Jak zarządzać bibliotekami ECAD dla spójnego projektowania układów PCB

Nic tak nie boli, jak zrobienie wszystkiego dobrze w projekcie sprzętu, tylko po to, by płyta zawiodła z powodu jednego footprintu. Przeszedłem przez to, więc nie powtarzaj moich błędów. Naucz się zarządzać bibliotekami ECAD, aby zapewnić spójność projektowania układów PCB.

Kluczowe wnioski

• Jedna niepasująca stopka może kosztować tygodnie opóźnienia, 20 000 dolarów straconej produkcji i relację z klientem. Nawet drobne przeoczenia mogą zniszczyć zaufanie i harmonogramy.
• Brak organizacji i struktury w bibliotekach ECAD należą do głównych przyczyn awarii PCB. Standardowe procesy i dane komponentów są niezbędne.
• Silny opis komponentu jest bardziej wartościowy niż numer części, ponieważ zapewnia śledzenie, upraszcza wymianę i zapobiega kosztownym przeprojektowaniom, gdy części stają się przestarzałe.
• Niezawodny projekt PCB opiera się na pięciu filarach: symbolach schematycznych, danych komponentów, symulacji, modelach 3D i wzorze lądowania.
• Symulacja, kontrole kolizji 3D i zgodne z IPC footprinty zapobiegają błędom w dalszej części procesu, które są drogie lub niemożliwe do naprawienia po fabrykacji.
• Dyscyplinowany system zarządzania biblioteką zamienia chaos w niezawodność. Proces nie spowalnia. Błędy spowalniają.

Footprint za 20 tysięcy dolarów

Na początku mojej kariery jako freelancer, szybko się poruszałem, chcąc udowodnić swoją wartość nowemu klientowi. Projekt był gotowy, produkcja przebiegła bez problemów, a wszystkie części były na stanie. Dwa tygodnie później, gdy rozpoczęto montaż, otrzymałem email, który sprawił, że zrobiło mi się słabo: „Pauza w produkcji – komponent PCB nie może zostać zamontowany.”

Byłem przekonany, że to musi być problem z numerem części. Sprawdziłem BOM, schemat i układ płytki. Wszystko wyglądało dobrze. Aż do momentu, gdy przestało.

Jedno obudowa miała złe rozmieszczenie wyprowadzeń. Podczas projektowania zamieniłem je na czas testów i zapomniałem zsynchronizować z powrotem ze schematem. To jedno małe niedopatrzenie zatrzymało produkcję.

Rezultat? Strata 332 dolarów na pięciu testowych płytkach, sześciotygodniowe opóźnienie i utracony kontrakt produkcyjny na 20 tys. dolarów. Zaufanie klienta – stracone. Nie zdążyli na termin i wybrali innego projektanta do pracy nad układem. Kolega, który mnie polecił, pozostał uprzejmy, ale nigdy nie dostałem już żadnego projektu od tej firmy.

Było brutalnie, ale to również najważniejsza lekcja mojej kariery. Nawet najlepsi inżynierowie popełniają błędy, gdy brakuje im struktury. Nie miałem listy kontrolnej, brak było standaryzacji, miałem tylko to, co było w mojej głowie. To musiało się zmienić.

Oto główna zasada, której się nauczyłem:

Zachowuj minimalne, niezbędne dane dla każdej części w swojej bibliotece. Dla kupujących najważniejszym polem jest Numer Części Producenta (MPN). Ale dla projektantów, to opis komponentu.

Dlaczego? Ponieważ MPN-y mają znaczenie tylko przy kupowaniu części i szybko się starzeją. Nauczyłem się tego na własnej skórze, że po zaledwie kilku latach, możesz stracić dostęp do informacji o części, dostawcach, a nawet producencie. Bez opisu, musisz rozszyfrować stare schematy, aby określić, czym była część, lub co gorsza, przeprojektować tę sekcję płytki.

Szczegółowy opis komponentu działa jako zabezpieczenie. Podsumowuje kartę katalogową, definiuje kluczowe cechy i pozwala szybko znaleźć równoważne, aktywne części u różnych dostawców. Dlatego doświadczeni inżynierowie zawsze zapisują karty katalogowe, nawet dla kondensatorów. Wiedzą, że części staną się przestarzałe, a czas spędzony na poszukiwaniu zamienników to strata produktywności.

Więc nie, nie powinno być „normalne”, aby spędzać połowę swojego czasu na poszukiwaniu informacji o częściach. Dlatego teraz polegam na narzędziach do zarządzania BOM i standaryzowanym procesie, aby każdy komponent był śledzalny, wymienialny i gotowy do produkcji. W następnej sekcji opowiem o tym systemie, dzięki któremu nigdy więcej nie straciłem klienta przez nieporządek.

