่แสดงอยู่ใน Schematic ของเรา มีดังนี้

  • อุปกรณ์ใดบ้างที่ใช้ในการออกแบบ PCB ของเรา
  • วิธีการเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่างๆ เข้าด้วยกัน
  • ความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มของอุปกรณ์ใน Schematic ต่างๆ

ก่อนที่จะเริ่มสร้าง Schematic Capture ให้เสร็จเรียบร้อย และควรจะมีองค์ประกอบเบื้องต้นได้แก่ การสร้าง Blog Diagram, ข้อกำหนดสำหรับการออกแบบวงจร และ PCB, การเลือกอุปกรณ์ที่สำคัญ การออกแบบและคำนวณวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น

เราจะเริ่มจากเลือกอุปกรณ์จาก Distributor หรือ คลังสินค้าของเรา ให้ถูกต้องและสอดคล้องตามข้อกำหนดทางการการออกแบบวงจร เพื่อนำมาสร้าง Schematic Capture จากนั้นตรวจสอบใน Schematic symbols libraries ว่ามีอุปกรณ์ที่ถูกสร้างไว้ก่อนหรือไม่ หากไม่มีก็ดำเนินการสร้างขึ้นมาใหม่ 

 เมื่อตรวจสอบ Schematic symbols ครบแล้ว จากนั้นเริ่มสร้าง Schematic Symbol สำหรับวางลงในการออกแบบ Schematic Capture จากนั้นเชื่อมต่ออุปกรณ์เข้าด้วยกัน สร้างความสัมพันธ์ระหว่างอุปกรณ์ตาม Finish Circuit Design

เมื่อสร้าง Schematic Capture, ทำการตรวจสอบความถูกต้องของ Schematic, ต่อไปจะเป็นขั้นตอนการสร้าง Netlist ให้กับ PCB Layout แต่สำหรับการออกแบบ PCB ใน Altium Designer สามารถอัพเดท Netlist ผ่านการใช้งาน Updating to PCB ได้ทันที โอยไม่ต้องสร้าง Netlist

ขั้นตอนสุดท้ายของ Schematic Capture ก็คือทำการสร้าง Final Bill of Material เพื่อเป็นข้อมูลการจัดซื้ออุปกรณ์สำหรับการผลิต PCB และเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการสร้างการออกแบบ PCB Layout

2. Creating a New PCB Layout

การสร้าง New PCB layout เป็นขั้นตอนการเตรียมความพร้อมสำหรับการจัดวางอุปกรณ์ลงบน PCB (Placement) และการลากเส้น (Routing) หากเราเริ่มต้นจากการสร้างจาก Templates ที่ได้เตรียมข้อมูลไว้แล้วจะทำให้เราสามารถสร้าง New  PCB Layout ได้ง่ายและรวดเร็วยิ่งขึ้น แต่ก่อนที่เราจะไปใช้งาน Templates เราควรเริ่มสร้างจาก Blank PCB Layout ให้เข้าใจก่อน โดยทำตามขั้นตอนต่อไปนี้:

