ตามแผนภาพวงจรที่พัฒนาขึ้น การจำลองสามารถทำได้และสามารถออกแบบ PCB ได้โดยการส่งออกไฟล์ Gerber/drill ไม่ว่าการออกแบบจะเป็นอย่างไร วิศวกรจำเป็นต้องเข้าใจอย่างชัดเจนว่าควรวางวงจร (และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์) อย่างไร และทำงานอย่างไร สำหรับวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ การค้นหาเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบ PCB อาจเป็นงานที่น่ากังวล เครื่องมือซอฟต์แวร์ที่ทำงานได้ดีสำหรับโครงการ PCB หนึ่งอาจทำงานได้ไม่ดีสำหรับโครงการอื่น วิศวกรต้องการเครื่องมือออกแบบบอร์ดที่ใช้งานง่าย มีคุณสมบัติที่มีประโยชน์ มีเสถียรภาพเพียงพอที่จะจำกัดความเสี่ยง และมีไลบรารี่ที่แข็งแกร่งซึ่งทำให้เหมาะสำหรับหลายโครงการ

ปัญหาฮาร์ดแวร์

สำหรับโครงการ IOT การบูรณาการเป็นสิ่งสำคัญสำหรับประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ และการบูรณาการวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้าใน PCBS กำหนดให้นักออกแบบ IOT ต้องศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแง่มุมทางไฟฟ้าและเครื่องกลต่างๆ ของการออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เนื่องจากขนาดส่วนประกอบยังคงหดตัว การทำความร้อนด้วยไฟฟ้าบน PCBS จึงมีความสำคัญมากขึ้น ในขณะเดียวกัน ความต้องการด้านการทำงานก็มีเพิ่มมากขึ้น เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพตามประสิทธิภาพของการออกแบบ การตอบสนองต่ออุณหภูมิ พฤติกรรมของส่วนประกอบไฟฟ้าบนบอร์ด และการจัดการระบายความร้อนโดยรวม มีความสำคัญต่อการทำงานและความน่าเชื่อถือของระบบ

ต้องแยก PCB ออกเพื่อให้แน่ใจว่ามีการป้องกัน ป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรด้วยการป้องกันรอยทองแดงที่อยู่บนบอร์ดเพื่อสร้างระบบอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อเปรียบเทียบกับทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำ เช่น กระดาษกาวเรซินสังเคราะห์ (SRBP, FR-1, FR-2) FR-4 เหมาะกว่าเป็นวัสดุพื้นผิวเนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพ/ทางกล โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสามารถในการเก็บข้อมูลในระดับสูง ความถี่ ความต้านทานความร้อนสูง และการดูดซึมน้ำน้อยกว่าวัสดุอื่นๆ FR-4 ใช้กันอย่างแพร่หลายในอาคารระดับไฮเอนด์ตลอดจนอุปกรณ์อุตสาหกรรมและการทหาร เข้ากันได้กับฉนวนสูงพิเศษ (สุญญากาศสูงพิเศษหรือ UHV)

อย่างไรก็ตาม FR-4 ในฐานะซับสเตรต PCB ต้องเผชิญกับข้อจำกัดหลายประการ ซึ่งมีสาเหตุมาจากการบำบัดทางเคมีที่ใช้ในการผลิต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วัสดุมีแนวโน้มที่จะเกิดสิ่งเจือปน (ฟองอากาศ) และริ้ว (ฟองตามยาว) รวมถึงการเปลี่ยนรูปของใยแก้ว ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจทำให้เกิดความเป็นฉนวนที่ไม่สอดคล้องกัน และทำให้ประสิทธิภาพการเดินสาย PCB ลดลง วัสดุแก้วอีพ็อกซี่ใหม่ช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ได้

วัสดุที่ใช้กันทั่วไปอื่นๆ ได้แก่ โพลีอิไมด์/ใยแก้ว (ซึ่งรองรับอุณหภูมิที่สูงขึ้นและแข็งกว่า) และ KAPTON (ยืดหยุ่น น้ำหนักเบา เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น จอแสดงผลและคีย์บอร์ด) ปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือกวัสดุอิเล็กทริก (พื้นผิว) ได้แก่ สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) การนำความร้อน และความแข็งแกร่งเชิงกล

PCBS ทางการทหาร/การบินและอวกาศจำเป็นต้องพิจารณาการออกแบบพิเศษตามข้อกำหนดโครงร่างและความครอบคลุมการออกแบบเพื่อการทดสอบ (DFT) 100% มาตรฐาน MIL-STD-883 กำหนดวิธีการและขั้นตอนในการทดสอบอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่เหมาะสมสำหรับระบบทางทหารและการบินและอวกาศ รวมถึงการทดสอบทางกลและไฟฟ้า ขั้นตอนการผลิตและการฝึกอบรม และการควบคุมอื่นๆ เพื่อให้มั่นใจถึงระดับคุณภาพและความน่าเชื่อถือที่สม่ำเสมอทั่วทั้งระบบ แอพพลิเคชั่นต่าง ๆ ของอุปกรณ์ดังกล่าว

