เรามาเรียนรู้แนวทางที่จะหลีกเลี่ยง 5 ปัญหาหรือข้อผิดพลาดกับการออกแบบ PCB ที่มักจะเกิดขึ้นระหว่างการออกแบบผลิตภัณฑ์ฮาร์ดแวร์บ่อยที่สุด
Photo by Vishnu Mohanan on Unsplash
เมื่อเราพูดถึงการออกแบบผลิตภัณฑ์ฮาร์ดแวร์ มักจะมีข้อผิดพลาดเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่จะพบเห็นซ้ำแล้วซ้ำเล่าอยู่เป็นประจำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อผิดพลาดเกี่ยวกับการออกแบบ PCB จากการเชื่อมต่อ (Net, Connection) และจุดยึดหรือจุดบัตกรีชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดเข้าไว้ด้วยกันบนบอร์ด เรามาตรวจสอบการออกแบบดูกันหน่อยว่า 5 ข้อผิดพลาดเกิดขึ้นกับ PCB ที่พบบ่อยที่สุด มีอะไรบ้าง
1 – Footprint หรือ Land Pattern ไม่ถูกต้อง
เราจะมาเริ่มต้นกันที่ข้อผิดพลาดที่มักจะเกิดขึ้นจากสิ่งที่เราสร้างขึ้นมาเอง ซอฟต์แวร์สำหรับการออกแบบ PCB ทั้งหมด จะมีไลบรารีของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานทั่วไป โดยไลบรารีเหล่านี้จะมีทั้ง Schematic Symbol และ PCB footprint เป็นแนวทางที่ดีที่จะช่วยลดข้อผิดพลาดตราบใดที่เรายังคงใช้อุปกรณ์ในไลบรารีเหล่านี้
แต่ปัญหาจะเริ่มเกิดขึ้นเมื่อเราไม่ได้ใช้อุปกรณ์ที่อยู่ในไลบลารีที่ให้มาจากซอฟแวร์ ซึ่งหมายความว่าเราต้องวาดหรือสร้าง Schematic symbol และ PCB footprint ด้วยตนเอง ความผิดพลาดจะเกิดขึ้นได้ง่ายมากเราวาดหรือสร้าง PCB Footprint ยกตัวอย่างเช่น หากเราสร้างระยะห่างระหว่าง (Pin Pitch) ขาผิดเพียงแค่เล็กน้อย ก็จะไม่สามารถบัดกรีชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ลงในตำแหน่งนั้นบนบอร์ดได้ แนวทางแก้ไขข้อผิดพลาดนี้ ก็จะต้องมาบัดกรีเชื่อมต่อสายไฟเองดังรูป Figure 2
แนวทางในการแก้ปัญหาเบื้องต้น เราจำเป็นต้องมีความเข้าใจในการอ่านแบบ (Mechaical Drawing) ของ Package ใน datasheet และเพิ่มการตรวจสอบ Checklist ด้วย
Photo by @GregDavill on Twitter
2 – รูปแบบ Wireless antenna ไม่ถูกต้อง
หากผลิตภัณฑ์ฮาร์ดแวร์ที่มีฟังก์ชัน wireless ในส่วนของรูปแบบ PCB ของสายอากาศ (antenna) นั้นมีความสำคัญมาก น่าเสียดายที่มักจะเกิดข้อผิดพลาดนี้ ดังนั้นควรสังเกตและพิจารณาในเป็นกรณีพิเศษ
สำหรับการถ่ายโอนพลังงานสูงสุดระหว่าง ตัวรับส่งสัญญาณ (transceiver) และสายอากาศจะต้องมีการจับคู่อิมพีแดนซ์ให้มีค่าเท่ากัน (Impedance Matching)
อันดับแรกทางเดิน (Track) ของสัญญาณแบบไมโครสตริป (Microstrip) ที่เหมาะสมเชื่อมต่อกับสายอากาศ และตัวรับส่งสัญญาณ
ไมโครสตริปเป็นสายส่งสัญญาณที่สร้างขึ้นบน PCB สำหรับนำพาคลื่นวิทยุความถี่สูง เป็นตัวนำที่แยกออกจาก ground plane ด้วยชั้นไดอิเล็กทริก
ในกรณีนี้ส่วนใหญ่ไมโครสตริปจำเป็นต้องออกแบบให้มีอิมพีแดนซ์ 50 โอห์ม เพื่อถ่ายโอนพลังงานสูงสุดกับสายอากาศ สิ่งนี้ทำได้โดยการตั้งค่าความกว้างของไมโครสตริปตามข้อกำหนดสำหรับ PCB เราขอแนะให้กำหนดความกว้างนี้โดยใช้เครื่องมือการคำนวณ เช่น AppCAD Design Assistant หรือ Saturn PCB Design Toolkit
