שלוש המטרות העיקריות של מחברי PCB הן:
1. חיבור PCB: חיבור קשיח (או גמיש) בין שני PCB;
2. חיבור כבל PCB: חיבור קווי ארוז עבור ציוד היקפי חיצוני;
3. חיבור תיכנות/איתור באגים של PCB: מחבר (או מערך נקודות בדיקה) המשמש לאיתור באגים או לתכנות, המשמש בדרך כלל עבור דברים כגון מיקרו-בקרים או מערכי שערים הניתנים לתכנות שדה (FPGAs)
בשלושת סוגים אלה של חיבורי PCB, כל צורות החיבורים והפונקציות ישתנו בהתאם ליישום. ראשית, קיימות שתי שיטות עיקריות להרכבת המחבר ל- PCB: הרכבה על פני השטח וחור-עובר. כמובן, ישנן שיטות רבות להרכבה על פני השטח, אך לכל דבר ועניין, ניתן להרכיב את המחבר באמצעות דרך פין או רפידות סיכה. זה מביא אותנו לכמה פשרות ראשוניות שיש לקחת בחשבון בתהליך העיצוב.
פשרות שיש לקחת בחשבון בעת העיצוב
הרכבה מחברים דרך חורים מביא יתרונות רבים, אבל היתרון העיקרי הוא בדרך כלל לחזק את החיבור המכני. הסיבה לכך היא שהסיכות/ההפניות עוברות דרך לוח המעגלים המודפסים ובדרך כלל מולחמים לשכבות העליונות והתחתונות. בהתאם ליישום, זה יכול להיות חשוב מאוד, במיוחד כאשר אמינות ובטיחות הם בעלי חשיבות עליונה. אם זה פשוט וקל לשימוש ויש לו מחזור שימוש תכוף, חיבור חור דרך בהחלט יספק אמינות גבוהה יותר, ואת האפשרות של נזק למכשיר יקטן עם הזמן. יתרון מרכזי נוסף של רכיבי חור דרך הוא שניתן לבדוק אותו בקלות רבה יותר ולעובד מחדש עבור אב טיפוס או תיקון.
מצד שני, מחברי הרכבה על פני השטח יכולים לחסוך הרבה מקום בלוח המעגלים (מכיוון שהרכיב מולחם רק לשכבה אחת), ובהתאם ליישום, הוא יכול גם לחסוך בעלויות ייצור והרכבה. מחברים רבים כוללים עמדות יישור, אך אינם דורשים הלחמה. באופן דומה, מחברי הרכבה על פני השטח יכולים לעתים קרובות לכלול צפיפויות גבוהות יותר של מחוזות פינים, אשר בתורן יכולות לסייע לארוז אותות נוספים לאזור קטן יותר ולחסוך שטח לוח יקר ערך, ראה איור 1.
איור 1: חיבורים דרך חור (משמאל) והרכבה על פני השטח (מימין) ב- PCB
מכיוון שחיסכון בשטח המעגלים ואופטימיזציה של צפיפות/נפח הם כוחות מניעים נפוצים לפיתוח מוצרים, עיצובים רבים כוללים מספר לוחות מעגלים קשיחים או גמישים המחוברים זה לזה. שיטה זו לא רק חוסכת מקום בלוח, אלא גם חוסכת יותר עלות. לדוגמה, אם עיצוב כולל מעבד מערך רשת כדורים (BGA) של 256 פינים הדורש יותר מ- 10 שכבות (מה שמגדיל מאוד את עלות הייצור של לוח המעגלים המודפסים), אך עליו לקיים אינטראקציה עם ציוד היקפי/מחברים רבים (עשוי לדרוש ממשק חיבור של שתי שכבות או ארבע שכבות בלבד), הדרך לחסוך מקום ועלות היא לחלק אותם לשני PCB: PCB מוטבע קטן יותר עם יותר מ -10 שכבות, ועוד PCB משני עם ארבע שכבות בלבד ורכיבים היקפיים ביותר (כגון מחברים). בדרך כלל, חיבור לוח-ללוח בעל צפיפות גבוהה וספירת פינים גבוהה משמש להרכבת ה- "MCU PCB" ב- "PCB של מטוס אחורי".