  • เริ่มต้นจากการสร้าง Blank PCB Layout
  • กำหนด Design Rule ตามข้อกำหนดทางการออกแบบ PCB ที่ได้มาหรือข้อกำหนดพื้นฐานเกี่ยวกับการผลิต เช่น ระยะห่างระหว่างทองแดง, ความหนาของเส้น (Tracks), ระยะห่างระหว่างทองแดงกับขอบ PCB เป็นต้น หากเราไม่มีข้อมูลเหล่านี้เราก็สามารถหากำหนดได้จากข้อมูลความสามารถในการผลิต (PCB Capabilities) ของโรงงานที่เราจะนำไปผลิต
  • กำหนดขนาดของ PCB หากมีข้อกำหนดด้าน Mechanical แล้ว เราก็สามารถสร้างขนาด PCB ตามข้อกำหนดได้ แต่ถ้าว่าไม่มีกำหนดมาให้เลย เราก็ต้องกำหนดขนาด PCB คร่าวๆ ไปก่อน แล้วค่อยปรับขนาดให้เหมาะสมได้ภายหลัง หากมีการกำหนดตำแหน่งรูยึดบอร์ด (Mounting Holes) เราก็สามารถกำหนดได้ในขั้นตอนได้เลย พร้อมกับใส่ Dimension ต่าง ๆ เพื่อบอกขนาดและระยะของตำแหน่งอุปกรณ์ที่สำคัญ
  • กำหนด Stack up ของ PCB เพื่อกำหนดจำนวนชั้นที่ต้องการออกแบบ เช่น Single Layer, Double Layers, 4 Layers, 6 Layers เป็นต้น หากไม่มีในข้อหนดของ PCB ก็ต้องพิจารณาตามความเหมาะสมจากต้นทุนในการผลิต หากมีข้อกำหนดแล้วสามารถกำหนด Stack up ตามข้อกำหนดได้ทันที

สำหรับขั้นตอนการสร้าง  New PCB Layout เป็นการเตรียมพร้อมการออกแบบและสามารถสร้างไปพร้อมกับ Schematic Capture ได้เลย หรืออาจจะสร้างหลังจากสร้างหลังจาก Schematic Capture เสร็จเรียบร้อยแล้ว ขึ้นอยู่กับความสะดวกในการสร้างด้วยเช่นกัน

3. Footprint Selection

เมื่อผ่านขั้นตอนที่ 1 Schematic Capture เสร็จเรียบร้อยแล้วขั้นตอนถัดมาจะเป็นการเลือก Footprint สำหรับ Schematic Symbols เพื่อให้ส่งผ่านไปยัง Blank PCB ที่เราสร้างในขั้นตอนที่ 2 การเลือก Footprint นั้นจะทำอยู่ส่วนของ Schematic Capture หรืออาจจะเพิ่มเข้าไปใน Schematic Symbol ตั้งแต่เริ่มสร้าง Schematic Symbol ใหม่ ก็ได้เช่นกัน ในรูปเป็นการแสดงการเลือก Footprint ให้กับ Schematic Symbol จากหน้าต่าง Footprint Manager ในโปรแกรม Altium Designer

จากนั้นทำการตรวจสอบ Footprint ว่าได้เพิ่มให้กับ Schematic Symbol ถูกต้องและครบทุกตัวแล้ว ขั้นตอนนี้ถือว่าสำคัญมาก มีโอกาสใส่ Footprint ผิดพลาดได้ ควรตรวจสอบอย่างละเอียดก่อนทำการอัพเดทข้อมูลไปยัง Blank PCB (Updating the PCB) ที่ได้ทำการสร้างเตรียมพร้อมไว้แล้วจากขั้นตอนที่ 2

4. Transferring the design (Updating the PCB)

ก่อนทำการถ่ายโอนข้อมูล Schematic Capture ไปยัง Blank PCB เราควรตรวจสอบให้แน่ใจว่า Schematic symbol และ PCB Footprint Libraries ที่เกี่ยวข้องทั้งหมดพร้อมใช้งาน ก็ให้ทำการ Update PCB เพื่อถ่ายโอนข้อมูลจาก Schematic ไปยัง PCB เป้าหมาย

5. Footprint Placement

เมื่อทำการถ่ายโอนข้อมูล Schematic Capture ไปยัง Blank PCB ถัดมาจะเป็นขั้นตอนการจัดวางอุปกรณ์เข้ามาใน PCB ที่เราได้กำหนดไว้ ในการจัดวางนั้นมีรายละเอียดปลีกย่อย ไม่เพียงแค่จับอุปกรณ์จัดวางลงใน PCB อย่างเดียวเท่านั้น เราจะต้องพิจารณาถึงการออกแบบทางด้านวงจรด้วยว่าอุปกรณ์ตัวใดควรวางที่จุดใดบนบอร์ด เราควรทำอย่างไรบ้าง เรามาทำความเข้าใจขั้นตอนการวางอุปกรณ์เบื้องต้นกันเลย