นอกจากจะต้องเป็นไปตามมาตรฐานต่างๆ แล้ว การออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์ของยานยนต์ยังต้องเป็นไปตามกฎต่างๆ เช่น การทดสอบทางกลและทางอิเล็กทรอนิกส์ของ AEC-Q100 สำหรับวงจรรวมบรรจุภัณฑ์ ผลกระทบจากครอสทอล์คอาจรบกวนความปลอดภัยของยานพาหนะได้ เพื่อลดผลกระทบเหล่านี้ ผู้ออกแบบ PCB จะต้องระบุระยะห่างระหว่างสายสัญญาณและสายไฟ การออกแบบและการกำหนดมาตรฐานได้รับการอำนวยความสะดวกด้วยเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่เน้นแง่มุมต่างๆ ของการออกแบบโดยอัตโนมัติ ซึ่งต้องมีการปรับเปลี่ยนเพิ่มเติมเพื่อให้เป็นไปตามข้อจำกัดการรบกวนและสภาวะการกระจายความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อการทำงานของระบบ

หมายเหตุ:

การรบกวนจากวงจรนั้นไม่ได้เป็นภัยคุกคามต่อคุณภาพของสัญญาณ PCB ในรถยนต์ถูกโจมตีด้วยเสียง ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับร่างกายในรูปแบบที่ซับซ้อนเพื่อเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าที่ไม่ต้องการในวงจร แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและการผันผวนที่เกิดจากระบบจุดระเบิดของยานยนต์สามารถผลักดันส่วนประกอบต่างๆ ให้เกินพิกัดความเผื่อในการตัดเฉือนได้

ปัญหาซอฟต์แวร์

เครื่องมือเค้าโครง PCB ในปัจจุบันต้องมีการผสมผสานการทำงานที่หลากหลายเพื่อตอบสนองความต้องการของนักออกแบบ การเลือกเครื่องมือเลย์เอาต์ที่เหมาะสมควรเป็นข้อพิจารณาอันดับแรกในการออกแบบ PCB และไม่ควรมองข้าม ผลิตภัณฑ์จาก Mentor Graphics, OrCAD Systems และ Altium เป็นหนึ่งในเครื่องมือเค้าโครง PCB ในปัจจุบัน

อัลเทียม ดีไซเนอร์

Altium Designer เป็นหนึ่งในแพ็คเกจการออกแบบ PCB ระดับไฮเอนด์ในตลาดปัจจุบัน ด้วยฟังก์ชันการเดินสายอัตโนมัติ รองรับการปรับความยาวเส้นและการสร้างแบบจำลอง 3 มิติ Altium Designer มีเครื่องมือสำหรับงานออกแบบวงจรทั้งหมด ตั้งแต่การจับแผนผังไปจนถึง HDL รวมถึงการจำลองวงจร การวิเคราะห์สัญญาณ การออกแบบ PCB และการพัฒนาแบบฝัง FPGA

แพลตฟอร์มโครงร่าง PCB ของ Mentor Graphics จัดการกับความท้าทายหลักที่นักออกแบบระบบในปัจจุบันต้องเผชิญ ได้แก่ การวางแผนแบบซ้อนที่แม่นยำ ประสิทธิภาพ และเน้นการใช้ซ้ำ การกำหนดเส้นทางที่มีประสิทธิภาพในโทโพโลยีที่หนาแน่นและซับซ้อน และการเพิ่มประสิทธิภาพระบบเครื่องกลไฟฟ้า คุณสมบัติที่สำคัญของแพลตฟอร์มและนวัตกรรมที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรมคือ Sketch Router ซึ่งช่วยให้นักออกแบบสามารถควบคุมกระบวนการคลายคอยล์แบบอัตโนมัติ/แบบช่วยเหลือได้เต็มรูปแบบ โดยให้ผลลัพธ์คุณภาพเช่นเดียวกับการคลายเกลียวแบบแมนนวล แต่ใช้เวลาน้อยกว่ามาก

โปรแกรมแก้ไข PCB OrCAD

OrCAD PCB Editor เป็นสภาพแวดล้อมแบบโต้ตอบที่พัฒนาขึ้นสำหรับการออกแบบบอร์ดในทุกระดับทางเทคนิค ตั้งแต่ง่ายไปจนถึงซับซ้อน เนื่องจากความสามารถในการปรับขนาดที่แท้จริงสำหรับโซลูชัน PCB ของ Cadence Allegro PCB Designer ทำให้ OrCAD PCB Editor สนับสนุนการพัฒนาด้านเทคนิคของทีมออกแบบและสามารถจัดการข้อจำกัด (ความเร็วสูง ความสมบูรณ์ของสัญญาณ ฯลฯ) ในขณะที่ยังคงรักษาอินเทอร์เฟซกราฟิกและรูปแบบไฟล์ไว้เหมือนเดิม

ไฟล์เกอร์เบอร์

รูปแบบไฟล์ Gerber มาตรฐานอุตสาหกรรมใช้เพื่อถ่ายทอดข้อมูลการออกแบบสำหรับการผลิต PCB ในหลาย ๆ ด้าน Gerber มีความคล้ายคลึงกับ PDFS ในด้านอิเล็กทรอนิกส์ มันเป็นเพียงรูปแบบไฟล์ขนาดเล็กที่เขียนด้วยภาษาควบคุมแบบผสม ไฟล์เหล่านี้สร้างขึ้นโดยซอฟต์แวร์เซอร์กิตเบรกเกอร์ และส่งไปยังผู้ผลิต PCB ไปยังซอฟต์แวร์ CAM

การรวมระบบอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับยานพาหนะและระบบที่ซับซ้อนอื่นๆ อย่างปลอดภัยถือเป็นข้อควรพิจารณาที่สำคัญสำหรับทั้งฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ วิศวกรตั้งเป้าที่จะลดจำนวนการออกแบบซ้ำและเวลาในการพัฒนาให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งมีข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับนักออกแบบที่ใช้เวิร์กโฟลว์