Предотвращение основных ошибок проектирования для производства в вашей разработке печатной платы

 

Каждая печатная плата должна соответствовать руководящим принципам DFM (design for manufacturability - проектирование с учетом производственных возможностей), чтобы избежать потенциальных ошибок производства и сборки. Это также сосредотачивается на снижении затрат, улучшении качества и производстве без дефектов. В этой статье мы объясним некоторые из основных ошибок DFM в печатных платах и различные техники их избежания.

Взгляд на проектирование печатных плат с учетом производственных возможностей (DFM)

Анализ DFM позволяет производителям рассматривать дизайн платы с различных аспектов для того, чтобы наиболее эффективно изменить ее материалы, размеры и характеристики. Он мгновенно обнаруживает проблемы дизайна и исправляет их заблаговременно до начала производства. Пошаговый подход к анализу проектирования с учетом производственных возможностей включает в себя следующие атрибуты:

1. Выявление нарушений дизайна, которые повлияют на процесс производства. 
2. Определение точного производственного процесса в соответствии с геометрией и требованиями к материалу. 
3. Осмотр дизайна платы и определение, соответствует ли спецификация готовому продукту.
4. Выбор материалов (с учетом свойств, физической прочности и текстуры), зависящий от размеров платы.
5. Обеспечение соответствия дизайна нормативным требованиям для выполнения стандартов качества и надежности.

Основные ошибки DFM

Часто встречающиеся проблемы DFM включают в себя щупальца, разрывы кольцевых соединений, кислотные ловушки и т. д. Давайте рассмотрим распространенные нарушения и способы их предотвращения.

Предотвращение образования щупалец

Щупальца - это маленькие клинья сухого фоторезиста, которые обнажают медь и создают короткие замыкания. Они могут быть как проводящими (медь), так и непроводящими (паяльный резист). Существует две причины, которые приводят к образованию щупалец. Первая - когда длинный, тонкий элемент меди или паяльной маски вытравливается. Щупальца, которые отделяются, вызывают короткие замыкания во время изготовления. Во втором случае щупальца образуются при слишком близком или глубоком разрезании секции дизайна платы. Это может негативно сказаться на функциональности печатной платы.

Решение:
Внедрите минимальную ширину фоторезиста, чтобы избежать этого дефекта. Применяйте одинаковое расстояние между сетями (менее 3 мил) или воздушный зазор, который можно удалить или заполнить. Необходим анализ DFM для выявления возможных мест, где могут образоваться щупальца, и решения возникших проблем, если таковые имеются.

 

Выбор компонентов

Выбор компонентов должен осуществляться на основе их доступности, учета времени поставки и мониторинга устаревших деталей. Это обеспечивает наличие компонентов задолго до начала производства.

Определите размеры компонентов и корпусов, тщательно изучив BOM. Вы можете выбрать более крупные компоненты для резисторов и конденсаторов, когда достаточно места. Например, использовать конденсатор/резистор размером 0603 или 0805 вместо 0402/0201. Выбор зависит от напряжения, тока и частоты. По возможности выбирайте меньшие корпуса; в противном случае выбирайте большие. Чрезмерное использование маленьких корпусов компонентов может усложнить сборку печатной платы, тем самым затрудняя очистку и переработку.

 

Точки Тестирования

DFM включает точки тестирования для всех важных сигналов, чтобы проверить электрическую связь после сборки платы. Если исключить, будет сложно проверить конечный продукт. Вот несколько советов, чтобы избежать возможных проблем с производством:

• Для удобства тестирования разместите все точки тестирования на одной стороне платы.
• Соблюдайте минимальное расстояние в 0.100 дюймов между точками тестирования, чтобы увеличить эффективность теста. 
• Выделите область для более высоких компонентов.
• Распределите все точки тестирования равномерно для удобного доступа несколькими пробниками.
• Проектируйте вашу компоновку, учитывая допуски производства.

