Руководство по проектированию печатных плат

Печатные платы, также известные как печатные платы, сегодня составляют основу каждого электронного устройства. Эти небольшие экологически чистые компоненты необходимы как для бытовых приборов, так и для промышленных машин. Дизайн и компоновка печатной платы — важная составляющая функционирования любого продукта — именно от этого зависит успех или неудача того или иного устройства. Благодаря постоянному развитию технологий эти конструкции продолжали развиваться. Сегодня сложность и ожидания этих конструкций достигли новых высот благодаря инновациям инженеров-электриков.

Недавние достижения в области систем и технологий проектирования печатных плат оказали огромное влияние на всю отрасль. В результате правила проектирования печатных плат и производственные процессы эволюционировали для достижения новых компоновок и возможностей. Сегодня дорожки меньшего размера и многослойные платы являются обычным явлением в серийных печатных платах — такие конструкции были бы неслыханными много лет назад. Программное обеспечение для проектирования печатных плат также помогло в этом прогрессе. Эти программы предоставляют инструменты, с помощью которых инженеры-электронщики могут разрабатывать лучшие печатные платы с нуля.

Даже с этими улучшенными возможностями макеты печатных плат трудно проектировать. Даже самый опытный инженер-электронщик может столкнуться с трудностями при создании схемы на печатной плате или при проектировании печатной платы в соответствии с передовым опытом в отрасли. Еще сложнее создать качественную доску для удовлетворения потребностей клиентов. В проектах заказчика балансировка функциональности печатной платы с лучшими практиками проектирования является сложным процессом. Вот почему мы описали процесс проектирования печатных плат, включая некоторые основные правила проектирования печатных плат.

Определение потребности

Первым из основных этапов проектирования печатной платы является необходимость. Для большинства инженеров-электронщиков эти требования диктует заказчик, который перечисляет все требования, которым должна соответствовать печатная плата. Затем инженер-электронщик должен преобразовать потребности, перечисленные клиентом, в электронную форму. По сути, это означает перевод их на язык электронной логики, который инженер будет использовать при проектировании печатной платы.

Потребности проекта определяют несколько аспектов дизайна печатной платы. Это включает в себя все, от материалов до окончательного вида самой печатной платы. Применение печатной платы, например, в медицине или автомобилестроении, часто определяет материалы печатной платы. Например, многие медицинские печатные платы для электронных имплантатов изготавливаются с гибкими основаниями. Это позволяет им вписываться в небольшие пространства, а также выдерживать внутреннюю органическую среду. Окончательный вид печатной платы определяется в основном ее схемами и функциональностью — например, многие более сложные печатные платы состоят из нескольких слоев.

Инженер-электронщик определит и перечислит эти потребности, а затем использует этот список требований для разработки исходной схемы печатной платы, а также спецификации.

Схемы

Схематический проект — это, по сути, чертеж, который производители и другие инженеры используют в процессе разработки и производства. Схема определяет функцию печатной платы, характеристики конструкции и размещение компонентов. Аппаратное обеспечение печатной платы также указано на этой схеме. Это оборудование включает в себя материал печатной платы, компоненты, задействованные в конструкции, и любые другие материалы, которые потребуются производителю в процессе производства.

Вся эта информация содержится в схеме на начальном этапе проектирования. После завершения первой схемы проектировщик проводит предварительный анализ, проверяя наличие потенциальных проблем и при необходимости редактируя их. Затем схема загружается в специальный инструмент для использования в программном обеспечении для проектирования печатных плат, которое может выполнять моделирование для обеспечения функциональности. Эти симуляции позволяют инженерам обнаруживать любые ошибки проектирования, которые они могли пропустить во время первоначальной проверки схемы. После этого электронный проект схемы можно преобразовать в «список соединений», в котором указана информация о взаимосвязи компонентов.

