Разводка печатных плат

Практически каждое электронное устройство состоит из одной или нескольких печатных плат. Печатные платы содержат ИС и другие компоненты и осуществляют межсоединения между ними. Печатные платы массово создаются для портативной электроники, компьютеров и развлекательного оборудования. Они также предназначены для испытательного оборудования, производства и космических аппаратов.

В конце концов, почти каждый инженер должен спроектировать печатную плату, а в школе этому не учат. Тем не менее инженеры, техники и даже начинающие конструкторы печатных плат могут создавать высококачественные печатные платы для любых целей с уверенностью, что результат будет соответствовать поставленной цели или превзойти ее. Кроме того, эти проекты могут быть выполнены в соответствии с временным графиком и в рамках бюджета при соблюдении проектных требований. Дизайнерам просто нужно помнить о необходимой документации, этапах и стратегиях проектирования, а также о заключительных проверках.

Правила разводки печатных плат

Идеальная конструкция печатной платы начинается с осознания, что печатная плата необходима, и продолжается до изготовления производственных образцов (рис. 1). После определения того, зачем нужна печатная плата, следует принять окончательное решение о концепции продукта. Концепция включает в себя конструктивные особенности, функции, которые печатная плата должна иметь и выполнять, взаимосвязь с другими цепями, размещение и приблизительные окончательные размеры.

Рис. 1. Процесс проектирования печатной платы начинается, когда проектировщик требования, которые необходимо удовлетворить, и не заканчивается, пока тестирование не подтвердит, что проект соответствует требованиям

 

Диапазон температур окружающей среды и проблемы, связанные с рабочей средой, должны быть рассмотрены и использованы для определения материалов, выбранных для печатной платы. Компоненты и материалы печатной платы должны быть выбраны таким образом, чтобы гарантировать работу при всех ожидаемых и потенциальных формах внешнего воздействия, которым плата может подвергнуться в течение ее срока службы.

Принципиальная схема проектируется на основе концепции. На этой подробной схеме показана электрическая реализация каждой функции печатной платы. После того, как схематически проработан, реалистичный чертеж окончательных размеров печатной платы, также должны быть проработаны области, закрепленные за каждым из схемных блоков (группы компонентов, тесно связанных схемотехническим причинам или ограничениям).

Ведомость материалов

Одновременно с созданием схемы должна быть создана ведомость материалов (BOM). Компоненты схемы следует выбирать путем анализа максимальных рабочих напряжений и величины тока каждого узла схемы с учетом критериев допуска. Выбрав электрически удовлетворительные компоненты, каждый компонент должен быть выбран исходя из доступности, бюджета и размера.

Спецификация должна постоянно обновляться вместе со схемой. Спецификация включает информацию о количестве, позиционных обозначениях, номинальные значения (числовое значение в омах, фарадах и т. д.) Идентификационный номер компонента производителя и название посадочного места на печатной плате для каждого компонента.

Эти пять требований имеют решающее значение, потому что они определяют необходимое количество каждого элемента, объясняют идентификацию и расположение цепей, точно описывая каждый элемент цепи, используемый для покупки и замены, и определяют размер каждого элемента для оценки площади. Могут быть добавлены дополнительные описания, но это должен быть сокращенный список, описывающий каждый элемент схемы, а слишком много информации может чрезмерно усложнить разработку библиотеки и управление ею.

Документация на печатную плату

Документы на печатную плату должны включать габаритные чертежи оборудования, схему, спецификацию, файл макета, файл размещения компонентов, сборочные чертежи и инструкции, а также набор файлов Gerber. Руководства пользователя также полезны, но не требуются. Набор файлов Gerber — это жаргонное выражение для выходных файлов макета, которые используются производителями печатных плат для создания печатной платы. Полный набор файлов Gerber включает выходные файлы, созданные из файла макета платы:

• Шелкография сверху и снизу
• Паяльная маска сверху и снизу
• Все металлические слои
• Стек слоев
• Карта компонентов (координаты XY)
• Сборочный чертеж сверху и снизу
• Файл сверловки
• Ведомость перечня сверил
• Схема FAB (размеры, особенности)
• Файл списка цепей

Специальные функции, включенные в схему FAB, включают, помимо прочего, выемки, вырезы, скосы, переходные отверстия в контактной площадке с обратной заливкой (используются для корпусов ИС типа BGA, которые имеют массив контактов под устройством), глухие/скрытые переходные отверстия, обработка поверхности и выравнивание, допуски отверстий, количество слоев и многое другое.

