Как подготовить печатную плату к изготовлению? Ускорение сборки печатной платы с помощью передовых методов проектирования

В этой статье Паркер Диллман, ведущий EE и соучредитель MacroFab, рассказывает, как лучше всего подготовить проекты печатных плат к изготовлению и сборке.

В этой статье Паркер Диллман, ведущий EE и соучредитель MacroFab, рассказывает, как лучше всего подготовить проекты печатных плат к изготовлению и сборке.

Это обычная ситуация:вы разработчик оборудования и приближаетесь крайние сроки для вашего следующего продукта. Плохой прототип печатной платы задержит проект на несколько недель, и вам необходимо снизить этот риск. Первостепенное значение имеет правильная сборка печатной платы с первого раза, быстрая и без проблем.

Чтобы свести к минимуму эти потенциальные проблемы, я составил список некоторых советов, которые помогут подготовить ваш следующий прототип к производству.

Двойная проверка посадочных мест и пакетов

Обеспечение соответствия посадочного места корпусу компонента - это первый способ избежать зависаний при производстве. Традиционный способ печати вашей печатной платы на бумаге в масштабе 1:1 с последующим наложением ваших частей в настоящее время идет только до сих пор, учитывая, насколько маленькими стали некоторые компоненты и из-за недостатков контактов, таких как компоненты BGA.

Еще раз убедитесь, что размеры на посадочной поверхности соответствуют единицам измерения вашей конструкции (мм или мил).

Некоторые производители компонентов недоброжелательны и рисуют механическую схему компонента, как если бы смотрели через чистую прозрачную печатную плату снизу. Обязательно следите за этим.

Рисунок 1. Silicon Labs EFM8UB10F8G в корпусе QFN20. Сравнение макета, нарисованного в инструменте EDA, с шаблоном посадки в таблице.

Если ваш инструмент EDA может рисовать проекционные и размерные линии, возможно, стоит измерить площадь основания таким образом, чтобы он соответствовал механическому чертежу в таблице данных компонента. Проверьте единицы измерения в таблице данных и на вашем отпечатке.

Это также хорошее время, чтобы проверить соответствие между вашим схемным обозначением и посадочным местом компонента. Распиновку регуляторов напряжения, дискретных полевых МОП-транзисторов и транзисторов обычно легко перевернуть.

Компоненты, которые имеют полярность, должны быть проверены на их посадочные места, чтобы убедиться, что маркировка полярности четко обозначена. Сюда входят маркировка первого контакта микросхемы, маркировка катода диода и маркировка поляризованного конденсатора.

Рисунок 2. Маркировка первого контакта светодиода CREE.

Сделайте большой выбор замен протестированных деталей

Обычно задержка в производстве возникает, когда ключевые детали недоступны, а замены не прошли предварительное тестирование и одобрение. Если деталь имеет жизнеспособные замены, но находится на критическом пути вашей схемы или продукта, я настоятельно рекомендую вам создать прототипы и протестировать с каждой заменой перед запуском в производство. Это снижает риск при переходе на заменяемую деталь в будущем.

Рисунок 3. Деталь с окончанием срока службы на Mouser помечена как NRND или не рекомендуется для новых разработок

Если у вас есть уникальные детали, не имеющие прямых заменителей (микроконтроллеры, специализированные датчики и т. Д.), Проверьте срок службы детали с момента ее изготовления. Производители помечают компоненты, производство которых прекращается, как «Не рекомендуемые для новых разработок».

Как правило, производители гарантируют установленный срок службы для изготовления детали и уведомляют пользователей детали, когда ее срок службы истечет (EoL). Убедитесь, что нужная вам деталь будет доступна до конца производственного цикла продукта, чтобы предотвратить дорогостоящие изменения конструкции продукта в будущем.

Используйте предварительно сертифицированные радиомодули

Если ваш продукт использует Bluetooth или Wi-Fi, попробуйте использовать предварительно сертифицированный радиомодуль. Эти модули представляют собой предварительно спроектированные и упакованные системы, которые гарантированно работают правильно с соответствующим идентификационным номером FCC. Использование предварительно сертифицированного радиомодуля увеличивает шансы на правильное функционирование беспроводной системы, а также снижает вероятность того, что не пройдут испытания на соответствие требованиям FCC и CE по радиоизлучению.

Рисунок 4. BuzzBox от OSBeehives работает на предварительно сертифицированном радиомодуле Particle Photon. Изображение предоставлено OSBeehives.

