Цель этого руководства проста - получить хорошую плату каждый раз. И применяемая методология для достижения этой цели - это Проектирование с учетом производства (DFM). Возможно, вы слышали о DFM ранее, но что именно это значит?
Проектирование с учетом производства (DFM) - это процесс разработки печатной платы (PCB), которая одновременно производима, функциональна и надежна.
Имея в виду это определение, у нас есть несколько четких целей, которых мы стремимся достичь, принимая практики проектирования, изложенные в этом руководстве:
Чтобы достичь этих целей, мы структурировали это руководство так, чтобы его идеально читали от начала до конца, чтобы это соответствовало вашему рабочему процессу проектирования. Прочитав каждый раздел в следующих главах, вы сможете применить полученные знания на каждом этапе процесса проектирования вашей печатной платы.
Это руководство теоретическое и практическое одновременно и применяет проверенную и признанную науку о дизайне, которая привела к созданию последовательно производимых плат. Основные разделы этого руководства включают:
В этом разделе мы будем рассматривать практики дизайна, которые приведут к созданию функциональной и производимой компоновки платы. Этот раздел будет включать:
После завершения дизайна и подготовки к производству мы перейдем к должным образом оформленной документации печатной платы, чтобы предоставить производителю четкое понимание дизайна. Этот раздел будет включать:
К концу этого руководства вы будете хорошо подготовлены к внедрению практик проектирования и документации в ваш собственный рабочий процесс для производства готовых к изготовлению печатных плат.
Перед началом процесса проектирования для производства важно понимать основной процесс создания физической печатной платы. Независимо от различных технологий, присутствующих на каждом предприятии, большинство ведущих производителей следуют определенному набору шагов для преобразования вашего дизайна из цифровых данных в физические платы. Эти шаги описаны на рисунке 1 и включают:
Передача данных от клиента: Gerber, GerberX2, IPC-2581, ODB++, Список соединений, NC-Сверление, Чертеж платы, Технические условия
Подготовка данных: Преобразование предоставленных клиентом данных в инструментарий (Панелизация, Работа с изображениями, Программы сверления и фрезерования)
Основы/Ламинат: Тонкий ламинатный материал, состоящий из стеклоэпоксидного основания, покрытого медью с обеих сторон (FR-4 - наиболее часто используемый материал для дизайна печатных плат)
Покрытие сухим фоторезистом: С использованием тепла и давления, на медную поверхность основы наносится светочувствительная пленка.
Размещение изображений: Изображения от клиента (схемы и контактные площадки) размещаются на поверхностях основы, покрытых пленкой. Для каждой поверхности используется свой узор изображения.
Облучение панелей ультрафиолетовым светом: Это создает скрытое изображение печатной платы.
Проявление панелей (удаление резиста): Химическое удаление резиста с областей, не затвердевших, путем пропускания облученной основы через химический раствор.
Травление: Химическое удаление меди с основы во всех областях, не покрытых фоторезистом, что создает отдельный медный узор.
Удаление фоторезиста: Химическое удаление разработанного сухого фоторезиста.
Покрытие оксидом: Химическая обработка меди для увеличения шероховатости поверхности и улучшения адгезии к препрегу во время ламинирования.
Многослойное ламинирование: Медная фольга, препрег (многослойный клей) и основы склеиваются вместе под действием тепла и давления.
Первичное сверление: Сверление отверстий через стопку панелей (начинается с двусторонних/односторонних).
Удаление заусенцев и очистка: Механическое удаление медных заусенцев и очистка отверстий от мусора.
Десмирование: Химическое удаление смоляного покрытия со стенок отверстия.
Нанесение меди: Химическое нанесение тонкого слоя на поверхность панели и стенки отверстий.
Нанесение сухого фоторезиста: С помощью тепла и давления на медную поверхность наносится светочувствительная пленка.
Экспонирование и проявление: Аналогично процессу для внутренних слоев основы.
Медное покрытие (гальванопокрытие): Дополнительная медь (а также олово) электрически покрывается на открытые поверхности безтоковой меди, а также олово.
Травление: Медь удаляется со всех участков, не покрытых оловом.
Снятие защитного слоя: Разработанный сухой фоторезист химически удаляется. Палатки, которые были установлены, предотвращают осаждение в "не покрытых" отверстиях.
Нанесение защитной маски и её отверждение: Жидкая фоточувствительная маска наносится на каждую поверхность и высушивается до сухости на ощупь. Также наносится и экспонируется рисунок. Панель разрабатывается, оставляя узор маски, определённый рисунком.
Горячее воздушное выравнивание припоя (наиболее распространённое покрытие поверхности печатных плат): Панели обрабатываются в ванне с расплавленным припоем, который покрывает все открытые медные поверхности.
Покрытия поверхности: Соответствие или несоответствие RoHS.
Горячее воздушное выравнивание (HAL, HASL): Печатные платы проходят через станцию флюса, ванну с припоем, а затем через воздушные ножи (для удаления излишков припоя).
Нанесение легенды и её отверждение: Верхние и нижние наложения (шелкография) наносятся чернилами на каждую сторону панели согласно рисунку заказчика, затем панели запекаются для отверждения чернил.
Изготовление и трассировка: Плата вырезается по размеру (также известно как трассировка, насечка, пробивка или профилирование). В этом этапе также добавляются пазы и фаски.
Электрический тест/Окончательный осмотр: Плата проверяется на электрическую целостность (и импеданс, если требуется). Короткие замыкания и разрывы устраняются на этом этапе. Для меньших партий обычно используются летающие зонды, а для больших объемов - испытательные стенды с кроватью из гвоздей. Другие функции, обычно выполняемые на этом этапе, включают: автоматическую оптическую инспекцию (AOI), которая сравнивает внутренние и внешние слои основных элементов стоимости на ПП с загруженными данными CAM на предмет целостности и правил проектирования, испытания на надежность и статистический контроль качества (SPC), когда это требуется заказчиками.
После окончательного отверждения вашей платы производитель затем начинает процесс электрического тестирования с использованием тестовых точек, которые вы указали на макете вашей платы. Все платы, прошедшие этот процесс верификации, считаются завершенными и затем отправляются через отгрузку и транспортировку.
Стоимость изготовления вашей платы во многом определяется конкретными материалами и деталями, которые вы указываете на этапе проектирования. Осведомленные инженеры уделяют время тщательному согласованию факторов стоимости с необходимостью соответствия предполагаемым функциональным требованиям, как указано в спецификациях их продукта. Некоторые из наиболее распространенных факторов стоимости и стратегий снижения затрат в процессе производства представлены в таблице ниже и включают:
Понимая вышеизложенные знания о типичном процессе производства печатных плат, вы будете на правильном пути к более осознанному выбору материалов и деталей на этапе проектирования. С пониманием процесса производства за нашими плечами, теперь пришло время перейти к практическому процессу проектирования для производства, начиная с выбора материалов.
Каждый процесс проектирования начинается с выбора материалов, и эта глава сосредоточена на выборе подходящих материалов для вашего дизайна печатной платы, учитывая конкретные требования к дизайну, которые вы изложите в своих спецификациях. Мы будем в основном сосредоточены на FR-4, поскольку это наиболее часто используемый материал для дизайна печатных плат. Если ваши конкретные требования к материалам не перечислены в разделах ниже, пожалуйста, свяжитесь с вашим производителем для дальнейшей консультации.
При проектировании печатной платы (PCB) существует несколько вариантов материалов, которые следует рассмотреть, исходя из уникальных потребностей вашего дизайна. Прежде чем выбирать материал, рекомендуется сначала определить функциональные и надежностные требования, которым должна соответствовать ваша плата. Эти требования обычно включают:
Как общее правило, помните, что чем больше вы увеличиваете сложность и свойства вашего дизайна, тем больше расходов вы понесете в процессе производства. Всегда должен быть найден тщательно продуманный баланс, чтобы удовлетворить как бюджетные, так и функциональные, и надежностные цели для ваших конкретных потребностей в дизайне. Смотрите Рисунок 2 для наглядного представления о том, как начать процесс выбора материала[2-1].
