DFM w układzie Twojej PCB

Budowanie płytki oznacza dostosowanie się do procesu produkcyjnego dla wybranej konfiguracji warstw i materiałów. W pewnym momencie będziesz musiał zaprojektować połączenia na swojej płytce PCB, a nawet te mają określone wymagania mające na celu zapewnienie możliwości wyprodukowania. W tej części naszego intensywnego kursu DFM przyjrzymy się niektórym podstawowym ograniczeniom DFM dotyczącym elementów przewodzących na PCB, jak również opracowaniu warstw sitodruku/powłoki lutowniczej dla DFA.

Skuteczne DFM w układzie PCB zaczyna się od ustawienia reguł projektowych, aby uwzględnić ważne ograniczenia DFM. Poniżej przedstawione reguły DFM odzwierciedlają niektóre z współczesnych możliwości projektowych, które można znaleźć u większości producentów. Upewnij się, że limity, które ustalisz w swoich regułach projektowania PCB, nie naruszają tych ograniczeń, abyś mógł być pewien, że spełniasz większość standardowych ograniczeń projektowych.

Strategia układu PCB

Po dokonaniu wyboru materiałów, nadszedł czas, aby zagłębić się w szczegóły układu PCB. Chociaż indywidualne procesy pracy inżynierów mogą różnić się od projektanta do projektanta, istnieje szereg podstawowych rozważań projektowych, które wymagają precyzyjnych wymagań DFM, aby uznać płytę za w 100% gotową do produkcji. W następnych sekcjach dowiesz się szczegółów strategii planowania układu PCB, w tym specyfikacji SMT i przelotowych, dokumentacji sitodruku, zastosowań maski lutowniczej i nie tylko.

Wymagania dotyczące rozmiaru i odstępów przelotek

Profesjonalni projektanci używają wielowarstwowych PCB z trasowaniem na dwóch warstwach, co wymaga użycia przelotek. Przelotki są kluczowym elementem każdego projektu PCB i odpowiadają za przesyłanie prądu elektrycznego między warstwami. Projektując przelotki metalizowane, zaleca się utrzymanie stosunku aspektu 8:1 między średnicą otworu a długością przelotki. Poniższa tabela pokazuje zestaw standardowych rozmiarów wiertła (w milach):

Standardowe przelotki powinny zachowywać minimalne odstępy od sąsiednich przewodników. Wielkość odstępu będzie zależała od konkretnych możliwości produkcyjnych zakładu wykonującego płytki, jak również od potrzeby zachowania określonych odstępów wymaganych dla pewnych typów PCB (takich jak płytki wysokonapięciowe). Istnieje odstęp między przelotkami, który ogranicza dozwoloną gęstość przelotek, przy typowych odstępach ścianki otworu wiertniczego od ścianki otworu wiertniczego mogących wynosić nawet 10 mils. Te wymagania ograniczą, jak gęsto można prowadzić połączenia między warstwami, jak również gęstość przelotek łączących, gdy łączy się płaszczyzny lub poligony.

Przelotowe czy SMD?

Wybór komponentów przewlekanych lub urządzeń montowanych powierzchniowo (SMD) będzie miał bezpośredni wpływ na całkowite koszty i czas produkcji. Zaleca się stosowanie SMD w nowoczesnych projektach płytek, ponieważ przekłada się to na szybsze realizacje projektów i wyższą niezawodność. Większość komponentów, które mogą być potrzebne do nowoczesnego projektu, jest produkowana jako komponenty SMD. Pewnymi wyjątkami są złącza, które często dostępne są zarówno w wersji SMD, jak i przewlekanej. Aby utrzymać niższe koszty produkcji w projekcie i zapewnić minimalną liczbę przelotów lutowniczych, pożądane jest, aby montaż odbywał się tylko na jednej warstwie, nawet w przypadkach, gdy oba typy komponentów są mieszane w tym samym projekcie.

Pierścienie Annularne

Pierścień annularny jest zazwyczaj definiowany jako różnica między pożądaną średnicą pada a odpowiadającą jej średnicą wiercenia, chociaż nie jest to całkowicie poprawne. Klasyczna definicja, którą właśnie przytoczyłem, odnosi się do pada lądowania na via. Rzeczywistość jest taka, że pierścień annularny różni się od rozmiaru pada lądowania via; odnosi się do pozostałego pierścienia miedzi wokół wywierconego otworu po tym, jak otwór zostanie wywiercony, wytrawiony i pokryty miedzią. Wiertło nie zawsze trafia idealnie w środek pada z powodu błądzenia podczas produkcji. Skutkiem tego wiertło może być nieco przesunięte względem centrum i pozostawić pewną ilość miedzi wokół otworu via.