אם דברים כגון צגים ולחצנים דורשים PCB לווייני רבים, ניתן להשתמש בחיבורים גמישים. לעתים קרובות המכונה כבל flex, זה נפוץ בחיבורי LCD ומנוע, ובדרך כלל מסייע להפחית את רדיוס הכיפוף (אשר מסייע להפוך את המבנה קומפקטי וקטן) ואת הלחץ הפיזי הקשורים הרכבה. החיבור הגמיש יכול להיות כבל נפרד המוכנס למחבר, או שהוא יכול להתבצע ישירות באמצעות PCB. איור 2 מציג עדשת מצלמה עם חיבורי כבלים גמישים רבים (שאינם ניתנים לחיבור), ואילו איור 3 מדגים את ההבדל בין PCB "גמיש קשיח" עם כבלים גמישים משולבים. למרות שלפעמים קשה לתכנן ולהקצות לספקים, השימוש בטכנולוגיית flex נוקשה יכול מאוד לעזור לחסוך בעלויות הייצור ולהפוך את העיצוב לאמינה והדוק יותר. עם זאת, מכיוון שלא ניתן להפריד פיזית בין שני PCB, ההרכבה של שילוב נוקשה-גמיש עשויה להיות קשה יותר.
איור 2: הרכבת עדשת מצלמה עם כבל גמיש
איור 3: טכנולוגיית PCB גמישה
שקול את היישום של המחבר
בעת לקיחת חיבור הכבל כעותר הנושא, הבה נפתור במהירות כמה בעיות חשובות אחרות שיש לקחת בחשבון. ערכת נושא אחת היא קלות השימוש, ודוגמה מושלמת היא יציאת ה- USB הסטנדרטית.
במהלך השנים שופרו מחברי USB במגוון דרכים, כולל קיבולת נוכחית, צפיפות אותות וחיבורים הפיכים שאינם כיווניים באמצעות USB-C. להיפך, מחבר עם מקשי החצים המאפשר רק כיוון אחד (כגון מחבר USB 2.0 קלאסי) מסייע להדריך משתמשים ולמנוע שגיאות חיבור. חיבורי נעילה מספקים בדרך כלל תמיכה מכנית טובה יותר ועשויים לדרוש תקעים מסתובבים (מחברי BNC) או סחבי דחיסה (כבלי רשת RJ-45). בעיקרון, אם המחבר צריך להיות בשימוש חוזר, קלות השימוש צריכה כמובן להיות בראש סדר העדיפויות של המשתמשים.
יישומים מסוימים דורשים חיבורים מהירים ורגישים למרחקים ארוכים יותר, מה שמוביל אותנו להשתמש בסיבים אופטיים. קיימים שלושה סוגים עיקריים של חיבורי סיבים אופטיים: סיבים אופטיים חד-מצביים, רב-מצביים וסיבים אופטיים מפלסטיק (POF). חיבורים מרובי מצבים מאפשרים רוחבי פס גבוהים יותר, אך בשל שיעורי הפיזור וההחלשה הגבוהים שלהם, הם בדרך כלל סובלים מהפסדים ביישומים למרחקים ארוכים, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור חיבורים מבוססי LAN קצרים. מצב יחיד מבצע ביצועים טובים על פני מרחקים ארוכים יותר, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור יישומים כגון פס רחב RF (חברת הכבלים המקומית שלך). בנוסף, אפיקי נתונים מקבילים באמצעות חיבורים כגון חברור רכיבים היקפיים (PCI) הם בדרך כלל הרבה יותר מהירים מחיבורים טוריים כגון USB (אם כי USB-C מאפשר גם חיבורים מקבילים). המהירות והביצועים של היישום יקבעו כיצד להגדיר חיבורים אלה.
עבור יישומים מסוימים, כגון תעופה וחלל וצבא, תנאי עבודה קשים עלולים בסופו של דבר להוביל לעלייה בביקוש. מחברים מסוימים כוללים הגנה מיוחדת מפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), פריקה אלקטרוסטטית (ESD), רטט ו/או לחות. עבור מעצבים, החלטה נפוצה היא האם יש להגן על המחבר. מחברים מוגנים (המכוסים על ידי מתכת מוליך מסוימים ועשויים לכלול אטמי EMI) יכולים לספק רמה גבוהה יותר של הגנה מפני קרינה מזיקה ושדות מגנטיים מקומיים, אך בדרך כלל הם מגושמים או יקרים יותר מחלופות לא מוגנות. מחברים עם פגזים וסיכות תואמות יכולים להיות מקורקעים כדי לסייע ל- ESD שהוצג על-ידי מגע אנושי או מקורות ארעיים מקומיים אחרים. מחברים מסוימים כוללים גם מגעים סופגי זעזועים כדי לסייע בהתמודדות עם יישומים בעלי השפעה גבוהה ואמינות גבוהה. לבסוף, חיבורים שיש להגן עליהם מפני לחות חיצונית כוללים לעתים קרובות (או מאפשרים שימוש) אטמים. איור 4 מדגים את כל ארבע הווריאציות הללו בחיבורים משותפים.
