5 najlepszych wskazówek dotyczących projektowania pod kątem produkcji na rok 2019

Ostatnio, przeglądając jeden z głównych blogów branży elektronicznej, natknąłem się na artykuł o 10 najczęstszych błędach w projektowaniu pod kątem produkcji. Pomyślałem, że może być interesujący i innowacyjny, ale ku mojemu zdziwieniu, był to w zasadzie kopiuj-wklej artykułu, który czytałem 10 lat temu, który z kolei był przeróbką artykułu prawie 10 lat starszego. Nie jestem fanem przerabiania starych artykułów i oznaczania ich jako „nowe” treści, ponieważ jest to doskonały sposób na tworzenie i utrwalanie fałszywych regułek lub co gorsza, nieważnych „najlepszych praktyk branżowych”. Branża elektroniczna zmienia się tak szybko, że większość treści napisanych ponad dekadę temu jest teraz przestarzała. Spójrzmy na kilka z najważniejszych błędów, które te artykuły wspomniały i rzućmy na nie światło, a następnie rozważmy kilka aktualnych wskazówek, które są relewantne dla dzisiejszych standardów branżowych.

Największe błędy wśród największych błędów

Unikaj ostrych kątów

Jesteśmy w drugiej połowie 2019 roku; żyjemy w czasach, gdy nawet najtańsze, najbardziej trywialne prototypy PCB są poddawane kontroli sondą latającą, aby odrzucić płyty z wszelkimi usterkami elektrycznymi, nawet jeśli problem wynikał z procesu trawienia. Największym błędem, przed którym ostrzegał starszy artykuł, który przeczytałem, były ostre kąty, ponieważ mogą one tworzyć pułapki na kwas. Jeśli używasz transferu tonerowego i trawienia domowego, to może być prawda, ale przy nowoczesnych metodach produkcji, to już nie będzie problemem.

Roztwory trawiące aktywowane światłem, używane na płytach z warstwami rezystu aktywowanymi światłem, są bardzo powszechne w fabrykach płyt. Te trawidła zapewniają ostre, wyraźne kształty, i jeśli trawidło zbiera się w kałuże, nie dostanie wystarczająco dużo światła, aby się aktywować. Możesz nawet bardzo łatwo używać warstw rezystu aktywowanych światłem w domu. Współczesne procesy trawienia znacznie zmniejszają ryzyko pułapek kwasowych, niż kiedykolwiek wcześniej.

Unikaj Via-in-Pad

Ogólnie zgadzam się, że stosowanie via w padzie to błąd. Jednakże, artykuł użył przykładu, w którym via w padzie rzeczywiście powinna była zostać użyta ze względów termicznych. Wiele urządzeń o wysokim prądzie wymaga via w padzie do tego stopnia, że producent zaleca jej użycie dla danego footprintu. To jedyny sposób, aby skutecznie odprowadzić ciepło z obudowy.

Artykuł twierdził, że jeśli użyjesz via w padzie, cała cyna zostanie wessana, pozostawiając suchy lut. To jest w 100% prawda; działanie kapilarne faktycznie wciągnie cynę, jednakże zabezpieczenie via z obu stron zapobiegnie temu całkowicie. W konkretnych przypadkach, jeśli naprawdę nie chcesz żadnej maski lutowniczej na swoim padzie, możesz zabezpieczyć tylko przeciwną stronę via względem pada. To działa dla via do 0.4mm dość niezawodnie, ale jeśli nadal masz wątpliwości, możesz dodać trochę sitodruku do via po przeciwnej stronie również, tym samym zapewniając, że via jest w pełni zamknięta.

Przypadkowo, to nie tylko przelotki na padzie wymagają ostrożności. Jeśli umieścisz przelotkę, która nie została zabezpieczona, bardzo blisko pada, może ona również zassać lut z twojego pada.

Unikaj używania wielu rozmiarów narzędzi

Artykuł argumentował, że jeśli twój producent będzie pracować z bardzo ciasnymi tolerancjami, używanie wielu podobnych, lecz nie identycznych rozmiarów otworów na twojej płytce może zwiększyć koszt płytki. Jednakże, spojrzenie na dzisiejszą technologię wiercenia pokazuje, że jest to dalekie od prawdy. Magazyny narzędziowe w przemysłowych wiertarkach PCB zawierają praktycznie każdy mikrorozmiar wiertła, jakie zna ludzkość, a zmiany narzędzi są niesamowicie szybkie. Nawet jeśli wszystkie otwory 13,5mil i 14mil są wiercone wiertłami o dokładnym rozmiarze, może to zająć tylko dodatkową sekundę lub dwie na arkusz PCB. Ogólnie rzecz biorąc, fabryka płyt będzie zaokrąglać wszystkie te otwory do jednego rozmiaru, pod warunkiem, że rozmiar mieści się w ich wymaganiach tolerancji lub w tolerancjach, które określiłeś na rysunku.