Możesz myśleć, „Jesteśmy małą firmą; proces nas spowolni”. Ja też tak myślałem. Ale jak pokazuje moja historia, nawet jednoosobowy zespół może coś przeoczyć, gdy nie szanuje się własnego procesu, co odkrywa się tygodnie później podczas montażu.

Jedno miejsce montażowe może zrujnować harmonogram. Jeśli część nie może być zamontowana, montaż się zatrzymuje. Wtedy pozostaje lutowanie ręczne, co jest brutalne dla płyty o wysokiej gęstości elementów.

Dzielę się wewnętrznym procesem, który trzymałem w głowie, abyście nie powtarzali moich błędów ani nie kosztowali tego klienta. Nie możesz czekać, aż „wyrosniesz” na proces. Mniejsze zespoły mają mniejszy bufor. Odrobina rygoru na część oszczędza tygodnie pracy, dziesiątki tysięcy dolarów i chroni przyszłe sprzedaże, przepływ gotówki i firmę.

Proces nie spowalnia cię. Błędy tak.

Więc co z tego wynika? Utrzymuj szczegółowy opis komponentu, aby część mogła być odtworzona daleko w przyszłości, i sprawdzaj obrysy podwójnie, a nawet poczwórnie.

Dlaczego biblioteki części psują całe wprowadzenia produktów na rynek?

Najczęstsze problemy z bibliotekami części to:

Rekordy tylko z numerem producenta (bez pól opisowych)

Naprawdę boli, gdy rekord ma tylko numer części producenta i nic, co pozwala zidentyfikować część.

Numery MPN stają się przestarzałe, i nie wszyscy producenci będą prowadzić rejestry przestarzałości starych MPN. Firmy również są przejmowane, a stare rekordy z czasem giną, szczególnie w produktach o długim cyklu życia, takich jak systemy lotnicze. Kiedy masz tylko numer części, informacje, które były online przez lata, mogą nagle zniknąć dzisiaj.

Jednodostawcze BOMy, martwe punkty cyklu życia

W zeszłym tygodniu złożyłem BOM dla klienta. Układ i sprawdzenia Gerbera były w porządku, ale części nie były na stanie, niektóre były niedostatecznie zaopatrzone (<1–2k jednostek), i nie było dostawców zastępczych. W starszych projektach, inżynierowie mieli ponad osiem źródeł i alternatywy. Wszystko przebiegało płynnie.

Kupujący często muszą polegać na więcej niż jednym źródle, co oznacza, że inżynierowie muszą dostarczać alternatywne opcje dostawców w BOM. W przeciwnym razie montaż zostaje opóźniony, a projektant musi poświęcić dodatkowy czas na przeszukiwanie stron dystrybutorów w poszukiwaniu zapasów.

Ramka: 5 filarów solidnego komponentu

Skoro już wiadomo, że doskonała biblioteka PCB jest niezbędna, jak możemy zapobiec tym problemom? Oto solidna ramka, której można użyć w projektowaniu i produkcji sprzętu. Istnieje pięć kluczowych elementów, które każde urządzenie/komponent musi mieć w twojej bibliotece części. Wprowadź je do swojej bazy danych i nigdy ich nie pomijaj. Dodaj cokolwiek innego chcesz, ale zawsze uwzględniaj te.

W bibliotekach ECAD, modelujemy cyfrowy odpowiednik tego fizycznego urządzenia w naszym oprogramowaniu do projektowania. Aby to zrobić prawidłowo, musimy pokazać:

Właściwości produktu

• Informacje o części: dostępność, cena, minimalna ilość zamówienia, opis i więcej.
• Funkcjonalność elektryczna: Modele symulacyjne (takie jak SPICE, IBIS itp.) do przewidywania zachowania w różnych warunkach przed wydaniem pieniędzy na budowy i testy. Często pomijane w pośpiesznych cyklach, gdy wydaje się, że ręczne obliczenia i karty katalogowe są wystarczające.
• Model 3D: Reprezentacja 3D urządzenia pokazująca wysokość, rozmiar i kształt, co jest ważne dla pokazania umieszczenia PCB w obudowie.
• Interfejs PCB: Obszar na PCB, na którym umieszczany jest element, ślad PCB, aby pasował do rzeczywistego fizycznego elementu.

Filar 1 - Symbol Schematyczny

Symbol schematyczny to koncepcyjna reprezentacja części. Przekazuje, jak część działa, w tym piny, nazwy pinów i standardowe konwencje symboli.

Poprawna reprezentacja wizualna ma znaczenie, więc nie używaj generycznych pudełek. Na przykład, dla rezystora, użyj właściwego symbolu rezystora, a nie pudełka.