Рисунок 2 - Карта выбора материалов для дизайнера/конечного пользователя[2-1]
Когда вы начинаете создавать композит из выбранных материалов, вам следует внимательно отнестись к характеристикам температуры. На практике материал с самым низким рейтингом будет определять максимальную температуру конечного продукта. Другие пункты, которые также следует учитывать при сравнении различных материалов, включают:
В следующих разделах будет подробно рассмотрены некоторые из различных материальных свойств для основных компонентов, составляющих дизайн печатной платы, включая электрические свойства, FR-4 и медь.
Наиболее критические свойства, которые следует учитывать для электрических требований, это электрическая прочность, диэлектрическая постоянная и устойчивость к влаге. См. Рисунок 3 для списка некоторых более распространенных материалов и их связанных значений свойств. Не забудьте проконсультироваться с вашим производителем для получения более конкретных данных о электрических свойствах.
Рисунок 3 - Типичные свойства обычных диэлектрических материалов [2-2]
Значения по умолчанию на рисунке 4 ниже для FR-4 могут быть использованы в качестве базовой линии для определения ваших конкретных требований к материалу. Эти значения будут изменяться в зависимости от вашего указанного базового материала и толщины, как показано в следующих разделах.
Рисунок 4 - Значения материала FR-4 по умолчанию[2-3]
Значения на рисунке 5 ниже перечисляют наиболее распространенные материалы FR-4, используемые сегодня для многослойных плат, и помогут вам выбрать подходящую толщину для вашего FR-4. Толщина конкретных вариаций FR-4, включая GETEK®, Rogers®, FR-406 и FR-408, схожа и также может быть рассчитана с использованием этой таблицы.
Рисунок 5 - Справочник по толщине материала FR-4[2-4]
Препрег (предварительно пропитанный) - это листовой материал (например, стеклоткань), который пропитан смолой и отвержден до промежуточной стадии. Большинство производителей печатных плат предлагают пять типов препрега, включая 106, 1080, 2113, 2116 и 7628. Обратитесь к рисунку 6 для конкретных спецификаций толщины каждого типа препрега.
Обратите внимание: существуют ограничения на тип и количество препрег-листов, которые можно разместить между слоями платы. Проконсультируйтесь с вашим производителем относительно потребностей вашей конкретной компоновки платы, чтобы определить правильное обозначение и толщину препрега.
Рисунок 6 - Обозначение и толщина препрега FR-4[2-4]
Производители обычно предлагают различные типы фольги на выбор, наиболее распространенными из которых являются электролитическая медь (ED Copper) и прокатанная медь. Жесткие платы обычно используют электролитическую медную фольгу, тогда как жестко-гибкие платы используют прокатанную медную фольгу. Независимо от выбранного вами типа медной фольги, все они будут соответствовать стандартным требованиям IPC-MF-150[2-5]. Если вы выберете альтернативный тип фольги, такой как никель или алюминий, обязательно укажите характеристики на вашем главном чертеже, чтобы избежать недопонимания или проблем с производством.
По мере увеличения плотности и сложности плат становится всё более важным рассчитать распределенное сопротивление вашей меди. Вы можете использовать приведенную ниже формулу[2-6] для легкого вычисления удельного сопротивления в ваших медных дорожках:
R = ρ*L/A
где:
R - сопротивление по всей длине дорожки в Омах
ρ - это удельное сопротивление материала дорожки в Ом·метрах
L - это длина дорожки в метрах
A - это площадь поперечного сечения дорожки в квадратных метрах
Также вы можете использовать один из бесплатных инструментов ниже, чтобы быстро рассчитать удельное сопротивление меди, не прибегая к ручным расчетам:
На рисунке 7 можно использовать в качестве справочного материала для понимания токовой нагрузочной способности внутренних слоев для обычных толщин меди и уровней температуры выше амбиентной. Токовая нагрузочная способность для внешних слоев примерно в 2 раза выше, чем для внутренних слоев. Для более детальных данных о ширинах линий и требованиях к расстоянию между ними смотрите IPC2221[2-10].
Рисунок 7 - Ширины защищенных проводников[2-10]
В рамках процесса выбора окончательных материалов вам захочется рассчитать толщину вашей готовой платы. Этот показатель измеряется от меди до меди и будет представлять максимальную толщину вашей готовой платы. Некоторые особенности, которые следует учитывать при расчете толщины платы, включают в себя:
Теперь у вас есть знания, необходимые для окончательного выбора основных материалов для вашего следующего готового к производству дизайна печатной платы. Подводя итог, базовые материалы и необходимые значения свойств, которые вам понадобятся перед началом процесса дизайна, включают:
Имея эти значения, вы можете затем рассчитать максимальную толщину вашей платы, которая будет иметь прямое влияние как на стоимость производства, так и на требования к обработке со стороны вашего производителя. В следующем разделе будет рассмотрено, как стратегически подходить к размещению элементов на печатной плате для производства, включая размещение переходных отверстий/отверстий, слои маски пайки, документацию на шелкографию и многое другое.
После того как вы определились с выбором материалов, пришло время углубиться в конкретные детали вашей разводки печатной платы. Хотя рабочие процессы инженеров могут отличаться от дизайнера к дизайнеру, существует ряд основных аспектов проектирования, которые требуют точного соответствия требованиям DFM, чтобы считать плату на 100% готовой к производству. В следующих разделах вы узнаете детали стратегии разработки вашей разводки печатной платы, включая спецификации для поверхностного монтажа и сквозного монтажа, документацию для шелкографии, применение паяльной маски и многое другое.
При проектировании печатной платы обычно выбирают либо технологию поверхностного монтажа (SMT), либо сквозной монтаж для монтажа компонентов. Если вы используете оба метода производства, то ваша плата считается гибридной. Исходя из текущих тенденций в дизайне печатных плат, рекомендуется использовать компоненты в виде устройств поверхностного монтажа (SMD), поскольку эта технология доминирует на рынке дизайна печатных плат с 1990-х годов и включает множество преимуществ, включая более высокую плотность размещения на плате при более низкой стоимости. Учитывайте следующее, принимая решение между SMT и сквозным монтажом:
Метод установки компонентов, который вы выберете, будет иметь прямое влияние на общие затраты и время производства. Рекомендуется придерживаться SMT для профессиональных дизайнов плат, поскольку это обеспечивает более быстрое выполнение заказов и высокую надежность.
Все контуры компонентов на вашей шелкографии должны быть помечены обозначением ссылки и указателями полярности (если применимо). Важно убедиться, что эти обозначения и указатели читаемы и видны даже после установки компонентов для упрощения проверки после производства. На рисунке 8 представлены рекомендуемые рекомендации по размещению мест обозначений ссылок и маркировки полярности на вашей шелкографии:
Рисунок 8 - Размещение обозначений компонентов
На рисунке 9 представлен список стандартных отраслевых обозначений по стандарту IPC-2612[3-1] для создания символов схем. Рекомендуется использовать эти обозначения во всех ваших проектах плат, чтобы обеспечить их единообразие.
Рисунок 9 - Обозначения компонентов[3-1]
*Не является буквой класса, но обычно используется для обозначения точек тестирования в целях обслуживания.
Примечание: Приведенный выше список не является исчерпывающим. См. стандартный список букв классификации в ANSI Y32.2/IEEE Std 315 [3-2], раздел 22 и индекс.
Маска для пайки - это тонкий слой, похожий на лак, который наносится в качестве финального покрытия на вашу печатную плату для защиты различных элементов, включая медные дорожки и земляные плоскости, которые не должны паяться. Некоторые преимущества маски для пайки включают:
Везде, где требуется пайка или электрический контакт (вокруг SMD и PTH площадок, отверстий для инструментов, зон контакта экранов, маркеров позиционирования и т.д.), необходимо предусмотреть зазор для паяльной маски. Указание зазора для паяльной маски гарантирует, что в процессе изготовления паяльная маска не будет заходить на площадки, что может привести к уменьшению паяного филета или полному отсутствию контакта, если не указаны соответствующие требования к зазору. Смотрите Рисунок 10 ниже для правильных требований к зазору паяльной маски на площадках и дорожках:
В приведенном выше примере, если минимальное расстояние между площадкой и дорожкой (колонка B) меньше требуемого, то паяльная маска будет нанесена на площадку или обнаженный металл на дорожке, что может привести к неисправности платы.
