Основные стратегии компоновки печатных плат для надежности и стоимостной эффективности

Навигация:

• Основные шаги проектирования печатных плат
• Проектная документация
• Соображения по компоновке и дизайну печатных плат
• Важность тестирования
• Решение проблем компоновки печатных плат с помощью САПР
• Выбор поставщика печатных плат

 

Проектирование компоновки вашей печатной платы критически важно для создания надежной, стоимоэффективной платы. Хотя схемотехника и выбор компонентов также необходимы, вы всегда должны убедиться, что оставляете достаточно времени для компоновки печатной платы. Многое входит в определение оптимального дизайна компоновки печатной платы, особенно учитывая, что современные платы становятся более сложными, компактными и легкими. Растущая популярность гибких печатных плат еще больше усложняет процесс.

Если вы не учитываете важные соображения по компоновке печатных плат, вы можете получить дизайн, который плохо переносится в реальный мир. Неадекватная компоновка может привести к нескольким проблемам, таким как электромагнитные интерференции, конфликты компонентов с обеих сторон платы, ограниченная функциональность платы и даже полный отказ платы. Плюс, если вы не получите правильную компоновку с первого раза, вам придется перерабатывать ее, что может вызвать задержки производства и дополнительные затраты.

Итак, какие правила и соображения проектирования компоновки печатных плат вы должны иметь в виду? Давайте посмотрим на шаги проектирования компоновки печатных плат и определим некоторые ключевые соображения для каждой фазы. Конечно, есть и другие соображения, которые вы можете захотеть иметь в виду, но это некоторые из самых критических аспектов проектирования компоновки печатных плат, о которых вы должны знать.

 

Основные шаги проектирования печатных плат

Проектирование печатных плат играет роль в каждом шаге процесса производства печатных плат от момента, когда вы знаете, что вам нужна печатная плата, до финального производства. Базовый процесс проектирования включает шесть шагов.

 

1. Концепция

После выявления потребности в печатной плате следующий шаг — определение окончательной концепции платы. Этот начальный этап включает определение функций, которые печатная плата будет иметь и выполнять, ее особенностей, ее взаимосвязи с другими цепями, ее размещения в конечном продукте и ее приблизительных размеров. Также рассмотрите приблизительный температурный диапазон, в котором будет работать плата, и любые другие экологические проблемы.

2. Схема

Следующая фаза — рисование схемы цепи на основе окончательной концепции. Этот диаграмма включает всю информацию, необходимую для того, чтобы электрические компоненты платы функционировали должным образом, а также детали такие как названия компонентов, значения, рейтинги и номера деталей производителя.

Пока вы создаете свою схему, вы будете создавать свою спецификацию материалов (BOM). Этот BOM содержит информацию обо всех компонентах, которые вам нужны для вашей печатной платы. Всегда держите эти два документа в актуальном состоянии.

 

3. Блок-схема уровня платы

Далее вы выполните блок-схему уровня платы, чертеж, описывающий конечные размеры печатной платы. Отметьте области, обозначенные для каждого блока, разделы компонентов, которые соединены по электрическим причинам или из-за ограничений. Хранение связанных компонентов вместе позволит вам держать ваши дорожки короткими.

 

4. Размещение компонентов

Следующий шаг — размещение компонентов, которое определяет, где вы разместите каждый элемент на плате. Часто вы можете пройти несколько раундов уточнения размещения компонентов.

5. Первичная трассировка

Далее определите трассировку и приоритет трассировки для цепи.

 

6. Тестирование

После завершения дизайна вы должны провести серию тестов, чтобы убедиться, что он соответствует всем вашим потребностям. Если да, дизайн завершен. Если нет, вы вернетесь к фазам, где нужно сделать корректировки.

Проектная документация

По мере создания вашей печатной платы вы разработаете множество документов. Эти документы включают:

• Чертежи габаритных размеров оборудования: Описывают размеры голой платы
• Схема: Картирует электрические особенности платы
• Спецификация материалов (BOM): Описывает компоненты, необходимые для проекта
• Файл компоновки: Описывает базовую компоновку печатной платы
• Файл размещения компонентов: Описывает расположение отдельных компонентов.
• Сборочные чертежи и инструкции: Объясняют, как собрать плату
• Руководства пользователя: Хотя не обязательны, они полезны для предоставления дополнительной информации пользователю
• Набор файлов Gerber: Коллекция выходных файлов компоновки, которую производитель печатных плат будет использовать для создания печатной платы

 

Соображения по проектированию компоновки печатных плат

Многое нужно учитывать относительно компоновки и дизайна печатных плат. Некоторые соображения применяются ко всему процессу, в то время как некоторые специфичны для конкретных шагов. Вот семь соответствующих факторов, которые нужно иметь в виду.

