Топ-5 советов по проектированию для производства на 2019 год

Недавно, просматривая популярный блог в области электроники, я наткнулся на статью о десяти основных ошибках в «проектировании для производства». Я начал читать статью, думая, что она окажется интересной и оригинальной, но к моему удивлению, она оказалась практически копией статьи, которую я читал 10 лет назад, которая, в свою очередь, была переработкой статьи почти 10-летней давности. Я не являюсь поклонником переработки старых статей и их представления как «нового» контента, поскольку это прямой путь к созданию и распространению ложных правил или, что еще хуже, недействительных «лучших практик отрасли». Электронная индустрия меняется настолько быстро, что большинство контента, написанного более десяти лет назад, теперь устарело. Давайте рассмотрим несколько основных ошибок, упомянутых в этих статьях, и проясним их, а затем рассмотрим некоторые актуальные советы, соответствующие современным стандартам отрасли.

Основные ошибки в списках ошибок

Избегайте острых углов

Мы находимся во второй половине 2019 года; мы живем в эпоху, когда даже самые дешевые и незначительные прототипы печатных плат проходят проверку методом летающих зондов, чтобы отбраковать платы с любыми электрическими неисправностями, даже если проблема была в процессе травления. Основная ошибка, от которой нас предостерегала старая статья, которую я читал, - это острые углы, потому что они могут создавать ловушки для кислоты. Если вы используете перенос тонера и травление дома, это может быть правдой, но с современными методами производства это не будет проблемой.

Растворы для фотоактивированного травления, используемые на платах с фотоактивированными резистивными слоями, очень распространены на производствах плат. Эти травители обеспечивают четкие острые детали, и если травитель скапливается, он не получит достаточно света для активации. Вы даже можете очень легко использовать фотоактивированные резистивные слои дома. Современные процессы травления делают ловушки для кислоты гораздо менее рискованными, чем они когда-либо были в прошлом.

Избегайте Via-in-Pad

Я в целом согласен с тем, что использование сквозного отверстия в площадке под компонент является ошибкой. Однако, в статье был приведен пример, в котором сквозное отверстие в площадке действительно следовало бы использовать по тепловым причинам. Многие устройства с высоким током требуют использования сквозного отверстия в площадке настолько, что производитель рекомендует это для монтажного места. Это единственный способ эффективно отвести тепло от корпуса.

В статье утверждалось, что если использовать сквозное отверстие в площадке, оно всосет всю паяльную пасту и оставит вас с сухим соединением. Это на 100% верно; капиллярное действие действительно будет протягивать паяльную пасту сквозь отверстие, однако закрытие отверстия с обеих сторон полностью предотвратит это. В определенных случаях, если вы действительно не хотите иметь паяльную маску на своей площадке, вы можете закрыть только противоположную сторону отверстия от площадки. Это работает для отверстий до 0.4 мм достаточно надежно, но если вы все еще сомневаетесь, вы можете добавить немного шелкографии на отверстие с противоположной стороны также, тем самым гарантируя, что отверстие полностью закрыто.

Кстати, не только отверстия на площадке требуют осторожности. Если вы разместите отверстие, которое не было закрыто, слишком близко к площадке, оно также может оттянуть припой от вашей площадки.

Избегайте использования нескольких размеров инструментов

В статье утверждалось, что если ваш производитель будет работать с очень строгими допусками, использование множества похожих, но не совсем идентичных размеров отверстий на вашей плате может увеличить стоимость платы. Однако взгляд на современные технологии сверления показывает, что это далеко от истины. Магазины инструментов в промышленных сверлильных станках для печатных плат содержат практически все известные человечеству размеры микросверл, и смена инструментов происходит невероятно быстро. Даже если все отверстия 13.5mil и 14mil будут просверлены сверлами их точного размера, это может занять всего лишь дополнительную секунду или две на лист ПП. В общем, производитель платы просто округлит все эти отверстия до одного размера, если только размер попадает в их требования к допускам или в допуски, которые вы указали на чертеже.

То же самое касается и пазов на печатной плате. Я не нашел производителя печатных плат, который бы взимал с меня плату за использование очень маленьких пазов (30-40 мил) или указывал бы отдельный маршрут фрезеровки для проработки углов с помощью более крупного инструмента на пазе с концевой фрезой 20 мил.

Избегайте нанесения шелкографии на контактные площадки

Избежать попадания шелкографии с компонента на контактную площадку другого может быть невозможно для плотно спроектированной платы. В моей библиотеке Altium я использую как точку обозначения первого вывода на шелкографии, так и элемент шелкографии под компонентом, где это возможно, чтобы облегчить определение ориентации по этой самой причине. Я еще не встречал бюджетного или дорогого производителя плат, который бы автоматически не очищал шелкографию с контактных площадок за вас или, по крайней мере, не спрашивал, хотите ли вы, чтобы они это сделали.

Если вы получили плату с шелкографией на контактной площадке, это определенно могло бы вызвать серьезные проблемы с растеканием припоя на этой площадке, что привело бы к плохому соединению. Однако с сегодняшними производителями это не проблема, с которой я сталкивался.