Если требуется паяльная маска между SMD площадками и недостаточно места для ее нанесения, то рекомендуется учитывать два аспекта:
С учетом этих двух требований рекомендуется либо увеличить расстояние между площадками для нанесения паяльной маски, либо проконсультироваться с вашим производителем для определения дополнительных альтернатив.
Переходные отверстия (виас) являются критически важной частью каждого дизайна печатной платы и отвечают за передачу электрического тока между слоями. Они также могут значительно увеличить стоимость производства, если не соблюдать единые требования к очистке и размерам. В следующих разделах будут рассмотрены спецификации очистки и размеров для переходных отверстий и отверстий, а также конкретные применения виас.
Стандартные виас должны иметь минимальные зазоры от соседних проводников, и размер зазора во многом зависит от того, закрыто виа или открыто. Часто можно заметить, что открытые виас требуют больших зазоров для закрытия открытых электрических соединений по сравнению с закрытыми виас.
При проектировании металлизированных переходных отверстий рекомендуется поддерживать соотношение сторон 1:1 между диаметром отверстия и толщиной субстрата. Это правило позволит обеспечить адекватное накопление меди во всем отверстии в процессе изготовления. Например, для субстрата толщиной 0.20 дюйма отверстия должны быть как минимум 0.20 дюйма в диаметре. Однако большинство производителей имеют широкий выбор размеров сверл и обычно удовлетворяют требованиям за пределами этого общего рекомендации. Одна вещь, которую следует помнить при выборе размера отверстия, заключается в том, что готовое металлизированное сквозное отверстие будет уже из-за металлизации. Рисунок 11 показывает типичные стандартные размеры сверл:
Рисунок 11 - Стандартные размеры сверл для переходных отверстий и отверстий
Кольцевая зона - это разница между диаметром площадки и соответствующим диаметром сверления; другими словами, это область на площадке, окружающая переходное отверстие. Рисунок 12 показывает, как легко рассчитать ширину кольцевой зоны:
Ширина кольцевой зоны = (диаметр площадки - диаметр отверстия) / 2
Рисунок 12 - Рекомендуемая ширина кольцевой зоны
Существует множество условий, которые могут привести к тому, что сверленое отверстие не будет точно в центре во время производства. Если допустимо наличие "касания" на площадках вашего готового продукта, то рекомендуется проконсультироваться с вашим производителем относительно их рекомендаций по минимальной ширине кольцевых зон.
Чтобы обеспечить минимальное кольцо шириной 0,001 дюйма на готовом продукте, все площадки на вашем проекте должны быть на 0,0008 дюйма (2 x 0,0004 дюйма) больше, чем просверленное отверстие. Это гарантирует, что просверленное отверстие будет касаться края площадки. Если вы не покрываете сквозные отверстия в своих проектах металлизацией, это может привести к уменьшению размеров кольца, что, в свою очередь, может привести к отрыву кольца во время пайки или его разрушению во время нормальной работы платы. Это происходит из-за отсутствия поддержки со стороны металлизированного барреля.
Рисунок 13 - Диаметры просверленных и металлизированных отверстий
Открытые переходные отверстия - это открытые электрические соединения, которые не покрыты маской для пайки. Минимальное расстояние между открытыми переходными отверстиями и другими переходными отверстиями или контактными площадками, не примыкающими к площадке, должно составлять 0,15 дюйма, при этом предпочтительным является расстояние 0,20 дюйма.
Закрытие переходного отверстия (via) паяльной маской покрывает отверстие и кольцевую зону вокруг него маской и должно быть установлено как метод по умолчанию в вашем процессе проектирования. Имейте в виду, что обычно производитель не предпринимает дополнительных шагов, чтобы гарантировать, что отверстие via останется закрытым. Если вы хотите убедиться, что ваше переходное отверстие закрыто и покрыто, вы должны указать в вашем производственном чертеже, что вы хотите, чтобы эти vias были заполнены маской, что также называется заполнением маской. Это особенно важно для конструкций BGA, где vias находятся близко к SMD-площадкам BGA.
Смотрите Рисунок 14 для примеров рекомендуемых приложений закрытия via:
Рисунок 14 - Рекомендуемые приложения закрытия via на BGA
Via-in-pads позволяют размещать байпасные конденсаторы близко и облегчают трассировку для любых BGA с любым шагом шариков, а также помогают с тепловым управлением и заземлением. Следуйте приведенным ниже рекомендациям, когда ваша конструкция требует использования via-in-pads:
Подобно сквозным отверстиям, слепые и/или скрытые переходы (BBV) являются отверстиями, соединяющими один или несколько слоев. В этом процессе слепой переход соединяет внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями, но не с обоими внешними слоями, а скрытый переход соединяет один или несколько внутренних слоев, но не с внешним слоем. Это важно, поскольку такие типы переходов позволяют делать платы более плотными и экономить место на плате, не требуя дополнительного пространства на слоях компонентов. Смотрите Рисунок 15 для примера применения слепых и скрытых переходов:
Рисунок 15 - Слепые и скрытые переходы
Одна особенность, на которую следует обратить внимание при использовании слепых переходов, - это глубина сверления (от внешнего слоя к внутреннему слою). Например, если у вас плата толщиной 0.062 дюйма с 8 слоями, максимальная глубина отверстия слепого перехода не может превышать 0.018 дюйма (для перехода 0.035 дюйма с отверстием 0.018 дюйма).
В качестве общего правила, размер площадок переходных отверстий внутренних слоев должен быть примерно на 0,016 дюйма больше размера сверления, так как это обеспечит хорошую выходную годность для вашего производителя. Рекомендуется проконсультироваться с вашим производителем, чтобы лучше понять их ограничения по дизайну BBV для веса меди, минимального размера сверления и максимальных требований к соотношению сторон.
Процессы переплавки могут вызвать смещение или наклон компонентов в чипе, что приводит к короткому замыканию одной стороны компонента чипа с близлежащим открытым переходным отверстием. Из-за этого рекомендуется, чтобы переходные отверстия BGA по умолчанию были закрыты в ваших правилах дизайна. Используйте приведенные ниже рекомендации для определения рекомендуемого расстояния очистки для открытой зоны запрета:
На рисунке 16 показаны некоторые примеры хороших практик размещения переходных отверстий рядом с компонентами чипа:
Рисунок 16 - Рекомендации по размещению переходных отверстий рядом с компонентами чипа
Цель добавления каплевидного площадки заключается в уменьшении механического и теплового напряжения в месте соединения дорожки с площадкой за счет предоставления дополнительной поддержки из меди/металла. Это также помогает обеспечить хорошее соединение и его поддержание, поскольку увеличивает допуск производителя печатных плат, когда при сверлении происходит смещение.
