5 najważniejszych wskazówek, które musi znać każdy projektant PCB

W czym tkwi klucz do zaprojektowania płytki PCB, która jest w pełni funkcjonalna zarówno na etapie projektowania, jak i w formie fizycznej? Przyjrzyjmy się 5 najważniejszym wskazówkom, które sprawią, że następna zaprojektowana przez Ciebie płytka drukowana będzie funkcjonalna, niezawodna i przede wszystkim zdatna do produkcji.

5 najważniejszych wskazówek, które musi znać każdy projektant PCB

Rozpoczynając nowy projekt i skupiając się przede wszystkim na projektowaniu obwodów oraz doborze odpowiednich komponentów, łatwo jest zapomnieć o praktycznych wskazówkach dotyczących projektowania płytek PCB. Jak się jednak okazuje, brak odpowiedniej ilości czasu, a także wysiłku przeznaczonego na sam projekt płytki drukowanej, skutkować może wyjątkowo słabym produktem, który po jego przeniesieniu z formy cyfrowej na fizyczną, może być nawet niezdatny do produkcji. Tak więc w czym tkwi klucz zaprojektowania płytki, która jest w pełni funkcjonalna zarówno w fazie projektowania, jak i w swojej fizycznej formie? Przyjrzyjmy się 5 najważniejszym wskazówkom, które sprawią, że następna zaprojektowania przez Ciebie płytka PCB będzie funkcjonalna, niezawodna i przede wszystkim zdatna do produkcji.

#1 - Odpowiednie umieszczanie komponentów 

Etap umieszczania poszczególnych komponentów na projekcie płytki PCB ma w sobie sporo zarówno ze sztuki, jak i nauk ścisłych, ponieważ wymaga od projektanta PCB wyjątkowo strategicznego podejścia do miejsca, które można zagospodarować na samej płytce. I choć proces ten wydawać może się żmudny, to sposób, w jaki komponenty zostaną umieszczone na płycie, ma fundamentalne znaczenie w kwestii jej późniejszej produkcji i tego, czy spełni ona określone przez Ciebie wymagania.

Co prawda istnieją ogólne wytyczne dotyczące umieszczania komponentów w podstawowej kolejności: złączy, obwodów elektrycznych, obwodów precyzyjnych i krytycznych, ale i tak warto wspomnieć również o dodatkowych wskazówkach, o których należy pamiętać na tym etapie, w szczególności:

• Orientacja. Upewnij się, żeby podobne do siebie elementy były zwrócone w tym kierunku, co przyczyni się do wydajniejszego i pozbawionego błędów procesu lutowania.
• Rozmieszczenie. Unikaj rozmieszczania poszczególnych komponentów po lutowanej stronie płytki, położonej za platerowanymi elementami przewlekanymi.
• Organizacja. Zaleca się, aby wszystkie elementy do montażu powierzchniowego (ang. SMT – Surface Mount) ułożone były po jednej stronie płytki, a wszystkie elementy do montażu przewlekanego (ang. TH – Through-Hole) po jej drugiej stronie, co zminimalizuje ilość etapów samego montażu i usprawni proces produkcji.

Jest jeszcze jedna wskazówka dotycząca projektowania układu płytek drukowanych, którą warto mieć na uwadze. Gdy korzystasz z elementów o odmiennej technologii (zarówno tych do montażu powierzchniowego, jak i przewlekanego), ich producenci mogą wymagać dodatkowego procesu ich montażu na płytce, co finalnie przyczyni się do zwiększenia kosztów produkcji. 

_{Poprawne rozmieszczenie elementów układu w procesie projektowania płytek PCB.           Złe rozmieszczenie elementów układu (zacienianie).}

       _{Poprawna orientacja elementów układu w procesie projektowania płytek PCB.                     Zła orientacja elementów układu.}    

#2 - Źródło zasilania, uziemianie i trasowanie ścieżek

Gdy wszystkie wybrane przez Ciebie elementy są już na swoim miejscu, nadszedł czas aby zająć się źródłem zasilania, uziemieniem i sygnałami śledzącymi, dzięki czemu wszystkie sygnały wysyłane przez płytkę PCB będą czyste i nie napotkają na swojej drodze żadnych „przeszkód”. Oto kilka wskazówek, które warto mieć z tyłu głowy na tym etapie projektowania płytek PCB:

Kierowanie zasilaniem i płaszczyzna uziemiająca

Zaleca się, aby zarówno zasilanie, jak i płaszczyzna uziemiająca, znajdowały się nie tylko w wewnętrznej warstwie płytki, ale były też umieszczone względem siebie symetrycznie i były wyśrodkowane. Zapobiegnie to nadmiernemu uginaniu się płytki, co wpłynąć może negatywnie na późniejsze rozmieszczenie poszczególnych elementów. Aby zasilić układy scalone na płycie, zaleca się wykorzystanie wspólnych szyn dla każdego ze źródeł zasilania. Dodatkowo, upewnij się, że masz solidne i odpowiednio szerokie ścieżki, a także unikaj tworzenia łańcuchów linii zasilających od jednego elementu do drugiego.