  • โดยปกติแล้วการวางอุปกรณ์นั้นมักจะเริ่มจากการวางตำแหน่ง Connector ก่อน เนื่องจากบางครั้งอาจจะมีข้อกำหนดด้าน Mechanical ทำให้สะดวกต่อการจัดวาง แต่หากไม่มีข้อกำหนดเราก็สามารถพิจารณาจากการใช้งานเป็นหลัก
  • จัดกลุ่มของอุปกรณ์ของแต่ละกลุ่มวงจร โดยที่ไม่ต้องจัดเรียงให้สวยงาม เนื่องจากหลังจากการ Update PCB อุปกรณ์จะถูก Import เข้ามาใน Blank PCB กระจัดกระจายมาก
  • จากนั้นเริ่มจัดวางอุปกรณ์ให้สอดคล้องกับกลุ่มวงจรนั้น ๆ และดูได้จากตัวอย่างการจัดวางจาก Datasheet ที่สามารถหาได้ เมื่อทำการจัดวางอุปกรณ์ลงบน PCB ควรพิจารณาการลากเส้นทางเดินของสัญญาณต่างๆ เช่น Power, Ground, Signal, Highspeed และสัญญาณที่สำคัญด้วย
  • การจัดวางควรพิจารณาข้อกำหนดด้าน Mechanical ด้วย (ถ้ามี) บางครั้งเราอาจจะมีอุปกรณ์ตัวสูง ไปวางด้าน Bottom ของ PCB อาจจะมีความสูงมากเกินไป ทำให้ไม่สามารถประกอบลงกล่องได้ เป็นต้น

สำหรับการจัดวางอุปกรณ์หรือเรียกว่า Placement นั้นไม่เพียงแค่จัดวางเพื่อให้สามารถลงบน PCB แล้วลากเส้นได้ แต่จำเป็นต้องคำนึกถึงอุปกรณ์และข้อกำหนด เช่น ข้อกำหนดด้าน Mechanical, ความสมบูรณ์ของสัญญาณ (Signal Integrity), การป้องกันสัญญาณรบกวน EMC/EMI,  ด้านความปลอดภัย เป็นต้น ในเบื้องต้นเราสามารถเริ่มต้นออกแบบตามขั้นตอนที่อธิบายนั้นก็ช่วยให้เราสามารถสร้าง PCB ที่ยอดเยี่ยมได้เช่นกัน เมื่อเราทำการจัดวางอุปกรณ์เรียบร้อยแล้ว

6. Designing the PCB Routing

การออกแบบลายวงจรหรือ PCB Routing เป็นอีกขั้นตอนที่สำคัญ จากที่เราได้จัดวางอุปกรณ์เพื่อแนวทางในลากเส้นสัญญาณให้สามารถเชื่อมโยงกับอุปกรณ์ต่าง ๆ ได้ ในขณะทำการลากเส้นเราสามารถจัดวางอุปกรณ์ควบคู่ไปด้วยเพื่อให้สามารถลากเส้นสัญญาณได้ แต่ก็ยังคงโครงสร้างการจัดวางเดิมไว้ด้วย ในการลากเส้นสัญญาณบน PCB Layout เราควรจัดลำดับความสำคัญของสัญญาณที่เราจะทำการเริ่มต้นลากเส้น (Routing) มีดังนี้:

