Projektowanie pod kątem prototypowania ręcznego i zrzucenie wszelkich ograniczeń

Termin "prototypowanie ręczne" może oznaczać kilka różnych rzeczy. Może to być odniesienie do domowej fabrykacji i montażu PCB, łączenia modułów w mały system, lub po prostu ręcznego montażu prostego prototypu. Jeśli budujesz jeden ze swoich pierwszych projektów, możliwe, że będziesz chciał przeprowadzić proces montażu własnoręcznie. Co więcej, niektórzy początkujący projektanci będą chcieli wytrawić własne płytki przy użyciu domowej metody z roztworem chlorku żelazowego.

Ogólnie, decyzja o wykonaniu jakiegokolwiek prototypowania ręcznego dla PCB sprowadza się do kosztów. Prawdą jest, że robienie rzeczy samodzielnie redukuje koszty w kategoriach pieniężnych, ale wymaga czasu i wysiłku, aby prawidłowo zmontować coś. Niezależnie od tego, co zdecydujesz się zrobić ze swoimi prototypami, istnieją proste kroki, aby zapewnić, że uzyskasz największe korzyści z czasu spędzonego na ręcznym budowaniu prototypów.

Przydatne wskazówki podczas projektowania pod kątem prototypowania ręcznego

Poniższe wskazówki powinny pomóc zapewnić, że Twój projekt prototypu będzie łatwy do zmontowania i skonfigurowania po umieszczeniu wszystkich komponentów.

1. Zdobądź odpowiedni sprzęt

Po pierwsze, potrzebujesz odpowiedniego sprzętu, jeśli chcesz ręcznie lutować cokolwiek do swojego prototypowego PCB. Ręczny montaż za pomocą lutownicy lub pistoletu z gorącym powietrzem to obie odpowiednie opcje, albo możesz pójść ścieżką Marka Harrisa i zbudować własny piekarnik do lutowania reflow. Oto krótka lista zakupów:

• Stacja lutownicza z wieloma końcówkami (takie jak JBC lub Weller)
• Pistolet z gorącym powietrzem do SMT lub poprawek
• Drut lutowniczy i pasta lutownicza
• Fluks lutowniczy, rozpuszczalny w strzykawce lub w pisaku
• Wicka do desolderingu dla poprawek
• Środek czyszczący (alkohol izopropylowy)
• Dobry zestaw pęset do małych komponentów SMD

To nie jest wyczerpująca lista tego, co będziesz potrzebować w swoim laboratorium, ale to, co będziesz potrzebować, aby zacząć ręczny montaż swoich płyt.

2. Użyj odpowiedniego rozmiaru komponentów SMD dla elementów pasywnych

Wiele ręcznych prototypów będzie korzystać wyłącznie z komponentów przewlekanych, ponieważ są one łatwe do obsługi i montażu ręcznego. Jednakże, jeśli chcesz zrobić cokolwiek z bardziej nowoczesnymi komponentami cyfrowymi, musisz użyć komponentów SMD, ponieważ są one standardowym opakowaniem dla bardziej zaawansowanych urządzeń. Znajdziesz również wiele złącz, elementów pasywnych i komponentów zasilających dostępnych jako komponenty SMD.

Dla elementów pasywnych, pasywne komponenty SMD są dostępne w wielu rozmiarach, przy czym najmniejszym jest 0201 (20 mil na 10 mil) a największym 2512. Pasywne elementy 0201 są bardzo trudne do ręcznego lutowania, i nie zdziw się, jeśli przypadkowo zgubisz niektóre z tych komponentów za swoim stołem laboratoryjnym. Ponadto, mniejsze komponenty SMD są bardzo łatwe do pomylenia; nie zdziw się, jeśli przypadkowo zamienisz rezystory SMD o tej samej wielkości obudowy, ale o różnych wartościach rezystancji.

Nie wybieraj zbyt małych rozmiarów.

Myślę, że warto poświęcić trochę czasu, aby zobaczyć, z jakimi rozmiarami pasywnych elementów SMD czujesz się komfortowo, umieszczając je i lutowając ręcznie. W miarę jak twoje komponenty SMD będą mniejsze, nie będziesz miał luksusu używania lutownicy do ich lutowania, po prostu dlatego, że są zbyt małe; lepiej jest użyć gorącego powietrza. Jeśli musisz użyć lutownicy, to dobrym pomysłem jest zrobienie dłuższych padów SMD, abyś mógł dotrzeć do nich drutem lutowniczym i lutownicą.

