Tworzenie PCB w 10 krokach z programem do projektowania płytek drukowanych

Nie jest łatwo opanować sposoby projektowania płytek PCB. Inni inżynierowie poświęcili czas na zgłębienie sztuki projektowania PCB i możemy skorzystać z ich doświadczeń. Na potrzeby osób, które dopiero zaczynają swoją przygodę z projektowaniem płytek PCB i nadal zapoznają się z programem Altium Designer^®, przygotowaliśmy zestawienie 10 ważnych kroków, które można wykorzystać przy tworzeniu nowoczesnych układów PCB do niemal wszystkich zastosowań.

Na każdy projekt składa się wiele procesów. Każde nowe urządzenie elektroniczne zaczyna jako schemat blokowy i/lub zestaw schematów elektronicznych. Gdy schematy zostaną już sporządzone i zatwierdzone, możesz zrealizować poniższe kroki, aby utworzyć nowoczesny układ PCB w programie do projektowania płytek drukowanych – Altium Designer. Oto pełna lista kroków w procesie projektowania i rozmieszczania elementów na płytce PCB:

1. Tworzenie schematu
2. Tworzenie pustego układu płytki
3. Odwzorowywanie na schemacie: Łączenie z projektem PCB
4. Projektowanie stosu PCB
5. Definiowanie reguł projektowych i wymogów DFM
6. Rozmieszczenie podzespołów
7. Przygotowanie wierconych otworów
8. Poprowadzenie ścieżek
9. Dodanie etykiet i identyfikatorów
10. Wygenerowanie plików projektu

Projektowanie płytki PCB w 10 krokach

Podczas projektowania płytki PCB czasami może się wydawać, że dotarcie do ostatecznego projektu będzie długą i żmudną podróżą. Niezależnie od tego, czy chodzi o podstawy mikrozarządzania miedzią i lutowiem, próbę doprowadzenia do pomyślnego wyprodukowania płytki, czy też zagłębianie się w bardziej specyficzną problematykę projektowania, jak technologia przewlekana lub projekt rozmieszczenia z przelotkami, padami i dowolna liczba problemów z integralnością sygnału, zawsze chcemy mieć do dyspozycji odpowiednie oprogramowanie do projektowania.

Każdy, kto zajmuje się tym od dziesięcioleci, doskonale wie, jak cenna jest znajomość używanego oprogramowania dla prawidłowego zaprojektowania płytek obwodów drukowanych. Przygotowanie ścieżek do poprowadzenia i obszarów miedzi lub zarządzanie warstwą niezbędną do lutowania może być trudne bez precyzyjnej i niezależnej integracji procesu od odwzorowania na schemacie po rozmieszczenie na płytce.

Jeśli to Twoje pierwsze rodeo lub dopiero zaczynasz karierę projektanta PCB, przekonasz się, że przyjazny dla użytkownika system Altium Designer zapewnia środowisko projektowe, w którym od samego początku możesz łatwo i pewnie przechodzić do dowolnych obszarów projektu bez ryzyka, że będziesz mieć różne iteracje swojego pliku projektu.  

Krok 1: Tworzenie schematu

Bez względu na to, czy generujemy nasz projekt z szablonu, czy tworzymy naszą płytkę od podstaw, prawdopodobnie najlepiej zacząć od schematu. Schemat jest niczym projekt dla nowego urządzenia i koniecznie trzeba rozumieć, co jest przedstawione na schemacie. Przede wszystkim schemat pokazuje:

• jakie podzespoły są używane w projekcie,
• jak podzespoły są ze sobą połączone,
• zależności między grupami podzespołów na różnych schematach.

Ta ostatnia pozycja jest dość istotna, ponieważ złożone projekty mogą wykorzystywać schematy hierarchiczne. Możemy wyegzekwować istotne zorganizowanie nowej płytki, jeśli zastosujemy hierarchiczne podejście do projektu i umieścimy różne bloki obwodu na różnych schematach. Więcej informacji o wartości dobrze zorganizowanych schematów można uzyskać w podkaście OnTrack autorstwa Carla Schattke.