Разработка схемы

Схема определяет проект, поэтому точность и полнота критически важны для успешного завершения. В ней содержится информация, необходимая для правильной работы устройства. Схема должна включать соответствующие детали конструкции, такие как номера выводов, названия, позиционные значения компонентов и номиналы (рис. 2).

2. Соответствующие схемы, такие как эта для блока понижающего стабилизатора беспроводного приемника энергии IDTP9021R, включают номера контактов, имена, значения компонентов, номиналы и другие важные детали

 

Внутри каждого условного обозначения находится номер компонента производителя, используемый для определения цены и технических характеристик. Спецификация пакета определяет размер посадочного места для каждого компонента. Первый шаг должен заключаться в том, чтобы убедиться, что контактная площадка для каждого вывода находится в правильном месте и немного больше, чем контактная поверхность компонента (от 3 до 20 мил), в зависимости от доступной площади и метода пайки.

При проектировании посадочных мест учитывайте сборку и следуйте рекомендациям производителя печатной платы. Некоторые компоненты поставляются в микроскопических корпусах что определяет очень малые контактные площадки выводов. Даже в этих случаях необходимо нанести полоску паяльной маски толщиной 2,5–3 мил между каждым выводом на плате.

Следуйте правилу 10, которое гласит: переходные отверстия имеют размер 10 мил с 10 дополнительными мил кольцевыми контактными площадками. Расположение должно быть на расстоянии не менее 10 мил от края платы. Шаг между дорожкой составляет 10 мил (воздушный зазор 5 мил, ширина дорожки 5 мил, при толщине 1 унция меди (18 мил)). Для переходных отверстий с отверстиями диаметром 40 мил или больше необходимо добавить кольцо прокладки для обеспечения надежности. Для медных полигонов на внешних слоях от плоскости до штырей следует предусмотреть дополнительный зазор от 15 до 25 мил сверх нормы проектирования. Это снижает риск образования перемычек во всех точках пайки.

Размещение компонентов

Размещение компонентов является следующим в процессе и определяется исходя из соображений терморегулирования, функций и электрических шумов. Этап размещения компонентов в первом проходе начинается после того, как был определен контур компонента и положения межсоединения. Сразу после размещения отдельных компонентов следует провести обзор размещения и внести корректировки, чтобы облегчить трассировку и оптимизировать производительность.

Размещение и размеры корпусов часто пересматриваются, и на этом этапе вносятся изменения в зависимости от размера и стоимости. Компоненты, потребляющие более 10 мВт или проводящие более 10 мА, следует считать достаточно мощными с учетом дополнительных тепловых и электрических соображений. Чувствительные сигналы должны быть экранированы от источников шума полигонами и должны контролироваться импедансом.

Компоненты распределения питания должны использовать полигоны заземления или полигоны питания для теплового отвода. Выполняйте сильноточные соединения в соответствии с допустимым падением напряжения. Межслойные переходы для сильноточных трактов должны выполняться с двумя-четырьмя переходными отверстиями на каждом переходе между слоями. Размещайте несколько переходных отверстий на переходах между слоями, чтобы повысить надежность, снизить резистивные и индуктивные потери и улучшить теплопроводность.

Проблемы распределения тепла

Тепло, выделяемое ИС, передается от устройства к медным слоям печатной платы (рис. 3) . Идеальная теплопроводящая конструкция приведет к тому, что вся плата будет иметь одинаковую температуру. Толщина меди, количество слоев, непрерывность тепловых трас и площадь платы будут иметь прямое влияние на рабочую температуру компонентов.

Рис. 3. Теплопроводность ИС может быть достигнута за счет использования тепловых переходных отверстий и медных полигонов

Чтобы снизить рабочие температуры, применяется техника разводки печатных плат с использованием большего количества слоев сплошного заземления или радиаторов, подключенных непосредственно к источникам тепла с помощью нескольких переходных отверстий. Установление эффективных тепловых и сильноточных трас оптимизирует теплопередачу за счет конвекции. Использование теплопроводящих элементов для равномерного распределения тепла резко снижает температуру за счет увеличения площади, используемой для передачи тепла в окружающую среду (рис. 4).

