Как разместить полости на печатной плате для встраиваемых SMD-компонентов

Когда мы говорим об встраиваемых системах, речь идет не только о встраиваемом программном обеспечении. Компоненты также могут быть встроены в печатную плату (PCB) путем создания полости во внутренних слоях. Полости на печатной плате позволяют размещать компоненты, заполнять их медью для создания встроенного теплоотвода или вставлять компоненты ниже поверхностного слоя на PCB. Если вы хотите освободить место на поверхностных слоях или просто снизить профиль вашей сборки PCBA, полости являются одним из вариантов, который может помочь.

Типы встроенных полостей по стандартам IPC

Новейшая редакция стандартов IPC для жестких печатных плат определяет три типа встроенных полостей и критерии их приемлемости. Следующие типы полостей определены в IPC-6012F:

Полости могут содержать медь внутри, такую как дорожки и площадки, что делает их полостями типа 2. Если также имеется некоторое покрытие вдоль стенки, например, частично покрытые стенки, то это будет полость типа 3.

Полости также могут быть полностью заполнены медью, иногда это называют медной монетой (или "чеканкой"). Это обычно делается для того, чтобы область внутри печатной платы могла действовать как большой радиатор; когда она размещается под компонентом, она обеспечивает значительный теплоотвод внутрь платы. Если монета затем соединена с плоскостью или расположена рядом с большой плоскостью, она обеспечит значительный теплоотвод от горячего компонента. Это также может использоваться с соединением сборки с корпусом, так что теперь монета + корпус вместе будут формировать большой радиатор.

Компоненты SMD в полостях с использованием контактных площадок для печатных плат

Хотя чеканка является отличным примером использования, типичный метод заключается в использовании полости для внутреннего размещения компонентов SMD. Это включает в себя определение некоторых площадок на внутреннем слое для компонента SMD. Обычно вы прокладываете дорожки к этим площадкам в том же слое, идущие извне стенок полости, так что это будет полость типа 2.

Одним из вариантов является создание врезной полости, которая вырезается в одном из поверхностных слоев. Этот тип полости, вероятно, наиболее распространен и используется для уменьшения общей высоты платы по оси Z. Ниже показан пример изображения с компонентами SMD в полости типа 2.

Для определения полости для компонента SMD в Altium Designer:

1. Определите область полости на печатной плате
2. Разместите посадочное место на внутреннем слое в компоновке печатной платы, а затем вручную нарисуйте полость

Вариант 2 полезен, потому что он позволяет встраивать любой компонент из ваших библиотек без изменения посадочных мест. Однако Вариант 1 также полезен, поскольку он показывает более реалистичный вид выреза полости в 3D.

Вариант 1: Это делается путем рисования твердой области на посадочном месте печатной платы и установки ее типа как "Полость" в панели свойств. Обычно рекомендуется согласовывать размер области полости с вашим компонентным двориком (как минимум) плюс некоторый дополнительный запас на допуски изготовления (см. ниже). Это обеспечит достаточно места для размещения полости во время установки, так как это учтет зазоры до стенок полости вокруг контактных площадок компонента.

Пример для микроконтроллера nRF52 в формате WLCSP с расположением контактов в виде BGA показан ниже. Область каверны обозначена вокруг края корпуса и расширена вокруг внешнего контура для учета диаметра инструмента трассировки. Обратите внимание, что если вы планируете разместить деталь в каверне, может потребоваться удалить слой шелкографии или расширить его так, чтобы он находился за пределами края каверны. Из-за сложности размещения шелкографии вокруг края каверны, когда каверна еще не определена в компоновке печатной платы, я бы предложил убрать шелкографию в контуре и нарисовать ее вручную или просто разместить за пределами края каверны.

После импорта контура в компоновку печатной платы, компонент можно выбрать и разместить на внутреннем слое, используя панель свойств. Обратите внимание, что у каверны есть атрибут Высота, который определен в контуре печатной платы; высота определит, насколько глубоко каверна будет проникать в толщину платы для размещения компонента. Затем вы можете экспортировать определение каверны в ваши Gerber-файлы и включить его в чертеж изготовления как обычно. Убедитесь, что размещение на внутреннем слое соответствует ориентации меди в стеке печатной платы!

Чтобы узнать больше о использовании областей каверн, прочтите документацию по ссылке ниже.

• Узнайте больше об использовании областей каверн в посадочных местах

Вариант 2: Обратите внимание, что для размещения компонентов во внутреннем слое не обязательно требуется область каверны, вы всегда можете нарисовать каверну вручную на механическом слое в компоновке печатной платы, не размещая ее в посадочном месте печатной платы (см. ниже). Чтобы встроить компонент без использования области каверны в посадочном месте печатной платы, вы можете просто выбрать компонент и изменить его свойство Слой на желаемый внутренний слой.