_{Edytor schematów w programie do projektowania płytek drukowanych – Altium Designer}

Definiowanie i edytowanie wzajemnych połączeń w obwodzie na schemacie, a także przekształcanie schematu na układ płytki jest znacznie łatwiejsze niż projektowanie bezpośrednio na płytce. Jeśli chodzi o podzespoły, Altium Designer ma rozbudowaną bazę danych bibliotek części. Ponadto mamy do dyspozycji Altium Vault, co daje nam dostęp do tysięcy bibliotek komponentów oraz zapewnia większą elastyczność w zakresie zarządzania projektem i opracowywania produktu. Możemy również projektować własne symbole dla schematu, a także tworzyć footprinty. A jeśli chcemy, aby ktoś utworzył część dla nas, możemy wypróbować usługę EE Concierge firmy Altium.

Krok 2: Tworzenie pustego układu płytki

Po utworzeniu schematu trzeba skorzystać z narzędzia odwzorowywania na schemacie w Altium Designer, aby zacząć tworzyć układ PCB. Wcześniej jednak musimy utworzyć pusty dokument PCB. Do utworzenia płytki niezbędne jest wygenerowanie pliku PcbDoc. Robi się to w prosty sposób w menu głównym Altium Designer, jak pokazano poniżej. 

_{Rozpoczynanie nowego projektu PCB w programie do projektowania płytek drukowanych –  Altium Designer}

Jeśli już określiliśmy kształt, wymiary oraz stos warstw płytki PCB, możemy je teraz ustawić. Jednak jeśli nie chcemy tego robić teraz, to nie ma problemu — kształt, rozmiar i stos warstw (patrz Krok 4 poniżej) można zmienić później. Informacje o schemacie dla pliku PcbDoc zostają udostępnione poprzez skompilowanie pliku SchDoc. Proces kompilacji obejmuje zweryfikowanie projektu oraz wygenerowanie kilku dokumentów projektowych, które pozwolą sprawdzić i skorygować projekt przed transferem do PcbDoc — patrz przykłady poniżej.  Zdecydowanie zaleca się przejrzenie i zaktualizowanie w tym punkcie opcji projektu, które zostaną wykorzystane do utworzenia informacji w pliku PcbDoc. 

_{Opcje projektu do przekształcenia w PCB}

Krok 3: Odwzorowywanie na schemacie: Łączenie z projektem PCB

Wszystkie narzędzia w Altium Designer działają w ujednoliconym środowisku projektowym, gdzie schemat, projekt PCB i zestawienie materiałowe BOM są ze sobą połączone i można z nich korzystać jednocześnie. Inne programy zmuszają użytkowników do ręcznego kompilowania danych schematu, ale Altium Designer robi to automatycznie w czasie, gdy tworzymy nasz projekt. Aby przesłać informacje z pliku SchDoc do nowo utworzonego pliku PcbDoc, kliknijmy opcje Design (Projekt) » Update PCB (Aktualizuj PCB) {nazwa pliku dla nowego projektu PCB}.PcbDoc. Zostanie wyświetlone okno dialogowe Engineering Change Order (ECO) (Planowanie zmian) wyszczególniające wszystkie podzespoły i sieci ze schematu, jak na przykładzie poniżej.

_{Przykład okna Engineering Change Order w programie do projektowania płytek drukowanych}

Zweryfikujmy zmiany (dodanie do projektu informacji SchDoc bez błędów), klikając przycisk Validate Changes (Zatwierdź zmiany). Jeśli status wszystkich pozycji jest zielony, kliknijmy przycisk Execute Changes (Wykonaj zmiany). Aby zakończyć proces, zamknijmy to okno dialogowe.

Krok 4: Projektowanie stosu PCB

Po przesłaniu informacji ze schematu do pliku PcbDoc obok określonego konturu płytki zostaną wyświetlone footprinty podzespołów. Przed umieszczeniem podzespołów na płytce trzeba zdefiniować układ PCB (tj. kształt, stos warstw) za pomocą menedżera Layer Stackup Manager (Menedżer stosu warstw) pokazanego poniżej.