  1. ลากเส้นสัญญาณ  Power (+1.8V, +3.3V, +5V, and etc.), Ground (GND, AGND), Chassis Ground (FG – Fram Ground), Earth), High Voltage Signal 
  2. ลากเส้นสัญญาณที่มีการแบ่งโซน (Isolate) GND – AGND
  3. ลากเส้นสัญญาณ Clock และสัญญาณ Reset
  4. ลากเส้นสัญญาณความเร็วสูง (High speed signal) ได้แก่สัญญาณ Differential Pair, Ethernet, USB, DDR2, DDR3, DDR4 เป็นต้น
  5. ลากเส้นสัญญาณที่ต้องลากออกมาจาก BGA, QFN, QFP
  6. ลากเส้นสัญญาณทั่วไป ได้แก่ IO Signal ต่าง ๆ

7. Designing the power plane, split plan, and polygon

สำหรับขั้นตอนนี้ปกติแล้วจะเหมาะกับการออกแบบ PCB แบบ Multi Layers เพราะว่า PCB Multi Layers มี Power Plane/Split Plane แยกอีกชั้น เราต้องมีการปรับปรุงแก้ไขอีกครั้ง แต่ในขณะที่เราได้ลากเส้นสัญญาณและเคลื่อนย้ายอุปกรณ์ใหม่ อาจจะไม่ได้อยู่บนอาณาเขตของ Power plane/Split Plane เราจำเป็นต้องมาตรวจสอบและแก้ไขให้สอดคล้องกันด้วย ในส่วนของ Polygon โดยปกติแล้วมักจะใช้กับสัญญาณ Ground เพื่อช่วยลดค่า Impedance ของ Ground แต่บางครั้งอาจจะนำมาใช้กับสัญญาณ Power อื่นๆ ได้เช่นกัน

สำหรับขั้นตอนนี้บางนักออกแบบ PCB อาจจะรวมอยู่ในขั้นตอน PCB Routing  เราแนะนำควรแยกขั้นตอนนี้ออกมาโดยเฉพาะ เพื่อให้เรามุ่งเน้นไปที่การลากเส้น (Routing) เป็นหลัก หลังจากนั้นจึงทำการสร้าง Power plane/Split Plane และ Polygon ได้ภายหลังนั่นเอง

8. Verifying Your Board Design

การตรวจสอบการออกแบบ PCB เราอาจจะแบ่งการตรวจสอบออกแบบอย่างน้อย 3 ส่วนได้แก่:

  • ส่วนแรกเป็นการตรวจสอบ Virtual Check  ก่อน เมื่อเรา Routing และ สร้าง Polygon เสร็จ อาจจะมีบางเส้นเรายังลากได้ไม่มีประสิทธิภาพ เราก็สามารถตรวจสอบและปรับปรุงแก้ไขเส้นให้เรียบร้อย
  • ส่วนที่ 2 เป็นการตรวจสอบด้วยข้อกำหนดต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง
  • ส่วนที่ 3 เป็นการตรวจสอบด้วยโปรแกรม DRC ที่เราได้สร้างกฎการออกแบบ PCB (Design Rule Check) ไว้แล้ว

ข้อสำคัญในการออกแบบ PCB เราต้องเปิดกฎการออกแบบไว้ตลอด หรือเรียกว่าเปิด Online DRC เพื่อให้โปรแกรมตรวจสอบความผิดพลาดไปพร้อมกับการออกแบบ จะช่วยลดความผิดพลาดและไม่ต้องเสียเวลาในการแก้ไขข้อผิดพลาดที่มากมายหลังจากการตรวจด้วย DRC

9. Output Document for Manufacturing

เมื่อเราได้ออกแบบ Schematic Capture และออกแบบ PCB Layout และตรวจสอบความถูกต้องเสร็จเรียบร้อยแล้ว ต่อไปเราจะต้องจัดทำเอกสารเกี่ยวกับการผลิต PCB(PCB Fabrication) และเอกสารสำหรับการประกอบอุปกรณ์ลงบน PCB (PCB Assembly) เอกสารทั้งสองส่วนมีไว้สำหรับโรงงานผลิตและประกอบ PCB  และเนื่องจากมีเทคโนโลยีและวิธีการที่หลากหลายในการผลิต PCB เราสามารถสร้างเอกสารให้สอดคล้องกับกระบวนการผลิตต่างๆ ได้ดังนี้