นอกจากการใช้สายส่งแบบไมโครสตริป 50 โอห์มแล้ว เราจำเป็นต้องมีการเพิ่มวงจร LC matching เช่น Pi-network ทำให้สามารถปรับแต่งอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศได้อย่างละเอียดเพื่อจับคู่และถ่ายโอนพลังสูงสุงได้เหมาะสมที่สุด
ยังมีข้อผิดพลาดทั่วไปอื่น ๆ อีกมากมายสำหรับการออกแบบรูปแบบ wireless antenna เช่น รูปแบบสายอากาศที่เป็นแบบ PCB รวมถึงระยะระหว่างเสาอากาศกับอุปกรณ์ที่มีโลหะอาจจะทำให้ขัดขวางคลื่นวิทยุความถี่สูงได้
Photo by Sahadev Roy on ResearchGate
3 – ตำแหน่งการวางตัวเก็บประจุ Decoupling ไม่ถูกต้อง
อุปกรณ์ที่สำคัญจำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เรียบหรือสะอาดและคงที่ ตัวเก็บประจุ Decoupling จึงวางอยู่บนทางเดินของแหล่งจ่ายไฟเพื่อช่วยแหล่งจ่ายไฟ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ตัวเก็บประจุ Decoupling ทำงานหรือทำหน้าที่ได้ดีที่สุด จะต้องวางอยู่ใกล้ขาที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าคงที่มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สายไฟหรือทางเดินที่มาจากแหล่งจ่ายไฟจำเป็นต้องเดินสายหรือลากไปยังตัวเก็บประจุ Decoupling เสียก่อนแล้วค่อยลากไปยังขาที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าคงที่
นอกจากนี้แล้ว สิ่งสำคัญก็คือต้องวางตัวเก็บประจุ Output สำหรับ Power supply regulator ให้ใกล้กับขาเอาต์พุตมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เช่นกัน
Photo by The Sierra Circuit Team on SiERRA CIRCUIT
4 – ความกว้างของ Power trace ไม่เพียงต่อกระแสไฟฟ้าที่ใช้งาน
หากทางเดิน PCB มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านที่มากกว่า 500 mA ความกว้างขั้นต่ำที่สามารถลากทางเดิน PCB ได้ สำหรับกระแสดังกล่าวอาจจะไม่เพียงพอ ความกว้างของทางเดิน PCB ที่ต้องการนั้นจะขึ้นกับหลายปัจจัย รวมถึงทางเดินนั้นอาจจะอยู่ชั้นในหรือภายนอกของ PCB และความหนาของทางเดิน PCB ด้วย (น้ำหนักของทองแดง)
สำหรับความหนาที่เท่ากัน ชั้นทองแดงภายนอกสามารถรองรับกระแสได้มากกว่าชั้นทองแดงที่อยู่ภายใน เนื่องจากชั้นภายนอกมีการไหลเวียนของอากาศที่ดีกว่า ทำให้กระจ่ายความร้อยได้ดีกว่าด้วย
ความหนาของลายทองแดงหรือชั้นทองแดงที่ใช้สำหรับแต่ละชั้นนั้น ผู้ผลิต PCB ส่วนใหญ่มีให้เราสามารถเลือกน้ำหนักของทองแดงได้ตั้งแต่ 0.5 ออนซ์/ตร.ฟุต ไปจนถึง 2.5 ออนซ์/ตร.ฟุต เราสามารถแปลงหน่วยน้ำหนักทองแดงไปเป็นหน่วยการวัดความหนาให้เป็นหน่วยมิลลิเมตรหรือหน่วยมิลได้
ถึงแม้ว่าการแปลงหน่วยนั้นค่อนข้างง่าย แต่โดยปกติแล้วเราควรใช้เครื่องมือคำนวณช่วยจะดีที่สุด
Photo by Ross on StackExchange
