От схемы к печатной плате: Полный рабочий процесс в Altium Designer

Печатная плата (PCB) изготавливается методом электронной печати и обеспечивает электрическое соединение компонентов. Схемотехническое диаграмма — единственный принцип, которому должно следовать проектирование печатной платы. Количество слоев платы определяется сложностью схемы и размером платы для реализации функций, заданных разработчиком схемы. По количеству слоев печатные платы классифицируются на односторонние, двусторонние, четырёхслойные, шестислойные и другие многослойные платы. С развитием электронных технологий печатные платы нашли широкое применение во всех сферах и присутствуют практически в каждом электронном устройстве.

Существует множество видов ПО для проектирования печатных плат, каждое со своими преимуществами и недостатками. В этой статье в качестве примера используется Altium Designer для демонстрации процесса от проектирования схемы до генерации файлов печатной платы.

Процесс проектирования

Проектирование концепции

Перед проектированием изделия необходимо провести концептуальное проектирование: спланировать базовые модули схемы, нарисовать схемотехническую диаграмму. Всё это можно выполнить вручную. Затем в качестве примера будет рассмотрен простой проект для демонстрации процесса проектирования печатной платы.

Проектирование схемотехнической диаграммы

Всё начинается с идеи. Затем создаётся схемотехническая диаграмма, и только после этого — проектирование печатной платы. Схемотехническое проектирование является основой проектирования печатной платы и напрямую влияет на качество результата. Если в схеме допущены ошибки, они неизбежно перенесутся на печатную плату. Поэтому правильность и точность схемотехнического проектирования — первостепенная задача.

Создание схемотехнической диаграммы

1. Откройте Altium Designer и перейдите в главное меню. Выберите File → New → Project → PCB Project и создайте проектный файл перед сохранением. Преимущество создания проектного файла в том, что он удобно объединяет все файлы: файлы символов схемы (.schlib), файлы посадочных мест PCB (.pcblib), файлы схемы (.Sch) и файлы PCB (.PCB). После компиляции схемы нет-лист переносится в PCB, что делает схему и печатную плату связанными и позволяет выполнять интерактивные операции между файлами. Без проектного файла схемы и PCB считаются независимыми, и нет-лист не будет автоматически импортирован в PCB. В таком случае придётся вручную указывать путь к схеме при импорте нет-листа. Создание проектного файла существенно упрощает работу.
2. Схемотехническая диаграмма строится путём соединения символов компонентов, поэтому сначала нужно создать символы схемы. В проектном файле выберите File → New → Libraries → Schematic Libraries и сохраните. Затем в файле схемы последовательно создайте необходимые символы. В схеме данной статьи используются переключатель, светодиоды и гнездо — символы этих компонентов есть в библиотеках Altium Designer. Однако для создания полностью соответствующего требованиям дизайна лучше создать собственную библиотеку. На практике мало кто использует встроенные библиотеки. При создании библиотеки необходимо найти спецификации соответствующих компонентов, чтобы обеспечить правильность названий выводов и обозначений, таких как анод и катод светодиода или три вывода транзистора.
3. Создание посадочных мест PCB. Выберите File → New → Libraries → PCB Libraries (.pcblib) и сохраните. Качество создания посадочного места определяет технологичность печатной платы. Помимо соответствия анода/катода и символам схемы, упомянутым выше, нужно уделить внимание множеству деталей. Например, при создании корпуса QFP спецификации обычно предоставляют вид с обратной стороны, поэтому при создании посадочного места нужно выполнить отражение. Иначе созданная библиотека будет зеркально отражённой. Площадки для компонентов и размеры переходных отверстий также должны соответствовать правилам. Размер отверстий компонентов зависит от диаметра выводов компонента, а размер площадки — от размера отверстия.

Пример создания посадочного места для светодиода: диаметр светодиода 3 мм, шаг выводов 2,54 мм, диаметр выводов 0,6 мм. В интерфейсе PCB Libraries:

а. Размещение площадок
① Диаметр отверстия площадки = диаметр вывода компонента + 0,3 мм + 0,9 мм;
② Площадка круглая. Её диаметр = диаметр отверстия площадки 0,9 мм + 1,2 мм = 2,1 мм (обычно для односторонней платы +1,2 мм, для двусторонней +1,0 мм);
③ Если применяется SMT, площадка обычно размещается на верхнем слое;
④ Координаты размещения: X (-1,27 мм) и Y (0);
⑤ Площадка определяется как 1-й вывод (Designator = 1);
⑥ Вторая площадка размещается тем же способом, но координаты: X (1,27 мм), Y (0), и площадка определяется как 2-й вывод (Designator = 2).