Переходные Отверстия и Сверление до Меди

Расстояние от сверления до меди - это расстояние от края сверленного отверстия до ближайшего медного элемента. Однако конструкторы печатных плат рассматривают расстояние от сверления до меди от размера готового отверстия (FHS) до ближайшего медного элемента.

Конструкторы всегда должны учитывать диаметр сверления (FHS + допуск на сверление) для определения правильного расстояния. Диаметр сверления можно определить из следующего уравнения:

Размер готового отверстия + допуск = диаметр сверления

Обычно расстояние должно составлять 5-8 мил, но это зависит от количества слоев. Инструменты размещения плат не имеют каких-либо конкретных проверок правил проектирования (DRCs) для расстояния от сверления до меди. Однако, если вы используете адекватные зазоры в вашем дизайне, вы можете обеспечить зазор в 8 мил. Это самый важный атрибут, который следует учитывать при проведении анализа DFM.

 

В кольцевых зонах может произойти касание или выход за пределы, когда сверло не достигает желаемого места и смещается в том же направлении. Это вызывает маргинальные межсоединения и влияет на надежность.

 

Вот несколько советов, как избежать проблем DFM, возникающих во время сверления:

• Включите в свой дизайн области с широкими кольцевыми зонами, адаптируя размеры площадок. Это обеспечивает хорошую проводимость и упрощает сверление переходных отверстий в центре площадки.
• Проверьте, имеют ли металлизированные отверстия медные площадки на всех медных слоях.
• Sierra Circuits рекомендует минимальное расстояние от сверла до меди в 8 мил.
• Соблюдайте минимальное соотношение сторон, чтобы предотвратить неправильную регистрацию сверления.
• Определите тип сверления (PTH/NPTH) и количество/размер сверл.
• Убедитесь, что медные элементы и сверла помещаются внутри контура платы.
• Спроектируйте кольцевую зону больше или равную минимальному размеру кольцевой зоны (4 мил), который может быть изготовлен поставщиком/производственным предприятием.
• Добавьте капли, чтобы предотвратить разрушение кольцевой зоны в сложных конструкциях и при малых размерах кольцевых зон.

Количество сверл должно соответствовать таблице сверл

Крайне важно, чтобы количество сверл соответствовало таблице сверл. Таблица сверл включена в производственный чертеж. Иногда таблица сверл не соответствует фактическому количеству сверл. В этом случае вам потребуется изменить или пересоздать таблицу сверл.

 

Как простое правило проектирования, старайтесь минимизировать количество различных размеров сверл, используемых в компоновке печатной платы. Лучше всего выбрать один или два размера переходных отверстий (виас), которые могут обеспечить большинство переходов между слоями для сигналов, и, возможно, несколько других, которые будут использоваться для монтажных отверстий или отверстий без металлизации.

Зазоры

В анализе DFM необходимо учитывать три типа зазоров.

Зазор от края:

Многие конструкторы забывают обеспечить достаточный зазор между медью и краем печатной платы. Близость меди к краю может создать короткое замыкание между соседними слоями, если к ним приложен ток. Это результат обнажения меди вокруг периметра платы. Эту проблему можно решить, добавив зазор в дизайн. Проверьте следующие приблизительные значения:

• Для внешнего слоя: 0.010”
• Для внутреннего слоя: 0.015”

Расстояние между линиями:

Расстояние между двумя проводниками является минимальным. Оно зависит от материалов, толщины меди, температурных изменений и приложенного напряжения. Также зависит от возможностей производителя.

 

Зазоры маски пайки:

• Делайте зазор маски пайки больше, чем площадки пайки, за исключением случаев, когда площадки определяются маской пайки.
• Лучший способ предотвратить образование мостиков из припоя - это увеличить отверстие маски на медной площадке или обеспечить разгрузку барреля (зазор маски для припоя = диаметр сверления + 3 мил).