Filar 2 - Informacje o Komponencie

To jest najważniejsza część każdego urządzenia, ponieważ definiuje wszystko inne. Bez danych części nie można jej kupić ani zbudować. Każda część potrzebuje następujących informacji:

Opis Komponentu

To identyfikuje część w twojej bazie danych i jest najszybszym sposobem na zapewnienie szerokiej możliwości wyszukiwania na podstawie specyfikacji. Używanie tylko numeru części producenta jako opisu komponentu nie jest praktyczne, ponieważ nie umożliwia wyszukiwania według specyfikacji. Lepiej jest użyć skróconego opisu z kilkoma kluczowymi specyfikacjami. Przykład: zamiast LTST-C193TBKT-5A, użyj LED NIEBIESKI PRZEZROCZYSTY CHIP SMD.

Ale posuńmy się jeszcze dalej. Oto moja konwencja nazewnictwa:

Długa forma (kanoniczna):

LED NIEBIESKI 470NM PRZEZROCZYSTY DO SYGNALIZACJI DISCRETE 2.8V 0603 (1608 METRYCZNY) SMD

Średnia (przyjazna dla ERP):

LED NIEBIESKI 470NM PRZEZROCZYSTY 2.8V 0603 (1608 METRYCZNY)

Ultra-krótka (etykieta/pozycja):

LED NIEBIESKI 470NM 0603

Wybrałbym opcję 2, wersję Średnia (przyjazna dla ERP).

Opis Komponentu

Opis komponentu zawiera funkcję, kluczowe parametry i typ obudowy. "Prosta dioda LED" nie jest po prostu prosta. Uchwyć te szczegóły, aby była identyfikowalna i użyteczna.

Dokładne opisy części umożliwiają świadome wymiany. Dla diody LED potrzebne są dane takie jak napięcie/prąd przewodzenia i jasność (ocena mcd). Nazwa typu „LED NIEBIESKI PRZEJRZYSTY CHIP SMD” sprawdza się jako nazwa części, ale nie jako pełny opis. Nie pomoże Ci znaleźć zamiennika bez karty katalogowej.

Lepszy opis to: „Niebieska dioda LED 470nm do sygnalizacji – dyskretna 2,8V 0603 (1608 metryczna)”. Zawiera bezpośrednio napięcie przewodzenia, długość fali i rozmiar obudowy, co jest wystarczającą ilością informacji, aby szybko znaleźć podobną część za pomocą prostego wyszukiwania słów kluczowych.

Porównaj to ze słabym opisem typu „Niebieska dioda LED SMD”. Nie mówi nic o napięciu przewodzenia, luminancji, dokładnym rozmiarze obudowy itp. To zmusza Cię do otwarcia karty katalogowej tego MPN, znalezienia podstawowych specyfikacji elektrycznych i porównania ich z wymaganiami inżynieryjnymi lub projektem na schemacie. 30 minut na jedną diodę LED. Przeskaluj to do 40 części w specyfikacji BOM zawierającej 200 pozycji, a stracone godziny (i koszty) są oczywiste.

Karta katalogowa

Jedyną rzeczą bardziej wartościową niż opis części jest karta katalogowa. Zapisuj karty katalogowe dla każdej używanej części, ponieważ producenci często zmieniają linki. Zachowaj lokalną kopię i połącz ją z urządzeniem, a także zapisz link do portalu internetowego jako pole części.

Myśl o hierarchii w ten sposób:

• Nazwa komponentu: najwyższy poziom skrótu do znalezienia części.
• Szczegółowy opis: jeden poziom niżej; zwięzła abstrakcja karty katalogowej.
• Karta katalogowa: źródło prawdy.

Cel nazwy części to pomoc w dokładnym dotarciu do potrzebnej części. Może być wystarczająca do wymiany lub odtworzenia części, ale nie musi. Kiedy opis zawiera wystarczająco dużo szczegółów, aby znaleźć nową część, tym lepiej.

Numer części producenta

Numer części producenta jest obowiązkowy, nawet jeśli masz opis części. Niektórzy producenci używają podobnych numerów części lub ogólnych rodzin numerów części (np. logika serii 7400, komponenty serii LM3xx itp.), więc numer części musi być dokładny, ponieważ odpowiada konkretnemu opakowaniu, obrysowi i specyfikacjom elektrycznym.

Nazwa producenta

Aby uniknąć jakichkolwiek nieporozumień podczas szukania części, ważne jest, aby zawsze mieć poprawną nazwę producenta. Jest to również pomocne, jeśli planujesz zamówić niektóre części bezpośrednio z witryny internetowej producenta.

