Проектирование печатных плат для производства. Руководство для начинающих

Специалисты активно обсуждают правила проектирования для производства. Но в чем они состоят и как они реализованы в программном обеспечении для проектирования печатных плат? В разработке печатных плат выражение «проектирование с учетом производства» имеет очень простой смысл: проектные решения следует реализовывать, только если можно обеспечить выпуск с максимальной производительностью. В этом обманчиво простом объяснении упущены многие аспекты. Естественно предположить, что производитель может изготовить все, что внесено в макет печатной платы в программе проектирования.

Однако разные производственные предприятия имеют разные возможности, ассортимент материалов и стандартные варианты бесконтактного обслуживания. Существует ряд распространенных ошибок и недочетов, из-за которых плата может оказаться непригодной для производства, и потребуется многое переделывать. В этой статье я расскажу о нескольких типичных ошибках. Их могут допускать как начинающие, так и опытные проектировщики. Я сам допускал эти ошибки, но могу сказать, что их всегда можно исправить, чтобы обеспечить возможность производства платы.

Базовые рекомендации по проектированию печатных плат для производства

Те аспекты, которые я описываю ниже, почти полностью относятся к двум важным областям:

• Рекомендации по выбору материалов, включая материалы сердечника/ламинаты, и вес меди
• Производственные ограничения, в том числе размеры и интервалы на макете печатной платы

Имея это в виду, приступим к рассмотрению важнейших рекомендаций по проектированию для производства, которые помогут добиться отличных результатов.

В первую очередь сформируйте структуру слоев

Вы удивитесь, как легко пропустить этот этап при разработке нового проекта и перейти к размещению компонентов на плате. При проектировании несложных плат, для которых не требуются контролируемое полное сопротивление, емкостное сопротивление шины или плотная цифровая маршрутизация, можно начать с размещения компонентов на плате с четным количеством и стандартной толщиной слоев. Возможно, из-за особенностей конструкции изготовленная печатная плата не обеспечит ожидаемую функциональность.

В большинстве проектов, даже на платах микроконтроллеров для любительского оборудования, как минимум необходимо знать схему расположения слоев и свойства материалов. Получите от производственного предприятия стандартный стек слоев, прежде чем приступать к проектированию трасс для цифровых шин или любых трасс с контролируемым полным сопротивлением. Если это не будет сделано, на производстве могут изготовить плату, используя стек слоев, который не поддерживает ожидаемые функции. Другой фактор риска заключается в том, что спроектированный стек слоев будет невозможно изготовить, чаще всего из-за отсутствия материалов, соответствующих спецификациям.

Сопоставьте вес меди с плотностью тока и ламинатами

Выбирая материалы или запрашивая одобрение структуры слоев, не удивляйтесь, если производитель будет возражать против веса меди. Требуется использовать веса меди, доступные в ассортименте материалов. Нельзя указывать любой желаемый вес меди. Оценив вес меди и ширину трасс, которые необходимы для определенной плотности тока (например, на шинах питания), обязательно укажите требуемый вес при согласовании структуры слоев с производителем.

Обеспечьте зазоры между участками меди

Программа ECAD применяет к новому макету печатной платы набор стандартных правил формирования зазоров. Это консервативные значения практически для любой печатной платы. Как правило, они слишком консервативны, и поэтому их часто игнорируют, не запрограммировав корректные значения зазоров перед созданием макета. Хуже того, могут быть заданы слишком малые значения, позволяющие разместить элементы слишком близко друг к другу, вследствие чего плату невозможно будет изготовить.

Решение: выяснить, какие ограничения установлены производителем, прежде чем размещать компоненты, и запрограммировать эти значения как правила проектирования в проекте печатной платы. Чтобы не совершать самые распространенные ошибки, в первую очередь контролируйте следующие зазоры:

• Трасса–трасса
• Трасса/контактная площадка–полигон
• Трасса–контактная площадка 
• Контактная площадка–контактная площадка

Последние два пункта будут применяться к контактным площадкам для поверхностного монтажа (SMD) и к посадочным контактным площадкам для сквозных отверстий (переходных отверстий или выводов компонентов). Эти значения будут выше для более тяжелой меди, поскольку требуется компенсация травления.

Перекрытие участков сверления

Если соблюдены предшествующие рекомендации в отношении зазоров и заданы минимальные интервалы между контактными площадками, возможно, это правило проектирования для производства уже соблюдено. Если участки сверления расположены слишком близко друг к другу, возможно их перекрытие из-за смещения сверла в станке с ЧПУ. Каждый участок будет немного смещен от идеального места сверления, и это необходимо учитывать при размещении переходных отверстий и выводов сквозных отверстий.