Процесс создания каплевидных соединений включает добавление меди к месту соединения существующей площадки и выхода дорожки. Важно в первую очередь добавлять их к сквозным отверстиям, где может быть маленькое соотношение дорожка-площадка. Их также следует добавлять к цепям, идущим от площадки (сплошной или через площадку), и это становится важнее по мере сужения дорожки. Для дорожек шириной более 0.20 дюйма каплевидные соединения обычно не нужны. Как правило, если ваша конструкция не является устройством РЧ или высокочастотным, добавляйте каплевидные соединения на заключительном этапе вашего проектирования. На рисунке 17 показаны различные примеры каплевидных соединений и рекомендуемые требования к их расположению и форме:
Рисунок 17 - Рекомендуемые формы каплевидных соединений
Отношение сторон - это соотношение между толщиной платы и размером сверленного отверстия (до покрытия) [3-4]. Это соотношение будет направлять вашего производителя, чтобы они не превышали механические возможности своего сверлильного оборудования. На рисунке 18 показан визуальный пример того, как определяются отношения сторон на печатной плате:
Рисунок 18 - Определение отношения сторон для печатной платы
Например, печатная плата толщиной 0.065 дюйма и размером отверстия 0.020 дюйма будет иметь отношение сторон равное 3:1. Это соотношение важно, так как оно связано также с процессом покрытия. Размеры отверстий, которые слишком малы по сравнению с толщиной платы (высокие отношения сторон), могут не достичь приемлемого медного покрытия, когда растворы для покрытия проходят через отверстие. На рисунке 19 представлен общий набор рекомендаций для установления отношений сторон:
Рисунок 19 - Матрица отношения сторон для конкретных толщин плат[3-5]
Теперь, когда вы определили размеры и типы ваших переходных отверстий, пришло время начать их размещение и трассировку на макете вашей платы. Ниже вы найдете несколько рекомендаций по размещению, которые следует иметь в виду, особенно для макетов плат, использующих компоненты с сквозным монтажом или пакеты типа SIP.
Когда ваша конструкция состоит из компонентов с сквозным монтажом, рекомендуется держать переходные отверстия подальше от этих устройств, так как переходное отверстие может вызвать подтекание припоя и повредить эти компоненты. Также рекомендуется держать переходные отверстия на расстоянии около 0.100 дюйма от пакетов SIP, так как эти пакеты могут быть неправильно вставлены.
Поскольку припой может подтекать через переходные отверстия, не рекомендуется размещать их под компонентами в виде чипов, так как это может привести к повреждению, короткому замыканию или отслоению компонента. Это также важно, потому что иногда компоненты в виде чипов необходимо клеить или закреплять эпоксидной смолой на плате, и переходное отверстие под ним или рядом с ним может мешать этой области (см. Рисунок 20 в качестве примера).
Рисунок 20 - Рекомендации по зазору для переходных отверстий при волновой пайке
При соединении края переходного отверстия с краем контактной площадки компонента не рекомендуется использовать зазоры менее 0.010 дюйма, если только вы не разрабатываете плотно упакованную плату. Если ваша плата плотно упакована, тогда вам нужно будет покрыть их маской для пайки. Рекомендуется проконсультироваться с вашим производителем о минимальных зазорах, которые они требуют для более плотных плат. См. Рисунок 21 для примера рекомендуемых соединений переходных отверстий с контактными площадками компонентов:
Рисунок 21а - Рекомендуемые соединения переходных отверстий с контактными площадками компонентов (Хорошее проектирование)
Рисунок 21б - Не рекомендуемые соединения переходных отверстий с контактными площадками компонентов (Плохое проектирование)
Если вы не соединяете переходное отверстие с контактной площадкой компонента, рекомендуется минимальное расстояние в 0.025 дюйма, и это расстояние следует увеличить до 0.040 дюйма, если переходное отверстие находится на стороне пайки платы.
Смотрите Рисунок 22 и обратите внимание на направление волновой пайки:
Рисунок 22 - Расстояние между компонентом и переходным отверстием для волновой пайки
Переходные отверстия являются критически важной частью каждого электронного проекта, и обеспечение того, чтобы ваши зазоры, размеры, типы и методы трассировки оставались последовательными на протяжении всей платы, существенно повысит шансы на проектирование производственно эффективной и экономичной платы. В следующем разделе будет сосредоточено внимание на дополнительных стратегиях размещения платы и других вариантах, которые следует учитывать в процессе проектирования.
Когда у вас есть вывод компонента, который может генерировать тепло и соединен с большой дорожкой, производимый теплоперенос может привести к плохому паяному соединению. Это даже может привести к образованию открытых паяных соединений для соединений без маски пайки, поскольку припой может уйти от места соединения компонента.
Для решения этой проблемы сужение трасс может помочь в достижении теплового баланса и предотвратить утечку паяльного материала и тепла от площадки.
Общее руководство по сужению трассы заключается в том, чтобы делать её ширину не более 0,010 дюйма в месте соединения с площадкой и протягивать её как минимум на 0,010 дюйма перед соединением с широкой трассой. Если вам нужно соединить широкую трассу с контактной площадкой компонента, их ширина должна быть одинаковой, при этом размеры следует делать как можно меньше. На рисунке 23 показан пример этого процесса:
Рисунок 23а - Соединение широких трасс с контактными площадками компонентов (Хороший дизайн)
Рисунок 23b - Соединение широких трасс с контактными площадками компонентов (Хороший дизайн)
Когда вам нужно соединить большие земляные дорожки с контактными площадками компонентов, следует сужать дорожки, чтобы обеспечить хорошее балансирование и предотвратить передачу тепла, которое может вызвать перемещение припоя к большой проводящей области. Также можно использовать несколько дорожек для соединения контактных площадок с большими дорожками и земляными плоскостями. Рекомендуется поддерживать ширину дорожки (при сужении) от контактной площадки максимум 0,010 дюйма и минимальную длину от контактной площадки до большой плоскости или дорожки 0,010 дюйма. Смотрите Рисунок 24 для примера этих рекомендаций по расстоянию:
Рисунок 24а - Соединение контактных площадок компонентов с большими проводниками (Хорошее проектирование)
Рисунок 24b - Соединение контактных площадок компонентов с большими проводниками (Плохое проектирование)
При соединении контактных площадок близко расположенных чип-компонентов рекомендуется прокладывать дорожки наружу, а затем обратно к контактным площадкам, а не прокладывать дорожки непосредственно между контактными площадками или через них. Это поможет предотвратить короткие замыкания, которые будут ошибочно перепаяны, предотвратить "тумбстоунинг" из-за плохого теплового баланса, а также избежать холодных паяных соединений и смещения компонентов. Смотрите Рисунок 25 для примера правильного соединения контактных площадок с компонентами:
Рисунок 25а - Соединение контактных площадок близко расположенных компонентов (Хорошее проектирование)
Рисунок 25b - Соединение контактных площадок близко расположенных компонентов (Плохой дизайн)
Рисунок 25c - Соединение контактных площадок близко расположенных компонентов (Плохой дизайн)
Каждая контактная площадка должна быть соединена со своей дорожкой, и рекомендуется проводить маршрутизацию либо снаружи краёв, либо внутри краёв контактных площадок, сохраняя при этом симметричность маршрутизации. Это важно и критично в областях без паяльной маски, так как это помогает предотвратить уход паяльного материала от контактной площадки и предотвращает смещение компонентов. В общем, большинство производителей захотят видеть сбалансированное количество меди, соединяющей контактные площадки компонентов. Смотрите Рисунок 26 для примеров маршрутизации дорожек и предпочтительных методов соединения дорожек с чиповыми площадками.
Предпочтительная маршрутизация: (стрелки указывают на миграцию припоя)
Приемлемая маршрутизация:
Непредпочтительная маршрутизация: (стрелки указывают на миграцию припоя)
Рисунок 26 - Соединение дорожек с контактными площадками компонентов при использовании паяльной маски
При маршрутизации выводных SMD компонентов рекомендуется проводить дорожку сверху вниз, а затем обратно, формируя конфигурацию в виде перевёрнутой буквы "U", вместо формирования "H", проводя прямо между площадками. Смотрите Рисунок 27 для примера такой конфигурации в форме буквы "U":
Рисунок 27 - Конфигурация "U" для маршрутизации выводных SMD компонентов
Рекомендуется размещать слои питания и земли всегда на внутренних слоях, симметрично и по центру. Это поможет предотвратить изгиб платы, а также поможет с точным позиционированием и размещением компонентов. Большинство производителей сборок допускают изгиб и скручивание на уровне 0.7%-0.75% как для двухслойных печатных плат, так и для многослойных печатных плат с толщиной платы 0.06 дюйма.
Тот же набор рекомендаций применим к дорожкам. Они должны быть расположены как можно более равномерно как в оси X, так и в оси Y и, желательно, в многоориентационном исполнении на всех слоях для предотвращения искривления платы.
