Cách quản lý thư viện ECAD cho thiết kế bố trí PCB nhất quán

Không có gì đau đớn hơn việc làm mọi thứ đúng đắn trong thiết kế phần cứng, chỉ để thấy bo mạch của bạn thất bại vì một footprint duy nhất. Tôi đã trải qua điều này, vì vậy đừng lặp lại sai lầm của tôi. Hãy học cách quản lý thư viện ECAD để thiết kế bố cục PCB một cách nhất quán.

Điểm Chính

• Một footprint không khớp có thể gây ra hàng tuần trễ nãi, 20.000 đô la tổn thất sản xuất, và mối quan hệ với khách hàng bị đứt gãy. Ngay cả những sơ suất nhỏ cũng có thể phá hủy niềm tin và lịch trình.
• Sự lộn xộn và thiếu cấu trúc trong thư viện ECAD là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra thất bại của PCB. Quy trình tiêu chuẩn và dữ liệu linh kiện là cần thiết.
• Một mô tả linh kiện mạnh mẽ có giá trị hơn số phần vì nó đảm bảo tính theo dõi, đơn giản hóa việc thay thế, và ngăn chặn việc thiết kế lại tốn kém khi các bộ phận trở nên lỗi thời.
• Thiết kế PCB đáng tin cậy dựa trên năm trụ cột: biểu tượng schematic, dữ liệu linh kiện, mô phỏng, mô hình 3D, và mẫu đất.
• Mô phỏng, kiểm tra va chạm 3D, và footprint tuân thủ IPC ngăn chặn lỗi xuống dòng sản xuất đắt đỏ hoặc không thể sửa chữa sau khi sản xuất.
• Một hệ thống quản lý thư viện kỷ luật biến hỗn loạn thành đáng tin cậy. Quy trình không làm bạn chậm lại. Sai lầm mới làm.

Footprint 20K

Sớm trong sự nghiệp tự do của tôi, tôi di chuyển nhanh chóng, háo hức chứng tỏ bản thân với một khách hàng mới. Thiết kế đã hoàn tất, quá trình sản xuất diễn ra suôn sẻ, và tất cả các bộ phận đều có sẵn trong kho. Hai tuần sau, khi bắt đầu lắp ráp, tôi nhận được một email khiến tôi cảm thấy như trái tim rơi xuống bụng: “Tạm dừng sản xuất – Linh kiện PCB không thể được lắp đặt trong quá trình lắp ráp.”

Tôi tin chắc rằng đó phải là vấn đề về số phận. Tôi kiểm tra BOM, sơ đồ mạch, và bố cục bảng mạch. Mọi thứ trông đều ổn. Cho đến khi nó không ổn.

Một footprint có chân kết nối sai. Tôi đã thay đổi nó giữa quá trình thiết kế cho một bài kiểm tra và quên không đồng bộ nó trở lại với sơ đồ. Một sơ suất nhỏ đã khiến quá trình sản xuất bị dừng lại.

Kết quả? $332 bị lãng phí cho năm bảng thử nghiệm, một sự chậm trễ sáu tuần, và một đợt sản xuất trị giá $20k bị mất. Niềm tin của khách hàng – biến mất. Họ đã bỏ lỡ hạn chót và chọn một nhà thiết kế khác cho công việc bố cục. Đồng nghiệp đã giới thiệu tôi vẫn lịch sự, nhưng tôi không bao giờ nhận được dự án nào khác từ công ty đó.

Đó là một bài học khắc nghiệt nhưng cũng là bài học quan trọng nhất trong sự nghiệp của tôi. Ngay cả những kỹ sư giỏi nhất cũng mắc sai lầm khi họ thiếu cấu trúc. Tôi không có danh sách kiểm tra, không có tiêu chuẩn hóa, chỉ có những gì trong đầu mình. Điều đó phải thay đổi.

Đây là nguyên tắc cốt lõi mà tôi đã học được:

Hãy giữ dữ liệu thiết yếu tối thiểu cho mỗi bộ phận trong thư viện của bạn. Đối với người mua, trường thông tin quan trọng nhất là Số Phần của Nhà Sản Xuất (MPN). Nhưng đối với nhà thiết kế, đó là mô tả thành phần.

Tại sao? Bởi vì MPN chỉ quan trọng khi mua bộ phận, và chúng nhanh chóng lỗi thời. Tôi đã học được một cách khó khăn rằng chỉ sau vài năm, bạn có thể mất quyền truy cập vào thông tin bộ phận, nhà cung cấp, hoặc thậm chí là nhà sản xuất. Không có mô tả, bạn cần phải giải mã các sơ đồ cũ để xác định bộ phận đó là gì, hoặc tồi tệ hơn, thiết kế lại phần đó của bảng mạch.

