Проектирование для ручного создания прототипов и освобождение от ограничений

Термин "ручной прототипирование" может означать несколько разных вещей. Это может быть изготовление и сборка печатной платы в домашних условиях, соединение модулей в небольшую систему или просто ручная сборка простого прототипа. Если вы собираете одну из своих первых конструкций, возможно, вы захотите выполнить процесс сборки вручную. Более того, некоторые начинающие дизайнеры захотят травить свои платы дома, используя раствор хлорида железа.

В общем, решение о ручном прототипировании печатной платы в большинстве случаев сводится к стоимости. Действительно, выполнение работы самостоятельно снижает затраты в денежном выражении, но требует времени и усилий для правильной сборки. Независимо от того, что вы решите делать со своими прототипами, существуют некоторые простые шаги, чтобы обеспечить максимальную пользу от времени, потраченного на ручное изготовление ваших прототипов.

Полезные советы при проектировании для ручного прототипирования

Приведенные ниже советы должны помочь обеспечить, чтобы ваш прототипный дизайн мог быть легко собран и настроен после установки всех компонентов.

1. Подготовьте необходимое оборудование

Прежде всего, вам понадобится правильное оборудование, если вы хотите вручную припаять что-либо к вашей прототипной печатной плате. Ручная сборка с использованием паяльника или горячего воздуха являются подходящими вариантами, или вы можете пойти по пути Марка Харриса и собрать свою собственную печь для пайки. Вот короткий список покупок:

• Паяльная станция с несколькими насадками (например, JBC или Weller)
• Горячий воздух для SMT или ремонта
• Паяльный провод и паяльная паста
• Паяльный флюс, либо диспергируемый в шприце, либо в ручке
• Оплетка для десолдеринга при ремонте
• Чистящее средство (изопропиловый спирт)
• Хороший набор пинцетов для мелких SMD компонентов

Это не исчерпывающий список того, что вам понадобится в вашей лаборатории, но это то, что вам нужно для начала ручной сборки ваших плат.

2. Используйте правильный размер SMD компонентов для пассивных элементов

Многие ручные прототипы используют только компоненты с отверстиями, так как их легко обрабатывать и собирать вручную. Однако, если вы хотите работать с более современными цифровыми компонентами, вам придется использовать SMD-компоненты, поскольку они являются стандартной упаковкой для более продвинутых устройств. Вы также найдете множество разъемов, пассивных компонентов и компонентов питания, доступных в виде SMD-компонентов.

Что касается пассивных компонентов, SMD-пассивы доступны в нескольких размерах, самый маленький из которых - 0201 (20 мил на 10 мил) и самый большой - 2512. Пассивы 0201 очень сложно паять вручную, и не удивляйтесь, если вы вдруг загадочно потеряете некоторые из этих компонентов за своим лабораторным столом. Также маленькие SMD-компоненты очень легко перепутать; не удивляйтесь, если вы случайно поменяете местами SMD-резисторы с одинаковым размером корпуса, но с разными значениями сопротивления.

Не выбирайте слишком маленькие размеры.

Я думаю, стоит уделить время, чтобы понять, с какими размерами SMD пассивных компонентов вы чувствуете себя комфортно, выполняя монтаж и пайку вручную. По мере уменьшения размеров ваших SMD компонентов, у вас не будет возможности использовать для пайки обычный паяльник, поскольку они слишком малы; лучше использовать горячий воздух. Если вам все же приходится использовать паяльник, то хорошей идеей будет сделать ваши SMD площадки длиннее, чтобы вы могли дотянуться до них с помощью паяльного провода и паяльника.

3. По возможности избегайте пакетов Ball Grid Array (BGA)

Пайка компонентов с мелким шагом, таких как QFP или TSOP, может быть сложной, но вполне возможной с паяльником, и намного проще с использованием горячего воздуха или небольшой печи/горячей пластины. Пакеты BGA нельзя паять паяльником, просто потому что у вас не будет способа дотянуться до всех контактных площадок под компонентом. Вместо этого вам придется использовать горячий воздух для этих компонентов.

Другая проблема с BGA при ручном создании прототипов - это инспекция. Эти компоненты обычно проверяют с помощью системы рентгеновского контроля, поскольку это позволяет напрямую визуализировать шарики под корпусом BGA. Если возникает проблема с прототипом, будет сложнее диагностировать, связана ли проблема с дефектом сборки или с какой-то другой проблемой в системе.

Корпус BGA - не самый удобный для ручного создания прототипов.

Тем не менее, вы все еще можете проверять соединения BGA с обратной стороны платы, если используете сквозные отверстия для разводки BGA. Убедитесь, что вы не закрываете задний слой, если хотите получить доступ к этим соединениям BGA с помощью щупа мультиметра в рамках вашей проверки. Это один из способов проверить наличие замыканий на площадках BGA, хотя это займет много времени из-за большого количества соединений, обычно присутствующих на BGA. По этим причинам, возможно, лучше избегать BGA на вашей прототипной плате и выбрать альтернативный корпус с выводами, например, QFP.

4. Используйте тепловые рельефы

Будут контактные площадки, к которым вы пытаетесь приложить припой и сформировать соединение при помощи паяльника или тепловой пушки. Проблема в том, что плата может не иметь равномерной температуры по всей поверхности, и тепло будет уходить с площадок, если они соединены с плоскостью или большой областью медного залива. В результате паяльник или тепловая пушка могут потребовать очень высокой температуры только для того, чтобы припаять одну площадку, и это может повредить плату или компоненты.

Если у вас нет хорошей горячей плиты для пайки или печи, это можно предотвратить с помощью тепловых рельефов. Размещение тепловых рельефов на определенных площадках поможет предотвратить миграцию тепла в большие медные области, так что вы сможете легче сформировать паяное соединение на компоненте при более низкой прикладываемой температуре.

5. Используйте тестовые точки, перемычки и паяные мосты

Цель многих прототипов заключается в том, чтобы протестировать как можно больше функций вашей платы. Это означает, что вы захотите сделать некоторые части вашей компоновки печатной платы настраиваемыми. Один из способов сделать это - использовать тестовые точки, паяные перемычки и джамперы. Эти компоненты позволяют вам соединять или разъединять контакты, пробовать электрические значения, проводить измерения, а также измерять сигналы с помощью осциллографа. С правильно подобранной паяной перемычкой в компоновке печатной платы вы даже можете припаивать маленькие SMD чип-компоненты в сигнальные линии по мере необходимости.

6. Вывод дополнительных входов/выходов на штыревые разъемы

Другая часть создания прототипа заключается в соединении с другими системами или доступе к вводу/выводу для подключения к другим разработочным продуктам. Поэтому хорошей идеей будет вывести все ваши дополнительные вводы/выводы на штыревые разъемы. Имея доступ к вашим вводам/выводам на штыревые разъемы, вы можете заниматься прототипированием на основе приложений, а также прототипированием на основе платы. Вы также можете подключаться к внешним компонентам, таким как датчики, маленькие моторы, светодиоды, кнопки, модули программирования или что-либо еще, что придет вам в голову. Обычно это будут вводы/выводы низкой скорости, поэтому вы можете использовать простой сквозной штыревой разъем для этих соединений. Я рекомендую установить 22 Ом SMD резистор на входящие линии ввода/вывода около штыревого разъема, чтобы немного замедлить эти сигналы, так как это поможет уменьшить электромагнитные помехи.

Когда вам нужно программное обеспечение для проектирования печатных плат, которое масштабируется до малых размеров функций и помогает вам подготовить высококачественную прототипную печатную плату для ручной сборки, используйте полный набор функций САПР в Altium Designer^®. Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.