Для плат с металлизированными отверстиями (PTH) используется бесэлектролитное меднение, чтобы сделать путь отверстия проводящим достаточно для дальнейшего наращивания металлической меди до толщины, указанной конструктором, которая обычно составляет 0,001 дюйма. Процесс бесэлектролитного меднения также добавляет в среднем 0,0013 дюйма меди к внешним линиям, в дополнение к исходной медной фольге (0,5 унции или 1 унция). Рисунок 28 обобщает наиболее распространенные типы покрытий для всей открытой схемы на плате. Рекомендуется проконсультироваться с вашим производителем для выбора покрытия, которое будет снижать разложение материала и улучшать консистенцию поверхности при подключении компонентов на вашей плате.
Рисунок 28 - Сравнение финальных покрытий
Тепловое облегчение критически важно для волновой пайки, обработки SMT и ручной пайки. Это становится еще более важным для сборок с высоким содержанием меди и многослойных плат, поскольку медь может превратиться в теплоотвод, который отводит большую часть тепла от зон пайки. Это может затруднить поддержание температур процесса, а наличие теплового облегчения облегчает пайку сквозных компонентов за счет замедления скорости отвода тепла через металлизированные отверстия. Отсутствие теплового облегчения может привести к плохому заполнению отверстий и холодным паяным соединениям, а также может повлиять на возможности переработки. Некоторые преимущества добавления теплового облегчения на вашу плату включают:
Как общее правило, рекомендуется использовать узор теплового облегчения для любого переходного отверстия или отверстия, которое соединено с земляной или силовой плоскостью. Также рекомендуется избегать использования теплового облегчения в отверстиях для компонентов с пресс-посадкой и учитывать тепловую емкость в ваших расчетах. Смотрите Рисунок 29 для примера типичного узора теплового облегчения на макете платы:
Рисунок 29 - Типичный Узор Теплового Облегчения
Эта глава заложила основу для вашего процесса проектирования, позволяя вам стратегически подходить к основам размещения вашей платы, включая использование сквозных или поверхностных монтажных компонентов, четкую документацию вашего шелкографического слоя, понимание важности маски пайки и, наконец, указание размеров и расположения переходных отверстий (виас). Теперь мы готовы погрузиться в конкретные рекомендации по размещению и ориентации компонентов на вашей плате для успешного изготовления вашей печатной платы.
Теперь, когда вы определились с предпочтительными типами компонентов, пришло время решить, как эффективно разместить и ориентировать эти детали на вашей плате. Этот процесс будет иметь большое влияние на то, как вы используете доступное пространство на вашей плате, и может стать одним из самых сложных этапов в вашем процессе проектирования. Ниже вы найдете конкретные рекомендации по оптимизации размещения ваших компонентов, чтобы они были производимы и соответствовали вашим конкретным требованиям к дизайну.
Прежде чем переходить к конкретике размещения и ориентации компонентов, есть несколько общих рекомендаций, которые следует иметь в виду:
Следуя вышеуказанным рекомендациям, вы будете значительно опережать типичного разработчика печатных плат в эффективном использовании макета вашей платы, а также обеспечите изготовление вашей платы без каких-либо задержек. В следующих разделах будут даны конкретные рекомендации по размещению компонентов, их ориентации и завершению.
Наличие достаточного расстояния между компонентами критически важно для правильной пайки, выполнения ремонтных работ, тестирования вашей платы и плавного процесса сборки. Плохое расположение компонентов может привести к ручной установке из-за невозможности машины для установки компонентов выполнить свою работу должным образом.
Иногда невозможно избежать разброса компонентов в корпусе на нижней стороне вашей платы. Чтобы избежать затенения и неспаянных выводов, рекомендуется оставлять между каждым компонентом расстояние в 0.100 дюйма, как показано на Рисунке 30:
Рисунок 30 - Расстояние между компонентами для избежания затенения и неспаянных выводов
Рекомендуется, чтобы расстояние между компонентами было равно 1x высоте компонента (или минимум ½ его высоты). На рисунках 31a и b показано минимально рекомендуемое расстояние между компонентами для некоторых наиболее распространенных типов корпусов. Для более подробной информации о расстоянии между компонентами, пожалуйста, обратитесь к IPC-7351[4-1].
Рисунок 31a - Рекомендуемое минимальное расстояние между компонентами SMD в зависимости от плотности SMT
Рисунок 31b - Стандартные требования к зазорам для расстояния между компонентами в зависимости от типа[4-2]
ПРИМЕЧАНИЕ: Разъемы (для PLCC и DIP) и соединители должны располагаться вдали от компонентов BGA и CSP, чтобы предотвратить трещины в сварных соединениях из-за возможного напряжения, возникающего при повторной установке/удалении дополнительных карт или компонентов ИС.
(*) Только для основной стороны. Для вторичной стороны требуется зазор в 0.125 дюйма для всех компонентов SMT от выводов DIP, требующих использования фиксирующего приспособления для выборочной волновой пайки. Пресс-фит соединители - исключение и не требуют этого зазора на вторичной стороне.
(**) Расширенный вариант, если это абсолютно необходимо:
Компоненты 0402 могут быть размещены на расстоянии 20 милов друг от друга.
Компоненты 0603 могут быть размещены на расстоянии 25 милов друг от друга.
Эти числа применимы только к Viasystems и требуют особой настройки с их стороны.
Viasystems следует уведомить до начала изготовления платы.
Важно уделить время тщательной ориентации ваших компонентов, поскольку это напрямую влияет на производимость вашей платы и надежность процесса сборки. Несколько переменных будут определять, как ваша плата будет размещена и паяна на оборудовании для сборки вашего производителя, включая отверстия для инструментов, расположение разъемов, компоненты на краях и контур ПП. Смотрите Рисунок 32 для сравнения макетов плат с плохо размещенными компонентами и теми, где компоненты размещены с достаточным пространством.
Рисунок 32а - Группировка крупных компонентов требует пайки с высокой температурой (может повредить чипы)
Эта плата должна быть перепаяна при более высокой температуре, что может привести к повреждению чиповых компонентов. Это связано с размещением крупных компонентов в одной конкретной области платы.
Рисунок 32b - Распределение крупных компонентов для лучшего теплового распределения
Для лучшего теплового распределения лучше распределять крупные компоненты по всей плате.
Рисунок 33: Отрыв окончания от площадки компонента из-за плохого теплового баланса (Tombstoning)
Если ваша плата состоит из крупных компонентов с высотой более 0,20 дюйма, рекомендуется делать расстояние между компонентами равным высоте самого большого компонента. Эта стратегия обеспечивает достаточно места для визуального осмотра и упрощает ремонтные работы.
Для достижения лучшего теплового баланса вашей платы во время переплавки, следует распределять компоненты как можно более равномерно по всей плате. Это обеспечит, что ни одна область на вашей плате не будет значительно горячее другой. Также рекомендуется избегать концентрации крупных компонентов в одной области платы, чтобы помочь минимизировать изгиб и скручивание, обеспечивая сбалансированное тепловое распределение.
Производители обычно предпочитают, чтобы плата проходила через паяльную машину вдоль своей длинной оси. Это минимизирует сложность настройки и предотвращает провисание платы вниз во время пайки. Смотрите Рисунок 34 для примера, показывающего нежелательную ориентацию платы к пайке, обусловленную разъемом на краю карты, который мешал бы захватывающему устройству, если бы плата была повернута к предпочтительной длинной оси.
Рисунок 34 - Нежелательная ориентация платы к пайке
Географическое расположение компонента на печатной плате важно для правильного изготовления платы. Рекомендуется ориентировать ваши компоненты относительно контура платы и процесса пайки вдоль длинной оси печатной платы, где ваши малогабаритные интегральные схемы (SOIC) устанавливаются параллельно направлению потока пайки, как показано на рисунках 35 а и б.