Một mô tả thành phần chi tiết hoạt động như một biện pháp bảo vệ. Nó tóm tắt bảng dữ liệu, xác định các đặc điểm chính và cho phép bạn nhanh chóng tìm kiếm các bộ phận tương đương, hoạt động trên các nhà cung cấp. Đó là lý do tại sao các kỹ sư có kinh nghiệm luôn lưu trữ bảng dữ liệu, ngay cả đối với tụ điện. Họ biết các bộ phận sẽ trở nên lỗi thời, và thời gian dành cho việc tìm kiếm thay thế là sự mất mát về năng suất.

Vì vậy, không, việc dành nửa thời gian để tìm kiếm thông tin linh kiện không nên trở thành “bình thường”. Đó là lý do tại sao giờ đây tôi dựa vào các công cụ quản lý BOM và quy trình tiêu chuẩn để giữ cho mỗi thành phần có thể truy vết, thay thế và sẵn sàng cho sản xuất. Trong phần tiếp theo, tôi sẽ đi qua hệ thống đó, hệ thống đã đảm bảo rằng tôi không bao giờ mất khách hàng vì sự lộn xộn một lần nào nữa.

Bạn có thể nghĩ, “Chúng tôi nhỏ; một quy trình sẽ làm chúng tôi chậm lại.” Tôi cũng đã từng nghĩ như vậy. Nhưng như câu chuyện của tôi cho thấy, ngay cả khi chỉ là một đội ngũ một người, bạn cũng có thể bỏ sót điều gì đó khi bạn không tôn trọng quy trình của mình, chỉ được phát hiện hàng tuần sau đó trong quá trình lắp ráp.

Một footprint có thể làm hỏng lịch trình. Nếu một phần không thể được đặt, quá trình lắp ráp sẽ dừng lại. Sau đó, bạn phải hàn tay, điều này rất khắc nghiệt với một bảng mạch có mật độ cao.

Tôi chia sẻ quy trình nội bộ mà tôi giữ trong đầu để bạn không lặp lại những sai lầm của tôi hoặc gây tổn thất cho khách hàng của bạn. Bạn không thể chờ đợi để “phát triển vào” quy trình. Các đội ngũ nhỏ có ít đệm hơn. Một chút nghiêm ngặt cho mỗi phần tiết kiệm hàng tuần công việc, hàng chục nghìn đô la, và bảo vệ doanh số bán hàng tương lai, dòng tiền, và công ty.

Quy trình không làm bạn chậm lại. Sai lầm mới làm.

Vậy điều cần rút ra là gì? Duy trì một mô tả chi tiết về linh kiện để có thể tái tạo linh kiện đó trong tương lai xa, và kiểm tra kích thước chân linh kiện hai hoặc thậm chí bốn lần.

Tại sao Thư viện Linh kiện Lại Làm Hỏng Việc Ra Mắt Sản Phẩm?

Những vấn đề phổ biến nhất với thư viện linh kiện bao gồm:

Bản ghi Chỉ Có Số Phần (MPN) Mà Không Có Trường Mô tả

Điều thực sự gây đau đớn là khi một bản ghi chỉ có số phần của nhà sản xuất mà không có gì để xác định linh kiện.

MPN trở nên lỗi thời, và không phải tất cả các nhà sản xuất đều giữ lại hồ sơ về MPN cũ. Các công ty cũng có thể được mua lại và các hồ sơ cũ bị mất theo thời gian, đặc biệt là trên các sản phẩm có tuổi thọ dài như hệ thống hàng không vũ trụ. Khi bạn chỉ có một số phần, thông tin đã có trực tuyến trong nhiều năm có thể đột nhiên biến mất hôm nay.

BOM Chỉ Có Một Nhà Cung Cấp, Điểm Mù Vòng Đời

Tuần trước, tôi đã nộp một BOM cho một khách hàng. Kiểm tra bố cục và Gerber đều ổn, nhưng linh kiện không có sẵn, một số bị thiếu hàng (<1–2k đơn vị), và không có nhà cung cấp dự phòng. Trong các thiết kế cũ, các kỹ sư có hơn tám nguồn và phương án thay thế. Mọi thứ diễn ra suôn sẻ.