To samo dotyczy slotów na PCB. Nie znalazłem producenta PCB, który karałby mnie za używanie bardzo małych slotów (30-40mil) lub wymagał osobnej ścieżki frezowania do kwadratowania narożników z większego narzędzia na slocie z frezem 20mil.

Unikaj ścieżek sitodruku na padach

Unikanie ścieżek sitodruku z komponentu na pad innego może być niemożliwe dla ściśle zaprojektowanej płyty. W mojej bibliotece Altium używam zarówno kropki oznaczającej pin 1 na sitodruku, jak i funkcji sitodruku pod komponentem, gdzie to możliwe, aby łatwo było określić orientację z tego właśnie powodu. Jeszcze nie znalazłem taniej ani drogiej firmy produkującej płyty, która automatycznie nie czyściłaby sitodruku z padów dla Ciebie, lub przynajmniej nie pytała, czy chcesz, aby to zrobili.

Jeśli otrzymałeś płytę ze ścieżką sitodruku na padzie, z pewnością mogłoby to spowodować poważne problemy z rozpływaniem się lutu na tym padzie, co spowodowałoby złe połączenie. Jednak z dzisiejszymi producentami nie jest to problem, którego doświadczyłem.

Nie dodawanie maski lutowniczej między padami

Ten "błąd" sprawia, że tylko kręcę głową z niedowierzania. Jak można zapomnieć o dodaniu maski między pady na płytce? Altium i praktycznie każde inne narzędzie do projektowania zajmie się tym za Ciebie. Wiele komponentów o małym rozstawie ma przerwy między padami, które nie pozwalają na umieszczenie maski lutowniczej między padami. Niemniej jednak, widziałem, jak Altium generuje maskę między padami, która ma 1/1000 mila szerokości. Nawet domyślne zasady projektowania w Altium doskonale nadają się do określania maski lutowniczej między padami.

Jeśli maska między padami jest za mała, dobra firma produkująca płytki powiadomi Cię o tym przed kontynuowaniem, a mniej zainteresowana firma po prostu usunie tę funkcję i będzie kontynuować.

Nieprawidłowe rozmiary obudów

Od lat publikuję dużą otwartą bazę danych biblioteki komponentów, która pozwala na umieszczanie w projekcie rzeczywistych, możliwych do zakupienia części na etapie przechwytywania schematu. Z kompletnymi i dokładnymi modelami 3D oraz widokiem 3D płytki w Altium, a także sprawdzaniem kolizji na ciałach 3D, bardzo trudno jest zakończyć projekt, w którym części się zderzają. Teraz możesz uzyskać tę samą funkcjonalność dla szerszego zakresu komponentów, używając Concord Pro, dodatkowego produktu dla Altium.

Minęło co najmniej 5 lat, odkąd ostatni raz byłem w stanie błędnie określić część w mojej specyfikacji materiałowej, która nie pasuje do miejsca montażowego, które umieściłem na płytce. Ten "błąd" przypiszę raczej niekorzystaniu z najlepszych narzędzi podczas projektowania, niż błędowi w samym procesie projektowym.

Moje najlepsze porady

Skoro już wykluczyliśmy szeroki zakres "największych błędów" z minionych lat, spójrzmy na kilka wskazówek, które mogą pomóc Ci, jeśli dopiero zaczynasz projektowanie z myślą o produkcji.

Odległość wokół elementów mocujących

Jest bardzo łatwo umieścić otwór mechaniczny na element złączny i zapomnieć o tym, jak duży może być jego główka. Coś, co jest większe, a paradoksalnie łatwiejsze do zapomnienia, to podkładka tego elementu złącznego. Zazwyczaj umieszczam przelotkę z odpowiednim otworem na element złączny i określam pierścień (krąg miedziany do niego przyczepiony) aby był tej samej wielkości co największa dostępna podkładka dla tego elementu złącznego (tam, gdzie istnieją różne standardy podkładek), plus trochę dodatkowego miejsca. Jeśli naprawdę musisz poprowadzić ścieżkę pod główką elementu złącznego i nie możesz tego zrobić inaczej, dodaj solidny nadruk na powierzchni nad obszarem elementu złącznego jako dodatkową ochronę dla twojej ścieżki. Mała dodatkowa ochrona, którą zapewnia nadruk, może uratować twoją ścieżkę przed uszkodzeniem, gdy ktoś zbyt mocno dokręci element złączny.