Report Outputs

  • Bill of Materials – สร้างรายการวัตถุดิบของอุปกรณ์ที่อยู่บน PCB และแสดงจำนวนของอุปกรณ์ในรูปแบบที่จำเป็นสำหรับการผลิต PCB 
  • Simple BOM – สร้างไฟล์ text และ CSV (comma separated variables) ของ BOM

Netlist Outputs 

  • Netlist เป็นการบอกถึงการเชื่อมทางลอจิกระหว่างส่วนประกอบต่าง ๆ ในการออกแบบและมีประโยชน์สำหรับการส่งผ่านข้อมูลการเชื่อมโยงไปยังโปรแกรมออกแบบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ

Documentation Outputs

  • Schematic Prints – Schematic drawings ที่ใช้ในการออกแบบ รูปแบบไฟล์ PDF
  • PCB 3D Prints – รูปภาดแสดงรูปร่างของ PCB ในแบบ 3 มิติ
  • PDF3D – รูปร่างของ PCB ในแบบ 3 มิติที่อยู่ในรูปแบบไฟล์ PDF

Assembly Outputs

  • Pick and Place Files – ข้อมูลตำแหน่ง (x, y) ของอุปกรณ์ที่อยู่บน PCB ให้กับเครื่องประกอบ PCB อัตโนมัติเพื่อวางอุปกรณ์ลงบน PCBได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ
  • Assembly Drawings – ตำแหน่งส่วนประกอบและทิศทางสำหรับแต่ละด้านของของอุปกรณ์ลงบน PCB

Fabrication Outputs

  • Final Artwork Prints – รวบรวม Artwork ของแต่ละ Layer ของ PCB แสดงในไฟล์ output เดียว
  • Drill Drawing/Guides – ตำแหน่งและขนาดรูเจาะ (โดยใช้สัญลักษณ์) สำหรับ PCB โดยแยกไฟล์ออกต่างหาก บางครั้งอาจจะรวมอยู่ใน Final Artwork 
  • Gerber Files – สร้างไฟล์ข้อมูลสำหรับการผลิต PCBอยู่ในรูปแบบไฟล์ Gerber
  • NC Drill Files – สร้างไฟล์ข้อมูลสำหรับการผลิตให้กับเครื่อง Numerically Controlled Drilling (NC Drill)
  • Paste Mask Prints – สร้างเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงตำแหน่งสำหรับ solder paste mask drawings 

รูปแบบ Output Documents ที่ใช้สำหรับการผลิต PCB ด้านบน เป็นเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น ยังมีรูปแบบเอกสารอีกขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการผลิต PCB 

Conclusion

ขั้นตอนในการออกแบบ PCB ทั้ง 9 ขั้นตอนเป็นเพียงส่วนหนึ่งของกระบวนการออกแบบ PCB การพัฒนาด้านการออกแบบ PCB อาจจะมีขั้นตอนน้อยกว่าหรือมากกว่านี้ก็ได้ เช่น แต่สำหรับ 9 ขั้นนี้สามารถทำให้เรามองเห็นภาพของการพัฒนาการออกแบบ PCB ตั้งแต่เริ่มต้นสร้าง Schematic ทำการออกแบบ PCB และทำให้รู้จักข้อมูลเอาไว้ใช้สำหรับผลิต PCB เพื่อนำออกมาทดสอบและใช้งานจริงได้

หากมีข้อสงสัยกับขั้นตอนใด หรือต้องการให้เราเพิ่มเติมข้อมูลส่วนใด สามารถส่งข้อความผ่านทาง Inbox หรือแสดงความคิดเห็นผ่าน Comment ใต้โพสต์ทาง Facebook ของเราได้ทัน ทางเราจะส่งผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบ  PCB มาให้คำตอบทันที