Người mua thường cần phải dựa vào nhiều nguồn cung cấp khác nhau, điều này có nghĩa là các kỹ sư cần phải cung cấp các lựa chọn nhà cung cấp thay thế trong BOM. Nếu không, việc lắp ráp sẽ bị trì hoãn và người thiết kế cần phải dành thêm thời gian để tìm kiếm trên các trang web của nhà phân phối để tìm kiếm hàng tồn kho.

Khung Công Việc: 5 Trụ Cột của Một Linh Kiện Vững Chắc

Giờ đây, khi đã rõ ràng rằng một thư viện PCB hoàn hảo là thiết yếu, làm thế nào chúng ta có thể ngăn chặn những vấn đề này? Dưới đây là một khung công việc mạnh mẽ để sử dụng trong thiết kế và sản xuất phần cứng. Có năm yếu tố chính mà mỗi thiết bị/linh kiện phải có trong thư viện phần của bạn. Ghi nhớ những điều này vào cơ sở dữ liệu của bạn và không bao giờ bỏ qua chúng. Bạn có thể thêm bất cứ thứ gì khác bạn muốn, nhưng luôn bao gồm những yếu tố này.

Trong thư viện ECAD, chúng tôi mô hình hóa tương đương số của thiết bị vật lý đó trong phần mềm thiết kế của chúng tôi. Để làm điều đó một cách đúng đắn, chúng tôi phải hiển thị:

Thuộc tính sản phẩm

• Thông tin về phần: tính khả dụng, giá cả, số lượng đặt hàng tối thiểu, mô tả, và nhiều hơn nữa.
• Chức năng điện: Mô hình mô phỏng (như SPICE, IBIS, v.v.) để dự đoán hành vi dưới các điều kiện khác nhau trước khi chi tiêu tiền cho việc xây dựng và kiểm tra. Thường bị bỏ qua trong các chu kỳ gấp rút khi các tính toán bằng tay và bảng dữ liệu dường như đủ.Mô hình 3D: Một biểu diễn 3D của thiết bị hiển thị chiều cao, kích thước và hình dạng, điều này quan trọng để hiển thị vị trí đặt PCB trong vỏ máy.
• Giao diện PCB: Khu vực trên PCB nơi linh kiện được đặt, bản in chân PCB, phải khớp với linh kiện thực tế.

Trụ cột 1 - Biểu tượng Sơ đồ

Biểu tượng sơ đồ là biểu diễn khái niệm của một linh kiện. Nó truyền đạt cách linh kiện hoạt động, bao gồm chân, tên chân, và quy ước biểu tượng tiêu chuẩn.

Việc biểu diễn hình ảnh chính xác rất quan trọng, vì vậy đừng sử dụng các hộp chung chung. Ví dụ, đối với một điện trở, hãy sử dụng biểu tượng điện trở phù hợp, không phải một hộp.

Trụ cột 2 - Thông tin Linh kiện

Đây là phần quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị nào vì nó định rõ mọi thứ khác. Không có dữ liệu linh kiện, bạn không thể mua hoặc xây dựng nó. Mỗi linh kiện cần có thông tin sau:

Mô tả Linh kiện

Điều này xác định phần tử trong cơ sở dữ liệu của bạn và là cách nhanh nhất để cung cấp khả năng tìm kiếm rộng rãi dựa trên thông số kỹ thuật. Chỉ sử dụng số phần của nhà sản xuất cho mô tả thành phần không thực tế vì nó không cho phép tìm kiếm theo thông số kỹ thuật. Một mô tả ngắn gọn với một vài thông số kỹ thuật chính là tốt hơn. Ví dụ: thay vì LTST-C193TBKT-5A, hãy sử dụng LED XANH LÁ SÁNG CHIP SMD.

Nhưng hãy đi xa hơn nữa. Đây là quy tắc đặt tên của tôi:

Dạng dài (chuẩn):

LED XANH LÁ 470NM SÁNG BÁO HIỆU RIÊNG BIỆT 2.8V 0603 (1608 METRIC) SMD

Dạng trung bình (thân thiện với ERP):

LED XANH LÁ 470NM SÁNG 2.8V 0603 (1608 METRIC)

Dạng siêu ngắn (nhãn/mục):

LED XANH LÁ 470NM 0603

Tôi sẽ chọn lựa chọn 2, phiên bản Dạng trung bình (thân thiện với ERP).

Mô Tả Thành Phần

Một mô tả thành phần bao gồm chức năng, các thông số chính và loại gói. Một “LED đơn giản” không chỉ là đơn giản. Ghi lại những chi tiết này để nó có thể được nhận diện và sử dụng.