 

Запросить бесплатную котировку

 

1. Ограничения платы

Первые ограничения, на которые вы должны посмотреть — это те, что связаны с голой платой. Некоторые из этих базовых ограничений включают размер и форму платы.

Вам нужно будет убедиться, что у вас есть адекватная площадь платы для цепи. Размер конечного продукта, функциональность, которую должна предоставлять плата, и другие факторы определяют, какой должна быть плата. Электронные продукты и печатные платы, которые они включают, становятся все более мелкими. Прежде чем начать процесс проектирования, оцените размер платы. Если у вас не хватает места для всей необходимой функциональности с более простым дизайном, вам может потребоваться использовать многослойный или высокоплотный интерконнект (HDI) дизайн.

Стандартная печатная плата прямоугольная. Это остается подавляющим образом самой распространенной формой для печатных плат. Однако возможно создание плат в других формах. Проектировщики печатных плат чаще всего делают это из-за ограничений по размеру или использования в неправильной форме продуктах.

Еще одно критическое соображение — количество слоев, которые вам понадобятся, которое уровни мощности и сложность дизайна помогут решить. Лучше выяснить, сколько вам нужно, на ранней стадии процесса проектирования компоновки. Добавление большего количества слоев может увеличить производственные затраты, но позволит включить больше дорожек. Это может быть необходимо для более сложных плат с продвинутой функциональностью.

Используйте как минимум два вьезы для переходов слоев для всех путей высокого тока. Использование нескольких вьез на переходах слоев увеличивает надежность, улучшает теплопроводность и снижает индуктивные и резистивные потери.

 

2. Производственные процессы

Вы также должны учитывать производственные процессы, которые вы хотите использовать для производства платы. Разные методы имеют разные ограничения и констрейнты. Вам понадобятся опорные отверстия или точки, которые работают с производственным процессом на плате. Всегда обеспечивайте, чтобы отверстия были свободны от компонентов.

Также держите в уме метод монтажа платы. Разные подходы могут требовать оставлять разные области платы открытыми. Использование нескольких типов технологий, таких как и сквозное монтаж, и поверхностный монтаж компонентов, может увеличить стоимость ваших плат, но может быть необходимо в некоторых случаях.

Всегда проверяйте со своим производителем, чтобы убедиться, что у них есть возможности для производства типа платы, который вам нужен. Некоторые могут, например, не уметь производить платы со многими слоями — или те, что используют гибкий дизайн.

 

3. Материалы и компоненты

Рассмотрите на этапе компоновки материалы и компоненты, которые вы планируете использовать для вашей платы. Сначала вам нужно убедиться, что желаемые элементы доступны. Некоторые материалы и детали трудно найти, в то время как другие настолько дороги, что являются затратно-запретительными. Разные компоненты и материалы также могут приходить с разными потребностями в дизайне.

Уделите время, чтобы убедиться, что вы выбрали оптимальные материалы и компоненты для вашей платы, и что вы спроектировали плату, которая играет на сильных сторонах этих элементов.

 

4. Порядок размещения компонентов

Одной из самых фундаментальных рекомендаций по проектированию печатных плат является порядок, в котором вы размещаете компоненты на плате. Рекомендуемый порядок: разъемы, затем цепи питания, затем точные цепи, затем критические цепи, а затем остальные элементы. Уровни мощности, чувствительность к шумам, генерация и способность трассировки также влияют на приоритет трассировки для цепи.

 

5. Ориентация

При размещении компонентов старайтесь ориентировать похожие друг на друга в одном направлении. Это сделает процесс пайки более эффективным и поможет предотвратить ошибки, возникающие в его ходе.

 

6. Размещение

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

 

7. Организация

Логическая организация ваших компонентов может уменьшить количество необходимых шагов сборки, повышая эффективность и снижая затраты. Ставьте цель поместить все ваши поверхностно-монтируемые компоненты на одну сторону платы и все ваши сквозные компоненты на верхнюю сторону.

 

Соображения по питанию, заземлению и сигнальным дорожкам

Вышеуказанные советы фокусировались на размещении компонентов печатной платы. Для того чтобы эти компоненты работали как желается, вам также нужно трассировать дорожки питания, заземления и сигналов. Эффективное выполнение этого шага поможет обеспечить, что ваши сигналы имеют надежный путь для перемещения, чтобы ваша плата функционировала правильно. Вот пять факторов, которые нужно иметь в виду.

 

1. Слои питания и заземления

Одно фундаментальное правило проектирования компоновки печатных плат — держать ваши слои питания и заземления внутренними внутри вашей платы. Они также должны быть центрированными и симметричными, чтобы предотвратить изгиб и скручивание вашей платы. Изгиб может заставить компоненты сместиться из позиции и потенциально повредить плату. Другие рекомендации включают использование общих рельс для каждого источника питания, обеспечение надежных, обширных дорожек и избегание создания цепочек девяти для соединения компонентов.

