לתכנן לוח מעגל מודפס (PCB) בפעם הראשונה יכול להיראות מורכב—זה שילוב של אמנות, הנדסה ותהליכי ייצור. אבל כשהסדר ברור, מה־סכימה (Schematic) ועד קבצי הייצור (PCB Artwork / Gerber), התהליך הופך לוגי ומאורגן.
המדריך הזה מוביל אותך שלב-אחר-שלב דרך כל מה שחשוב: שיטות עבודה מומלצות לשרטוט סכימה, תכנון מבנה שכבות (Stack-Up) ועכבה, כללי הצבה (Placement) וניתוב (Routing), והכנת חבילת הקבצים לייצור.
שלב 1 — להגדיר דרישות עוד לפני שפותחים את ה-CAD
כל תכנון מוצלח מתחיל בדרישות ברורות. קבעו גבולות חשמליים ומכניים:
- חשמל: מסילות מתח, זרמי עומס, סוגי אותות (אנלוגי/דיגיטלי/מהיר), תדרי שעון, רשתות רגישות לעכבה ותקנים (USB 3.0, PCIe, LVDS).
- מכני: קונטור הלוח, גובה מותר, חורי עיגון, מחברים, אזורי איסור (Keep-out) עבור המארז.
- סביבה ותקינה: טווח טמפרטורות, EMI/EMC, ודרישות רגולטוריות (FCC/CE).
צרו בריף תכנון קצר עם בלוקים פונקציונליים, ממשקים מבוקשים ותקציב הספק. זה יהיה מפת הדרכים לסכימה ול־PCB.
שלב 2 — שרטוט סכימת ה-PCB (תכנית החשמל)
הסכימה מגדירה את הקשרים בין כל רכיב. “היגיינת סכימה” ירודה תוביל לכאוס בלייאאוט. הקפידו על:
ספריות נקיות ועקביות
השתמשו בספריות סמלים וטביעות (Footprints) מאומתות או צרו משלכם. כל סמל חייב להתאים לטביעת ה-PCB ולמודל ה-3D הנכונים. חוסר התאמה הוא טעות מתחילים נפוצה.
שמות ברורים והיררכיה
תנו שמות רשת משמעותיים (USB_D+, ADC_IN1, 3V3_SYS). בפרויקטים גדולים חלקו ל-דפים היררכיים (הספק, MCU, ממשקים, חיישנים) כדי לשמור על סדר ושימושיות חוזרת.
להריץ ERC (Electrical Rule Check)
לפני ייצוא ללייאאוט, הפעילו ERC לאיתור פינים פתוחים, מסילות מתח לא מחוברות או כמה דרייברים על אותה רשת. תיקון עכשיו חוסך זמן אחר-כך.
לנהל BOM מוקדם
בחרו רכיבים עם זמינות יציבה וקבעו חלופות. אין כמו רכיב שהופסק כדי לשבש ייצור.
שלב 3 — תכנון מבנה שכבות (Stack-Up) ועכבה בסיסית
אחרי שהסכימה מסודרת, הגדירו Stack-Up—סידור שכבות הנחושת והדיאלקטריק. לזה יש השפעה ישירה על עכבה, זליגות (Crosstalk) ויכולת ייצור.
- דו-שכבתי – למעגלים פשוטים/איטיים.
- ארבע-שכבתי – (אות / מישור אדמה / מישור הספק / אות) הוא Sweet Spot לרוב מערכות Mixed-Signal ומהירויות בינוניות.
- שש שכבות ומעלה – לממשקי High-Speed או BGA צפופים.
לרשתות בעכבה מבוקרת (USB/Ethernet/RF) צרו קשר מוקדם עם היצרן לקבלת נתוני חומר (Dk, עוביים, סבילות) כדי לחשב רוחב ומרווח מוליך ל-50Ω חד-סופי או 100Ω דיפרנציאלי.
Stack-Up טוב מבטיח רציפות מישורי הייחוס מתחת למסלולי מהירות גבוהה ומצמצם הפרעות במסלול החזרה (Return Path).