Osoby wkraczające dopiero w świat projektowania płytek PCB muszą wiedzieć, że większość nowoczesnych projektów zaczyna się od płytki 4-warstwowej na substracie FR4, chociaż w Altium Designer można zdefiniować dowolną liczbę warstw. Można również skorzystać z biblioteki Materials Stackup Library (Biblioteka stosów materiałów), gdzie do wyboru mamy szereg różnych laminatów i wyjątkowych materiałów na płytki.

_{Definiowanie stosu warstw w programie do projektowania płytek drukowanych}

Pracując przy projektach układów o dużej szybkości/wysokiej częstotliwości, można skorzystać z wbudowanego programu do profilowania impedancji, aby zapewnić kontrolowaną impedancję na płytce. Narzędzie do profilowania impedancji wykorzystuje wbudowany solver elektromagnetyczny firmy Simberian do dostosowywania geometrii ścieżek w celu uzyskania docelowej wartości impedancji.

_{Definiowanie profilu impedancji do prowadzenia ścieżek w projektach PCB o dużej szybkości}

Krok 5: Definiowanie reguł projektowych i wymogów DFM

Liczba kategorii reguł projektowych PCB jest ogromna i nie zawsze trzeba stosować wszystkie dostępne reguły do każdego projektu. Możemy wybrać/usunąć indywidualne reguły, klikając prawym przyciskiem myszy daną regułę na liście PCB Rules and Constraints Editor (Edytor reguł i ograniczeń PCB) widocznej poniżej.

_{Edytor PCB Rules and Constraints Editor (Edytor reguł i ograniczeń PCB) w Altium Designer}

Zastosowane reguły, zwłaszcza w odniesieniu do produkcji, powinny być zgodne ze specyfikacjami i tolerancjami wyposażenia danego producenta płytek PCB. Zaawansowane projekty, takie jak projekty z kontrolowaną impedancją oraz liczne projekty o dużej szybkości/wysokiej częstotliwości, mogą wymagać przestrzegania bardzo specyficznych reguł projektowych dla zapewnienia prawidłowego działania produktu. Zawsze należy sprawdzać takie reguły projektowe w arkuszach danych podzespołów. W razie potrzeby możemy utworzyć własne reguły, postępując zgodnie z instrukcjami kreatora Design Rule Wizard (Kreator reguł projektowych) w Altium Designer.

_{Kreator Design Rule Wizard (Kreator reguł projektowych) w Altium Designer}

Program do projektowania płytek drukowanych – Altium Designer traktuje takie niestandardowe reguły projektowe tak samo jak reguły wbudowane. W miarę umieszczania podzespołów, przelotek, wierconych otworów i ścieżek, ujednolicony silnik projektowy w Altium Designer automatycznie sprawdza zgodność rozmieszczenia elementów z tymi regułami i wyraźnie sygnalizuje ich naruszenie.

Krok 6: Rozmieszczenie podzespołów

Altium Designer zapewnia ogromną elastyczność i umożliwia szybkie umieszczenie podzespołów na płytce obwodu drukowanego. Można skorzystać z opcji automatycznego rozmieszczenia podzespołów albo zrobić to ręcznie. Można również skorzystać z obu opcji, co pozwala wykorzystać szybkość automatycznego rozmieszczania oraz zapewnić umieszczenie elementów na płytce zgodnie z wytycznymi dotyczącymi rozmieszczenia podzespołów. Zaawansowana funkcja dodana w najnowszej wersji Altium Designer umożliwia grupowanie podzespołów. Te grupy można zdefiniować w układzie PCB albo na schemacie, używając trybu Cross Select Mode (Tryb wyboru krzyżowego), który jest dostępny w menu Tools (Narzędzia).

_{Umieszczanie podzespołów w trybie Cross Select Mode (Tryb wyboru krzyżowego)}

Krok 7: Przygotowanie wierconych otworów

Przed poprowadzeniem ścieżek warto rozmieścić na płytce wiercone otwory (montażowe i przelotki). W przypadku skomplikowanych projektów podczas prowadzenia ścieżek może zajść konieczność zmodyfikowania przynajmniej niektórych lokalizacji przelotek. Można to bez problemu zrobić w oknie dialogowym Properties (Właściwości) pokazanym poniżej.