Высокое напряжение в цепях питания может мешать низковольтным и цепям управления током. Вы можете использовать размещение вашего питания, заземления и заземления управления, чтобы помочь минимизировать эти интерференции. Старайтесь держать ваши заземления для каждой стадии питания разделенными. Если вам нужно поместить некоторые вместе, убедитесь, что они ближе к концу вашего пути питания. Если ваш слой заземления находится в среднем слое вашей платы, включите небольшой импедансный путь, чтобы предотвратить интерференции цепи питания.

Вы также должны держать ваши цифровые и аналоговые заземления разделенными аналогичным образом. Старайтесь только иметь аналоговые линии, пересекающие ваше аналоговое заземление, чтобы снизить емкостную связь.

 

2. Дизайн дорожек

Этот шаг также включает соединение сигнальных дорожек согласно вашей схеме. Вы всегда хотите, чтобы ваши дорожки были максимально короткими и прямыми. Если у вас горизонтальная трассировка дорожек на одной стороне печатной платы, разместите вертикальные дорожки на другой стороне.

Ваша плата может требовать несколько цепей с разными токами, что определит ширину цепи, которую вам нужно. Использование калькулятора ширины дорожки может помочь с этим шагом. Тонкие дорожки могут нести только столько тока. Дорожки толщиной 0,010 дюйма или 10 миль могут нести ток около одного ампера, в то время как дорожка толщиной 250 миль может нести до 15 ампер при повышении температуры на 30 градусов Цельсия.

 

3. Размеры контактных площадок и отверстий

Вам также понадобится определить размеры контактных площадок и отверстий на ранней стадии процесса проектирования печатной платы. По мере уменьшения размеров площадок и отверстий получение правильного соотношения размера площадки к отверстию становится более критичным. Это особенно критично при работе с вьезовыми отверстиями. Производитель голой печатной платы может предоставить рекомендации по стандартам и соотношению сторон, которые они требуют.

Еще одно важное соображение — форма контактных площадок печатной платы. Отпечатки печатных плат могут варьироваться в соответствии с производственным процессом. Волновая пайка обычно требует более крупные отпечатки, чем инфракрасная рефлоу-пайка, например.

 

4. Целостность сигнала и RF проблемы

Проектирование компоновки печатных плат играет решающую роль в обеспечении целостности сигнала и предотвращении электрических проблем, таких как интерференции, часто называемые радиопомехами или электромагнитными интерференциями.

Избегание этих проблем во многом связано с тем, как вы трассируете ваши дорожки. Чтобы предотвратить проблемы с сигналом, избегайте прокладки дорожек параллельно друг другу. Параллельные дорожки будут иметь больше перекрестных помех, которые могут вызывать различные проблемы, трудные для исправления после того, как вы построили печатную плату. Если дорожки должны пересекаться, убедитесь, что они делают это под прямыми углами. Это уменьшит емкость и взаимную индуктивность между линиями, снижая перекрестные помехи в свою очередь.

Использование полупроводниковых компонентов, генерирующих низкое электромагнитное излучение, также может помочь с целостностью сигнала. Иногда другие потребности могут требовать детали с более высокой электромагнитной генерацией.

При проектировании печатной платы устраняйте антенны, которые могут излучать электромагнитную энергию, а также большие петли сигнальных и заземляющих линий возврата, несущие высокие частоты. Вы должны позиционировать интегральные схемы осторожно, чтобы достичь коротких соединительных линий.

Размещение близкой заземляющей сетки над печатной платой — еще одно важное руководство по проектированию RF компоновки печатных плат, которое помогает обеспечить, что линии возврата близки к сигнальным линиям. Это держит эффективную площадь антенны относительно малой. В многослойной плате вы можете достичь этого с заземляющим слоем.

 

5. Тепловые проблемы

Тепловые проблемы могут влиять на многие разные части процесса проектирования. Более крупные платы и те, что с более высокой плотностью компонентов и более высокой скоростью обработки, склонны иметь больше тепловых проблем. Для более мелких плат они могут не быть проблемой, но для более продвинутых они могут быть серьезным вызовом.

Чтобы предотвратить тепловые проблемы, вам нужно позволить теплу рассеиваться. Сначала идентифицируйте компоненты, которые генерируют много тепла. Вы должны иметь возможность найти тепловое сопротивление каждого компонента в его даташите. Затем вы можете следовать рекомендуемым руководствам по отведению тепла от этого компонента.

Убедитесь, что вы оставляете достаточное пространство вокруг всех компонентов, которые могут нагреться. Чем больше тепло они создают, тем больше площади им понадобится для остывания. Также жизненно важно не размещать критические компоненты рядом с источниками тепла.