Trasowanie ścieżek

Kolejną rzeczą, którą trzeba zrobić jest połączenie wszystkich ścieżek pomiędzy sygnałami w taki sposób, aby dopasować je do początkowych wytycznych schematu. Zaleca się, aby ścieżki pomiędzy poszczególnymi komponentami były tak krótkie, jak to tylko możliwe. Jeżeli jeden z elementów Twojego układu wymusza poziome trasowanie ścieżki po jednej ze stron płytki drukowanej, zawsze stosuj wówczas pionowe trasowanie ścieżek po jej przeciwnej stronie.

Określanie szerokości sieci

Twój projekt prawdopodobnie będzie wymagał różnych rodzajów sieci, które przekazywać będą mogły szeroki wachlarz napięcia determinujący ich wymaganą szerokość. Mając na uwadze ten podstawowy aspekt, zaleca się zapewnienie co najmniej 0,25 milimetra szerokości dla sygnałów analogowych i cyfrowych. A gdy natężenie sygnałów jest wyższe niż 0,3 ampera, wtedy sieci powinny być szersze. Tutaj znajdziesz bezpłatny kalkulator szerokości ścieżki, który bez wątpienia ułatwi Ci ten etap projektowania. Możesz także posłużyć się tą metodą obliczania szerokości ścieżki w oparciu o normę IPC-2152.

_{Zalecane trasowanie: (strzałki wskazują kierunek lutowania).}

_{Niezalecane trasowanie: (strzałki wskazują kierunek lutowania).}

#3 - Trzymanie wszystkiego na swoim miejscu

Na pewno zdarzyło Ci się doświadczyć, jak zbyt duże napięcie w obwodach zasilania i nagłe skoki napięcia mogą zakłócać obwody niskiego napięcia i obwody kontrolne. Aby zminimalizować ten problem, zastosuj się do poniższych wskazówek:

• Rozdzielanie. Upewnij się, że płaszczyzny zasilania i uziemienia są rozdzielone osobnymi źródłami mocy. Jeśli już musisz powiązać je sobą na swojej płytce drukowanej, to upewnij się, że ma to miejsce przy samym końcu ścieżki.
• Umieszczanie. Jeśli umieściłeś swoją płaszczyznę uziemienia na warstwie wewnętrznej, to upewnij się dodatkowo, że umieścisz tam jeszcze niewielką ścieżkę impedancji, która zmniejszy ryzyko ewentualnych zakłóceń obwodu mocy i pomoże chronić sygnały sterujące. Ta sama wskazówka może zostać wykorzystana do tego, aby odrębnie uziemiać układy analogowy i cyfrowy.
• Sprzężenie. Aby zredukować sprzężenie pojemnościowe wywołane umieszczeniem na płytce zbyt dużej płaszczyzny uziemienia i co za tym idzie, linii poprowadzonych pod nią i nad nią, postaraj się połączyć płaszczyznę analogową wykorzystując jedynie linie analogowe.

_{Przykład rozdzielenia elementów układu przez projektanta PCB (analogowy i cyfrowy).}
 

#4 - Przeciwdziałanie problemom z przegrzewaniem

Czy kiedykolwiek przez problemy z przegrzewaniem wydajność Twojego układu uległa znacznemu pogorszeniu lub nawet cała płytka PCB została uszkodzona? Spokojnie, dotyka to naprawdę wielu projektantów PCB w sytuacjach, gdy nie bierze się pod uwagę efektu rozpraszania ciepła. Oto kilka wskazówek, które pomogą Ci walczyć z nadmiernym przegrzewaniem się Twojego projektu płytki drukowanej: 

Identyfikacja problematycznych komponentów

Pierwszym krokiem jest tutaj zastanowienie się nad tym, które z komponentów układu wydzielają najwięcej ciepła. Można do tego dojść poprzez analizę współczynnika „Odporności termicznej” w arkuszu z danymi komponentu, a następnie przez postępowanie zgodnie z zaleceniami w celu zredukowania ilości wytwarzanego ciepła. Oczywiście, można również skorzystać z urządzeń przechwytujących ciepło lub zwykłych wiatraków, które powinny sobie poradzić z nadmiernym przegrzewaniem się płyty. Pamiętaj jednak, wszystkie kluczowe komponenty układu powinny znajdować się jak najdalej od źródeł ciepła!