Не добавляйте паяльную маску между контактными площадками

Эта "ошибка" просто заставляет меня трястись от удивления. Как можно забыть добавить маску между контактными площадками на плате? Altium и практически любой другой инструмент для проектирования позаботятся об этом за вас. Многие компоненты с мелким шагом имеют зазоры между площадками, которые не позволяют оставлять маску между площадками. Тем не менее, я видел, как Altium генерирует маску между площадками шириной в 1/1000 мила. Даже стандартные правила проектирования в Altium идеально подходят для указания маски между площадками.

Если маска между площадками слишком мала, хороший производитель плат сообщит вам об этом перед началом работы, а менее заботливый производитель просто удалит эту функцию и продолжит работу.

Неправильные размеры посадочных мест

На протяжении многих лет я публикую большую открытую базу данных компонентов, которая позволяет вам размещать реальные, доступные к покупке детали в вашем проекте на уровне захвата схемы. С полными и точными 3D моделями, а также 3D видом платы в Altium и проверкой столкновений 3D тел, очень сложно завершить проект, в котором детали сталкиваются. Теперь вы можете получить ту же функциональность для более широкого спектра компонентов, используя Concord Pro, дополнительный продукт для Altium.

Минимум 5 лет прошло с тех пор, как я в последний раз ошибочно указал компонент в спецификации, который не подходил под отведенное на плате место. Я отнесу эту "ошибку" скорее к использованию не лучших инструментов во время проектирования, чем к ошибке в самом процессе проектирования.

Мои лучшие советы

Теперь, когда мы исключили множество "главных ошибок" прошлых лет, давайте рассмотрим несколько советов, которые могут помочь вам, если вы только начинаете заниматься проектированием для производства.

Зазор вокруг крепежных элементов

Очень легко разместить механическое отверстие под крепеж и забыть учесть размер головки этого крепежа. Что-то, что больше, но, парадоксально, легче забыть - это шайба для этого крепежа. Я обычно размещаю переходное отверстие (via) с правильным зазором для крепежа и указываю кольцо (медный круг, прикрепленный к нему) такого же размера, как самая большая доступная шайба для этого крепежа (в случае наличия нескольких стандартов шайб), плюс немного сверху. Если вам действительно нужно провести дорожку под головкой крепежа и вы не можете сделать это иначе, добавьте сплошной шелкографский слой над областью крепежа в качестве дополнительной защиты для вашей дорожки. Небольшое дополнительное защитное действие шелкографии может спасти вашу дорожку от повреждений, когда кто-то слишком сильно затягивает крепеж.

Чтобы быть абсолютно уверенным, добавьте 3D-модель крепежа на вашу плату и установите его в отверстие. Это гарантирует, что вы сможете легко вставлять и вынимать крепеж, и вы не разместите корпус другого компонента на его пути.

Зазор меди до краев платы

Altium во многом заботится об этом за вас. Однако, если вы обошли стандартные настройки, чтобы проложить дорожку, убедитесь, что она не слишком близко к краю. Множество статей в интернете упоминают коррозию как неоспоримое препятствие при оптимизации зазора меди, потому что вы не хотите иметь обнаженную и не покрытую медь. Однако, прокладывая тонкую дорожку близко к краю платы, фреза/сверло для прорезания может повредить дорожку и уничтожить её. При использовании V-Scoring для разделения плат в панели, пропил занимает определенную ширину и не всегда бывает абсолютно точным, что может легко повредить или удалить дорожку тоже.

После того как я сделал прорези в плате, я обычно провожу финальную проверку, чтобы попытаться найти ошибки с зазорами, прежде чем отправить свою работу. Были случаи, когда я по ошибке проложил дорожку на внутреннем слое прямо через прорезь. В настройках вашей платы установите слой фрезеровки в слой, в котором у вас находятся ваши пути фрезеровки, чтобы Altium отображал прорези в 3D виде. После этого скопируйте слой фрезеровки в ваш слой запрета, чтобы правила проектирования выделяли любые существующие проблемы и предотвращали любые будущие.

Закройте Ваши Переходные Отверстия

Altium предлагает правила проектирования для расширения маски припоя на переходных отверстиях, которые можно использовать для их закрытия, так что не забудьте ими воспользоваться. Любые отверстия размером менее 15 мил/0,4 мм следует закрывать. Если размер больше, вам следует учитывать толщину маски припоя от вашего производителя плат. Полностью закрытое переходное отверстие – это хорошо, так как это предотвращает попадание в отверстие коррозийных материалов, таких как флюс, грязь и влага, которые могут вызвать коррозию переходного отверстия.

Когда отверстие становится слишком большим, чтобы полностью его закрыть, попытка закрыть его может вместо этого создать почти закрытое отверстие, которое легче улавливает те вещества, от которых вы пытаетесь защититься. В таких случаях лучше использовать открытые переходные отверстия и позволить металлизации защищать отверстие. Однако старайтесь делать зазор маски припоя вокруг отверстия достаточно маленьким, так как вы не хотите, чтобы через переходное отверстие возник потенциальный короткое замыкание.