Aby być całkowicie pewnym, dodaj model 3D elementu złącznego do swojej płytki i zamontuj go w otworze. To zapewni, że będziesz mógł włożyć i wyjąć element złączny, i nie umieścisz przypadkiem ciała innego komponentu na jego drodze.

Odległość miedzi od krawędzi płytki

Altium w zasadzie zajmuje się tym za Ciebie. Jednakże, jeśli ominąłeś domyślne ustawienia, aby przemycić ścieżkę, upewnij się, że nie jest ona zbyt blisko krawędzi. Wiele artykułów w internecie wspomina o korozji jako niezaprzeczalnej przeszkodzie podczas optymalizacji odległości miedzi, ponieważ nie chcesz mieć wystawionej i niepokrytej miedzi. Jednak prowadząc cienką ścieżkę blisko krawędzi płytki, frez końcowy/szpikulec może uszkodzić ścieżkę i zniszczyć ją. Przy użyciu V-Scoring do oddzielania płyt w panelu, nacięcie zajmuje pewną szerokość i nie zawsze jest całkowicie dokładne, co może łatwo uszkodzić lub usunąć ścieżkę również.

Po wykonaniu otworów w płytce, zwykle wykonuję ostateczne sprawdzenie, aby znaleźć błędy związane z odległością, zanim prześlę moją pracę. Były przypadki, kiedy przez pomyłkę przeprowadziłem ścieżkę na wewnętrznej warstwie wprost przez otwór. W preferencjach płytki ustaw warstwę frezowania na warstwę, na której masz swoje ścieżki frezowania, aby Altium renderowało otwory w widoku 3D. Po tym skopiuj warstwę frezowania do swojej warstwy zakazu, aby zapewnić, że reguły projektowania będą podświetlać wszelkie istniejące problemy i zapobiegać przyszłym.

Zabezpiecz swoje via

Altium posiada zasady projektowania dotyczące rozszerzenia maski lutowniczej na przelotkach, które można wykorzystać do ich zabezpieczania, więc warto z nich korzystać. Wszystko poniżej 15mil/0,4mm powinno być zabezpieczone. Powyżej tej wartości warto rozważyć, jak gruba jest maska lutownicza od twojego producenta płytek. Całkowicie zabezpieczona i zamknięta przelotka to dobra rzecz, ponieważ zapobiega dostawaniu się do otworu jakichkolwiek materiałów korozyjnych, takich jak topnik, brud czy wilgoć, które mogą korodować twoją przelotkę.

Gdy otwór staje się zbyt duży, aby go w pełni zakryć, próba zabezpieczenia go może zamiast tego stworzyć głównie zakryty otwór, który łatwiej zatrzymuje te elementy, które próbujesz wykluczyć. W takich okolicznościach lepiej jest używać przelotek bez zabezpieczenia i pozwolić, aby powłoka chroniła otwór. Zachowaj jednak małe odstępy maski lutowniczej wokół otworu, ponieważ nie chcesz, aby przelotka stała się potencjalnym miejscem na zwarcie.

Bardzo wysokiej specyfikacji płyty będą prawdopodobnie miały przelotki wypełnione żywicą epoksydową podczas produkcji. Jeśli projektujesz takie płyty, porady, które omówiliśmy, prawdopodobnie nie są dla ciebie istotne, ponieważ jesteś już daleko poza potrzebą jakichkolwiek wskazówek dotyczących projektowania dla produkcji!

Płyty dwustronne

Wiele produktów, które projektuję, wykorzystuje płytki dwustronne. Jednak powinieneś mieć dobry powód, aby zdecydować się na dwustronną płytę. Jeśli kusisz się, aby umieścić tylko jeden lub dwa elementy pasywne na spodzie płytki, możesz sobie sprawić wiele problemów podczas montażu. Albo całkowicie zobowiąż się do projektu dwustronnego, albo pozostań przy jednostronnym. Jeśli nie masz naprawdę dobrego powodu, aby umieszczać części po obu stronach płytek, po prostu trzymaj się warstwy górnej. Jeśli ograniczenia rozmiaru lub specyfikacje gęstości płytki wymagają znacznej ilości komponentów do umieszczenia na dole, to niech tak będzie.

Możesz również rozważyć użycie komponentów w mniejszej obudowie, aby odzyskać trochę miejsca na płytce. Dla większości montażystów komponent 0402 jest niewymagający i będzie znacznie tańszy niż umieszczanie komponentów po obu stronach płytki. Wiele firm montażowych nie będzie miało znaczących dodatkowych kosztów czy strat przy użyciu pasywnych 0201, co może dać ci ogromną ilość wolnego miejsca, nawet jeśli już używasz części 0402. Sprawdź u swojego montażysty przed użyciem 0201 lub mniejszych, ponieważ starsze maszyny mogą nie być w stanie niezawodnie ich obsługiwać. Jeśli montażysta może obsługiwać mniejsze komponenty, prawdopodobnie będzie to znacznie tańsze niż poleganie na montażu dwustronnym.

