在無人飛行載具（UAVs）快速發展的領域中，工程挑戰已發生轉變。市場不再僅止於要求更輕小的無人機，而是要求更小、更輕且更聰明的系統。這建立了一個重要的工程悖論：如何將 AI 驅動飛行、高解析度影像與足夠的資料記錄等尖端功能，整合進一塊必須夠小以符合重量與成本限制的 PCB 中？

本案例研究概述了一位專精於物聯網與電子設計的嵌入式系統開發者，如何應對這個確切的問題。其目標是在一塊 10x10 公分的迷你 PCB 上，設計並製造出單一且精密的飛行控制器。

為了讓專案可行，設計被限制在依照無人機機架外型客製化的雙層板上，以達成最佳的重量與成本效益。這個具挑戰性的限制需要在極致的功能密度（這需要複雜的雙面 SMT 組裝製程）與高速訊號佈線的複雜物理特性之間，取得微妙的平衡。

專案的成功不僅取決於良好的設計，更取決於一個能降低電路板組裝（PCBA）及採購複雜表面黏著元件（SMD）相關風險的製造策略。

專案概述：迷你 PCB 飛行控制器

本專案的核心是一塊單一 PCB，設計作為緊湊型四軸飛行器的「多合一」大腦與電源系統。元件選用相當大膽，包含一顆強大的微控制器以及一整套 SMD 感測器與周邊設備：

● 中央處理器（MCU）：Espressif ESP32-S3 N16R2。選用此模組是因其強大的雙核心處理器、整合式 2.4 GHz Wi-Fi 與藍牙 5 (LE)，以及原生 USB OTG 支援，使其非常適合作為所有運算、通訊及邊緣 AI 處理的中樞。

● 影像系統：OV2640 攝影機模組，透過 24-pin FPC 連接器連接，因其具備成本效益與良好的成像能力而獲選。此模組對於第一人稱視角（FPV）飛行與未來的電腦視覺應用至關重要。

● 穩定系統：MPU-6050 陀螺儀/加速度計（IMU）。此六軸感測器提供受控飛行所需的關鍵姿態與穩定性回饋。

● 資料記錄：高速 SD-MMC 介面（透過 TF-Push 插槽）。這是將高頻寬飛行數據與擷取影像儲存於本地端的關鍵功能，相較於較慢的 SPI 介面 SD 卡解決方案有顯著提升。

挑戰：高密度與高速 PCB

雙層 PCB 是簡單專案的標準配置，但在處理高速、高密度設計時，這變成了一項極端的工程挑戰。開發者面臨了三個主要的技術障礙。

#挑戰 1：極致元件密度與雙面表面黏著技術（SMT）

100x100mm 的最大尺寸並非單純的正方形；電路板被銑削成帶有馬達安裝孔位的複雜「無人機機架」形狀。這大幅減少了可用表面積，加劇了密度挑戰。為了容納所有功能，需要採用雙面 PCB 組裝製程，將元件同時配置於頂層與底層。

● 頂層整合了核心運算單元（ESP32、IMU）與整個電源管理子系統（充電 IC、穩壓器等）。

● 底層則佈滿了高速連接器（攝影機、SD 卡）。

這種在複雜形狀電路板上的高密度雙面 SMT 方法，整合了來自 31 條不同產線的 70 多個 SMD 元件。由於包含細間距封裝（QFN、SOT-23-6）與大量的 0402 被動 SMD 元件，專業的 SMT 組裝是必要的。

#挑戰 2：雙層 PCB 上的高速訊號佈線

多個高速介面的佈線是本專案需克服的最大技術障礙。

● 平行匯流排佈線：SD-MMC（4 位元）與 OV2640 攝影機（8 位元平行 DVP）介面並非簡單的串列匯流排。它們運作為高速平行匯流排，其時脈對於訊號偏移（走線長度不匹配）與雜訊極為敏感。

● 佈線密度與串音：在雙層板上，這些敏感的訊號走線必須緊鄰彼此佈線，最重要的是，還需鄰近大電流馬達走線與開關電源線。這產生了極高的雜訊注入與串音風險，可能迅速導致資料損毀、攝影機產生殘影，或導致 SD 卡失效。

#挑戰 3：電源分配

此 PCB 被設計為功能精密的電源分配板（PDB）。其任務包含將電力從鋰聚合物電池導出，經過保護 IC，輸送到充電器，隨後再分配給三個獨立的低雜訊穩壓器。

電路板承載來自馬達控制 MOSFET 至 8520 空心杯馬達的大電流脈衝。雙層電路板的一個副作用是，大電流走線可能會感應至鄰近的敏感類比電源軌（為攝影機與 MCU 供電），導致最終 PCBA 的不穩定。