Рисунок 35а: Плата в этой ориентации (верх и низ) паяется вдоль длинной оси (предпочтительная ориентация)
Рисунок 35б: Ориентация компонентов на нижней стороне для волновой пайки (непредпочтительно)
Для чип-компонентов оба вывода должны быть параллельны волне пайки, чтобы их можно было паять одновременно. Избегайте затенения, не размещая чип-компоненты перпендикулярно друг другу. Это также поможет избежать неравномерных паяных филлетов (и пропусков), которые обычно создают напряжение на паяных соединениях. Рисунок 36 показывает визуальный пример правильной ориентации чип-компонентов.
Рисунок 36а: Хорошая ориентация чип-компонентов
Рисунок 36б: Плохая ориентация чип-компонентов
Чем больше затенения мелких компонентов на вашей плате от волны пайки, тем выше вероятность того, что на вашей печатной плате образуются открытые паяные соединения. Убедитесь, что направление пайки вашей платы расположено таким образом, чтобы большие компоненты не затеняли меньшие чиповые компоненты, как показано на рисунке 37 ниже.
Рисунок 37а: Хорошее размещение компонентов
Рисунок 37b: Плохое размещение компонентов (Затенение)
Рекомендуется размещать BGA на верхней стороне платы, чтобы исключить возможность открытых паяных соединений во время второго прохода переплавки. Ваш производитель может потребовать дополнительные шаги в процессе сборки, если у вас есть компоненты BGA с обеих сторон платы.
Эти дополнительные шаги обеспечат временную поддержку другой стороны BGA во время процесса переплавки второго прохода.
Избегайте размещения BGA и больших компонентов в корпусе quad flat package (QFP) в центре печатной платы, чтобы предотвратить её искривление из-за тяжелых деталей. Несоблюдение этого руководства может привести к открытым паяным соединениям, как показано на рисунке 38, и является проблемой для стандартных плат толщиной 0.062 дюйма, когда площадь платы превышает 25 квадратных дюймов.
Рисунок 38 - Пример эффекта изгиба и скручивания на устройствах BGA
Если ваша конструкция содержит компоненты BGA с обеих сторон платы, рекомендуется смещать каждый BGA для упрощения переработки и облегчения инспекции шариков пайки, как показано на рисунке 39.
Рисунок 39 - Стратегия монтажа BGA
Когда вы указываете размещение чипа под устройством, это может усложнить инспекции, переработку и тестирование. Если размещено под гнездами BGA или гнездами ZIF, необходимо учитывать уменьшение размера шарика BGA, которое обычно составляет около 25% от диаметра шарика. Рекомендуется учитывать допуски стека в таких конструкциях, поскольку они делают невозможным инспекцию скрытых устройств и усложняют переработку.
Производители печатных плат предпочитают резисторные сборки с выпуклым типом окончания и внешними паяными соединениями. Такие типы резисторных сборок обеспечивают лучшее расстояние и упрощают пайку, что облегчает визуальный контроль и инспекцию паяных соединений.
Чтобы сохранить консистенцию вашего дизайна и помочь в процессе сборки, рекомендуется размещать все поляризованные конденсаторы таким образом, чтобы положительный конец был направлен вправо или вниз. Как вы видели ранее, полярность должна быть указана на шелкографии на контуре пакета. Разделительные конденсаторы всегда должны размещаться как можно ближе к выводу питания ИС и ориентироваться перпендикулярно компонентам SOIC и направлению пайки.
Расстояние между площадками (от площадки до площадки), которые расположены перпендикулярно и параллельно направлению пайки, должно быть не менее 0.025 дюйма, чтобы избежать образования мостиков из припоя. Также рекомендуется поддерживать минимальное расстояние в 0.025 дюйма от края сквозного отверстия или переходного отверстия (via) до площадки для поверхностного монтажа или другого переходного отверстия.
Все компоненты, используемые на стороне сборки для волновой пайки, должны быть заранее одобрены вашим производителем для погружения в ванну с припоем. Для высоких компонентов (выше 0.0100 дюйма), таких как танталовые конденсаторы, рекомендуется иметь минимальное расстояние между площадками не менее 0.100 дюйма (со всех сторон), чтобы избежать пропусков и разрывов соединений во время операции волновой пайки.
Некоторые типы компонентов чувствительны к волновой пайке при повышенных температурах, и не рекомендуется размещать их на обратной стороне вашей платы (нижний слой), где волна припоя могла бы соприкоснуться с компонентом. Компоненты, размещение которых на обратной стороне платы (нижний слой) не рекомендуется, включают в себя:
Определяя требуемый окончательный размер PTH (отверстия под вывод), имейте в виду, что если PTH слишком велик, компонент не будет удерживаться на месте и может сместиться, увеличивая вероятность "подъема" и создавая короткие замыкания из-за затопления припоем во время волновой пайки. Если PTH слишком мал, компонент может не влезть в PTH, что может привести к недостаточной заполненности припоем. Легко перепутать ориентацию компонента с монтажом через отверстие, поэтому предпочтительнее использовать однонаправленные пакеты вместо двунаправленных. Рисунок 40 дает общий набор рекомендаций для определения окончательных размеров PTH:
Рисунок 40 - Рекомендации по соотношению вывод-отверстие для компонентов с монтажом через отверстие[4-3]
С информацией, представленной в этой главе, теперь вы хорошо подготовлены к началу процесса размещения и ориентации компонентов, чтобы соответствовать основным требованиям производимости. Перед началом процесса размещения компонентов рекомендуется проконсультироваться с вашим производителем, чтобы обсудить любые конкретные требования к размещению, которые не были описаны в предыдущих разделах. Теперь, когда ваш дизайн находится на пути к завершению, пришло время финализировать процесс разработки платы, настроив требования к точкам тестирования в следующей главе.
Определение правильных точек тестирования на макете платы в процессе дизайна критически важно для тестирования и проверки вашей печатной платы производителем. Установленные вами точки тестирования в конечном итоге определят надежность вашей печатной платы и позволят производителю выявить и диагностировать любые потенциальные проблемы до того, как ваша плата покинет производственное предприятие. Эта глава охватит общие требования к тестированию вашей печатной платы, а затем перейдет к конкретике размещения тестовых площадок и панелизации.
Прежде чем переходить к конкретике требований к точкам и площадкам тестирования, следует иметь в виду несколько общих рекомендаций:
Тестовые площадки могут быть выполнены в виде переходных отверстий/площадок, площадки компонента (PTH) или специально выделенной Тестовой Точки (TP) со своим собственным обозначением.
Смотрите Рисунок 41 для примера тестового переходного отверстия.
Рисунок 41 - Тестовое Переходное Отверстие
Для тестовых проб используйте диаметры тестовых площадок, указанные ниже, чтобы обеспечить надежные результаты тестирования в процессе производства:
Расстояние между тестовыми площадками (от центра до центра) должно поддерживаться на уровне 0,100”. Это позволит использовать более крупные зонды, которые дешевле в настройке и обеспечивают более надежные показания.
Чем меньше расстояние между тестовыми площадками, тем вероятнее, что вашему производителю придется использовать меньшие, более дорогие и менее надежные зонды, как показано на рисунке 42.
Рисунок 42 - Расстояние между тестовыми площадками
Компоненты на платах SMT высотой 0,35 дюйма (или более) трудно протестировать, поэтому рекомендуется оставлять зазор в 0,100 дюйма между тестовыми площадками и краем этих компонентов. Это позволит избежать необходимости делать вырезы или углубления в пластине для тестирования, если расстояние от площадки до компонента окажется меньше требуемого минимума, как показано на рисунке 43.
Рисунок 43 - Расстояние от тестовой площадки до компонента для компонентов высотой более 0,200 дюйма
Для компонентов высотой менее 0,35 дюйма тестовые площадки должны располагаться не ближе 0,040 дюйма от края компонента.
Это позволит избежать повреждения как зонда, так и компонента из-за допусков в размещении компонентов и креплении, как показано на рисунке 44.
Рисунок 44 - Расстояние от тестовой площадки до компонента для компонентов высотой менее 0,200 дюйма
Как минимум, на печатной плате должно быть два отверстия для инструментов. Они должны располагаться как можно дальше друг от друга, по диагонали, и иметь диаметр 0,125 дюйма. Свободная зона вокруг отверстий для инструментов должна иметь кольцевой радиус 0,125 дюйма.