Weryfikuj swoje pliki wyjściowe

Ostatecznie, i mam nadzieję, że to jest oczywiste, upewnij się, że wszystkie twoje pliki wyjściowe są na miejscu. Przechodziłem przez sytuacje, kiedy zapomniałem dodać pliki wiercenia NC do pliku zadania wyjściowego, lub przypadkowo odznaczyłem o jedną warstwę za dużo dla gerberów. Użyj przeglądarki gerberów, nawet jeśli tylko tej wbudowanej w Altium, aby sprawdzić, czy wszystkie twoje poligony są w pełni renderowane, wszystkie wiercenia są na miejscu, a sitodruk i maska są obecne tam, gdzie są potrzebne. Jeśli wysyłasz płytę do montażysty lub producenta na zlecenie, upewnij się, że masz wyeksportowane również warstwy pasty, centra do pobierania i umieszczania oraz rysunki montażowe.

Dodatkowa wskazówka - Termiczne

Muszę przyznać, że termiczne są trochę moją obsesją. Niektóre oprogramowania domyślnie dodają termiczne praktycznie do wszystkiego. Jeśli dodasz via, dostaje termiczne; dodasz pad, dostaje termiczne. Termiczne mogą tworzyć punkty wysokiej indukcyjności i zacząć powodować problemy z sygnałami o umiarkowanej i wysokiej prędkości. W sytuacjach wysokiego prądu, niska przekrój miedzi termicznej może nie być w stanie przewodzić wystarczającej ilości prądu.

Termiczne mogą ułatwić lutowanie ręczne w dużych polach miedzianych i mogły być wymagane dla starszych maszyn do lutowania falowego. Jeśli projektujesz głównie płytę z elementami montażu powierzchniowego i kilkoma elementami przewlekłymi, takimi jak złącza, nie ma zbyt wielu przypadków użycia termicznego na padzie. Elementy montażu powierzchniowego będą poddane lutowaniu reflow, tymczasem elementy przewlekłe zostaną zlutowane za pomocą selektywnej maszyny do lutowania.

Ta zdolność do zapobiegania przenoszeniu ciepła z pada na duże pole miedziane działa w obie strony. Z jednej strony może to ułatwić montaż, ale z drugiej strony równie skutecznie zapobiegnie ucieczce ciepła z obudowy. Widziałem wiele płyt produkcyjnych z pakietem D-Pak (TO-252) lub podobnym, które miały termiczne na padzie uziemiającym, co całkowicie rujnuje zdolność pakietu do rozpraszania ciepła.

Gęstość prądu w pakiecie o wysokim amperażu z włączonymi termicznymi. Wyobraź sobie problemy termiczne.

Podobnie, termiczne na przelotkach będą poważnie ograniczać, ile prądu i ciepła mogą one przenosić. Co gorsza, grupowanie przelotek razem dla dodatkowego przenoszenia ciepła lub prądu może pozbawić obszar jakiejkolwiek miedzi i zdziesiątkować zdolność do przenoszenia prądu lub ciepła w całym regionie.

Jeśli projektujesz płytki dla nowoczesnych procesów produkcyjnych i montażowych, możesz dodać funkcje, które nie byłyby niezawodne jeszcze dekadę lub dwie temu. Objętość i złożoność płyt w ciągu ostatnich 2 dekad wzrosły eksponencjalnie. Aby umożliwić to tempo zmian, producenci PCB stosują bardziej wydajne, dokładniejsze i skuteczniejsze metody tworzenia płyt dla wysoce zaawansowanych projektów. Testowanie elektryczne po produkcji jest standardem nawet w najtańszych zakładach produkcyjnych i wykrywa zdecydowaną większość problemów produkcyjnych. Jeśli projektujesz płytę o wysokim prądzie przy użyciu narzędzia do analizy dystrybucji mocy, takiego jak PDN Analyzer od Altium, może pomóc w wykryciu błędów dotyczących niewystarczającej powierzchni miedzi dla danej aplikacji. Jeśli twoja konstrukcja nie jest wystarczająco solidna, aby sprostać wymaganiom prądowym, częstotliwościowym lub termicznym aplikacji, nie ma znaczenia, czy płyta jest funkcjonalna elektrycznie, czy nie.

Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta z Altium.