Для удобства производства точка отсчёта устанавливается в центр компонента в посадочном месте, поэтому координаты площадок составляют соответственно 1,27 и -1,27.

б. Рисование силькскрина выполняется сразу после размещения площадок.

в. Сохранение и именование файла.

Связывание символов схемы с посадочными местами PCB. Посадочное место связывается с символом схемы в атрибутах компонента. После создания библиотек символов схемы и посадочных мест PCB соответствующие библиотеки нужно отредактировать и скомпилировать. При этом Altium Designer автоматически проверит информацию каждого компонента, и при обнаружении ошибок появится предупреждающее окно.

Рисование схемы. После создания символов схемы и посадочных мест начинается рисование схемы. В проектном файле выберите File → New → Schematic. В интерфейсе схемы выберите формат А4 (на самом деле можно выбрать подходящий формат в зависимости от проекта). Затем найдите созданные символы и разместите их на листе схемы по одному. В конце соедините выводы линиями электрической связи.

После завершения схемы ошибки в проекте можно проверить автоматически. Нажмите правой кнопкой мыши на завершённой схеме и выберите в контекстном меню «compile document ***.Schdoc».

Создание файлов PCB

1. В проектном файле выберите File → New → PCB → сохранить.
2. Рисование рамки печатной платы. Размер устанавливается в соответствии с конструкцией изделия. На слое Mechanical 1 рисуется рамка платы. В примере статьи размер платы 62×55 мм.
3. Импорт компонентов. Информация о компонентах из схемы и нет-лист импортируются в PCB. Выберите Design → «Update PCB Document ***.pcbDOC» → «Validate Changes» и «Execute Changes».
4. Настройка правил проектирования. Настраиваются ширина проводников, расстояние между ними, ширина линий питания и земли.
5. Размещение (Layout). Хорошее размещение — половина успеха. Правила размещения:
   а. Опорные отверстия должны быть зафиксированы.
   б. Компоненты, требующие фиксированного расположения, размещаются первыми, чтобы они не смещались при перемещении других компонентов.
   в. Размещение производится от крупных к мелким, от сложных к простым, по функциональным модулям.
6. Трассировка (Routing). Процесс размещения проводников и переходных отверстий для соединения компонентов:
   а. Интерактивная трассировка: Place → Interactive Routing, курсор превращается в перекрестие для трассировки.
   б. Автоматическая трассировка: Auto Route → All → Route All. Запускается автоматическая трассировка.
7. Добавление капель и полигона меди усиливает механическую прочность между выводами и площадками или между металлизированными отверстиями.

Обычно полигон меди наносится на печатную плату после трассировки. Как правило, полигон соединяется с линиями земли и увеличивает площадь земляной шины, что снижает импеданс земли и стабилизирует передачу питания и сигналов.

DRC (проверка правил проектирования). Tools → Design Rule Check. Через информационную панель можно просмотреть список ошибок и исправить проект. DRC повторяется до полного отсутствия ошибок.

Выходные файлы PCB

• Гербер-файл: передаётся производителю печатных плат.
• Сборочный чертеж: предоставляется цеху как инструкция по монтажу.
• Координаты компонентов: для автоматического монтажа на машине.
• BOM (спецификация): для закупочного и производственного отделов.
• Другие файлы при необходимости.

Проектирование завершено

На этом мы завершили весь процесс проектирования печатной платы: от схемотехнической диаграммы до генерации выходных файлов. Статья даёт обзор процесса, а более детальные знания вы получите в практике.

PCBCart поможет изготовить ваши печатные платы

Как китайский производитель печатных плат с более чем 10-летним опытом кастомного изготовления и сборки, PCBCart обладает возможностями для производства практически всех типов печатных плат. Готовы файлы проекта для производства? Начните с расчёта стоимости печатной платы.

Полезные ресурсы:
• PCB Design Tutorial for Those Who Use Altium Designer
• File Requirements for Efficient PCB Manufacturing
• Full Feature PCB Fabrication Service with Multiple Value-added Options
• Reduce PCB Fabrication Price By Designing Circuit Within PCBCart's Standard Capabilities
• Detailed Manual on Generating Quote for PCB Manufacturing Projects
• Except for PCB Fabrication, PCBCart Also Offers Full Turnkey PCB Assembly Service