Рис. 4. Эффективное распределение тепла по всем открытым поверхностям печатной платы

 

При равномерном распределении тепла для оценки температуры поверхности можно использовать следующую формулу:

где:

P = мощность, рассеиваемая на плате

ΔT = температура поверхности — температура окружающей среды

константа конвекции в зависимости от условий окружающей среды

Трассировка

Схема разводки печатных плат заключается в следующем порядке: разъемы, силовые цепи, чувствительные и прецизионные цепи, компоненты критических цепей, а затем остальные. Схема построена вокруг каждой области печатной платы и полностью взаимосвязана. Приоритет трассировки для цепи выбирается на основе уровней мощности, восприимчивости к шуму или возможностей генерации и маршрутизации. Разводить питание предпочтительно используя звездообразную разводку питающих цепей на печатной плате.

Обычно ширина дорожек от 10 до 20 мил используется для дорожек с током от 10 до 20 мА и от 5 до 8 мил для дорожек с током менее 10 мА. Высокочастотные (более 3 МГц) и быстро меняющиеся сигналы следует тщательно учитывать при маршрутизации вместе с областями с высоким импедансом.

Проектировщик должен проверить компоновку, а физические местоположения и пути маршрутизации должны корректироваться итеративно до тех пор, пока схема не будет оптимизирована для всех проектных ограничений. Количество слоев зависит от уровней мощности и сложности. Добавляйте слои попарно, так как фольгированный текстолит изготавливается с двумя слоями.

Заключительные проверки должны включать проверку чувствительных узлов на предмет экранировки от источников шума, имеется ли паяльная маска между выводами и переходными отверстиями, а шелкография четкая и лаконичная. При определении наложения слоев используйте первый внутренний слой ниже сторон компонентов в качестве заземления и назначьте плоскости питания другим слоям. Наложения создаются таким образом, чтобы плата уравновешивалась относительно средней точки оси Z, т.е. цент массы должен быть максимально приближен к центру.

Учитывайте любые сомнения, которые возникают у разработчика печатной платы во время проверок, и исправляйте печатную плату на основе отзывов, полученных в ходе проверок. Создавайте и проверяйте списки изменений во время каждой итерации проверки, пока плата не будет окончательно утверждена. На всех этапах создания макета не допускайте ошибок проектирования с помощью средства проверки правил проектирования (DRC). Только так можно добиться правильной разводки печатной платы.

DRC может обнаруживать только те ошибки, для отслеживания которых были заполнены требования, а наборы правил DRC часто меняются в зависимости от индивидуальных проектов. Как минимум, проверка правил проектирования должна охватывать расстояние между токопроводящими элементами, неподключенные цепи (уникальное имя, идентифицирующее каждый узел схемы), закороченные цепи, нарушения воздушного зазора, если переходные отверстия расположены слишком близко к контактным площадкам, если переходные отверстия находятся слишком близко друг к другу и др.

Современные программы включают возможность автоматической разводки печатных плат, однако данный способ часто является неоптимальным и на практике используется крайне редко.

Стоимость часто является определяющим фактором при проектировании печатных плат, поэтому полезно понимать, что при производстве печатных плат добавляются дополнительные затраты. Типичная плата состоит из двух-четырех слоев, без просверленных отверстий диаметром менее 10 мил и минимальных воздушных зазоров и ширины дорожек 5 мил. Он также должен иметь толщину 0,062 дюйма со стандартным FR-4 и толщиной медной фольги 1 унцию. Дополнительные слои, сверхтолстые или тонкие платы, переходные отверстия в контактных площадках, переходные отверстия с обратным заполнением (предпочтительны непроводящие из-за ограничений проводимости и различий в тепловом расширении), глухие/скрытые переходные отверстия и время выполнения заказа — все это существенно увеличивает общую стоимость.

Возможности производителя должны быть поняты, когда начинается проектирование печатной платы. Проектировщики печатных плат регулярно связываются с производителями печатных плат по поводу возможностей и методов снижения затрат при проектировании печатных плат для обеспечения технологичности.

Источник: www.electronicdesign.com