5 – Blind/buried vias ไม่สามารถผลิตได้
Through via ทั่วไปจะเจาะทะลุผ่านทุกชั้นของ PCB ซึ่งหมายความว่าคุณจะต้องการเชื่อมต่อกับทางเดินจากชั้นที่ 1 ไปชั้นที่ 2 เท่านั้น แต่ชั้นอื่น ๆ ทั้งหมดก็จะมี Via นี้ด้วยเช่นกัน ความสามารถนี้ทำให้ขนาดของ PCB เพิ่มขึ้นได้ ซึ่ง Via นั้นสามารถช่วยลดการกำนหดเส้นทางเดินบนชั้นนั้น
Blind via จะเชื่อมต่อชั้นทองแดงภายนอกไปยังชั้นทองแดงภายใน ในขณะที่ Buried via จะเชื่อมต่อระหว่างชั้นทองแดงภายในด้วยกันเท่านั้น แต่ชั้นอื่น ๆ ทั้งหมดก็จะมีพื้นที่สำหรับใช้เป็นทางเดินได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับชั้นที่สามารถใช้เชื่อมต่อ
มันง่ายเกินไปที่จะ blind/buried vias ที่ไม่สามารถผลิตได้ เราเคยออกแบบ PCB ที่มีบอร์ดที่มี blind/buried vias ซึ่งส่วนใหญ่ไม่สามารถผลิตได้ และต้องทำการแก้ไขการออกแบบ PCB ใหม่เกือบทั้งบอร์ด
เพื่อให้เข้าใจถึงข้อจำกัดของ Blind/buried vias เราจำเป็นต้องเข้าใจวิธีการซ้อนเลเยอร์ (Layer stack) เพื่อสร้างบอร์ดด้วย สามารถไปเข้าไปศีกษาเพิ่มเติมในบทความ PCB Design: Making Your PCB as Small as Possible นี้ได้เลย
รูปด้านล่างแสดงชนิดของ Via Hole ที่อยู่ภายใน PCB แบบ Multilayer
Photo by PcbBoardAssembly
Conclusion
จาก 5 ปัญหาที่มักจะเกิดขึ้นกับการออกแบบ PCB นั้นทางเรามักจะพบเจอข้อผิดพลาดเหล่านี้อยู่บ่อย ๆ ด้วยระยะเวลาในการออกแบบที่จำกัด รวมถึงความละเอียดในการออกแบบ ความหนาแน่นของอุปกรณ์บนบอร์ด ทางเราจะพยายามลดข้อผิดพลาเหล่านี้ให้หมดไปก่อนที่จะมีการผลิต PCB หากปล่อยข้อผิดพลาดเหล่านี้ออกไป กระบวนออกแบบก็จะต้องเริ่มต้นใหม่ ทำให้เสียเวลาและค่าใช้จ่ายทั้งหมดด้วย
ข้อผิดพลาดดังกล่าว จะเกิดขึ้นได้กับ PCB ที่มีชั้นเดียว (Single layer) สองชั้น (Double layers) และหลายชั้น (Multi layers) ได้เช่นกัน
สำหรับบทความนี้ได้แปลมาจากเว็บไซต์ต่างประเทศ และได้เพิ่มเนื้อหาจากผู้เขียนเข้าไปด้วย อาจจะทำให้อ่านแล้วรู้สึกงงหรือไม่เข้าใจได้ บางคำศัพท์ภาษาอังกฤษก็ใช้ทับศัพท์บ้าง หรือแปลไม่ตรง ต้องขออภัยไว้ ณ ที่นี้ด้วยนะครับ
ผู้อ่านท่านใดมีความคิดเห็น, คำแนะนำ, ข้อเสนอแนะและคำถามสามารถสอบถามเพิ่มเติมทางอีเมล์ ndrs@ndrsolution.com ได้เลยครับ ทาง NDRS เราจะมีผู้เชี่ยวชาญมาคอยแบ่งบันความรู้เรื่อย ๆ และหากกำลังท่านกำลังมองหาผู้เชี่ยวชาญเพื่อมาช่วยแก้ปัญหาให้กับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถติดต่อผ่านเราได้ทุกช่องทาง ไม่ว่าจะเป็นอีเมล์ หรือ facebook ได้เลยครับ
Reference
https://predictabledesigns.com/pcb-design-top-5-mistakes-on-printed-circuit-boards-layout/
https://www.researchgate.net/figure/Microstrip-transmission-line_fig2_270154325
https://electronics.stackexchange.com/questions/409474/pcb-trace-width-cant-meet-the-rated-current