Электронная книга: Многослойный проект EnviroSense

Проект EnviroSense

Наш проект EnviroShield получает большое обновление в этой статье - мы выводим его из фазы прототипирования, где он был щитом Nucleo, и создаем отдельный продукт. В идеале он будет полностью интегрирован в механический корпус с пассивным защитным экраном от радиации и влаги, но это выходит за рамки данной статьи.

ПРИМЕЧАНИЕ: ВСТРОИТЬ ПРОСМОТРЩИК, ЕСЛИ ОН ПОДДЕРЖИВАЕТ СБОРКУ НЕСКОЛЬКИХ ПЛАТ

 

Как и во всех моих проектах, этот проект является открытым исходным кодом и бесплатным для использования по вашему желанию. Все файлы дизайна вы можете найти на GitHub. Конечно, на файлы проекта не распространяется гарантия, нет обязательств или ответственности, поскольку они лицензированы по лицензии MIT.

Поскольку теперь этот проект предназначен для использования как внутри, так и снаружи помещений, нам также нужен способ передачи данных о погоде обратно в базу данных, поэтому мы добавим WiFi-модуль Microchip ATWINC1500-MR210PB.

В этом проекте мы создаем основную плату - но в основном мы будем говорить о том, как и почему вы могли бы создать свой собственный модуль поверхностного монтажа. WiFi-модуль Microchip является отличным примером того, почему вы могли бы создать свою собственную плату с поверхностным монтажом.

Почему создавать модуль поверхностного монтажа?

Сертификация

Сертификация устройств, преднамеренно излучающих радиоволны, обходится дорого. Если вы встраиваете в свои продукты собственное беспроводное решение, может быть разумным переместить радиоаппаратуру в отдельный субмодуль, который можно сертифицировать отдельно. Если у вас есть несколько продуктов, использующих этот собственный радиомодуль, возможно, вы сможете сертифицировать их по более дешевой категории непреднамеренных излучателей, поскольку они интегрируют предварительно одобренный модуль преднамеренного излучателя.

Это также может быть весьма актуально для регуляторов напряжения, драйверов моторов или драйверов светодиодов, требующих сертификации, например, для железнодорожных, автомобильных или медицинских приложений. Модуль Microchip ATWINC1500, который мы используем в этом проекте, является отличным примером такого подхода. Я мог бы легко интегрировать RF-чип непосредственно на плату, однако стоимость сертификации значительно возросла бы.

Снижение затрат

Если небольшая часть вашего оборудования требует специализированного подложки для печатной платы, специализированных функций печатной платы, таких как заполненные или слепые переходные отверстия, или большего количества слоев, вы можете найти способ сэкономить, переместив эту часть проекта в его собственный субмодуль. По мере увеличения неспециализированной области вашей печатной платы вы платите премиальную цену за функции печатной платы, которыми не обязательно полностью пользуетесь.

Выделяя специализированную часть вашего проекта, вы также делаете повторное использование этого схематического блока гораздо более дешевым и легким в будущем. Вы можете просто разместить этот существующий модуль на неспециализированной плате и в полной мере использовать его возможности.

Стандартизация

Если вы обнаружите, что используете одни и те же схемы в нескольких проектах, которые требуют значительных инженерных затрат или риска при разработке платы, может наступить подходящее время для создания подсборки. Обычным примером этого является высокопроизводительный или высоконадежный импульсный регулятор напряжения. Изолированные регуляторы также часто выделяют в отдельные подсборки.

Выделяя часть конструкции, в которую вложены значительные инженерные ресурсы, это позволяет быстро повторно использовать её без значительных инженерных затрат на проверку дизайна, интегрированного в новую печатную плату.

Стратегии монтажа поверхностного монтажа модулей

Создавая свой собственный модуль поверхностного монтажа, вам нужно будет подумать о том, как ваш новый модуль будет крепиться к основной плате. Если вы собираетесь производить большие объемы модулей, вам, скорее всего, придется оценить оба наиболее распространенных метода с вашим процессом сборки, чтобы определить наивысшую надежность и простоту сборки.

Массив контактных площадок

При выборе компонентов вы, скорее всего, сталкивались с массивами контактных площадок (LGA) - голыми площадками под интегральной схемой или сборкой. Если вам нужно создать большое количество соединений на малом пространстве, LGA может быть идеальным решением. Основные недостатки такие же, как и у любого другого компонента LGA - сложность осмотра соединения и проблемы с прототипированием. Вы также можете столкнуться с дополнительными расходами у вашего партнера по сборке плат из-за дополнительного времени настройки оборудования - вовлечение ваших партнеров по платам и сборке на раннем этапе процесса проектирования может значительно повысить надежность и снизить ваши затраты.