Обдумывая дизайн своей схемы, инженеры-электронщики должны с самого начала помнить о нескольких важных основах проектирования печатных плат. Некоторые из этих соображений, которые следует учитывать на этапе разработки схемы, включают следующее:

• 
  


• • Выбор подходящего размера панели печатной платы. Выбор размера платы, наиболее совместимого с используемым оборудованием, является базовой, но часто забываемой передовой практикой. Таким образом, дополнительное пространство не тратится впустую, трассы имеют минимальную длину, а общие затраты на материалы остаются несколько низкими. Однако важно убедиться, что спецификации дизайна оптимизированы для массового производства. Использование слишком малых размеров платы может оказаться нецелесообразным для установок массового производства, которые производят достаточно вариаций между деталями, чтобы разрушить более мелкие конструкции.
• • Выберите правильную сетку. Шаг сетки всегда устанавливается и применяется для соответствия большинству компонентов. Придерживаться этой сетки — одна из самых полезных вещей, которую инженер может сделать, чтобы избежать проблем с интервалами, поэтому выбор лучшего для работы имеет решающее значение. Если некоторые части не работают с сеткой, дизайнер должен попытаться найти альтернативу или, что еще лучше, использовать продукты собственной разработки.
• • Внедрите DRC, насколько это возможно. Многие компании, занимающиеся сборкой печатных плат, совершают ошибку, запуская программное обеспечение для проверки правил проектирования (DRC) только в конце процесса проектирования. Это позволяет накапливать небольшие ошибки и сомнительные варианты дизайна, что приводит к дополнительной корректирующей работе в конце процесса проектирования. Вместо этого дизайнеры должны проверять свою работу с помощью DRC так часто, как это возможно. Это позволяет им как можно быстрее решать проблемы, выявленные DRC, и сводит к минимуму количество массовых изменений в конце процесса проектирования. В конечном итоге это экономит время и упрощает процесс редактирования, поэтому он не такой громоздкий.

Список материалов

Пока создается схема, инженер-электронщик также разрабатывает прекрасную спецификацию или спецификацию. Это список компонентов, используемых в схеме печатной платы. После того, как спецификация и схема завершены, инженер-электронщик передает их инженеру по компоновке и инженеру по компонентам. Эти инженеры проверяют детали и получают необходимые компоненты для проекта. В частности, инженер по компонентам отвечает за выбор компонентов, которые соответствуют схеме с точки зрения максимального рабочего напряжения и тока. Они также несут ответственность за выбор оборудования, которое соответствует разумным параметрам стоимости и размера.

Пять наиболее важных аспектов, которым должны соответствовать компоненты спецификации, включают следующее:

• • Количество. Количество приобретаемых компонентов должно как минимум соответствовать количеству компонентов, указанному в спецификации.
• • Ссылочные обозначения:каждый компонент должен быть идентифицирован в соответствии с его местом в схеме на печатной плате.
• • Значение. Каждый компонент должен находиться в определенном диапазоне значений, включая омы, фарады и т. д. Стоимость является важным фактором, если это важно для клиента.
• • Основание:должно быть указано расположение каждого компонента.
• • Номер детали производителя. Отслеживайте номер детали в случае неисправности как для сборщиков, так и для справки производителя.

В дополнение к этим основным рекомендациям по составлению спецификаций рекомендуется учитывать несколько соображений при составлении как спецификации, так и схемы в целом. К ним относятся следующие советы по проектированию печатных плат:

• • Интеграция компонентов. Выбор компонентов — одна из самых важных задач дизайнера. Чтобы помочь в этом процессе, у вас есть возможность выбрать отдельные компоненты с высокими или низкими значениями компонентов и аналогичными эффектами. Интегрируя эти компоненты и создавая небольшую стандартную стоимостную категорию, вы можете эффективно упростить спецификацию материалов и снизить стоимость продукта.


• 


• • Применение развязывающего конденсатора. Никогда не пытайтесь оптимизировать конструкцию, избавляясь от развязывающих линий электропередач. Многие разработчики избегают этих конденсаторов в ошибочной попытке снизить затраты. Конденсаторы имеют низкую цену и очень прочны, что продлевает срок службы вашей конструкции. Конденсаторы также помогут поддерживать порядок на вашей печатной плате, сохраняя при этом низкие затраты. Воспользуйтесь приведенными выше советами, если вас беспокоит ваша спецификация.