具備高密度 SMD 佈局的完整 PCB 設計，適用於電路板組裝

JLCPCB 解決方案：統一的 PCB 組裝與現貨零件生態系統

為了降低製造過程中的風險，開發者從傳統純製造模式轉向完全整合的 PCB 製造與組裝生態系統。

JLCPCB 結合 PCB 製造與雙面 SMT 組裝的服務被選中來解決這些挑戰。

主要的擔憂——在電路板雙面實現細間距 SMD 元件的可靠焊接——透過使用 JLCPCB 的先進 PCB 組裝服務迅速獲得解決。

本專案的一個關鍵推手是 JLCPCB 現貨零件庫，這對設計與生產流程至關重要。工程師完全依據 JLCPCB 資料庫中驗證為現貨的 SMD 元件來設計電路板，並引用其確切的料號。此決定從根本上簡化了專案物流並確保供應的連續性。

值得注意的是，該零件庫不僅包含 ESP32-S3 模組，還包含整個基於 SMT 的物料清單（BOM）。開發者從 JLCPCB 的集中庫存中採購了所有 31 種不同的 SMD 元件——從 ESP32-S3 到 0402 電阻。這種整合方式確保了 BOM 相容性、零件可取得性，並簡化了來自單一供應商的 PCB 組裝流程。

從 DFM 到 PCBA：深入解析 SMT 組裝製程的技術細節

本專案作為現代「DFM 優先」（可製造性設計）工作流程的範例，這對於達成成功的 PCBA 結果至關重要。

#1 搭配零件庫的可製造性設計（DFM）

設計過程具有高度疊代性。開發者並非先完成電路圖再尋找元件，而是在整個設計階段中，隨時開啟 JLCPCB 零件庫配合 EDA 軟體工作。

每個必要的 SMD 元件——從 3.3V LDO 穩壓器到電池保護 IC——都直接選自 JLCPCB 零件庫。僅選擇現貨零件，並將其確切料號與封裝佈局插入電路圖中。

這種主動式做法確保了物料清單（BOM）與元件位置表（CPL）在佈線開始前，就已與 JLCPCB 的 SMT 組裝線完全相容。因此，開發者有效避免了常見的「找不到零件」錯誤以及經常阻礙快速 PCBA 原型製作的採購延遲。

#2 電路板規格與高速 PCB 佈局

最終的雙層板設計仰賴 JLCPCB 的製造精度來實現困難的高速佈線。

 迷你無人機 PCB 最終規格，詳細列出 100x100mm 雙層板、ENIG 表面處理及雙面 PCB 組裝服務。          

選用 ENIG 表面處理是有意的決定。對於包含細間距表面黏著元件（SMD）封裝（如 QFN）的電路板，化學鎳浸金（ENIG）提供了完全平坦、無鉛的表面。

它是優於熱風整平（HASL）的選擇，因為它能將焊錫短路的風險降至最低，並確保無引腳元件的每個焊盤在 SMT 回焊過程中都能形成可靠的焊點。

#3 JLCPCB 採購與組裝的關鍵元件

包含完整 SMT 物料清單的「晶片上的無人機」系統，由於豐富的零件庫，完全由 JLCPCB 採購與組裝。

使用的各類獨特 SMD 元件摘要如下表所示。

BOM 中關鍵 SMD 元件類別的摘要，包含透過 JLCPCB 電路板組裝服務所組裝的 ESP32、電源 IC、連接器與被動元件。

無人機 PCB 的 3D CAD 渲染圖（已完成所有元件佈件），顯示於 JLCPCB Gerber 檢視器中

#4 細間距與 SOT 元件的自動化組裝

面對包含超過 70 個個別 SMD 貼片點的設計，包括兩個 QFN 封裝、多個 SOT-23-6 IC 以及數十個 0402 SMD 被動元件，手工組裝並非可行選項。

雙面 SMT 組裝的需求加劇了這項挑戰，這涉及兩個獨立、高精度的錫膏印刷、貼片與回焊循環——電路板每面各一次。

利用高速 SMT 生產線的 JLCPCB 自動化 PCB 組裝服務對於應對此複雜性至關重要。此製程包含精密的錫膏鋼板、針對所有 SMD 的高速貼片機（PNP），以及多區回焊爐，所有這些都在電路板的雙面執行。