Dodawanie zaworów termicznych

Dodawanie zaworów termicznych może być niezwykle efektywne przy późniejszym wytwarzaniu produkowanej przez siebie płytki. Są one niemal niezbędne przy lutowaniu elementów o wysokiej zawartości miedzi i płytek wielowarstwowych. Biorąc pod uwagę to, jak trudne jest utrzymanie odpowiedniej temperatury przy pracy, zaleca się stosowanie zaworów termicznych na wszystkich elementach przewlekanych, co sprawia, że proces lutowania jest tak prosty, jak to tylko możliwe poprzez spowolnienie procesu przechwytywania ciepła przez pozostałe komponenty na płytce.

Zgodnie z ogólnymi wytycznymi, zaleca się wykorzystywanie zaworów termicznych dla wszystkich przelotek oraz otworów, które są bezpośrednio połączone z płaszczyzną uziemienia lub płaszczyzną zasilania. Pomijając zawory termiczne, wykorzystywać można również tzw. łezkę, na której to ścieżki łączą się z polami kontaktowymi, co zapewnia dodatkowe wzmocnienie z folii miedzianej lub innego metalu. Znacznie zmniejsza to nie tylko obciążenie cieplne płytki, ale też stopień jej naprężenia mechanicznego.

_{Przykładowy wzór zaworu termicznego.}

#5 - Weryfikacja wykonanej pracy

Końcowy etap projektowania płytki PCB, gdy starasz się idealnie dopasować pozostałe elementy swojego układu do produkcji, potrafi okazać się niezwykle przytłaczający. Dlatego też kluczowe jest to, aby na tym etapie dwu, a nawet trzykrotnie zweryfikować wykonaną przez siebie pracę, co może później przeważyć szalę i zaważyć o końcowym sukcesie lub niepowodzeniu całego projektu.

Aby pomóc sobie na etapie kontroli jakości, zaleca się rozpocząć od zweryfikowania zasad dotyczących elektryki (ERC – Electric Rules Check) oraz zasad dotyczących projektowania (DRC – Design Rules Check), co pomoże Ci szybko upewnić się, czy spełnione zostały wszystkie założenia projektowe. Dzięki tym dwóm systemom, można łatwo wymusić zmianę szerokości szczelin, ścieżek, sprawdzić typowe ustawienia produkcyjne, czy też wymagania dotyczące wysokich prędkości oraz zwarcia.

Gdy weryfikacja powyższych zasad przyniesie bezbłędne rezultaty, zaleca się następnie sprawdzenie trasowania każdego z sygnałów poprzez każdorazowe uruchomienie pojedynczych schematów, co utwierdzi nas w przekonaniu, że na pewno niczego nie przegapiliśmy. Na samym końcu zostało Ci już tylko upewnienie się co do tego, że finalny projekt płytki drukowanej pasuje do Twojego indywidualnego schematu – możesz to zrobić poprzez wykorzystanie funkcji sondowania i maskowania.

_{Projektant PCB powinien, sprawdza z dwukrotnie swój projekt, płytkę PCB i realizację wszelkich założeń.}

Podsumowanie

To wszystko – 5 najważniejszych wskazówek dla każdego projektanta PCB. Gwarantujemy Ci, że kierując się tą krótką listą, będziesz mógł zaprojektować w pełni funkcjonalną, zdatną do produkcji płytkę drukowaną o bardzo wysokiej jakości w naprawdę krótkim czasie.

Odpowiednie praktyki projektowania płytek PCB mają fundamentalne znaczenie dla sukcesu finalnego produktu. Zasady te stanowią jednak jedynie podstawę do późniejszego budowania i utrwalania własnej praktyki, która przyczynia się do ciągłego doskonalenia wykonywanej przez siebie pracy.

Interesuje Cię więcej praktycznych porad dotyczących projektowania płytek PCB, które mogą zostać wyprodukowane za pierwszym razem? Musisz zatem sprawdzić nasz webinar dotyczący projektowania produkcyjnego dotyczący Maksymalizacji wydajności produkcji płytek PCB. Już teraz możesz także zacząć projektować płytki PCB z wykorzystaniem naszego flagowego oprogramowania - Altium Designer.