Источник: U-Blox NORA-B106 на Digi-Key

Вам следует избегать использования сквозных отверстий в площадках как на основной, так и на модульной платах, чтобы не создавать воздушные карманы в припое или не "вытягивать" припой капиллярным действием.

LGA также очень экономически выгоден для производства модулей. Некоторые производители плат могут взимать дополнительную плату за обработку краевых контактных площадок.

Краевые контактные площадки

Многие коммерческие модули используют краевые контактные площадки для своих модулей, и это неспроста. Краевые контактные площадки очень надежны и их очень легко паять вручную и осматривать. Благодаря подтягиванию припоя к краю платы можно также добиться хорошей плотности тока.

Отверстие с зубцами по сути является металлизированным сквозным отверстием, которое наполовину вырезается в процессе изготовления платы. Траектория инструмента на вашей панели будет проходить через центр отверстия, оставляя на краю платы металлизированный зубец с площадкой сверху и снизу платы.

Источник: DIGI Xbee Pro XB8X на Digi-Key

Наличие площадок только на краю платы также упрощает трассировку основной платы и не мешает размещению переходных отверстий или дорожек на модульной плате. Краевые площадки могут быть напрямую соединены с дорожкой или слоем на любом уровне, что может упростить трассировку к соединительным площадкам на модуле.

Дизайн площадок с зубцами

С площадками с зубцами сложно ошибиться, однако есть некоторые моменты, которые стоит учесть для успеха. Если вы новичок в создании площадок с зубцами, стоит скачать файлы Altium для коммерческих модулей, если они доступны от производителя, как я это сделал для модуля ATWINC1500, который я использую в этом многослойном дизайне. Изучение стека площадок и компоновки коммерчески успешных модулей в классе, аналогичном создаваемому вами модулю, может дать вам некоторые идеи о том, что хорошо работает, прежде чем вы начнете свои собственные эксперименты.

Асимметричная площадка

При создании кастеллированного контакта структура слоев почти всегда будет асимметричной. Верхние и внутренние контакты обычно будут круглыми и иметь размер, как любой сквозной контакт или переходное отверстие. Однако нижний контакт обычно будет увеличен для обеспечения большей площади меди и контакта с припоем. Это делает кастеллированный контакт надежно используемым как с платами, на которые нанесен припой через трафарет, так и при ручной пайке.

Покрытие краев

Если вам требуется высокая плотность тока или даже большая надежность, вы также можете покрыть края платы за пределами сквозного отверстия. Это покрытие обычно добавляется к ширине нижнего контакта, обеспечивая большую площадь контакта на стороне модуля. Большинство производителей плат будут взимать дополнительную плату за эту услугу, а производители дешевых плат большого ассортимента могут просто игнорировать это, даже если заметят примечание к изготовлению.

Хорошая отправная точка

Если у вас достаточно места на краю, начните с более крупных контактов для ваших первых прототипов. Как только вы начнете чувствовать себя более уверенно в процессе и увидите результаты ваших первых модулей, вы можете начать оптимизировать размер в меньшую сторону, если это необходимо.

Контакты Microchip ATWINC1500

В качестве примера можно привести площадки Microchip на модуле ATWINC1500, которые имеют металлизированное отверстие 0.635 мм и квадратную площадку 0.8 мм для всех слоев. Дополнительно на нижнем слое имеется круглая площадка 1.7 x 0.8 мм (показана ниже сдвинутой влево, чтобы показать, что они отдельные).

Microchip рекомендует использовать на базовой плате площадку размером 0.8 x 1.9 мм, центрированную относительно контура модуля.

Мои площадки с краевыми вырезами

Я всегда делал вещи немного иначе, чем в примере Microchip выше, предпочитая указывать полный стек площадок в одной площадке.

Мои площадки для RF модулей обычно имеют металлизированное отверстие 0.4 мм, с прямоугольной верхней площадкой 0.8 x 1 мм. Нижняя площадка имеет размеры 0.8 x 2 мм, центрирована относительно отверстия, обеспечивая выставленную область меди под платой размером 0.8 x 1 мм. Площадка для поверхностного монтажа на базовой плате для этих площадок имеет ширину 0.8 мм и длину 1.8 мм, центрирована под контуром модуля.

 

Для плат малого объема, которые почти наверняка будут паяться вручную, я использую более крупные отверстия, где плотность контактов не критична. Здесь применяются отверстия с металлизацией 1.2 мм и верхняя площадка 1.5 x 2 мм с нижней площадкой 2.5 x 2 мм. У этих элементов меньше открытой меди под платой, так как большее отверстие с металлизацией сбоку обеспечит большую часть контакта при пайке их к основной плате вручную.

 

Ваш Собственный Модуль

Когда вы создаете свой собственный модуль, вам следует создать краевые контактные площадки как единый отпечаток/символ, так как это упростит создание проекта с несколькими платами и также гарантирует, что ни одна отдельная площадка или группа площадок не сможет быть случайно перемещена, вызывая проблемы с выравниванием в будущем.