Даже когда соблюдены зазоры между контактными площадками для переходных отверстий и выводов сквозных отверстий, это не всегда гарантирует соблюдение зазоров сверления. Предположим, вы размещаете переходное отверстие на 10 мил с контактной площадкой на 12 мил. Если лимит интервала между контактными площадками — всего 5 мил, а интервал между участками сверления — 10 мил, вы нарушите лимит интервала сверления на 3 мил, если будете соблюдать только лимит для контактных площадок.

Аналогичная проблема с зазорами может возникнуть между участками сверления, проходящими через плоскость, как в следующем примере с термобарьером и плоскостью заземления. Два зеленых участка обозначают зазор между стенкой переходного отверстия и плоскостью для этих сетей. Остающаяся полоска очень мала и не отвечает требованиям технологичности производства. Следующий пример описывает одну из ситуаций, в которых такое нарушение технологии производства не приведет к неработоспособности устройства, но так происходит не всегда. Если бы такой дефект находился на поверхностном слое, между двумя сквозными отверстиями, это создало бы риск замыкания при пайке, поскольку узкая медная полоска скорее всего была бы вытравлена в процессе изготовления.

Естественное решение в такой ситуации — использовать более крупную контактную площадку. Именно это нужно сделать, чтобы соблюсти основные требования класса IPC: использовать минимальный размер контактной площадки (диаметр сверления) + 8 мил, чтобы лимит зазора между участками сверления соблюдался почти всегда.

Маленький размер элементов

Когда вы приступаете к размещению компонентов и трасс на плате, есть соблазн сделать трассы, участки сверления и контактные площадки неоправданно маленькими. Правила проектирования зазоров изначально ограничивают то, насколько близко можно размещать элементы, но минимальный размер элементов является не менее важным требованием. Два типовых аспекта, на которые необходимо обратить внимание — это минимальный размер отверстий и ширина трасс. Необходимо выяснить размеры элементов, предписанные производителем, и запрограммировать их в правилах проектирования. Типовые производственные лимиты, применимые к большинству плат: ширина трассы 4 мил, ширина высверленного отверстия 6 мил. Для многих несложных плат, на которых не требуется контролируемое полное сопротивление, оптимально использовать ширину трассы 8–10 мил и диаметр сверления 10 мил.

Полоски паяльной маски

Этот аспект сборки часто упускают из виду. Он призван обеспечить надежную работу отверстий паяльной маски в качестве плотины на пути расплавленного припоя, протекающего между двумя соседними компонентами. Даже если правильно подобран интервал между контактными площадками, слишком большое отверстие паяльной маски на контактной площадке, не определяемой паяльной маской (NSMD), может оставить очень тонкий канал паяльной маски между контактными площадками.

Типовая минимальная полоска паяльной маски, требуемая в этой ситуации — 5 мил. Если ширина полоски паяльной маски меньше лимита, установленного производителем, она может отломиться после отверждения, и возникнет канал, в котором две контактные площадки могут быть соединены припоем. Для решения этой проблемы следует увеличить интервал или уменьшить отверстие паяльной маски на контактной площадке, чтобы осталась достаточно большая полоска.

Перекрытие шелкографии

После того как завершены размещение и маршрутизация, следует проверить шелкографию, чтобы убедиться в отсутствии перекрытия справочных обозначений. Если перекрытие присутствует, перемещайте компоненты на макете печатной платы, пока оно не будет устранено. Хотя технически это не требуется для изготовления или сборки, добросовестный производитель все же отметит это как проблему на этапе проверки проекта.

Более существенную проблему создает перекрытие шелкографии с контактными площадками/отверстиями на участках, куда будет наноситься припой. Обязательно проверьте это с помощью средства просмотра 3D-моделей либо непосредственно в Gerber-файлах.

Эти рекомендации охватывают самые частые проблемы обеспечения технологичности, которые могут затронуть практически любой проект. Внедрите эти рекомендации в создаваемые проекты, чтобы они стали частью обычного процесса проектирования. Как только они будут запрограммированы в правилах проектирования, вы сможете проконтролировать их соблюдение в любое время, перед тем как передавать проект печатной платы в производство.

Если вам нужен простой инструмент для построения макетов печатных плат со всеми функциями, необходимыми для создания высококачественных и технологичных печатных плат, выбирайте CircuitMaker. В дополнение к удобному программному обеспечению для проектирования печатных плат, все пользователи CircuitMaker получают доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365. Проектные данные можно загружать и хранить в облаке, чтобы просматривать через веб-браузер на защищенной платформе.

Начните применять CircuitMaker уже сегодня и следите за новинками CircuitMaker Pro от Altium.

Испытайте Altium Designer в действии...

Эффективное проектирование печатных узлов