Mô tả chính xác các bộ phận giúp việc thay thế trở nên dễ dàng hơn. Đối với một LED, bạn cần dữ liệu như điện áp/dòng điện tiến và độ sáng (đánh giá mcd). Tên như “LED BLUE CLEAR CHIP SMD” có thể được sử dụng làm tên của bộ phận, nhưng không phải là mô tả đầy đủ. Nó không giúp bạn tìm kiếm một bộ phận thay thế mà không có bảng dữ liệu.

Một mô tả tốt hơn là: “Blue 470nm LED Indication – Discrete 2.8V 0603 (1608 Metric).” Nó bao gồm trực tiếp điện áp tiến, bước sóng, và kích thước gói, đủ thông tin để nhanh chóng tìm kiếm một bộ phận tương tự thông qua tìm kiếm từ khóa đơn giản.

So sánh với một mô tả kém như “Blue LED SMD.” Nó không cho bạn biết gì về điện áp tiến, độ sáng, dấu chân chính xác, v.v. Điều đó buộc bạn phải mở bảng dữ liệu cho MPN này, tìm kiếm các thông số kỹ thuật điện cơ bản, và so sánh điều đó với các yêu cầu kỹ thuật hoặc thiết kế trong sơ đồ mạch. 30 phút cho một LED. Nhân rộng điều đó với 40 bộ phận trong một BOM 200 dòng, và số giờ (và chi phí) lãng phí là rõ ràng.

Bảng dữ liệu

Điều duy nhất quý giá hơn mô tả linh kiện là bảng dữ liệu. Hãy lưu bảng dữ liệu cho mọi linh kiện bạn sử dụng vì các nhà sản xuất thường xuyên thay đổi liên kết. Giữ một bản sao cục bộ và liên kết nó với thiết bị, đồng thời cũng lưu liên kết cổng thông tin web như một trường của linh kiện.

Hãy nghĩ về hệ thống phân cấp theo cách này:

• Tên linh kiện: cách tìm linh kiện ở cấp độ cao nhất.
• Mô tả chi tiết: một cấp độ dưới; trừu tượng ngắn gọn của bảng dữ liệu.
• Bảng dữ liệu: nguồn thông tin đáng tin cậy.

Mục đích của tên linh kiện là giúp bạn tìm chính xác những gì bạn cần. Nó có thể đủ hoặc không đủ để thay thế hoặc tái tạo linh kiện. Khi mô tả chứa đủ chi tiết để tìm một linh kiện mới, càng tốt.

Số Phần của Nhà Sản Xuất

Số phần của nhà sản xuất là bắt buộc, ngay cả khi bạn có mô tả cho linh kiện. Một số nhà sản xuất sử dụng số phần tương tự hoặc các gia đình số phần chung (ví dụ, loạt logic 7400, các thành phần loạt LM3xx, v.v.), vì vậy số phần cần phải chính xác vì nó tương ứng với một gói cụ thể, dấu chân, và thông số kỹ thuật điện.

Tên Nhà Sản Xuất

Để tránh bất kỳ sự nhầm lẫn nào khi tìm kiếm các bộ phận, việc có tên nhà sản xuất chính xác mọi lúc là rất quan trọng. Điều này cũng hữu ích nếu bạn dự định đặt mua một số bộ phận trực tiếp từ trang web của nhà sản xuất.

Nhà cung cấp

Đưa ra ít nhất một nhà cung cấp là một ý tưởng tốt. Hầu hết các nhà sản xuất bán hàng qua các nhà phân phối có giấy phép (ví dụ, Digi-Key, Mouser, Avnet, Newark). Sử dụng Octopart để xem các nhà cung cấp có sẵn và các tùy chọn giao hàng đến cửa nhà bạn hoặc nhà máy lắp ráp.

Trụ cột 3 - Mô phỏng (Khi cần thiết)

Khi hiệu suất thực tế quan trọng và bạn cần một thiết kế đúng từ lần đầu, mô phỏng mạch và bố trí cung cấp một so sánh tốt cho kết quả kiểm tra và giúp phát hiện sớm các vấn đề đơn giản.

Vậy chúng ta có thể làm gì để mô phỏng các bộ phận của mình?