Панелизация, также известная как метод "шаг и повторение", - это способ размещения двух или более печатных плат (PCB) на одной панели, что позволяет защитить платы во время производства, транспортировки и сборки. Поскольку стоимость вашей печатной платы рассчитывается за панель, ваша стоимость будет напрямую зависеть от того, сколько печатных плат может быть изготовлено на одной панели. Панелизация также может сэкономить время за счет одновременной обработки нескольких плат в больших объемах, как показано на рисунке 45.
Рисунок 45 - Прямоугольные схемы на одной панели с технологическими отверстиями и разрывными вкладышами
Изображения печатных плат на панели могут представлять собой один дизайн или группу различных дизайнов. В нескольких местах вдоль края панели просверливаются отверстия, а контур платы не полностью вырезается, чтобы создать вкладыш. После размещения на панели платы затем можно легко отделить до или после установки компонентов.
Рекомендуется проконсультироваться с вашим производителем, чтобы определить, требуется ли панелизация для изготовления вашей платы. Факторы, которые будут определять, сколько печатных плат может быть размещено на одной панели, включают:
По мере увеличения количества схем в панели, ее механическая прочность снижается, что может привести к изгибу панели под ее весом во время сборки и рефлоу. Хотя меньшая панель, содержащая меньшее количество плат, может быть более прочной, это может не быть самым эффективным способом использования стандартных размеров панелей производителя ПП. Это добавит дополнительные расходы в процессе сборки.
Средний размер панели примерно соответствует размеру листа формата А4. Следующие спецификации должны быть включены для стандартной панелизации:
Поскольку печатная плата должна быть зафиксирована на оборудовании для сборки, обычно требуется, чтобы с обеих сторон платы была зона без компонентов шириной 0,200 дюйма. Если компоненты расположены ближе, чем это расстояние, потребуется полоса для инструментов, и вокруг краев платы потребуется дополнительная площадь отходов шириной 0,400 дюйма. Если в вашем проекте компоненты выступают за края печатной платы, ширина рамы для инструментов должна быть соответственно увеличена. Хотя это и не обязательно, наличие фаски 0,100 дюйма на углу полосы для инструментов облегчит выравнивание оборудования для сборки с платой и поможет избежать риска заедания. На рисунке 45 показана стандартная панель с полосами для инструментов, отверстиями и рамками.
Полосы для инструментов удаляются после завершения сборки и извлечения отдельных схем. Если ваш проект не содержит выступающих компонентов, и ближайший компонент к краю находится как минимум в 0,100 дюйма от него, полосы для инструментов вдоль верхнего и нижнего краев будут включены, как показано на рисунке 47 ниже:
Рисунок 47 - Полосы для инструментов вдоль верхнего и нижнего краев печатной платы
Технологические отверстия необходимы для точной выравнивания и позиционирования печатной платы в машинах и приспособлениях для обработки (например, приспособления для фрезерования, процесс нанесения паяльной пасты через трафарет, сверлильные станки, испытательные приспособления и т.д.). Минимальная конфигурация должна включать как минимум два не металлизированных отверстия, по одному в каждом углу (напротив друг друга), с диаметром 0,125 дюйма и на расстоянии 0,200 дюйма от края платы. Желательно наличие третьего отверстия, если позволяет пространство, так как это улучшит точность выравнивания и может быть использовано для обеспечения правильной ориентации платы в приспособлении.
Из-за ограничений автоматических установочных головок и технологических контактов, необходимо поддерживать зону без компонентов примерно в 0,400 дюйма от центра отверстия. Эти требования могут варьироваться в зависимости от машины для вставки, поэтому рекомендуется проконсультироваться с производителем печатных плат для обеспечения наилучшей конфигурации. Правильное размещение технологических отверстий можно увидеть на рисунке 48:
Рисунок 48 - Правильное размещение технологических отверстий на печатной плате
Ниже приведены несколько методов разделения панелей, каждый из которых имеет свои преимущества в зависимости от физических ограничений формы вашей платы и связанных с ней компонентов. Конкретные требования к вашему дизайну определят, какой именно процесс разделения следует использовать, и рекомендуется проконсультироваться с вашим производителем для выбора идеального решения.
Для поддержки отдельных печатных плат в процессе сборки и возможности их удаления после завершения сборки вокруг периметра профиля ПП добавляются несколько маленьких отламывающихся перемычек.
Для лучшей стабильности на каждом краю платы требуется как минимум две перемычки. Эти перемычки должны быть не металлизированными отверстиями диаметром от 20 до 30 милов и расположенными на расстоянии от 40 до 50 милов, как показано на рисунке 49. Этот метод имеет преимущество в том, что плату легко отломить от панели, но при этом останется шероховатый край. Если у вас строгие допуски для механического корпуса, отверстия можно сместить внутрь ПП, чтобы исключить любой материал за пределами края ПП.
Рисунок 49 - Отламывающиеся перемычки
Во время разделения на плате и компонентах SMT, расположенных рядом с ушками, может возникнуть напряжение, что может привести к их повреждению. Чтобы минимизировать повреждения, рекомендуется ориентировать эти компоненты под углом 90° к краю платы. В общем, компоненты, дорожки, переходные отверстия и внутренние слои не должны располагаться в пределах 0,100 дюйма от отверстий для разделения.
Метод цельного разделения более прочен и использует меньше материала, чем ушки для разделения, к тому же для извлечения платы из панели не требуется использовать ниблер. После разделения платы на краю может остаться немного нежелательного материала, который, возможно, придется зачистить для выравнивания платы. На рисунке 50 показано сечение цельного разделения на печатной плате:
Рисунок 50 - Сечение цельного разделения
V-образное прорезание или V-скоринг - это другой способ отделения плат от панели, часто являющийся хорошим вариантом для плат без выступающих компонентов. Этот альтернативный метод разделения обходится дешевле в реализации и идеален для массового производства. На рисунке 5 показано сечение метода V-образного прорезания:
Рисунок 51а - Сечение V-образного прореза
Отделение плат от панели с использованием метода V-образного пропила создаст некоторое напряжение вдоль линии отламывания, поэтому рекомендуется размещать компоненты поверхностного монтажа (SMT) на расстоянии не менее 0.100 дюйма от края вашей платы. Пропил V-образным инструментом также приведет к появлению грубого, необработанного края платы после его выполнения производителем печатных плат. На рисунке 51b показаны необходимые линии пропила на панели для метода V-образного пропила:
Рисунок 51b - Необходимые линии пропила и детали на панели с V-образным пропилом
Если вы разрабатываете печатную плату нестандартной формы, то рекомендуется использовать технику панелизации в процессе сборки, чтобы оптимизировать производственный процесс вашей платы.
Это приведет к образованию некоторого количества отходов материала, как показано на рисунке 52:
Рисунок 52 - Плата нестандартной формы с вставными панелями
Добавив на плату соответствующие точки тестирования, вы значительно увеличите вероятность обнаружения любых ошибок, связанных с производством, в процессе валидации после производства. Учитывая, что каждый дизайн имеет свои ограничения и уникальные физические ограничения, всегда рекомендуется проконсультироваться с вашим производителем для определения идеального расположения точек тестирования. С процессом размещения компонентов на вашей плате полностью завершенным, теперь пришло время перейти к процессу подготовки документации после проектирования, чтобы четко передать намерения дизайна выбранному производителю.
Прежде чем отправить ваш дизайн на производство, вам необходимо убедиться, что он должным образом задокументирован для четкой передачи вашего замысла дизайна. Хотя электронные файлы, такие как Gerber и ODB++, предоставляют достаточно базовой информации для изготовления вашей платы, они не включают все мелкие детали в вашей голове о том, как вы намереваетесь производить вашу плату.
Этап документирования - это ваш шанс точно зафиксировать компоновку вашей платы и избежать любых недопониманий, связанных с намерениями дизайна, которые обычно возникают, когда цели проектирования не переданы ясно. Эта глава будет сосредоточена на создании стандартного шаблона документации для печатной платы и описании всех необходимых деталей, которые вы захотите включить, чтобы улучшить понимание вашего производителя. Следующая глава затем перейдет к деталям вашего основного чертежа. Эта и следующая главы основаны на информации из стандарта IPC-D-325A[6-1].