Na powyższym obrazie możemy zobaczyć, że szerokość pierścienia anulującego dla idealnie wykonanego przelotu powinna być zgodna z następującym wzorem:

Szerokość pierścienia anulującego = (Średnica pada – Średnica otworu) / 2

Aby zapewnić zgodność płyty z standardami niezawodności IPC, średnica pada powinna być o 8 mils (klasa IPC 2) lub 10 mils (klasa IPC 3) większa niż średnica otworu przelotowego. Jest to konserwatywny limit, który zapewni, że wokół gotowego przelotu prawie zawsze będzie jakiś pierścień anulujący.

• Dowiedz się więcej o projektowaniu przelotów o wysokiej niezawodności w układzie PCB.

Stosunek Aspektu Przelotu

Stosunek aspektu przelotu to stosunek między głębokością przelotu a średnicą wywierconego otworu (po nałożeniu powłoki). Stosunek aspektu przelotów powinien być na tyle niski, aby zapewnić wysoką wydajność fabrykacji tych struktur. Dla bardziej zaawansowanych projektów, takich jak płytki PCB HDI wykorzystujące mikroprzeloty, limit stosunku aspektu może być bardzo mały, osiągając 1:1 lub mniejszy. Upewnij się, że sprawdziłeś możliwości swojego producenta, zanim zaczniesz dodawać przeloty do układu PCB. Możesz ustawić limity rozmiarów przelotów w zasadach projektowania PCB.

Przeloty w Padzie i Mikroprzeloty

Gdy gęstość połączeń staje się bardzo wysoka, na przykład w BGA o małym rozstawie, możliwe jest umieszczenie przelotki bezpośrednio w padzie lądowania komponentu. Projektowanie z przelotką w padzie (via-in-pad) umożliwia bliskie rozmieszczenie komponentów, ponieważ przelotki nie muszą być umieszczane w pewnej odległości od ich łączącego pada. Projekty via-in-pad wymagają wypełnienia przelotki przewodzącym lub nieprzewodzącym epoksydem, a następnie zakrycia i pokrycia metalizacją, aby chronić wnętrze struktury przelotki.

Przelotki w padzie stosuje się w przypadku przelotek przez otwory, gdy wiercenie mechaniczne jest jeszcze możliwe, co może być ograniczone do rozmiarów tak małych jak 8 mils. Gdy gęstość komponentów jest ekstremalnie wysoka, potrzebne są techniki projektowania HDI, aby nawiązać połączenia z warstwami wewnętrznymi. Jest to bardziej zaawansowany temat, który jest omówiony w naszych innych eBookach.

Czy przelotki powinny być zabezpieczone (tented)?

Via zabezpieczona to standardowe via, której warstwy powierzchniowe są pokryte maską lutowniczą, tak że miedź nie jest odsłonięta. Typowo definiuje się małe via (12 mils lub mniej) jako zabezpieczone. Większe via mogą wymagać zastosowania nakładki i wypełnienia, zanim będą mogły być zabezpieczone maską lutowniczą. Via są zabezpieczane z różnych powodów, i jest to dobry pomysł, aby je zabezpieczyć, gdy znajdują się bardzo blisko padów lądowania na komponentach SMD. Poniższy przykład pokazuje jedną sytuację, gdy konieczne jest zastosowanie zabezpieczenia ze względu na bliskość między via a grupą padów lutowniczych na komponencie SMD. W tym przypadku, gdyby via nie były zabezpieczone, możliwe jest, że lut przesiąknie przez nie na tył płytki, co może spowodować zwarcie.

Chociaż istnieją obawy związane z montażem, może być powód, aby pozostawić via niezabezpieczone. Na przykład, jeśli konkretne via jest pożądane do użycia jako punkt testowy, wówczas musi być dostępne za pomocą sondy, więc maska lutownicza będzie musiała zostać usunięta z tego via. Testowanie zostanie omówione bardziej w następnym rozdziale tej serii.

