Рекомендации по компоновке печатной платы

Перейти к:

• Основные этапы проектирования печатной платы
• Дизайн-документация
• Компоновка печатной платы и рекомендации по дизайну
• Важность тестирования
• Решение проблем с компоновкой печатной платы с помощью САПР
• Выбор поставщика печатных плат

Разработка макета вашей печатной платы имеет решающее значение для создания надежной и экономичной платы. Хотя дизайн схемы и выбор компонентов также важны, вы всегда должны следить за тем, чтобы у вас было достаточно времени для разводки печатной платы. Многое уходит на определение оптимального дизайна печатной платы, тем более что современные платы становятся все более сложными, компактными и легкими. Растущая популярность гибких печатных плат также усложняет этот процесс.

Если вы не учтете важных соображений компоновки печатной платы, вы можете получить проект, который не очень хорошо подходит для реального мира. Неправильная компоновка может привести к ряду проблем, таких как электромагнитные помехи, конфликты компонентов с обеих сторон платы, ограниченная функциональность платы и даже полный отказ платы. Кроме того, если вы не получите правильный макет с первого раза, вам придется его переработать, что может привести к задержкам производства и дополнительным расходам.

Итак, какие правила и соображения при проектировании печатных плат необходимо учитывать? Давайте рассмотрим этапы проектирования компоновки печатной платы и определим некоторые основные соображения для каждого этапа. Конечно, есть и другие соображения, которые вы, возможно, захотите иметь в виду, но это одни из самых важных аспектов проектирования топологии печатных плат, о которых вам следует знать.

Основные этапы проектирования печатной платы

Дизайн печатной платы играет роль на каждом этапе процесса производства печатной платы с момента, когда вы узнаете, что вам нужна печатная плата, до окончательного производства. Базовый процесс проектирования включает шесть шагов.

1. Концепция

После определения потребности в печатной плате следующим шагом является определение окончательной концепции платы. Этот начальный этап включает в себя определение функций, которые будет иметь и выполнять печатная плата, ее характеристик, взаимосвязей с другими схемами, ее размещения в конечном продукте и ее приблизительных размеров. Кроме того, примите во внимание примерный диапазон температур, в котором будет работать плата, и любые другие факторы, связанные с окружающей средой.

2. Схема

Следующим этапом является рисование принципиальной схемы на основе окончательной концепции. Эта диаграмма содержит всю информацию, необходимую для надлежащего функционирования электрических компонентов платы, а также такие сведения, как названия компонентов, номинал, номинальные характеристики и номера деталей производителя.

Пока вы создаете свою схему, вы будете создавать свою спецификацию материалов. Эта спецификация содержит информацию обо всех компонентах, необходимых для вашей печатной платы. Всегда обновляйте эти два документа.

3. Блок-схема на уровне платы

Далее вы создадите блок-схему на уровне платы, рисунок, описывающий окончательные размеры печатной платы. Отметьте области, предназначенные для каждого блока, секции компонентов, которые соединены по электрическим причинам или из-за ограничений. Хранение связанных компонентов вместе позволит сократить время трассировки.

4. Размещение компонентов

Следующим шагом является размещение компонентов, которое определяет, где вы разместите каждый элемент на плате. Часто вы можете пройти несколько этапов уточнения размещения компонентов.

5. Маршрутизация первого прохода

Затем определите маршрутизацию и приоритет маршрутизации для канала.

6. Тестирование

После того, как вы завершили дизайн, вы должны провести серию тестов, чтобы убедиться, что он соответствует всем вашим потребностям. Если это так, дизайн готов. Если нет, вы вернетесь к этапам, где вам нужно внести коррективы.