Первым шагом в создании основного чертежа является выбор подходящей области чертежа, которая будет содержать все ваши чертежи. Размеры вашей области чертежа называются размером чертежа и должны соответствовать стандартным размерам ANSI-Y 14.1[6-1], как показано на рисунке 53[6-2]. По возможности размеры чертежей должны быть согласованы для всей документации, при этом следуя политике документации вашей компании.
Рисунок 53 - Стандартные размеры чертежей для документации по печатным платам
На вашем чертеже печатной платы должно быть включено несколько блоков. Блок содержит дополнительные детали и спецификации, которые помогут четко определить требования к вашему дизайну для производства и должны быть полностью детализированы, чтобы избежать любых потенциальных задержек в производстве или ошибок. На рисунке 54 показано пустое пространство для чертежа с выделенными блоками.
Рисунок 54 - Пустое пространство для чертежа печатной платы с выделенными блоками
Зонирование используется для обеспечения ссылки на чертеж и особенно полезно при работе с многостраничными чертежами. Хотя зонировать чертеж можно несколькими способами, рекомендуется выбрать один метод и использовать его во всех ваших проектах ради согласованности. Метод, представленный в этом руководстве, включает следующие рекомендации (см. Рисунок 55):
Рисунок 55 - Пример метода зонирования
Блок названия является важной частью вашего проекта печатной платы (PCB), поскольку он передает вашему производителю базовую информацию, необходимую для изготовления вашей платы. При создании блока названия для вашего проекта PCB вам потребуется предоставить множество различных разделов, включая:
На следующих рисунках показаны эти разделы в деталях на блоке названия и предоставлена дополнительная информация о том, что должно быть включено:
Название и подзаголовок дают краткое и точное описание печатной платы и должны быть написаны заглавными буквами.
Рисунок 56 - Блок названия и подзаголовка
Масштаб это отношение фактического дизайна к изображению и должен быть описан в виде дроби.
Рисунок 57 - Блок масштаба
Номер чертежа используется для файлового архивирования и идентификации проекта PCB.
Рисунок 58 - Блок номера чертежа
Код клетки это пятизначная строка, используемая федеральным правительством для идентификации предприятия.
Рисунок 59 - Блок кода клетки
Блок утверждения используется для того, чтобы отдельные лица (чертежники, дизайнеры, проверяющие и т.д.) могли подписать и утвердить дизайн.
Рисунок 60 - Блок утверждения
Хотя требования могут отличаться в зависимости от установленных стандартов CAD вашей организации, вышеупомянутые пять разделов считаются минимально необходимыми требованиями для блока названия. Вам следует работать над установлением собственных стандартов блока названия для будущих проектов. Блоки, показанные на рисунках ниже, включают дополнительные детали, которые могут быть актуальны для спецификаций вашего проекта.
Блок применения является необязательным и разделен на две части, первая из которых - раздел «ИСПОЛЬЗУЕТСЯ НА», а другая - раздел «СЛЕДУЮЩАЯ СБОРКА». Раздел «СЛЕДУЮЩАЯ СБОРКА» сообщает инженеру о следующей сборке, в которой будет использоваться деталь, в то время как «ИСПОЛЬЗУЕТСЯ НА» относится к основной сборке, которая содержит следующую сборку.
Рисунок 61 - Блок применения
Блок ревизий используется для отслеживания ревизии проекта и может быть виден на рисунке 62 ниже. Убедитесь, что вы придерживаетесь схемы ревизий вашей компании, но если схема не установлена, используйте предложенную ниже схему ревизий:
Рисунок 62 - Блок ревизий
Номер контракта, также известный как номер заказа на покупку, используется для связывания и отслеживания проекта.
Рисунок 63 - Номер контракта
Ключ распределения используется для внутренней дистрибуции по определенным отделам вашей организации и должен быть размещен непосредственно над Блоком названия.
Рисунок 64 - Ключ распределения
Блок материалов содержит номера, соответствующие соответствующим примечаниям, указывающим используемые материалы.
Рисунок 65 - Блок материалов
Блок статуса ревизии содержит информацию, размещенную на первой странице мастер-чертежа и показывающую статус ревизии для каждого отдельного листа чертежа. Этот блок должен быть расположен в верхнем правом углу вашего шаблона ПП.
Рисунок 66 - Блок статуса ревизии
Блок продолжения используется для листов, отличных от первой страницы. Блок продолжения должен быть размещен в правом нижнем углу страницы, как показано на рисунке 67, и должен включать:
Рисунок 67 - Листы продолжения
Хотя блок заголовка схемы содержит много общей информации, как и его аналог для ПП, включая размер чертежа, дату, название и ревизию (см. Рисунок 67), он также имеет ряд отличий, описанных ниже:
Рисунок 68 - Блок заголовка схемы
Блок ссылочных документов перечисляет необходимую проектную документацию для производства.
Рисунок 68 - Блок ссылочных документов
Номер чертежа сборки - это уникальный номер, присвоенный чертежу сборки. Чертеж сборки - это подробное изображение всей структуры платы со всеми размещенными компонентами.
Номер чертежа изготовления - это уникальный номер, присвоенный чертежу изготовления. Чертеж изготовления показывает области на плате, требующие конструкции, такие как стек слоев и таблица сверления.
Номер документа спецификации - это уникальный номер, присвоенный документу спецификации материалов (BOM). Спецификация интегрирует все аспекты вашего проекта для производства готового продукта. Спецификация обсуждается более подробно далее в этом руководстве.
Номер чертежа печатной платы - это уникальный номер, присвоенный чертежу печатной платы.
Этот блок используется для ввода названия или номера основного проекта.
Имя файла относится к сохраненному имени файла, включая расширение.
Эта область предназначена для названия вашей компании и почтового адреса.
Передача основной информации о вашем проекте как производителю, так и заинтересованным сторонам снижает риски недопонимания намерений дизайна. Настоятельно рекомендуется использовать дополнительные блоки, которые наилучшим образом подойдут для конкретных требований вашего проекта, чтобы облегчить организацию документации по дизайну. Организованная документация облегчит понимание вашего дизайнерского замысла через всю документацию. Теперь, когда мы разобрались с именованием и организацией наших документов, давайте рассмотрим содержание основного чертежа.
Проектирование для производства (DFM) не только о вашем процессе дизайна, это также о понимании того, что происходит как до, так и после завершения компоновки вашей платы, начиная с первого компонента, который вы размещаете в цифровом виде, до последней детали, которую машина для установки компонентов физически размещает на вашей печатной плате. В своей основе DFM столь же много является искусством, сколько и наукой, требуя от инженеров быть в курсе не только своих собственных забот и проблем в процессе дизайна, но и потребностей всех заинтересованных сторон. Это ответственность дизайнера понимать процесс производства печатных плат, чтобы они могли успешно применять практики DFM в своих ПП.
В этом руководстве мы подробно рассмотрели DFM для проектирования печатных плат с двух точек зрения: изготовление и сборка. С точки зрения изготовления, дизайнеры будут ограничены возможностями производства, и они должны убедиться, что физическая компоновка в их системе не нарушает эти ограничения. С точки зрения сборки, дизайнер все еще должен убедиться, что его физическая компоновка не будет мешать основным аспектам процесса сборки и приведет к высоким показателям выхода годных. Чтобы спроектировать успешную печатную плату с первого раза, вам нужно смотреть шире и видеть проектируемую вами конструкцию в цифровом домене как малую часть большой задачи.
Цель этого руководства - предоставить новым дизайнерам инструменты, необходимые для того, чтобы они не нарушали ограничения DFM/DFA в процессе производства печатных плат. Мы предлагаем простые, но важные рекомендации по следующим темам:
Чтобы узнать больше о других важных темах проектирования печатных плат, ознакомьтесь со страницей Руководств по нашему ресурсному центру Altium.