Dostawcy

Dobrym pomysłem jest wymienienie przynajmniej jednego dostawcy. Większość producentów sprzedaje poprzez dystrybutorów franczyzowych (np. Digi-Key, Mouser, Avnet, Newark). Użyj Octopart, aby zobaczyć dostępnych dostawców i opcje dostawy do Twoich drzwi lub do zakładu montażowego.

Filar 3 - Symulacja (Gdy jest potrzebna)

Gdy liczy się wydajność w czasie rzeczywistym i potrzebujesz projektu poprawnego za pierwszym razem, symulacja na poziomie obwodów i układu zapewnia dobre porównanie dla wyników testów i pomaga wyłapać proste problemy na wczesnym etapie.

Co więc możemy zrobić, aby symulować nasze części?

• Modele SPICE, dla podstawowej operacji obwodu, analizy awarii, szczególnie w elektronice mocy.
• Modele IBIS, do symulacji i analizy wysokich prędkości w celu wykrycia problemów z impedancją z wyprzedzeniem. Używane dla czasów narastania i częstotliwości płytek około 1 GHz i wyżej. Praktycznie obowiązkowe dla cyfrowych sygnałów wysokiej prędkości (DDR, PCIe Gen 3/4/5, USB 3.2). Dla wszystkiego w pobliżu ~10 GT/s i wyżej, symuluj z użyciem IBIS, aby zweryfikować przed testowaniem. Pamiętaj, że wyniki mogą się różnić w zależności od materiału dielektrycznego PCB.

Filar 4 - Model 3D/MCAD

Wiele produktów ma ścisłe tolerancje w obudowach mechanicznych, więc każdy milimetr w osiach X, Y i Z ma znaczenie. Używając kontroli kolizji 3D z obudową, problem z interferencją można zlokalizować przed zbudowaniem jakichkolwiek prototypowych zespołów.

Nawet w 2021 roku nie było rzadkością pracowanie tylko z obrysami, ale jeśli zmierzasz do produkcji, dołącz modele 3D i przeprowadź testy kolizji. Jeśli część nie może być umieszczona na PCB, nie masz produktu. Część istnieje poza PCB. Typowe formaty 3D to STEP (AP224, AP214 itd.). Zbieraj te modele i trzymaj je w porządku.

Filar 5 - Wzór lądowania na PCB

Musimy umieścić część na PCB. Wzór lądowania określa miedziane pady, gdzie komponent zostanie przylutowany. Istnieje zalecany przez producenta wzór lądowania oraz realistyczny wzór lądowania, który zależy od gęstości układu PCB, jak określono w standardach IPC. Opcje takie jak Najmniejsze, Nominalne i Największe warunki materiałowe w IPC-7351/7352 mają na celu zrównoważenie odstępów między pinami komponentów z potrzebą utworzenia wystarczająco dużego filetu lutowniczego.

Z uwagi na jego znaczenie, oto co zawsze sprawdzam w przypadku śladów.

Lista kontrolna śladu PCB

• Polarność pinu-1
• Zaznaczony procent redukcji pasty (obecnie standardem jest 0%. Producent zmieni to)
• Dziedziniec
• Wymienione wymiary padów (oszczędza to każdemu inżynierowi ręcznego robienia tego za każdym razem)
• Uzasadnienie Najwięcej/Nominalnie/Najmniej
• Regiony zakazu

Jest więcej spraw do sprawdzenia, ale te są najważniejsze. Nie chcesz odkryć podczas projektowania, że część pozostawia zbyt mało miejsca na PCB o wysokiej gęstości. Będziesz musiał to zmienić lub znaleźć odpowiedni ślad lub część tak czy inaczej. Zrób to teraz, albo zrób podwójną pracę później.

Zakończenie i mocne zalecenie

"Projekt PCB jest tylko tak dobry, jak jego biblioteka CAD." To pamiętam z mojego spotkania z Tomem Hausherrem podczas grudniowego przestoju w 2021 roku, kiedy dzielił się historiami z prowadzenia aktualizacji IPC-7351.

Wnioski były jasne: komponenty decydują o sukcesie PCB. Każda nieodwracalna awaria, którą miałem, sprowadzała się do przeoczenia komponentu. Mając odpowiednie części, wadliwy obwód często można dostosować, ale nie urządzenia same w sobie. A po wyprodukowaniu, znalezienie zamiennika kompatybilnego z obrysem jest ryzykiem, nie wspominając o straconym czasie na odlutowywanie i przerabianie zamiast testowania.

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, Altium Develop łączy wszystkie dyscypliny w jedną współpracującą siłę. Wolną od silosów. Wolną od ograniczeń. To miejsce, gdzie inżynierowie, projektanci i innowatorzy pracują jako jedność, aby współtworzyć bez ograniczeń. Doświadcz Altium Develop już dziś!