Дизайн-документация

Приступая к созданию своей печатной платы, вы разработаете множество документов. Эти документы включают:

• Габаритные чертежи оборудования: Описывает размер пустой платы.
• Схема: Отображает электрические характеристики платы.
• Список материалов: Описывает компоненты, необходимые для проекта.
• Файл макета: Описывает базовую компоновку печатной платы.
• Файл размещения компонентов: Описывает расположение отдельных компонентов.
• Сборочные чертежи и инструкции: Объясняет, как собрать доску.
• Руководства пользователя: Хотя они и не обязательны, они полезны для предоставления пользователю дополнительной информации.
• Набор файлов Gerber: Набор выходных файлов топологии, которые производитель печатной платы будет использовать для создания печатной платы.

Соображения по проектированию компоновки печатной платы

Есть много вещей, которые следует учитывать в отношении компоновки и дизайна печатной платы. Некоторые соображения применимы ко всему процессу, в то время как некоторые специфичны для отдельных шагов. Вот семь важных факторов, о которых следует помнить.

Запросить бесплатное предложение

1. Ограничения доски

Первые ограничения, на которые следует обратить внимание, связаны с голой платой. Некоторые из этих основных ограничений включают размер и форму доски.

Вам нужно будет убедиться, что у вас достаточно места на плате для схемы. Размер конечного продукта, функциональность, которую должна обеспечивать плата, и другие факторы определяют размер платы. Электронные продукты и печатные платы, которые они содержат, становятся все меньше. Прежде чем приступить к процессу проектирования, оцените размер платы. Если у вас недостаточно места для всех функций, необходимых в более простой конструкции, возможно, вам придется использовать многослойную конструкцию или конструкцию межсоединений высокой плотности (HDI).

Стандартная печатная плата имеет прямоугольную форму. Это остается, в подавляющем большинстве, наиболее распространенной формой для печатных плат. Однако можно создавать доски и в других формах. Разработчики печатных плат чаще всего делают это из-за ограничений по размеру или использования в продуктах неправильной формы.

Еще одним важным соображением является количество слоев, которые вам понадобятся, какие уровни мощности и сложность конструкции помогут решить. Лучше всего выяснить, сколько вам нужно, еще в процессе разработки макета. Добавление большего количества слоев может увеличить производственные затраты, но позволит вам включить больше дорожек. Это может понадобиться для более сложных плат с расширенным функционалом.

Используйте по крайней мере два переходных отверстия, чтобы сделать переходы слоев для всех сильноточных путей. Использование нескольких переходных отверстий на переходах между слоями повышает надежность, улучшает теплопроводность и снижает индуктивные и резистивные потери.

2. Производственные процессы

Вы также должны учитывать производственные процессы, которые вы хотели бы использовать для производства платы. Различные методы имеют разные ограничения и ограничения. Вам нужно будет использовать эталонные отверстия или точки, которые соответствуют производственному процессу на плате. Всегда следите за тем, чтобы в отверстиях не было компонентов.

Также не забывайте о способе крепления платы. Различные подходы могут потребовать, чтобы вы оставили открытыми разные области доски. Использование нескольких типов технологий, таких как компоненты для сквозного и поверхностного монтажа, может увеличить стоимость ваших плат, но в некоторых случаях может быть необходимо.

Всегда консультируйтесь со своим изготовителем, чтобы убедиться, что у него есть возможности для производства нужного вам типа платы. Некоторые, например, не могут производить многослойные платы или платы с гибкой конструкцией.

3. Материалы и компоненты

На этапе компоновки подумайте о материалах и компонентах, которые вы планируете использовать для своей платы. Сначала вам нужно убедиться, что нужные элементы доступны. Некоторые материалы и детали трудно найти, в то время как другие настолько дороги, что их стоимость непомерно высока. Различные компоненты и материалы также могут соответствовать требованиям к конструкции.

Потратьте время, чтобы убедиться, что вы выбрали оптимальные материалы и компоненты для своей доски, а также что вы разработали доску, которая соответствует сильным сторонам этих элементов.