• Mô hình SPICE, cho hoạt động mạch cơ bản, phân tích hỏng hóc, đặc biệt trong điện tử công suất.
• Mô hình IBIS, cho mô phỏng và phân tích tốc độ cao để phát hiện vấn đề trở kháng trước. Sử dụng cho thời gian tăng và tần số bảng mạch khoảng 1 GHz trở lên. Thực tế là bắt buộc cho kỹ thuật số tốc độ cao (DDR, PCIe Gen 3/4/5, USB 3.2). Đối với bất kỳ thứ gì gần ~10 GT/s trở lên, hãy mô phỏng với IBIS để xác nhận trước khi kiểm tra. Hãy nhớ rằng kết quả có thể thay đổi tùy thuộc vào vật liệu điện mô của PCB.

Cột mốc 4 - Mô hình 3D/MCAD

Nhiều sản phẩm có khoảng cách chật hẹp trong vỏ máy, vì vậy mỗi milimet ở X, Y, và Z đều quan trọng. Sử dụng kiểm tra va chạm 3D đối với vỏ, một vấn đề can thiệp có thể được xác định trước khi xây dựng bất kỳ bộ lắp ráp nguyên mẫu nào.

Ngay cả trong năm 2021, việc làm việc chỉ với các dấu chân không phải là điều hiếm, nhưng nếu bạn đang đi vào sản xuất, hãy bao gồm mô hình 3D và thực hiện các bài kiểm tra va chạm. Nếu bộ phận không thể được đặt trên PCB, bạn không có sản phẩm. Bộ phận tồn tại ngoài PCB. Các định dạng 3D tiêu biểu là STEP (AP224, AP214, v.v.). Thu thập những mô hình đó và giữ chúng được tổ chức.

Cột mốc 5 - Mẫu đất trên PCB

Chúng ta cần đặt linh kiện lên PCB. Mẫu đất (land pattern) xác định các pad đồng nơi mà thành phần sẽ được hàn. Có mẫu đất do nhà sản xuất khuyến nghị, và cũng có mẫu đất thực tế phụ thuộc vào mật độ bố trí PCB như được định nghĩa trong các tiêu chuẩn IPC. Các tùy chọn như Điều kiện vật liệu Ít nhất, Bình thường và Nhiều nhất trong IPC-7351/7352 nhằm mục đích cân bằng khoảng cách chân linh kiện với nhau so với nhu cầu hình thành một lớp hàn đủ lớn.

Do tầm quan trọng của nó, đây là những gì tôi luôn kiểm tra cho các footprint.

Danh sách Kiểm tra Footprint PCB

• Đánh dấu cực chân-1
• Phần trăm giảm kem hàn được ghi chú (0% là tiêu chuẩn ngày nay. Nhà sản xuất sẽ thay đổi nó)
• Khu vực bao quanh
• Kích thước pad được gọi ra (tiết kiệm thời gian cho mọi kỹ sư mỗi khi phải làm thủ công)
• Lý do chọn Most/Nominal/Least
• Khu vực cấm

Có nhiều điểm kiểm tra khác, nhưng đây là những điểm quan trọng nhất. Bạn không muốn phát hiện trong quá trình bố trí rằng một bộ phận để lại quá ít không gian trên PCB có mật độ cao. Bạn sẽ phải thay đổi nó hoặc tìm footprint hoặc linh kiện đúng dù sao. Làm việc bây giờ, hoặc làm gấp đôi công việc sau này.

Kết thúc và Một Khuyến Nghị Mạnh Mẽ

"Một thiết kế PCB chỉ tốt bằng thư viện CAD của nó." Đó là điều tôi nhớ từ cuộc gặp với Tom Hausherr trong kỳ nghỉ lễ tháng 12 năm 2021, khi ông chia sẻ những câu chuyện chiến tranh từ việc dẫn dắt cập nhật IPC-7351.

Bài học rút ra rõ ràng: các thành phần quyết định sự thành công của PCB. Mọi lỗi hỏng không thể sửa chữa mà tôi gặp phải đều có nguyên nhân từ việc bỏ sót thành phần. Với những bộ phận đúng đắn, một mạch điện có khuyết điểm thường có thể được điều chỉnh, nhưng không phải với chính các thiết bị đó. Và sau khi sản xuất, việc tìm kiếm một thay thế tương thích với footprint là một canh bạc, chưa kể đến thời gian bị mất đi để hàn gỡ và làm lại thay vì kiểm tra.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, Altium Develop kết hợp mọi lĩnh vực thành một lực lượng hợp tác. Không còn rào cản. Không giới hạn. Đây là nơi mà kỹ sư, nhà thiết kế, và nhà đổi mới làm việc cùng nhau để cùng sáng tạo mà không gặp trở ngại. Trải nghiệm Altium Develop ngay hôm nay!