שלב 4 — לקבוע כללי תכנון ו-DFM מוקדם
לפני הצבה, הגדירו ב-CAD את כללי התכנון (DRC) בהתאם ליכולות המפעל. ערכי התחלה נפוצים (משתנים לפי ספק):
- רוחב/מרווח מוליך מינימלי: 5mil / 5mil
- קדח מינימלי / טבעת אנולרית: 0.3 מ״מ / 0.15 מ״מ
- גשר מסכת הלחמה מינימלי: 4mil
- גובה טקסט סילקסקרין מינימלי: ≥ 40mil
- עובי נחושת: 1oz (≈ 35µm)
הכניסו DFM לקדמת התהליך: לתכנן בתוך חלון היכולת האמיתי ולא על הקצה—כך חוסכים עלות ודחיות.
שלב 5 — הצבת רכיבים (Placement) לפי פונקציה
הPlacement משפיע על ביצועים, הרכבה ותחזוקה:
- קיבוץ פונקציונלי: רגולטורים, אנלוגי, MCU, I/O כאיים נפרדים.
- זרימת אותות: כניסות מצד אחד, יציאות מצד שני.
- קיצור מסלולים לאותות מהירים/רגישים.
- קבלי דה-קפלינג צמודים ככל האפשר לפיני אספקה, עם ויה קצרה לאדמה.
- שמירת אזורי מכניקה למחברים/גופי קירור/חורים.
- נקודות בדיקה נגישות.
חשבו במונחי איים מודולריים – זה יקל על ה-Routing.
שלב 6 — ויות (Vias), מישורים ומסלולי חזרה
Vias מחברות שכבות אך מוסיפות אינדוקטנס ועלולות לגרום להחזרים:
- TH (דרך-חור) – הנפוצות והזולות ביותר.
- Blind/Buried – חוסכות מקום ב-HDI אך יקרות.
- רציפות מסלול חזרה: הימנעו מניתוב מסלול מהיר מעל פיצול במישור ייחוס—הזרם יחפש עוקף ויגדיל רעש/EMI.
- בעת מעבר שכבה, הוסיפו Stitching Via קרוב כדי לאפשר לזרם חזרה מסלול קצר לאדמה.
- לזרמים גבוהים: כמה ויות במקביל או ויות מלאות/מולאות.
שלב 7 — אסטרטגיית ניתוב והעדפות
כדי שהלוח לא ייראה “ספגети”, נתחו לפי סדר חשיבות:
- זוגות דיפרנציאליים מהירים (USB/HDMI/Ethernet): התאמת אורכים ושמירת קופלינג לעכבה.
- אותות קריטיים בזמן (Clocks/Reset): קצרים ומבודדים.
- אנלוגיים רגישים: רחוק ממקורות רעש, ולפעמים Guard Ring.
- דיגיטליים כלליים: פניות 45° במקום 90°.
- הספק ומישורי נחושת: רחבים להפחתת נפילת מתח ושיפור פיזור חום.
אידאלי: שכבה אחת אופקית, הבאה אנכית (מפחית Crosstalk). לאחר מכן להריץ DRC ולבדוק רציפות ומרווחים.
שלב 8 — תרמי, EMI/EMC ואמינות
גם לוחות “קטנים” יכולים להתחמם או לשדר רעש—מונעים מראש.
ניהול חום
- משטחי נחושת ו-Thermal Vias להפצת חום מרגולטורים, MOSFET או LEDs.
- מתחת לגופי קירור—להשאיר מסכת הלחמה פתוחה למגע תרמי טוב.
- לוודא ששכנים לא יתחממו בזמן Reflow.
יסודות EMI/EMC
- מישורי אדמה רציפים ולולאות קטנות.
- מסלולים מהירים קצרים ורחוקים מקצוות הלוח.
- חרוזי פריט/חנקות מצב משותף סמוך למחברים.
- להוסיף מסנני RC קטנים לפי צורך.
אמינות
- Via-in-Pad רק כשהן מולאות ומצופות.
- להשתמש ב-Teardrops במעברים קריטיים לחוזק מכני.
- לכוון ל-IPC-A-600/610 בהתאם לשוק היעד.
שלב 9 — מהלייאאוט ל-PCB Artwork (קבצי Gerber וכו׳)
PCB Artwork הוא אוסף קבצי הייצור המתארים כל שכבה בלוח—בסיס לפוטוליתוגרפיה או הדמיה דיגיטלית.
מה לכלול בחבילה
- Gerber לכל שכבות הנחושת, מסכת ההלחמה והסילקסקרין.