4. Порядок размещения компонентов

Одним из наиболее фундаментальных принципов проектирования печатных плат является порядок размещения компонентов на плате. Рекомендуемый порядок:разъемы, затем силовые цепи, затем прецизионные цепи, затем критические цепи и затем остальные элементы. Уровни мощности, восприимчивость к шуму, возможности генерации и маршрутизации также влияют на приоритет маршрутизации для канала.

5. Ориентация

При размещении компонентов старайтесь ориентировать похожие друг на друга в одном направлении. Это сделает процесс пайки более эффективным и поможет избежать ошибок во время него.

6. Размещение

Старайтесь не размещать детали на стороне пайки печатной платы, которые будут располагаться за металлизированными деталями со сквозными отверстиями.

7. Организация

Логическая организация компонентов может сократить количество необходимых этапов сборки, повысить эффективность и снизить затраты. Старайтесь размещать все компоненты для поверхностного монтажа на одной стороне платы, а все компоненты для сквозного монтажа — на верхней стороне.

Питание, заземление и трассировка сигнала

Приведенные выше советы касались размещения компонентов на печатной плате. Чтобы эти компоненты работали должным образом, вам также необходимо проложить дорожки питания, земли и сигналов. Эффективное выполнение этого шага поможет убедиться, что ваши сигналы имеют надежный путь для правильной работы платы. Вот пять факторов, о которых следует помнить.

1. Плоскости питания и заземления

Одно из основных правил проектирования компоновки печатной платы заключается в том, чтобы силовые и заземляющие слои располагались внутри платы. Они также должны быть центрированы и симметричны, чтобы предотвратить изгиб и скручивание доски. Изгиб может привести к смещению компонентов и потенциальному повреждению платы. Другие рекомендации включают в себя использование Common Rail для каждого источника питания, обеспечение надежных и обширных трасс и избегание создания последовательных цепочек для подключения компонентов.

Высокое напряжение в силовых цепях может создавать помехи для низковольтных и токовых цепей управления. Вы можете использовать расположение заземления питания и заземления управления, чтобы свести к минимуму эти помехи. Старайтесь, чтобы основания для каждого каскада источника питания были разделены. Если вам нужно разместить их вместе, убедитесь, что они находятся ближе к концу вашего пути снабжения. Если заземляющий слой находится в среднем слое платы, включите путь с небольшим импедансом, чтобы предотвратить помехи в цепи питания.

Вы также должны разделить свои цифровые и аналоговые земли аналогичным образом. Старайтесь, чтобы аналоговые линии пересекали только аналоговую землю, чтобы уменьшить емкостную связь.

2. Дизайн трека

Этот шаг также включает в себя подключение сигнальных дорожек в соответствии с вашей схемой. Вы всегда хотите, чтобы ваши следы были как можно более короткими и прямыми. Если у вас есть горизонтальная трассировка на одной стороне печатной платы, разместите вертикальные дорожки на другой стороне.

Для вашей платы может потребоваться несколько цепей с разными токами, которые будут определять необходимую ширину сети. На этом шаге может помочь калькулятор ширины трассы. Тонкие дорожки могут нести только ограниченный ток. Дорожки толщиной 0,010″ дюйма или 10 мил могут выдерживать ток всего около одного ампера, в то время как дорожка толщиной 250 мил может выдерживать до 15 ампер при повышении температуры на 30 градусов Цельсия.

3. Размер площадки и отверстия

Вам также необходимо определить размеры контактных площадок и отверстий в начале процесса проектирования печатной платы. По мере того, как размер площадок и отверстий уменьшается, становится все более важным получить правильное соотношение размеров площадок и отверстий. Это особенно критично при работе с переходными отверстиями. Производитель голых печатных плат может предоставить рекомендации по стандартам и требуемым соотношениям сторон.

Еще одним важным соображением является форма контактных площадок печатной платы. Размеры печатных плат могут варьироваться в зависимости от производственного процесса. Для пайки волной припоя обычно требуется больше места, чем, например, для инфракрасной пайки оплавлением.