Размещение компонентов печатной платы

Каждый компонент должен иметь свое обозначенное место на печатной плате. Выбор правильного размещения — сложная часть. Определение наилучшего места для элемента зависит от множества факторов и соображений разработчика, включая управление температурой, электрические шумы и общую функцию печатной платы. Однако в большинстве случаев дизайнеры размещают компоненты в следующем порядке:

• • Коннекторы.
• • Силовые цепи.
• • Чувствительные и точные схемы.
• • Важнейшие компоненты цепи.
• • Все остальные элементы.

Еще несколько соображений по проектированию, о которых следует помнить на этом этапе цикла проектирования, включают следующее:

• • Определите и разделите компоненты и требуемые контрольные точки:если на печатной плате есть какой-либо вызывающий беспокойство компонент, поместите его рядом с требуемыми контрольными точками для более своевременного обнаружения неисправностей.
• • Гибкое применение шелкотрафаретной печати. ​​Шелкотрафаретная печать может маркировать широкий спектр информации для использования производителями печатных плат, инженерами, сборщиками и тестировщиками на различных этапах процесса сборки печатных плат. На шелкографии рекомендуется отметить функциональные возможности, контрольные метки и направления размещения компонентов и соединений. Попробуйте нанести трафаретную печать как на верхнюю, так и на нижнюю часть печатной платы, чтобы избежать дублирования работы, а также уточнить инструкции для сборщиков вручную, упростив производственный процесс.

После того, как эти отдельные компоненты размещены на печатной плате, лучше всего провести еще один этап тестирования, чтобы проверить правильность работы платы. Это поможет определить любые проблемные варианты дизайна и определить возможные корректировки.

Маршрутизация

После того, как компоненты размещены на печатной плате, следующим шагом в основах проектирования печатной платы является их соединение. Каждый элемент на плате соединен дорожками, которые реализуются за счет правильной разводки. Маршрутизация, однако, берет на себя весь процесс проектирования из-за множества соображений, которые должны учитывать дизайнеры. К этим факторам относятся уровни мощности, чувствительность сигнала к шуму, генерация сигнала и возможности маршрутизации.

К счастью, большинство программ для проектирования печатных плат разводят дорожки, используя список соединений, созданный на основе схемы. Программа делает это, используя количество слоев, доступных для подключения, и вычисляя наилучшие маршруты для использования пространства. Программа также изменяет дизайн по мере необходимости. Это может занять много вычислительной мощности, особенно для больших моделей. В результате процесс трассировки становится более длительным — программа может занять еще больше времени, если компоненты расположены особенно плотно.

Хотя большинство программ для печатных плат маршрутизируют дорожки согласно списку соединений из схемы, это программное обеспечение не является универсальным. Не все проектировщики печатных плат используют программное обеспечение для автоматической трассировки, и даже те, кто это делает, склонны перепроверять дорожки на наличие проблем. В любом случае это всегда хорошая практика, поскольку даже компьютеры могут давать результаты, которые не нравятся дизайнеру.

Общее эмпирическое правило для дорожек состоит в том, что дорожки шириной от 10 до 20 мил могут проводить ток от 10 до 20 мА. С другой стороны, дорожки шириной от 5 до 8 мил могут пропускать ток менее десяти мА. Это особенно важно для сильноточных конструкций печатных плат или конструкций печатных плат с быстро меняющимися сигналами, поскольку для их маршрутизации к высокочастотным узлам потребуется определенная ширина дорожки.