Платы очень высоких характеристик, скорее всего, будут иметь переходные отверстия, заполненные эпоксидной смолой в процессе производства. Если вы проектируете такие платы, то советы, которые мы рассмотрели, вероятно, не актуальны для вас, поскольку вы уже давно не нуждаетесь в советах по проектированию для производства!

Двусторонние платы

Многие продукты, которые я разрабатываю, используют двусторонние платы. Однако у вас должна быть веская причина для перехода на двусторонний дизайн. Если вас искушает идея разместить всего один или два пассивных элемента на нижней стороне платы, вы можете создать себе много проблем на этапе сборки. Либо полностью переходите на двусторонний дизайн, либо оставайтесь при одностороннем. Если у вас нет действительно веской причины размещать детали с обеих сторон платы, просто ограничьтесь верхним слоем. Если ограничения по размеру или спецификации плотности платы требуют значительного количества компонентов на нижней стороне, тогда пусть так и будет.

Вы также можете рассмотреть возможность использования компонентов в меньшем корпусе, чтобы освободить немного места на плате. Для большинства сборщиков компонент 0402 не представляет сложности и будет гораздо дешевле, чем размещение компонентов с обеих сторон платы. Многие сборщики не столкнутся с значительными дополнительными расходами или потерями при использовании пассивных элементов 0201, что может дать вам огромное количество свободного места, даже если вы уже используете детали 0402. Перед использованием 0201 или меньше обязательно проконсультируйтесь со своим сборщиком, поскольку старые машины могут быть неспособны надежно с ними работать. Если сборщик может обрабатывать меньшие компоненты, это, скорее всего, будет гораздо дешевле, чем полагаться на двустороннюю сборку.

Проверьте ваши выходные файлы

Наконец, и я надеюсь, что это и так понятно, убедитесь, что все ваши выходные файлы на месте. Мне приходилось сталкиваться с ситуациями, когда я забывал добавить файлы сверления NC в файл задания на вывод, или случайно снимал галочку с одного слоя лишнего для герберов. Используйте просмотрщик герберов, даже если это просто встроенный в Altium, чтобы проверить, что все ваши полигоны полностью отрисованы, все сверления на месте, а шелкография и маска присутствуют там, где нужно. Если вы отправляете плату на сборку или к производителю на контрактной основе, убедитесь, что у вас экспортированы слои паяльной пасты, центры установки и сборочные чертежи.

Бонусный совет - Термопереходы

Должен признаться, термопереходы - это немного моя слабость. Некоторое программное обеспечение по умолчанию добавляет термопереходы практически на все. Если вы добавляете переходное отверстие, оно получает термопереход; добавляете площадку, она получает термопереход. Термопереходы могут создавать точки с высокой индуктивностью и начать вызывать проблемы с умеренными и высокоскоростными сигналами. В ситуациях с высоким током низкое сечение меди термоперехода может быть неспособно провести достаточный ток.

Термопереходы могут облегчить ручную пайку на больших медных заливках и могли быть необходимы для старых машин волновой пайки. Если вы разрабатываете в основном плату с поверхностным монтажом и несколькими сквозными деталями, такими как разъемы, то использование термоперехода на площадке не имеет большого смысла. Детали с поверхностным монтажом будут подвергаться пайке рефлоу, в то время как сквозные детали будут паяться с помощью машины для выборочной пайки.

Эта способность предотвращать передачу тепла от площадки к большой медной заливке работает в обе стороны. С одной стороны, это может немного облегчить сборку, но с другой стороны, это также будет препятствовать любому выходу тепла из компонента. Я видел несколько производственных плат с D-Pak (TO-252) или аналогичным корпусом, на земляной площадке которых были термопереходы, что полностью нарушало способность корпуса рассеивать тепло.

Плотность тока на высокоамперном корпусе с включенными термопереходами. Представьте себе тепловые проблемы.

Также термопереходы на переходных отверстиях (виас) серьезно ограничат, сколько тока и тепла они могут передать. Что еще хуже, группировка переходных отверстий вместе для дополнительной передачи тепла или тока может лишить область любой меди и уничтожить способность переноса тока или тепла во всем регионе.

Если вы разрабатываете платы для современного производства и сборочных процессов, вы можете добавить функции, которые десять или двадцать лет назад не были бы надежными. Объем и сложность плат за последние 2 десятилетия выросли экспоненциально. Чтобы обеспечить такой темп изменений, производители печатных плат стали использовать более эффективные, более точные и более действенные методы для создания плат для высокосложных проектов. Постпроизводственное электрическое тестирование является стандартом даже на производствах с самым низким бюджетом и выявляет подавляющее большинство производственных проблем. Если вы разрабатываете плату с высоким током, используя инструмент анализа распределения питания, такой как PDN Analyzer от Altium, это может помочь обнаружить ошибки, связанные с недостаточной площадью меди для приложения. Если ваша конструкция недостаточно надежна для работы с током, частотой или тепловыми требованиями приложения, не имеет значения, функциональна ли плата с электрической точки зрения или нет.

Есть вопросы? Звоните эксперту из Altium.