- NC Drill לקדחים מצופי-ומתכתי וללא ציפוי.
- הערות ייצור (FAB Notes): חומר, Stack-Up, משקל נחושת, עכבה מבוקרת, גימור (ENIG/HASL), צבע מסכה.
- שרטוט ייצור (FAB Drawing): קונטור, טבלת קדחים, סבילות.
- שרטוט הרכבה (ASSY Drawing): סימוני רפרנס וקוטביות.
- Pick-and-Place לאוטומציה.
- BOM עם מספרי יצרן וספקים.
בדיקות Pre-CAM לפני שליחה
- לתקן כל שגיאות DRC.
- לאתר רשתות לא מחוברות, נחושת מבודדת וסימונים חסרים.
- לבדוק מרחק קדח-שפה וכיווניות רכיבים (Pin-1/קוטביות).
- שמות שכבות ברורים, למשל:
TopCopper.GTL,BottomMask.GBS.
חבילת Artwork נכונה מבטיחה שהיצרן יבנה בדיוק מה שתכננת—בלי הפתעות ובלי רי-ספינים יקרים.
שלב 10 — אב-טיפוס, בדיקות ואיטרציה
אל תצפו שהגרסה הראשונה תהיה מושלמת. בנו סדרה קטנה ובדקו:
- הפעלה: בדיקת מסילות מתח וזרם.
- פונקציונלי: כל I/O, חיישנים וקישורי תקשורת.
- תרמי: מדידת נקודות חמות בעומס.
- שלמות אות (SI): בדיקת ringing/jitter ברשתות קריטיות.
תעדו הכול והכניסו לרוויזיה מבוקרת. איטרציה היא חלק מהתהליך—לא כישלון.
מתי להשתמש ב-PCB Layout Services?
כדאי לשקול מיקור-חוץ כאשר:
- יש High-Speed, RF או HDI/Rigid-Flex.
- הדדליין צפוף ואין קיבולת פנימית.
- נדרשים מסמכי ייצור והרכבה לפי IPC (FAB/ASSY/BOM/PNP).
- נדרשות סימולציות SI/PI מתקדמות.
בבחירת ספק חפשו ניסיון רלוונטי, תאימות כלים (Altium/KiCad/Cadence), סט קבצים מלא (מקור + Gerber + ASSY + BOM), סודיות, מחירים ולוחות זמנים ברורים.
שאלות נפוצות (FAQ)
1) מה ההבדל בין סכימה ללייאאוט?
ה־Schematic מתאר חיבורים לוגיים; ה־Layout מממש אותם פיזית בעזרת מוליכים, ויות ומישורים. בודקים סכימה עם ERC ולייאאוט עם DRC.
2) מה זה בדיוק PCB Artwork?
זו חבילת קבצי הייצור: Gerber, NC-Drill ושרטוטים. קיימים פורמטים מתקדמים כמו ODB++ או IPC-2581 המאחדים הכול לקובץ אחד, אך Gerber עדיין הנפוץ ביותר.
3) איזה כלי CAD מתאים למתחילים?
- KiCad – קוד פתוח וחינמי, מעולה לחובבים ולסטארטאפים.
- Altium Designer – סטנדרט תעשייתי לפרויקטים מקצועיים רב-שכבתיים.
- EasyEDA – מבוסס דפדפן ומשתלב בייצור מקוון.
בחרו לפי מורכבות, שיתוף-פעולה וצרכי ייצוא.
סיכום
בין אם זו לוח דו-שכבתי בסגנון Arduino או מערכת RF רב-שכבתית, אלה עשרת השלבים שמניחים את היסודות:
- דרישות, 2) סכימה נקייה, 3) Stack-Up ועכבה, 4) כללים ו-DFM,
- Placement, 6) Vias ומסלולי חזרה, 7) Routing ממושמע, 8) תרמי/EMI/EMC ואמינות,
- PCB Artwork מדויק, 10) אב-טיפוס, בדיקה ואיטרציה.
כך בונים לוחות שלא רק נדלקים, אלא גם אמינים, ברי-ייצור וניתנים להרחבה מהאב-טיפוס ועד סדרה. מהנדסי PCB טובים לא רק “מחברים רכיבים”—הם מתכננים ביצועים, אמינות וחזרתיות.