3. Unikaj pakietów Ball Grid Array (BGA), jeśli to możliwe

Lutowanie komponentów o małym rozstawie, takich jak QFPs czy TSOPs, może być trudne, ale jest zdecydowanie możliwe z użyciem lutownicy, i jest znacznie łatwiejsze z użyciem gorącego powietrza lub małego piekarnika/płyty grzewczej. Pakiety BGA nie mogą być lutowane lutownicą, po prostu dlatego, że nie będziesz miał sposobu, aby dotrzeć do wszystkich padów pod komponentem. Zamiast tego będziesz musiał użyć gorącego powietrza do tych komponentów.

Inny problem związany z BGA podczas ręcznego prototypowania dotyczy inspekcji. Te komponenty zazwyczaj są sprawdzane za pomocą systemu inspekcji rentgenowskiej, ponieważ umożliwia to bezpośrednią wizualizację kulek pod obudową BGA. Jeśli pojawi się problem z prototypem, trudniej będzie zdiagnozować, czy problem wynika z wady montażu, czy z innego problemu w systemie.

Obudowa BGA - nie najprzyjaźniejsza dla ręcznego prototypowania.

Mimo to, nadal możesz badać połączenia BGA od spodu płytki, pod warunkiem, że użyjesz przelotek dla rozprowadzenia BGA. Upewnij się, że nie zakrywasz dolnej warstwy, jeśli chcesz mieć dostęp do tych połączeń BGA za pomocą sondy multimetru jako części swojej inspekcji. To jeden ze sposobów na sprawdzenie, czy nie ma zwartych padów w twoim BGA, chociaż zajmie to dużo czasu ze względu na dużą liczbę połączeń, które zwykle znajdują się na BGA. Z tych powodów, najlepiej może być unikać BGA na twojej płytce prototypowej i wybrać alternatywne obudowy z wyprowadzeniami, takie jak QFP.

4. Użyj ulg termicznych

Będą miejsca, w których próbujesz nałożyć lut i utworzyć połączenie za pomocą lutownicy lub pistoletu grzewczego. Problem polega na tym, że płyta może nie mieć jednolitej temperatury na całej swojej powierzchni, a ciepło będzie opuszczać pady, jeśli są one połączone z płaszczyzną lub dużym obszarem miedzi. Skutkiem tego jest to, że lutownica lub pistolet grzewczy może wymagać ustawienia na bardzo wysoką temperaturę tylko po to, aby zlutować pojedynczy pad, co zwiększa ryzyko uszkodzenia płyty lub komponentów.

Jeśli nie masz dobrej płyty grzewczej do lutowania lub piekarnika, można temu zapobiec poprzez użycie ulga termicznych. Umieszczenie ulg termicznych na niektórych padach pomoże zapobiec migracji ciepła do dużych obszarów miedzi, dzięki czemu będziesz mógł łatwiej utworzyć połączenie lutownicze na komponencie przy niższej stosowanej temperaturze.

5. Wykorzystaj punkty testowe, zworki i mostki lutownicze

Celem wielu prototypów jest przetestowanie jak największej liczby funkcji twojej płytki. Oznacza to, że będziesz chciał uczynić niektóre części układu PCB konfigurowalnymi. Jednym ze sposobów na to jest użycie punktów testowych, mostków lutowniczych i zworków. Te komponenty pozwalają na tworzenie lub rozłączanie połączeń, sondowanie wartości elektrycznych, dokonywanie pomiarów, a nawet mierzenie sygnałów za pomocą oscyloskopu. Dzięki odpowiednio wymiarowanemu mostkowi lutowniczemu w układzie PCB, możesz nawet lutować małe komponenty SMD w liniach sygnałowych w razie potrzeby.

6. Wyprowadź dodatkowe wejścia/wyjścia do złącz pinowych

Drugą częścią budowy prototypu jest tworzenie połączeń z innymi systemami lub dostęp do I/O w celu połączenia z innymi produktami rozwojowymi. Dlatego dobrym pomysłem jest doprowadzenie wszystkich dodatkowych I/O do złącz pinowych. Mając dostęp do I/O na złączach pinowych, możesz realizować prototypowanie oparte na aplikacjach, jak również prototypowanie oparte na płytce. Możesz również połączyć się z zewnętrznymi komponentami, takimi jak czujniki, małe silniki, diody LED, przyciski, moduły programowania lub cokolwiek innego, co przyjdzie Ci do głowy. Zazwyczaj będą to I/O o niskiej prędkości, więc możesz użyć prostego złącza pinowego przelotowego, aby dokonać tych połączeń. Polecam umieszczenie rezystora SMD 22 Ohm na liniach wejściowych I/O w pobliżu złącza pinowego, aby nieco spowolnić te sygnały, co zmniejszy EMI.

Kiedy potrzebujesz oprogramowania do projektowania PCB, które skaluje się do małych rozmiarów cech i pomaga przygotować wysokiej jakości prototypową płytę obwodu drukowanego do montażu ręcznego, użyj kompletnego zestawu funkcji CAD w Altium Designer^®. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał udostępnić pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.