此 PCB 組裝服務降低了 SMT 組裝失敗的風險，僅留下四個簡單的穿孔排針供開發者手工焊接。

由 JLCPCB 電路板組裝服務所完成的實體組裝板。

成果與結論：完全運作的飛行控制器

令人驚豔的是，儘管訂單相當複雜，開發者僅在 7 天內就收到了五片組裝完成、可供測試的雙面 SMT 電路板。

「關鍵時刻」在首次通電時到來。工程師隨即有條不紊地測試了每個子系統：

1. 製造精度：複雜的「無人機機架」PCB 形狀銑削完美，所有尺寸皆符合 CAD 檔案。至關重要的是，雙面 SMT 組裝在這個非矩形的電路板上對位完美。

2. 電源系統：測量所有三個電源軌（3.3V, 2.8V, 1.5V）皆穩定且正確。位於電路板底部的複雜充電與保護系統運作如預期。

3. 核心系統：ESP32-S3 成功啟動，且 MPU-6050 立即在 I2C 匯流排上被偵測到。

關鍵勝利：專案最大風險的高速介面在第一版修訂即正常運作。SD-MMC 介面（TF 卡插槽）初始化並以最高額定速度運作，允許高速資料記錄。OV2640 攝影機（透過 FPC 連接器）串流清晰影像，無任何殘影或資料損毀。

透過利用 JLCPCB 的 PCBA 服務，開發者跳過了與手工 SMT 組裝相關的整個硬體除錯階段，直接從開箱進入高階韌體撰寫。

客戶回饋

工程師的回饋強調了整合式 PCBA 生態系統對於複雜專案的價值。

「快速的交期改變了遊戲規則。對於一個複雜的雙面 PCBA 訂單，我在大約一週內就拿到了成品板。這種速度對快速原型製作至關重要。」

「PCBA 品質完美。對於雙面 SMT，特別是在兩面都有像 QFN 和 0402 被動元件這類細間距 SMD 零件的情況下，出錯的可能性很高。這在複雜的『無人機機架』形狀上風險更高。我收到的電路板沒有任何焊錫短路或組裝缺陷，且銑削精確。所有高速線路在第一版就能運作，證明了這種精度。」

「JLCPCB 的現貨零件讓這一切成為可能。擁有所有獨特的 SMD 元件，以及所有電源 IC 和連接器，並由單一供應商提供，這省去了我數週的物流工作，並降低了整個構建的風險。」

組裝完成的 10x10cm 迷你 ESP32 無人機 PCB，隨時準備飛行。

關鍵要點

本案例研究展示了 JLCPCB 的服務如何縮小現實世界中抱負性複雜設計與功能性原型之間的差距。透過使用 PCBA 服務（針對 SMT 精度與品質，即便是雙面設計）與龐大的現貨 SMD 零件庫（針對物流與採購），工程師可以充滿信心地應對真實、高密度的高速設計與 PCB 組裝。

本專案證明，即使使用具成本效益的雙層 PCB，實現可靠的 SMT 組裝與 SMD 元件採購也是絕對可行的。透過利用整合式工作流程，開發者不再需要擔心硬體 PCBA 的挑戰或採購 SMT 元件的物流。相反地，他們可以專注於讓創新設計成真的韌體與系統程式碼。

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常見問題

Q1: 為什麼這個迷你無人機 PCB 專案的 SMT 組裝需要 ENIG 表面處理？

雖然標準的 HASL 較經濟，但它可能產生不平整的表面。使用細間距 QFN 與 0402 SMD 元件的設計需要一個完全平坦的表面。ENIG 讓錫膏鋼板能平貼，將焊錫短路的機率降至最低，並保證細間距 SMD 零件的每個焊盤在回焊期間都能形成可靠的連接。

Q2: 「DFM 優先」工作流程在本迷你無人機 PCB 專案的實務意義為何？

這意味著工程師的第一步是瀏覽 JLCPCB 零件庫，而非繪製電路圖。整個電子設計（電路圖與佈局）從一開始就綁定僅使用確認為「現貨」且經組裝驗證的 SMT 元件。這與先完成 PCB 設計再進行採購的傳統工作流程相反。

Q3: 什麼因素讓雙面 SMT 組裝成為一項挑戰？

雙面 PCBA 需要兩次完整的組裝循環——一次針對頂層，一次針對底層。這意味著要塗兩次錫膏、執行兩次貼片（PNP）操作，並運行兩次獨立的回焊製程。

挑戰在於管理第二次回焊：第一面已焊接的元件在電路板第二次通過烤箱時會再次受熱。工程師必須仔細控制回焊曲線、元件方向與配置，以確保第一面的零件不會移位、重熔或受到熱損傷。

Q4: JLCPCB 的 PCBA 服務能處理複雜形狀（非矩形）的電路板嗎？

是的。如本案例研究所示，製造服務可以精確銑削複雜的輪廓（如無人機機架）。SMT 組裝線配備有處理並完美對齊這些非矩形電路板的能力，適用於單面與雙面 PCBA。