4. Целостность сигнала и проблемы с радиочастотой

Компоновка печатной платы играет решающую роль в обеспечении целостности сигнала и предотвращении электрических проблем, таких как помехи, часто называемые радиочастотными помехами или электромагнитными помехами.

Избежание этих проблем во многом зависит от того, как вы маршрутизируете свои трассировки. Во избежание проблем с сигналом избегайте параллельного расположения дорожек. Параллельные дорожки будут иметь больше перекрестных помех, что может вызвать различные проблемы, которые трудно исправить после сборки печатной платы. Если дорожки должны пересекаться друг с другом, убедитесь, что они делают это под прямым углом. Это уменьшит емкость и взаимную индуктивность между линиями, что, в свою очередь, уменьшит перекрестные помехи.

Использование полупроводниковых компонентов, генерирующих низкое электромагнитное излучение, также может помочь в обеспечении целостности сигнала. Однако иногда для других нужд могут потребоваться детали с более высоким электромагнитным излучением.

При проектировании печатной платы исключите антенны, которые могут излучать электромагнитную энергию, а также большие контуры сигнальных и обратных линий, передающих высокие частоты. Вы должны тщательно размещать интегральные схемы, чтобы получить короткие линии межсоединений.

Размещение плотной сетки заземления над печатной платой является еще одним важным правилом проектирования компоновки ВЧ печатной платы, которое помогает обеспечить близкое расположение обратных линий к сигнальным линиям. Это сохраняет эффективную площадь антенны относительно небольшой. В многослойной плате этого можно добиться с помощью заземления.

5. Проблемы с температурой

Температурные проблемы могут повлиять на множество различных частей процесса проектирования. Большие платы и платы с более высокой плотностью компонентов и более высокими скоростями обработки, как правило, имеют больше проблем, связанных с нагревом. Для небольших досок они могут не вызывать беспокойства, но для более продвинутых могут стать серьезной проблемой.

Чтобы предотвратить проблемы, связанные с нагревом, необходимо дать теплу рассеиваться. Во-первых, определите компоненты, которые выделяют много тепла. Вы должны быть в состоянии найти рейтинги термического сопротивления каждого компонента в его техническом описании. Затем вы можете следовать рекомендуемым рекомендациям по отводу тепла от этого компонента.

Убедитесь, что вы оставили достаточно места вокруг всех компонентов, которые могут нагреваться. Чем больше тепла они производят, тем больше площади им нужно для охлаждения. Также крайне важно не размещать важные компоненты рядом с источниками тепла.

В идеале вся плата должна иметь одинаковую рабочую температуру. Используйте теплопроводящие плоскости для рассеивания тепла на большой площади, что ускоряет скорость снижения температуры за счет увеличения площади поверхности, используемой для передачи тепла.

Если проблемы с температурой для вашей платы существенны, вам может потребоваться включить охлаждающие вентиляторы, радиаторы и тепловые заглушки, которые имеют решающее значение для пайки волной припоя на многослойных платах и ​​сборках с высоким содержанием меди. Вы можете создавать радиаторы, используя теплоотводящую пасту, полимер, наполненный мелкодисперсными твердыми частицами. Вы можете нанести эту пасту с помощью трафаретной или трафаретной печати. После сушки или запекания он фиксируется и действует как теплоотвод.

Всегда рекомендуется использовать терморазгрузку на компонентах со сквозными отверстиями, что снижает скорость отвода тепла через пластины компонентов. Как правило, используйте шаблон теплового рельефа каждый раз, когда переходное отверстие или отверстие соединяется с заземлением или плоскостью питания. Вы также можете использовать каплевидные формы в местах соединения дорожек и прокладок, чтобы обеспечить дополнительную поддержку и снизить тепловую нагрузку.