Проектирование Основной Платы

Как было упомянуто ранее, мы собираемся превратить нашу предыдущую схему с датчиком и ЖК-дисплеем в отдельную плату. Изначально эта плата будет разработана с использованием библиотечного компонента, в который встроена модель WiFi-модуля в формате STEP. Многие библиотеки компаний используют этот подход к проектированию многослойных плат, однако он не является оптимальным. С впечатляющей интеграцией MCADECAD в Altium, работа напрямую с дизайном платы имеет больше смысла, чем экспортирование модели STEP вашего модуля и его повторный импорт - особенно на ранних этапах проектирования. По мере развития вашего модуля и требований к основной плате, использование сборки многослойных плат позволяет вам убедиться, что все остается синхронизированным.

Как только мы завершим дизайн платы с использованием компонента из библиотеки, я покажу вам, насколько легко переключить ваши существующие многослойные проекты на основе библиотеки на сборку по отпечатку плюс многослойная сборка.

Чтобы сделать это устройство автономным и способным работать снаружи как метеостанция, нам нужен источник питания. Я использую микроконтроллер STM32L031K, который будет настроен на очень низкое энергопотребление, однако я хочу убедиться, что плата сможет продолжать работать без внешнего питания некоторое время, если это будет необходимо. Я использую две батареи 18650, как и в моем проекте 12V UPS, однако на этот раз я использую другой зарядный ИС из-за дефицита микросхем и других требований. 

Я хотел бы, чтобы моя метеостанция работала от солнечной энергии, однако я нахожусь на крайнем севере Шотландии, где зимой дни длится всего 5 часов, и мы можем оказаться в банке тумана или густом облаке на несколько дней подряд - не совсем идеальные условия для устройств на солнечных батареях. Использование двух батарей 18650 позволит мне эксплуатировать метеостанцию около 6 недель без внешнего питания, если это будет необходимо. У меня также есть огромный конденсатор на 6000uF на входе, чтобы помочь справиться с изменяющимися световыми условиями, поддерживая оптимальную работу зарядного устройства.

 

Я использую интегральную схему зарядного устройства для двухъячеечных литиевых батарей Microchip MCP73213 для своего проекта. Она имеет широкий диапазон входного напряжения, что хорошо подходит как для солнечной энергии, так и для использования в помещении от сети переменного тока, а также позволяет программировать ток заряда. Я специально использую модель на 8.2В, несмотря на то, что максимальное напряжение заряда моих батарей составляет 8.4В. Поскольку я ожидаю, что эти батареи будут заряжены на полную большую часть года, поддержание их в состоянии чуть ниже полного заряда должно улучшить их срок службы, и при такой высокой емкости небольшое снижение емкости не должно быть заметным. Ток заряда можно выбирать с помощью переключателя-слайдера, так что его можно установить на низкий ток для приложений, работающих от солнечной энергии, или быстро зарядить от адаптера переменного тока при необходимости.

 

Вместо использования микросхемы контроля батареи я выбрал простой метод отключения по напряжению в случае полной разрядки батарей. Для этого дизайна я использую линейный регулятор Analog Devices ADP7105, который имеет вывод блокировки по низкому напряжению для отключения регулятора, если напряжение батареи становится слишком низким. Обычно использование линейного регулятора для питания устройства на 3.3v от источника 8.4v считалось бы очень неэффективным и не лучшим решением для срока службы батареи. После долгих поисков высокоэффективных регуляторов с переключаемым режимом работы для легких нагрузок, которые есть в наличии, я обнаружил, что линейный регулятор в целом намного эффективнее.

Проблема с этим устройством для регулятора с переключаемым режимом заключается в модуле WiFi, потребляющем ток передачи 290 мА, однако, если мы передаем данные каждые 10 секунд, то оставшиеся 98,5% времени ток потребления, скорее всего, будет на уровне низких двузначных микроампер, где регулятор с переключаемым режимом действительно испытывает трудности. В этом случае принятие потерь эффективности на токе передачи оправдано за счет относительной эффективности и надежности при низком токе.

Что касается разметки, я выделил отдельные зоны заземления для каждой из потенциальных температурных зон, разместив регулятор и зарядное устройство в верхней части платы вместе с модулем WiFi. Также я сделал прорези в плате вокруг этих потенциально генерирующих тепло компонентов в попытке дополнительно нарушить теплопроводность к датчику температуры. Так же, как и с защитным кожухом, датчик температуры находится в нижней части платы в его собственной термически изолированной зоне.