После этого контактные площадки для этого компонента будут размещены на внутреннем слое как обычно. Однако этот вариант не создает вид каверны в 3D, даже если вы вручную добавите контур каверны с помощью механического слоя. Вместо этого 3D-корпус просто показывается, будто он немного погружен в субстрат; если погрузить слишком глубоко, компонент вообще не будет виден, так что это очевидно не точное представление встраивания. Тем не менее, я могу сделать это без каких-либо изменений в посадочном месте; мне просто нужно вручную разместить контур каверны и полигональный вырез с зазором на компоновке.

Какой вариант лучше использовать? Лично я предпочитаю Вариант 2, если мне нужно что-то сделать с полостью, потому что я предпочитаю не рисовать полость в своих посадочных местах. К тому же, если изменится стек слоев, мне, возможно, придется также изменить высоту полости в посадочном месте, и это добавляет еще один уровень работы и проверки. Наконец, настроить отступ меди вокруг края полости одинаково просто любым методом; Вариант 1 просто использует правило зазора (Объект к Региону), в то время как Вариант 2 использует зазор полигона и/или запретные зоны.

Однако, если вам нужна 3D-верификация области полости на вашей печатной плате из-за механических ограничений, или у вас есть один компонент, который вы будете использовать только в полости, тогда Вариант 1 превосходит.

Ручное Рисование Полостей в Вашей Разводке Печатной Платы

Если вы хотите вручную нарисовать полость в вашем дизайне, даже без определения региона, вы можете сделать это с помощью механического слоя в разводке печатной платы.

Чтобы начать, сначала вам нужно выбрать радиус инструмента трассировки и использовать его для установки радиуса угла вашего контура каверны. Нарисуйте контур на новом механическом слое в вашем редакторе PCB. Вы можете использовать дуги или прямоугольную область с примененным радиусом угла. Назовите механический слой чем-то узнаваемым, например, «CavityLayer».

Как только контур каверны нарисован и применен соответствующий радиус, вам нужно применить зазоры вокруг этого контура (см. ниже). Исходя из этого контура, вы можете использовать запретную зону, чтобы ничего не появлялось в области каверны (базовая каверна типа 1). Если вы удаляете медный залив изнутри каверны, вы можете использовать область выреза полигона и сделать ее больше контура каверны, чтобы учесть зазор и допуск трассировки.

Существует четыре правила проектирования, касающиеся каверн:

• Зазоры: Убедитесь, что вы обрабатываете контур каверны как вырез на плате в отношении зазоров и допусков.
• Трассировка: Вы можете проводить трассировку над/под областью каверны на других слоях, но в области каверны можно использовать только скрытые/закрытые переходные отверстия (vias).
• Запретные зоны: Размещение запретных зон в области углубления, соответствующей границе углубления. Если вы используете вставное углубление, на поверхностном слое потребуется запретная зона.
• Покрытие краёв: Если вы разрабатываете углубление типа 3 или типа 2 с покрытием краёв, примените отрицательный зазор вокруг края углубления.

Производственные заметки для углублений

Если вы следовали совету выше и разместили ваше углубление на механическом слое, вы также можете экспортировать это определение углубления в стандартные производственные данные (Gerbers или ODB++). Когда вы создаёте ваши выходные данные, убедитесь, что включили механический слой для вашего углубления в экспорт Gerber.

Как только углубление определено в вашем проекте, убедитесь, что включили производственную заметку, которая чётко указывает на производственные потребности для углубления. При написании производственной заметки убедитесь, что включили следующую информацию:

• Начальный и конечный слои для каверны (L2 и L3 в моем примере)
• Файл Gerber, содержащий путь фрезеровки каверны
• Радиус инструмента фрезеровки
• Требуемый допуск на пути фрезеровки (обычно +/- 10 мил)
• Тип каверны, как определено в стандарте IPC-6012F

Поскольку ваш изготовитель обычно не будет смотреть на ваши исходные файлы платы, важно четко указать эти данные в вашей производственной документации. Если есть возможность включить специальные примечания в форму вашего предложения, убедитесь, что вы скопировали туда производственное примечание.

Когда вам нужно разместить специальные механические элементы в компоновке печатной платы, вы можете создать документацию стандарта промышленности для вашей печатной платы с помощью функции OutJob File и мирового класса CAD инструментов в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в сегодняшней междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.