Продумайте компоновку беспроводной антенны

Если вы решите, что экономия средств на переносе беспроводной связи на вашу печатную плату того стоит, компоновка печатной платы антенны имеет решающее значение. Для большинства компонентов беспроводной связи (приемопередатчика) будет рекомендованная компоновка из таблицы данных производителя. Скорее всего, следование рекомендованному макету будет вашим самым быстрым путем к успеху.

Есть некоторые вещи, на которые следует обратить внимание при разводке печатной платы. Во-первых, необходимо согласовать импеданс трансивера и антенны. Во-вторых, техническое описание трансивера должно содержать более подробную информацию о выборе подходящей антенны, разработке настраивающего фильтра и правильном импедансе, необходимом для максимальной производительности.

Я настоятельно рекомендую выполнить предварительное тестирование вашего продукта на соответствие требованиям, если вы разрабатываете собственное беспроводное соединение. Мы надеемся, что предварительное тестирование на соответствие выявит любые очевидные проблемы с вашим дизайном. Ищите частотные гармоники в пределах того, к чему вы стремитесь, в тактовых частотах, генераторах и спектре передачи.

Не забудьте разделительные конденсаторы

Электрические компоненты нуждаются в стабильных источниках напряжения, и разделительные конденсаторы должны быть включены на вашу печатную плату рядом с каждым активным компонентом. Разделительные конденсаторы работают лучше всего, когда они расположены как можно ближе к выводам питания компонента.

Рисунок 5. Разделительные конденсаторы гарантируют, что LVDS от Texas Instruments конвертер имеет плавную мощность.

Для более крупных компонентов, которые имеют несколько выводов питания, вам могут потребоваться разделительные конденсаторы на каждом выводе питания. Чувствительные к питанию детали, такие как датчики, АЦП и ПЛИС, вы также можете включить развязывающие крышки для контактов заземления. Конденсатор развязки должен быть подключен к источнику питания и компоненту, так как это улучшает характеристики конденсатора.

Рисунок 6. Шунтирующие или развязывающие конденсаторы следует размещать на линии от источника питания.

Защитите свою доску, установив правильную ширину дорожек и интервалы

Сильноточные дорожки должны иметь правильный размер, чтобы они не сожгли вашу печатную плату. Для расчетов я рекомендую использовать онлайн-калькулятор ширины следа. Дорожки на внешней стороне платы могут выдерживать больший ток, чем внутренние, поскольку внешней дорожке легче рассеивать выделяемое тепло. Чтобы снизить температуру, попробуйте указать на калькуляторе ширины дорожки повышение температуры равным 10 ° C. Однако, если у вас нет места для такого широкого следа, повышение температуры на 20 ° C будет нормальным для большинства приложений.

Если вы не можете проложить трассу достаточно широкой, вам может потребоваться более толстая медная гиря, которая увеличит допустимую нагрузку на ток. Однако увеличение толщины медного груза может вызвать проблемы с минимальной шириной дорожек и интервалом для проверки правил проектирования (DRC), поэтому обязательно примите это во внимание. Как правило, увеличение толщины с учетом веса меди потребует большей ширины дорожек и промежутков, а также приведет к увеличению цены за единицу печатной платы.

Рисунок 7. Между площадками прорезаны дорожки для повышенной изоляции напряжения. Изображение любезно предоставлено Скоттом Суэли из MAKESafe Tools.

Проблема, о которой часто забывают, - это обеспечить достаточную изоляцию трасс высокого напряжения друг от друга. Если ваш продукт подключен к сети, вам необходимо убедиться, что напряжение не может перескочить через воздушный зазор и закоротить.

Выберите правильную схему подключения регулятора источника питания

Во встроенных системах есть два основных типа регуляторов напряжения:линейные регуляторы и импульсные регуляторы. У каждого типа свои рекомендации по компоновке и разводке печатной платы.

Работа с линейными регуляторами

Линейные регуляторы принимают избыточное напряжение и преобразуют его в отходящее тепло. Это неэффективно, но для правильной работы линейным регуляторам обычно требуются только внешние конденсаторы, и они могут быть менее шумными, чем импульсные регуляторы. При использовании линейных регуляторов необходимо правильно разобраться в двух вещах:

1. Обдумайте свой выбор конденсатора. Следуйте инструкциям производителя относительно того, какой тип, номинал и расположение конденсаторов используются для обхода регулятора. Обычно конденсаторы следует размещать как можно ближе к входным и выходным контактам регулятора.
2. Берегите жару . Как правило, это означает, что пакет, который вы выбрали для регулятора, может выдерживать количество тепла, которое вы будете генерировать, и что ваша компоновка может его поддерживать. Медь наливает и сшивает здесь ваш друг. Если объем медной заливки окажется недостаточным, потребуется радиатор.