 

Отсутствие маски для припоя

Иногда маска для припоя может частично или полностью отсутствовать между площадками. Это приводит к обнажению излишней меди, что ведет к образованию мостиков из припоя и коротких замыканий, ухудшающих работу платы. Это происходит, когда маска для припоя не определена или когда настройки с большой платы применяются к меньшей, что приводит к большим отверстиям площадок.

 

Следуйте этим советам по дизайну масок для припоя:

Относительный размер маски для припоя должен быть на 4 мил больше размера элемента.
Ширина/мостик маски для припоя должны быть минимум 4 мил.
Соблюдайте расстояние между краем медного элемента и краем припоя в 2 мил.

Ловушки для кислоты

Еще одна ошибка DFM, на которую стоит обратить внимание, - это ловушка для кислоты. Ловушка для кислоты - это по сути любой дизайн, который включает в себя острые углы, привлекающие к этой области концентрацию кислоты. Это может привести к чрезмерному травлению дорожек и разрывам цепи как побочному продукту ловушек для кислоты.

 

Избегайте прокладывания трасс, идущих к контактным площадкам, под острыми углами. Размещайте трассы под углом 45° или 90° относительно площадок. Убедитесь, что после прокладки трасс ни один из углов трасс не создал ловушек для кислоты.

Проверки шелкографии

Проверка шелкографии включает в себя различные атрибуты, которые будут влиять на анализ DFM и помогут предотвратить возможные ошибки. Вот несколько важных рекомендаций:

Ориентация: Шелкография может находиться на контактных площадках, и это следует проверять, запустив DRC. Шелкография также может перекрывать отверстие переходного отверстия, хотя это допустимо, если переходные отверстия закрыты. Это может произойти при вращении текста и корректировке обозначений компонентов. Обрежьте маркировку обозначений, которые перекрывают площадки и переходные отверстия, чтобы избежать перекрытия.

Ширина линии и высота текста: Мы рекомендуем минимальную ширину линии 4 mils и высоту текста 25 mils для легкости чтения. Всегда используйте стандартные цвета и крупные формы для хорошего представления. Обычно размер должен быть 35 mils (высота текста) и 5 mils (ширина линии). Если плата не плотная и есть достаточно места для крупного текста, используйте следующий размер:

Если указанные выше характеристики не подходят для платы средней плотности, используйте следующий размер:

Высота	Ширина	Дорожка
35 мил	25 мил	5 мил

Если указанный выше размер не подходит, обратитесь к следующему: Для платы средней плотности:

Высота	Ширина	Дорожка
25 мил	22 мил	5 мил

Метод печати шелкографии: Конкретный метод влияет на множество параметров дизайна, таких как размер, зазоры и т.д., а также на элементы вроде площадок, переходных отверстий и дорожек. Укажите их в соответствии с ручной печатью шелкографии, жидкостной фотообработкой и прямой печатью легенды.

Приоритетность маркировки: Отдавайте приоритет маркировке шелкографии в соответствии с классификацией: нормативные требования, идентификация производителя, помощь в сборке и помощь в тестировании.

Следование руководящим принципам проектирования с учетом производственных возможностей помогает вам выявлять ошибки на ранних этапах проектирования. К счастью, движок DRC в Altium Designer® может помочь вам обнаружить эти проблемы до начала производства. После консультации с вашим производителем вы можете запрограммировать указанные выше ограничения в правила проектирования вашей печатной платы, чтобы быстро находить и исправлять ошибки. Когда ваш проект будет готов к тщательному обзору дизайна и производству, ваша команда может делиться и сотрудничать в реальном времени через платформу Altium 365™. Команды проектировщиков могут использовать Altium 365 для обмена данными о производстве и результатами тестирования, а изменения в дизайне могут быть распространены через защищенную облачную платформу и в Altium Designer.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно с Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня. И обязательно посетите веб-сайт Sierra Circuits, чтобы узнать больше о процессах производства и сборки.