_{Okno dialogowe opcji wierconych otworów}

Określając swoje preferencje w tym miejscu, należy się kierować specyfikacjami DFM (Przygotowanie projektu do produkcji) producenta danej płytki PCB. Jeżeli wymogi DFM dotyczące płytki PCB zostały już zdefiniowane jako reguły projektowe (patrz Krok 5), Altium Designer będzie automatycznie sprawdzać te reguły w miarę umieszczania przelotek, otworów, padów i ścieżek w układzie. 

Krok 8: Poprowadzenie ścieżek

Po rozmieszczeniu podzespołów i elementów mechanicznych możemy przystąpić do prowadzenia ścieżek. Warto korzystać z dobrych wytycznych w zakresie prowadzenia ścieżek oraz używać narzędzi Altium Designer, które upraszczają ten proces, np. podświetlanie sieci i oznaczanie kolorem poprowadzenia przelotek, jak pokazano poniżej.

_{Oznaczanie kolorem poprowadzenia przelotek w programie do projektowania płytek drukowanych}

Altium Designer zawiera szereg ważnych narzędzi, które ułatwiają prowadzenie ścieżek i zapewniają lepszą wydajność. Mamy dostęp do wydajnych narzędzi do automatycznego i auto-interaktywnego prowadzenia ścieżek. Te narzędzia działają w wielu sieciach jednocześnie, co ułatwia prowadzenie dużej liczby ścieżek w tym samym czasie.

Krok 9: Dodanie etykiet i identyfikatorów

Po zweryfikowaniu układu płytki obwodu drukowanego czas na dodanie etykiet, identyfikatorów, oznaczeń, logo i innych symboli do płytki. Warto wykorzystać identyfikatory referencyjne dla podzespołów, ponieważ to ułatwi montaż płytki. Ponadto uwzględnijmy wskaźniki polaryzacji, oznaczenia styków 1 oraz inne etykiety, które pomogą zidentyfikować podzespoły i ich orientację. W przypadku logo i obrazków dobrze jest skonsultować się z producentem naszej płytki, aby mieć pewność, że zastosowana czcionka będzie czytelna.

_{Etykiety dodane do sitodruku}

Krok 10: Wygenerowanie plików projektu

Przed utworzeniem pakietu wynikowego dla producenta zawsze warto zweryfikować układ płytki drukowanej, wykonując sprawdzenie reguł projektowych (DRC). Altium Designer robi to automatycznie w miarę rozmieszczania podzespołów i prowadzenia ścieżek, ale nikt nie dozna krzywdy, jeśli jeszcze raz ręcznie uruchomimy procedurę DRC. Jeśli sprawdzenie nie wykaże błędów, możemy przygotować pakiet wynikowy dla producenta.

Gdy płytka pomyślnie przejdzie końcową kontrolę DRC, musimy wygenerować pliki projektu dla producenta. Powinny one zawierać wszystkie informacje oraz dane niezbędne do wytworzenia płytki, w tym wszelkie uwagi lub wymogi specjalne, żeby producent dokładnie wiedział, czego wymagamy. W przypadku większości producentów będzie można użyć zestawu plików Gerber, jak pokazano poniżej; jednak niektórzy producenci preferują inne formaty plików CAD.

_{Zestaw plików Gerber}

Postępowanie według kroków opisanych powyżej sprawi, że proces tworzenia kompleksowego projektu będzie tak prosty jak zliczenie do dziesięciu. Dzięki zastosowaniu takiego systematycznego podejścia wszystkie aspekty naszego projektu są uwzględniane całościowo w trakcie procesu, co minimalizuje konieczność ponownego śledzenia własnych kroków. 

Altium Designer to zaawansowany pakiet oprogramowania do projektowania i opracowywania płytek PCB, który daje nam do dyspozycji wiele narzędzi upraszczających wymagające zadania projektowania. Jednak przedstawione tu funkcje i możliwości to zaledwie przedsmak tego, co program ma do zaoferowania. Aby poznać te i inne opcje, samodzielnie przetestuj bezpłatną wersję próbną programu. Aby uzyskać więcej informacji na temat projektowania płytek obwodów drukowanych w programie Altium Designer, porozmawiaj z ekspertem Altium. Możesz również kontynuować swoją podróż poznawczą, słuchając podkastów Altium.