• Dowiedz się więcej o zabezpieczaniu via

Ślepe i pogrzebane via

Podobnie jak w przypadku otworów przelotowych, ślepe i/lub zakopane przelotki (BBV) są otworami, które łączą jedną lub więcej warstw. W tym procesie, ślepa przelotka łączy warstwę zewnętrzną z jedną lub więcej warstwami wewnętrznymi, ale nie z obiema warstwami zewnętrznymi, a zakopana przelotka łączy jedną lub więcej warstw wewnętrznych, ale nie z warstwą zewnętrzną. Poniższy obraz przedstawia przykładowy przekrój poprzeczny płytka PCB o 6 warstwach ze ślepymi i zakopanymi przelotkami:

Nie zakładaj, że twój producent będzie w stanie wyprodukować każdą możliwą kombinację ślepych i zakopanych przelotek. Mechanicznie wiercone i laserowo wiercone ślepe oraz zakopane przelotki muszą być umieszczone w określonych warstwach, aby zapewnić udaną fabrykację, nie mogą być umieszczane na dowolnych parach warstw. Upewnij się, że najpierw skontaktujesz się z zakładem produkcyjnym i uzyskasz wskazówki dotyczące stosowania ślepych i zakopanych przelotek w układzie PCB.

Zwężanie ścieżki

W niektórych przypadkach konieczne jest zwężenie ścieżki, aby móc poprowadzić ją do miejsca lądowania komponentu. Zwężona ścieżka (czasami nazywana zwężeniem) łączy się z padem i biegnie co najmniej 0,010” od pada, zanim rozszerzy się do większej szerokości ścieżki.

Dla ścieżek o kontrolowanej impedancji, takich jak te potrzebne w projektach wysokich prędkości, zastosowanie zwężania jest zazwyczaj złym pomysłem, ponieważ powoduje to odchylenie impedancji. Zamiast tego, użyj cieńszych warstw, jeśli musisz utrzymać mniejszą szerokość. Komponenty dla tych projektów będą miały tendencję do posiadania mniejszych padów lądowania, więc nie będą potrzebować zwężania, jeśli stos warstw i ścieżki są odpowiednio dobrane.

Umieszczanie i orientacja komponentów

Mając ustalone preferowane typy komponentów, nadszedł czas, aby zdecydować, jak efektywnie umieścić i zorientować te części na płytce. Proces ten będzie miał duży wpływ na sposób wykorzystania dostępnej przestrzeni na układzie płytki i może być jednym z najbardziej wymagających etapów w procesie projektowania. Poniżej znajdziesz konkretne zalecenia, jak zoptymalizować rozmieszczenie komponentów, aby było zarówno wykonalne produkcyjnie, jak i zdolne do spełnienia konkretnych wymagań projektowych.

Przed przejściem do szczegółów dotyczących rozmieszczania i orientacji komponentów, należy mieć na uwadze kilka ogólnych wytycznych:

• Orientuj komponenty z I/O i podobnymi obrysami w tym samym kierunku.
• Staraj się umieszczać wszystkie komponenty SMT po tej samej stronie płytki, a wszystkie komponenty przewlekane (jeśli mieszane) po stronie górnej płytki.
• Gdy masz komponenty mieszanej technologii (SMT i PTH), producenci mogą wymagać dodatkowego procesu lutowania do umieszczenia komponentów na dolnej stronie.
• Powinieneś zakończyć wszystkie lądy tylko jedną ścieżką.
• Gdy określisz układ scalony pod urządzeniem, może to utrudnić inspekcje, naprawy i testy.
• Wszystkie komponenty używane po stronie lutowanej fali montażu powinny najpierw zostać zatwierdzone przez producenta do zanurzenia w kąpieli lutowniczej.

Z przedstawionymi informacjami w tym rozdziale, jesteś teraz dobrze przygotowany do rozpoczęcia procesu umieszczania i orientacji komponentów, aby spełnić podstawowe wymagania produkcyjne. Teraz, gdy Twój projekt jest już na dobrej drodze do zakończenia, nadszedł czas, aby sfinalizować proces układania płytki przez konfigurację wymagań dotyczących punktów testowych w następnym rozdziale.

• Przejdź do części 4: Porządkowanie płytki i wymagania dotyczące testowania

. Gdy będziesz gotowy, aby rozpocząć projektowanie i chcesz upewnić się, że spełniasz wszystkie wymagania DFM dla układu PCB, użyj funkcji projektowania i układu w Altium Designer®. Gdy Twój projekt będzie gotowy do szczegółowej recenzji projektu i produkcji, Twój zespół może dzielić się nim i współpracować w czasie rzeczywistym za pośrednictwem platformy Altium 365™. Zespoły projektowe mogą używać Altium 365 do udostępniania danych produkcyjnych, plików projektowych i recenzji projektów przez bezpieczną platformę chmurową oraz w Altium Designer.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.