Важность тестирования

На протяжении всего процесса проектирования печатных плат, а также остального процесса изготовления печатных плат вы должны постоянно проверять свою работу. Своевременное обнаружение проблем поможет свести к минимуму их влияние и снизить затраты на их устранение.

Вы должны выполнить два общих теста:проверку электрических правил и проверку правил проектирования. Эти тесты помогут вам решить многие из наиболее серьезных проблем, с которыми вы можете столкнуться.

Как только вы сможете без проблем пройти тесты ERC и DRC, вам следует проверить маршрутизацию каждого сигнала и детально сравнить вашу плату со схемой.

Решение проблем проектирования компоновки печатных плат с помощью САПР

Сегодня большинство проектировщиков печатных плат используют передовые программные системы автоматизированного проектирования (САПР) для создания своих печатных плат. Точно так же производители используют программное обеспечение для автоматизированного производства. Использование этих систем может помочь вам решить многие проблемы макета, с которыми вы можете столкнуться. Вот некоторые из преимуществ использования этих программных систем:

• Простые полуавтоматические процессы проектирования: Программы САПР позволяют вам перетаскивать компоненты туда, где они вам нужны для вашего проекта. Многие системы даже создают для вас трассировки, после чего вы можете перемещать, добавлять или удалять компоненты или перенаправлять их по мере необходимости. Такой подход может повысить эффективность и точность процесса проектирования.
• Проверка дизайна: Прежде чем отправить свой проект на этап производства, вы можете протестировать его с помощью системы САПР, чтобы проверить допуски, совместимость, размещение компонентов и другие аспекты. Многие системы могут даже обнаруживать основные ошибки в режиме реального времени, сводя к минимуму или устраняя их последствия.
• Создание производственного файла: Вы можете создавать файлы Gerber и другие форматы файлов, которые вам могут понадобиться для отправки производителю с помощью системы САПР. Создание этих файлов непосредственно из программного обеспечения для проектирования может помочь повысить их точность и обеспечить плавный переход к этапу производства.
• Документация: Вы также можете использовать эти системы для создания и сохранения подробной документации, касающейся использования компонентов, отчетов об ошибках, состояния проекта, контроля версий и многого другого, что может помочь в будущих проектах.
• Создание правила: Некоторые из этих программ позволяют создавать и хранить пользовательские наборы правил, которыми вы можете поделиться с разработчиками, чтобы улучшить функциональность программного обеспечения.
• Создание шаблона: Вы даже можете создавать шаблоны для использования в будущих проектах. Создав дизайн, вы можете сохранить его и повторно использовать в качестве шаблона для других проектов.
• Повышение эффективности и снижение затрат: Внедрение автоматизированного проектирования в ваши операции может повысить эффективность и точность процесса проектирования, что сократит общие расходы.

Выбор поставщика печатных плат

Нужны печатные платы? Millennium Circuits Limited — ваш надежный источник. У нас есть ряд возможностей печатных плат, которые, несомненно, удовлетворят потребности вашего проекта, и мы гордимся тем, что обеспечиваем превосходное обслуживание клиентов. Мы предлагаем как внутренние, так и оффшорные печатные платы, поэтому мы можем предоставить несколько вариантов финансирования и быстрые сроки выполнения работ. Независимо от того, какое решение вы выберете, вы можете быть уверены, что получите печатные платы только самого высокого качества.

Чтобы узнать больше о наших услугах по изготовлению печатных плат и о том, как они могут помочь вашему бизнесу, запросите расценки, указав подробную информацию о вашем проекте, включая файл Gerber. Мы также предлагаем бесплатную проверку дизайна через наш веб-сайт, чтобы вы могли быть уверены, что ваш дизайн готов к производству. Чтобы узнать больше о MCL и наших многочисленных возможностях, свяжитесь с нами, запросите расценки или продолжите изучение нашего веб-сайта сегодня.

Запросить бесплатное предложение