Piirilevy on yksi sähköisen laitteen tärkeimmistä osista ja se löytyykin lähes kaikista sähköisistä laitteista. Piirilevysuunnittelu on yhteistyötä elektroniikkasuunnittelun ja usein myös mekaniikkasuunnittelun kanssa. Piirilevyn valmistusteknologiat on hyvä tietää ja kannattaa jo hyvissä ajoin projektin alussa olla yhteyksissä valmistajiin, jotta levystä saadaan toimiva ja kustannustehokas kokonaisuus.

Piirilevyn suunnittelua aloitettaessa ensimmäisiä määriteltäviä asioita on piirilevyn muoto ja koko. Levyn muoto ja koko määräytyy laitteesta mihin piirilevy asennetaan, esimerkiksi matkapuhelin, universaali laitekotelo tai vaikkapa tietokoneen PCI-väylään liitettävä kortti. Usein piirilevyn ääriviivat ja kiinnitysreikien paikat saadaan mekaniikkasuunnittelijalta. Mekaniikkasuunnittelija tekee levyn ääriviivoista esimerkiksi IDF-käännöksen, joka voidaan importoida piirilevyn suunnitteluohjelmaan. Levyn ääriviivat voidaan myös piirtää suoraan suunnitteluohjelmassa.

Alla olevassa kuvassa mekaniikkasuunnittelijalta saatu IDF-tiedosto, joka on importoitu suunnitteluohjelmistoon.

Tässä vaiheessa myös piirilevyn sähköiset vaatimukset alkavat olla tiedossa. Tällöin pitää alkaa miettimään piirilevyn kerrosrakennetta ja mitä signaaleita millekin kerrokselle laitetaan. Kerrosrakenteella (materiaalit, kerrosten määrä ja läpivientitekniikka) on erittäin suuri vaikutus piirilevyn hintaan. Kerrosrakenne pyritään määrittelemään niin, että piirilevyn valmistuskustannukset jäisivät alhaisiksi kuitenkaan unohtamatta tärkeintä eli piirilevyn toiminnallisuutta. Kun kerrosrakenne on päätetty kannattaa piirilevyvalmistajalta kysyä mielipide kerrosrakenteesta. Valmistajilla on hyvä tietämys materiaalien saatavuudesta ja hinnoista.

Virrankesto

Suurivirtaisissa piirilevyissä kannattaa käyttää paksumpaa kuparointia kerroksilla, jotta riittävä virrankesto saavutetaan vähemmän pinta-alaa vievillä johtimilla. Johtimen virrankestoon on olemassa erilaisia nettilaskureita. Laskureita voi etsiä hakusanalla ”PCB trace with calculator”

Impedanssisovitetut siirtolinjat

Impedanssisovitusta tarvitaan, kun johtimessa kulkevan signaalin halutaan pysyvän vääristymättömänä ilman tehohäviöitä. Impedanssisovitukseen voidaan vaikuttaa muuttamalla johtavien kerrosten välistä eristeväliä muuttamalla johdinleveyttä ja johtimen eristeväliä toisiin signaaleihin.

Kuvassa differentiaaliparin suunnittelusääntöjen määritys.

Komponentit

Piirilevyllä käytettävät komponentit vaikuttavat vahvasti tarvittavien kerrosten määrään. Jos laitteessa on esimerkiksi 700 pinninen FBGA ja pari DDR3 muistia tarvittavien kerrosten määrä on minimissään 8 kerrosta.

Suunnittelusääntöjen määrittäminen

Myös suunnittelusäännöt vaikuttavat ratkaisevasti piirilevyn hintaan. Suunnittelusääntöjä ei pidä asettaa turhaan liian tiukoiksi (pienet eristevälit ohuet johtimet). Suunnittelusäännöissä määritellään johtimien paksuus, eristevälit, komponenttien etäisyys toisistaan, läpivientien kaulukset jne. Signaaleille voidaan myös antaa luokkia mihin ne kuuluvat, esimerkiksi korkeajännitteiset kannattaa ryhmitellä omiin luokkiinsa jo kytkentäkaaviossa. Tällöin on helpompi piirilevysuunnittelussa erottaa korkeajännitteiset muista signaaleista ja määritellä näille riittävät eristevälit.  Signaaliluokille voidaan antaa myös pituusmäärittelyt, esimerkiksi DDR3 muistin datalinjojen johtimien pituus täytyy olla keskenään tietyn pituusrajan sisällä.

Alla olevassa kuvassa suunnittelusääntöjen määrityksiä.

Kun suunnitellaan uutta piirilevyä, tarvitaan uusia komponentteja suunnitteluohjelmiston kirjastoon. Usein piirilevysuunnittelija tekee tarvittavat kirjastokomponentit. Toisaalta varsinkin isommissa yrityksissä on työntekijöitä, jotka tekevät pelkästään kirjastokomponentteja. Kirjastoon luodaan komponentti, joka pitää sisällään kytkentäkaaviosymbolin ja piirilevysymbolin. Komponenttien spekseistä löytyy yleensä standardin mukaiset symbolien mitoitusohjeet. Osalle komponenteista löytyy valmiit symbolit valmistajalta.

Kytkentäkaavio

Elektroniikkasuunnittelija piirtää kytkentäkaavion, jossa on laitteen vaatimat komponentit ja kytkennät komponenttien välillä.

Kuva kytkentäkaaviosta.

 

Kun kytkentäkaavio on saatu importoitua piirilevyn suunnitteluohjelmaan, voidaan aloittaa osasijoittelu. Osasijoittelu tehdään kytkentäkaaviota seuraamalla. Monille komponenteille löytyy komponenttivalmistajan malliesimerkki osasijoittelusta ja johdotuksesta, joita kannattaa hyödyntää ja tarkastella, jotta kytkentä piirilevyllä toimisi parhaalla mahdollisella tavalla.

Osasijoittelun jälkeen voidaan aloittaa kytkentöjen johdotus. Johdotus on yleensä suunnittelun aikaa vievin osuus. Johdotus on helpompaa, jos suunnittelusäännöt ja eri kerrosten käyttö on mietitty ja asetettu huolella.

Kuvassa johtimia sisäkerroksella.

Kun piirilevyn kaikki kytkennät on saatu johdotettua layoutissa ja mikään ei riko suunnittelusääntöjä on hyvä pitää katselmointi. Katselmoinnissa on yleensä mukana mekaniikkasuunnittelija ja elektroniikkasuunnittelijat. Katselmoinnissa huomatut virheet ja parannusehdotukset korjataan.

Vaikka levy olisi suunniteltu ja katselmoitu huolella silti valmistusdokumentteihin voi jäädä jotain epäselvyyksiä tai virheitä. Usein valmistaja lähettää kysymyksiä ja parannusehdotuksia liittyen valmistusdokumentteihin. Nämä huomatut puutteet tai virheet on hyvä korjata heti seuraavaan versioon siltä varalta, jos joudutaan tilaamaan uusi piirilevy.

Tämä artikkeli käsittelee piirilevyn suunnitteluprosessia pintapuolisesti. Mitenkään syvällisesti tässä ei perehdytä suunnittelun eri osa-alueisiin.

Jos tarvitset apuja HW- tai layout- suunnittelussa. Ole vapaasti yhteyksissä meihin: www.conseptas.com