Идеально, вся плата будет иметь одинаковую рабочую температуру. Используйте теплопроводящие плоскости для рассеивания тепла на широкой площади, что ускоряет скорость снижения температуры за счет увеличения площади поверхности, используемой для теплопередачи.

Если тепловые проблемы существенны для вашей платы, вам может понадобиться включить вентиляторы охлаждения, радиаторы и термические рельефы, которые критичны для волновой пайки на многослойных платах и сборках с высоким содержанием меди. Вы можете создавать радиаторы, используя термопасту для радиаторов, полимер, наполненный тонко диспергированными твердыми частицами. Вы можете наносить эту пасту с помощью шелкографии или трафаретной печати. После процесса сушки или запекания она становится зафиксированной и действует как радиатор.

Всегда рекомендуется использовать термические рельефы на сквозных компонентах, что замедляет скорость, с которой тепло уходит через контактные пластины компонентов. Как общее правило, используйте узор термического рельефа каждый раз, когда вьез или отверстие соединяется с заземляющим или питающим слоем. Вы также можете захотеть использовать капельки там, где дорожки и площадки встречаются, чтобы обеспечить дополнительную поддержку и снизить термическое напряжение.

 

Важность тестирования

На протяжении всего процесса проектирования печатных плат, а также остального процесса производства печатных плат, вы должны непрерывно проверять свою работу. Выявление проблем на ранней стадии поможет минимизировать их влияние и снизить затраты на их исправление.

Два распространенных теста, которые вы должны выполнить — это проверка правил электрических (ERC) и проверка правил проектирования (DRC). Эти тесты помогут вам решить многие из более серьезных проблем, с которыми вы можете столкнуться.

Как только вы сможете пройти ваши тесты ERC и DRC без каких-либо проблем, вы должны проверить трассировку каждого сигнала и детально сравнить вашу плату со схемой.

 

Решение проблем компоновки печатных плат с помощью САПР

Сегодня большинство проектировщиков печатных плат используют передовые системы компьютерно-ассистированного проектирования (САПР) для создания своих печатных плат. Аналогично, производители используют программное обеспечение компьютерно-ассистированного производства. Использование этих систем может помочь вам решить многие из проблем компоновки, с которыми вы можете столкнуться. Некоторые преимущества использования этих программных систем включают:

• Простые, полуавтоматизированные процессы проектирования: Программы САПР позволяют вам перетаскивать компоненты туда, где они нужны в вашем дизайне. Многие системы даже создадут дорожки за вас, а затем вы можете перемещать, добавлять или удалять компоненты или перенаправлять их по мере необходимости. Этот подход может повысить эффективность и точность вашего процесса проектирования.
• Валидация дизайна: Прежде чем отправить свой дизайн на стадию производства, вы можете протестировать его, используя систему САПР, чтобы проверить ваши допуски, совместимость, размещение компонентов и другие аспекты. Многие системы могут даже улавливать базовые ошибки в реальном времени, минимизируя или устраняя их влияние.
• Генерация производственных файлов: Вы можете генерировать файлы Gerber и другие форматы файлов, которые вам могут понадобиться для отправки производителю, с системой САПР. Создание этих файлов непосредственно из программного обеспечения проектирования может помочь повысить их точность и обеспечить плавный переход на стадию производства.
• Документация: Вы также можете использовать эти системы для генерации и сохранения подробной документации, связанной с использованием компонентов, отчетами об ошибках, статусом дизайна, контролем версий и многое другое, что может помочь с будущими проектами.
• Создание правил: Некоторые из этих программ позволяют создавать и хранить пользовательские наборы правил, которые вы можете делиться с проектировщиками для улучшения функциональности программного обеспечения.
• Создание шаблонов: Вы даже можете создавать шаблоны для использования в будущих проектах. После создания дизайна вы можете сохранить его и повторно использовать как шаблон для других проектов.
• Повышенная эффективность и снижение затрат: Внедрение компьютерно-ассистированного проектирования в ваши операции может улучшить эффективность и точность вашего процесса проектирования, что снижает общие затраты.

 

Выбор поставщика печатных плат

Нужны печатные платы? Millennium Circuits Limited — ваш источник. У нас есть ряд возможностей печатных плат, которые наверняка удовлетворят потребности вашего проекта, и мы гордимся предоставлением выдающегося обслуживания клиентов. Мы предлагаем как внутренние, так и оффшорные возможности печатных плат, поэтому мы можем предоставлять множество вариантов финансирования и быстрые сроки исполнения. Независимо от того, какое решение вы выберете, вы можете быть уверены, что получите только продукты печатных плат высочайшего качества.

Чтобы узнать больше о наших услугах печатных плат и о том, как они могут помочь вашему бизнесу, запросите котировку, детализируя 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 котировку или продолжайте изучать наш веб-сайт сегодня.

 

Запросить бесплатную котировку