איור 4 :(LR) שקע חשמל DC מוגן, שקע RJ-45 מוגן/מקורקע, מחבר לוח-ללוח עמיד בפני רעידות ומחבר USB עמיד למים
עבור יישומים בעומס גבוה, בחירת מחבר עם דירוג הזרם או המתח הגדול ביותר יכולה גם להאיץ את תהליך התכנון. מחברים מסוימים כוללים פיני אותות מעורבים לתמיכה בנתונים וחיבורי חשמל. בדרך כלל, לסיכות צריכת החשמל יש קיבולת זרם גדולה יותר והן עשויות להיות עבות יותר, דבר המסייע במניעת השימוש בשני מחברי/כבלי חשמל ונתונים נפרדים.
יישומי מתח AC יכולים גם להניע את בחירת המחברים ודורשים מרווחים מינימליים או מרווח בין כל פין (בהתאם למתח המרבי). זה עוזר למנוע קשתות, אשר יכול להזיק למערכת ולאופרטור. המחבר יפרט תמיד את צריכת החשמל המדורגת. חשוב לעקוב אחר מפרטים אלה בעת התכנון ולהבטיח מרווח טוב.
לבסוף, לפעמים הפתרון הטוב ביותר (והזול ביותר) הוא לחשוף את המחבר ופשוט להשתמש רפידות נחושת חשופות עבור ממשק קפיץ טעון. תוך מתן גורם צורה קטן יותר, הוא יכול לסייע בהפחתת עלויות הרכיבים ולאפשר זיהוי קל יותר (בהתבסס על הגמישות של מיקום PCB). ממשק תכנות או בדיקה הוא אחד היישומים הנפוצים ביותר. עיצובים מוטבעים כוללים בדרך כלל יציאות איתור באגים או תיכנות, אך אם מחברים בדרך כלל אינם משמשים (רק לייצור או לשירות, מדוע להשתמש במחברים)? כבלים כגון Tag-Connect (כפי שמוצג באיור 5) טכנולוגיה יכולה לספק פתרון עם גורם צורה קטן יותר ועלות נמוכה יותר. למרות שבדרך כלל משמש רק כנקודות בדיקה, מערך כרית צריך להיחשב גם עבור חיבורים מבוססי פוגו-פין.
איור 5: טכנולוגיית הכבלים פוגו-פין של Tag-Connect
ערכת עיצוב PCB יכולה לעזור
כיום, תוכניות CAD רבות יש הדמיה 3D ותמיכה ייבוא /ייצוא קבצים מכני. דוגמה לכך היא Solidworks חשמל (SWE). באופן מסורתי תוכנית CAD לתכנון מכני, יש ערכות חשמל עבור Solidworks שניתן לשלב בקלות עם PCB מוגדר סכמטית וחיבורים הקשורים. היתרונות של המעצבים כוללים כלי עיצוב חשמליים שיכולים לסייע בהגדרת חיבורים ולייצר מפרטי כבלים, דיאגרמות חיווט ואפילו קבצים שניתן להשתמש בהם בתוכניות עיצוב PCB אחרות כדי לסייע ברשימות רשת, תוך מתן תצוגה חזותית מלאה של חיבורי מערכת. למרות שתוכניות עיצוב PCB רבות כוללות יכולות הדמיה תלת-ממדית, תוכניות מסוימות מאפשרות חילופי קבצים כדי לסייע בהגדרת צורות PCB (באמצעות קבצים דו-ממדיים) ובייבוא אריזות רכיבים (באמצעות קבצי תלת-ממד), דבר שיכול לסייע רבות בבדיקת הפרעות ולמטוב מיקום המחברים.
לסיכום
העיצוב של חיבור PCB תלוי לחלוטין ביישום, בדרך כלל החל מדרישות המשתמש, בהתחשב בדרישות העיצוב, ולקבוע אם יש צורך בתכונות מיוחדות. מה שנשכח לעתים קרובות הוא כי דרישות הייצור יש לשקול גם כדי להבטיח כי זה יכול להיות מיוצר ומורכב עם פשטות סבירה ועלות.
ערכות תכנון PCB בצורות ובגדלים שונים מכילות פונקציות הקשורות לכאניות שיכולות לסייע באופן משמעותי בהפחתת הסיכון של איטרציות עיצוב ולמטב את מיקום המחברים.