 

Переход к сборке многослойной платы

До сих пор в этом проекте использовался элемент библиотеки для RF-модуля, что может быть способом, которым ваша компания в настоящее время работает с внутренними подсборками. Я загрузил файлы Altium для платы с веб-сайта Microchip. Поскольку файлы проекта используют единственный посадочный мест для краевых контактных площадок, все, что мне нужно было сделать, это указать в Altium Designer, что разъем предназначен для многослойного проекта, добавив к символу схемы параметр под названием «System» и присвоив ему значение «Connector». Подготовка платы подсборки к многослойному соединению настолько проста.

 

Для основной платы мне пришлось немного больше поработать, так как у меня уже был посадочное место с моделью STEP в нем. Я скопировал символ и файлы посадочного места из моей библиотеки в папку проекта, чтобы иметь локальную копию для модификации.

 

В посадочном месте я удалил 3D-тело, затем добавил посадочное место к символу схемы. После изменения символа в моей схеме на новый локальный символ, я добавил параметр System = Connector к символу. Наконец, я обновил документ печатной платы из схемы, а затем на печатной плате запустил обновление из библиотек печатных плат, чтобы обновить посадочное место.

 

Теперь на печатной плате есть посадочное место без тела и оно помечено как разъем для многослойной сборки, готовый к монтажу.

Создание многослойного проекта

Чтобы добавить нашу плату RF-модуля к основной плате, нам нужно создать новый многослойный проект. Создание нового многослойного проекта почти не отличается от типичного проекта печатной платы, за исключением того, что мы выбираем Многослойный проект вместо Печатной платы на экране создания проекта.

 

Далее мы добавляем многосхематическую плату и два модуля. Каждому модулю присваивается название, и для модуля выбирается проект/плата.

 

Чтобы добавить ранее настроенные соединители, переходим в Разработка -> Импорт дочерних проектов, что позволит добавить соединители к модулям.

 

Затем мы можем добавить прямое соединение между двумя модулями. Altium Designer на этот раз не смог автоматически сопоставить соединения для двух модулей, поэтому мы можем щелкнуть по одному из соединений и в окне свойств вручную назначить соответствующий контакт.

 

После правильного соединения контактов, мы можем добавить многослойную печатную плату в проект, сохраняя её сразу после добавления. Затем, из схемы, переходим в Разработка -> Обновить сборку для импорта модулей на многослойную печатную плату. В зависимости от сложности вашего оборудования и характеристик этого компьютера, это может занять некоторое время. Однако для этого относительно простого проекта, на моем компьютере это заняло менее секунды.

 

Вместо использования инструментов соединения, которые мы использовали в предыдущей статье, я бы хотел показать, что мы можем произвольно размещать компоненты многослойной платы где угодно, если это требуется дизайном. Нажав на радиомодуль, мы можем использовать View Gizmo для его перетаскивания на нужное место на нашей основной плате.

 

Результат

В этой статье мы создали плату для экологического датчика, которая может служить простой метеостанцией для использования внутри или снаружи помещений, демонстрируя полезность предварительно сертифицированного подсборки RF модуля. Мы обсудили, как и почему вы бы создали подсборку модуля для своих собственных проектов. Использование сборки многослойных плат вместо статичной 3D модели в библиотеке для пользовательских поверхностных монтажных модулей обеспечивает синхронизацию ваших плат на протяжении всего процесса проектирования и позволяет лучше интегрировать платы между собой с механической точки зрения. 

У меня также есть метеостанция Davis Instruments Vantage Pro2, поэтому будет интересно сравнить долгосрочные данные с этого проекта метеостанции с продуктом, калиброванным по NIST.

Как многослойные сборки сэкономят вам время и повысят вашу продуктивность? Обратитесь к эксперту в Altium сейчас, чтобы узнать.

ОБ ALTIUM

Altium LLC (ASX: ALU) - многонациональная программная корпорация с главным офисом в Сан-Диего, Калифорния, специализирующаяся на системах электронного проектирования для 3D-дизайна печатных плат и разработки встроенных систем. Продукты Altium используются везде - от ведущих в мире команд по электронному проектированию до сообщества электронных разработчиков на базовом уровне.

Благодаря уникальному набору технологий, Altium помогает организациям и сообществам разработчиков инновировать, сотрудничать и создавать связанные продукты, оставаясь при этом в рамках установленных сроков и бюджета. Среди предоставляемых продуктов - Altium Designer^®, Altium Vault^®, CircuitStudio^®, PCBWorks^®, CircuitMaker^®, Octopart^®, Ciiva^® и линейка компиляторов встроенного программного обеспечения TASKING^®.

Основанная в 1985 году, Altium имеет офисы по всему миру, включая местоположения в США в Сан-Диего, Бостоне и Нью-Йорке, в Европе - в Карлсруэ, Амерсфорте, Киеве и Цуге, а также в Азиатско-Тихоокеанском регионе - в Шанхае, Токио и Сиднее. Для получения дополнительной информации посетите www.altium.com. Вы также можете следить за Altium и взаимодействовать с ним через Facebook, Twitter и YouTube.