• 


• • Правильное распределение линий питания и заземления. Большинство разработчиков печатных плат выделяют один слой схемы для использования в качестве заземляющего слоя. Другой обычно используется как силовой самолет. This helps reduce the level of noise in the PCB and enables the designer to create low source resistance connections. One good PCB design practice is to distribute lines according to the power plane as much as possible. This helps improve efficiency and reduce impedance while providing sufficient ground loop paths.
• • Maintain Short Traces:Make sure traces are as short as possible at every stage of the design. While most PCB assembly processes include a step for optimizing trace length, this should be practiced at every design stage. This rule should be even more closely observed when the designer is working with an analog or high-speed digital circuit. These types of printed circuits, commonly found in automobiles and telecommunications devices, are more severely impacted by impedance and parasitic effects.

Checks

Checking the design is possibly the most important step of the design process. This segment of the process considers everything about the design, looking for potential problems that plague PCB designs.

For example, a common problem in PCB designs is heat. PCB with a perfect thermal design can keep the entire board a consistent and uniform temperature, preventing heat spots. However, such heat spots and temperature inconsistencies can be caused by any number of design features, such as copper thickness variations, the number of layers in the PCB, larger PCB board sizes and the presence or absence of thermal paths.

A simple design check can catch potential problems in PCB heat management, most PCB DRC software can pick them up as well. There are several methods to reduce PCB operational temperatures, many of which are mitigated by PCB design basics. A few of these heat-managing tips include:

• • Connect solid ground or power planes with more layers directly to the heat source of the PCB. These planes are typically more able to dissipate heat, since they tend to contain more copper.
• • Establish effective heat and high-current routes to help direct and dissipate heat. This can help optimize heat transfer.
• • Maximize the area used for heat transfer. This can help maintain a lower temperature across the board. This is something that must be considered early in the design process, however, as it can impact the size of the board.

Most DRC software can catch the aforementioned problems. The DRC software takes all the details about a PCB design and determines whether the layout satisfies a list of predetermined parameters. These are called PCB design rules. Ideally, as previously mentioned, the DRC should be used throughout the design process to identify problem areas early on. However, if all else fails, using DRC after everything else is complete can save a lot of design time and confusion between the designer and the assembly company.

The check step of the design process doesn't just include the DRC check - it also includes several other physical verification processes, including a layout-versus-schematic (LVS) check, an XOR check, an electrical rule (ERC) check and antenna check. More advanced PCB manufacturers may use additional checks and rules to improve yield, but these are the basic checks designers and manufacturers typically use.

Furthermore, it's good practice to verify manufacturing parameters before submission. Before submitting the final design for production, the designer should personally generate and verify the PCB manufacturing parameters. Though most manufacturers are willing to download and verify design files for their client, it's better to double-check the design before sending it in. This can help avoid any confusion or misunderstanding and can avoid losses due to manufacturing with incorrect parameters. This verification step can also expedite the process by decreasing the amount of time needed to correct and reverify the design before manufacturing starts.

Find an Assembly Service for Your Design

PCB design can be simplified by implementing the above basic techniques and best practices. It can be made even simpler by partnering with a PCB supply and assembly service that works with you to make the best, most cost-effective PCBs possible.

PCBCart is a worldwide printed circuit board supplier, with loyal customers around the globe. We know you can't afford to use poor-quality PCBs, which is why we follow the most demanding international quality standards. We also know you need cost-effective materials, which is why we offer PCBs at unbeatable prices. We offer you the best PCB services at the lowest price possible to allow you to focus less on supplier and more on your business.

Our expert customer-service representatives are waiting to help you. Contact us today to learn more about PCB design rules and assembly processes and how we can help you with your next PCB design project. If you already have a design and want to get started on assembly, feel free to get a quote by clicking below buttons:

Helpful resources:
• PCB Design File Requirements for Quick PCB Assembly Quote and Production
• Full Feature PCB Fabrication Service Starting from 1 Piece
• Advanced Turnkey PCB Assembly Service - Multiple Value-added Options
• PCB Design Tips to Better Take Advantage of PCBCart's Assembly Capabilities And Save Cost
• Design PCBs to Better Take Advantage of PCBCart's Manufacturing Capabilities