Рисунок 8. Линейные регуляторы напряжения с медью наливает для отвода тепла

Работа с регуляторами переключения

Импульсные регуляторы более эффективны, чем линейные регуляторы, но их сложнее проектировать. Обычно нагревание не является проблемой для импульсных регуляторов, но вам необходимо тщательно выбирать компоненты, чтобы гарантировать правильную работу импульсного регулятора. Импульсные регуляторы также более восприимчивы к генерации нежелательных электромагнитных полей (ЭМП) и возникновению отказов продукта на стадии соответствия требованиям FCC / CE.

1. Используйте рекомендованный макет внимательно от производителя. Эти макеты были протестированы на правильность работы.
2. Сделайте петлю обратной связи для коммутатора как можно меньше. Это снизит ЭДС и паразитное сопротивление, индуктивность и емкость.
3. Обратите особое внимание на значения ESR и ESL выходных конденсаторов регуляторов коммутатора. При поиске компонентов в таблице данных импульсного регулятора обычно указывается, где установить значения.

Для разработки переключателей мне нравится использовать Texas Instruments Webench. Он генерирует несколько конструкций для ваших желаемых спецификаций и дает вам номера деталей для катушек индуктивности и конденсаторов, которые вам понадобятся для правильной разработки коммутатора.

Включите термореле для больших следов и разливов меди

Медная площадка с терморазгрузкой создается путем соединения площадки с медной дорожкой или заливки с использованием меньших узких дорожек вместо прямого соединения. Термический сброс снижает тепловую нагрузку при пайке компонента на контактную площадку. Это снижает вероятность образования холодных паяных соединений из-за слишком быстрого рассеивания тепла медью.

Рисунок 9. Термостатирование на больших контактных площадках SMT для обеспечения правильной пайки соединений.

Обратите внимание на текущую нагрузку, проходящую через зону терморазгрузки. Если они имеют слишком узкую конструкцию, вы можете получить односторонний предохранитель.

Оптимизируйте свой дизайн для сборки SMT

На производственные затраты и время сборки положительно влияет использование как можно большего количества компонентов SMT. Разъемы SMT могут быть созданы, если разъем будет сопрягаться только во время сборки продукта (например, подключение внутренней литиевой батареи во время сборки продукта).

Рисунок 10. Инструмент с волновым поддоном для более быстрой пайки соединителей в сквозных отверстиях.

Иногда необходимы сквозные детали. Соединители, соединяемые с людьми, почти всегда должны быть сквозными, чтобы предотвратить насильственное извлечение детали во время работы. При использовании деталей со сквозными отверстиями обратитесь к производителю по контракту, чтобы узнать, сколько места вам нужно оставить вокруг деталей для оптимизации для пайки волной или выборочной пайки. Если другие компоненты расположены слишком близко к сквозным контактам, контрактному производителю, возможно, придется вручную припаять разъем, что замедлит процесс сборки и увеличит расходы.

Дважды проверьте правила вашего дизайна

Двойная проверка проверок правил проектирования, вероятно, является самым важным элементом в этом списке. Уточняйте у производителя правила их конструкции. У большинства производителей есть разные уровни правил проектирования масштабирования. Если вам удастся обойтись без более крупных и стандартных правил проектирования, вам следует.

Перед отправкой файлов дизайна вашему производителю я предлагаю вам в последний раз запустить DRC и проверить следующее:

• Выполните проверку правил проектирования (DRC).
• Проверить соединения и маршруты
• Используйте «воздушные провода» или «крысиные линии» вашего инструмента EDA, чтобы визуально показать, какие контактные площадки соединены друг с другом в сигнальной сети.
• Обновите любой шелкографический текст для кодов дат, версий печатной платы или метаданных.

Заключение

Я надеюсь, что эта статья поможет вам улучшить процесс проектирования печатных плат и снизить риски при заказе сборок печатных плат и расширении производства вашей продукции. Чем тщательнее вы планируете предварительную сборку, тем меньше сбоев в производстве.

Для получения дополнительной информации посмотрите мое интервью с командой All About Circuits и ознакомьтесь с контрольным списком, который я написал для предварительных и производственных соображений.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.