Освоение проектирования печатных плат: Полное руководство для профессионалов

Печатные платы, также известные как PCB, формируют ядро каждого электронного изделия сегодня. Эти небольшие зелёные компоненты необходимы для бытовых приборов и промышленных машин одинаково. Проектирование и топология печатных плат — важный компонент функции любого изделя — это определяет успех или неудачу оборудования. С постоянной эволюцией технологий эти дизайны продолжают развиваться. Сегодня сложность и ожидания от этих дизайнов достигли новых высот благодаря инновациям электроинженеров.

Недавние достижения в системах и технологиях проектирования печатных плат оказали всеобъемлющее влияние на индустрию. В результате правила проектирования печатных плат и производственные процессы эволюционировали для достижения новых макетов и возможностей. Сегодня более мелкие трассы и многослойные платы стали обыденными в массово производимых печатных платах — такие дизайны были бы неслыханны годами ранее. ПО для проектирования печатных плат также способствовало этому прогрессу. Эти программы предоставляют инструменты, с помощью которых электроинженеры могут проектировать лучшие печатные платы с нуля.

Даже с этими улучшенными возможностями макеты печатных плат трудно проектировать. Даже самый опытный электроинженер может бороться с созданием схемы на печатной плате или тем, как спроектировать печатную плату по лучшим практикам индустрии. Ещё сложнее — создать качественную плату для удовлетворения потребностей клиентов. С клиентскими дизайнами балансировка функциональности печатной платы с лучшими практиками дизайна — затяжный процесс. Именно поэтому мы описали процесс проектирования печатных плат, включая некоторые существенные правила проектирования печатных плат.

Определение потребности

Первый из основных шагов проектирования печатных плат — потребность. Для большинства электроинженеров эти требования диктуются клиентом, который перечислит все требования, которые должна удовлетворять печатная плата. Электроинженер должен затем преобразовать потребности, перечисленные клиентом, в электронную форму. По сути, это означает их перевод на язык электронной логики, который инженер будет использовать при проектировании печатной платы.

Потребности проекта определяют несколько аспектов дизайна печатной платы. Это включает всё: от материалов до окончательного внешнего вида печатной платы. Применение печатной платы, такое как медицинское или автомобильное, часто определяет материалы в печатной плате. Например, многие медицинские печатные платы для имплантируемой электроники изготавливаются на гибких подложках. Это позволяет им помещаться в малые пространства и выдерживать внутреннюю органическую среду. Окончательный внешний вид печатной платы определяется в основном её схемами и функциональностью — например, многие более сложные печатные платы делаются с множественными слоями.

Электроинженер определит и перечислит эти потребности, затем использует этот список требований для проектирования исходной схемы печатной платы, а также спецификации (BOM).

Схемы

Схемотехнический дизайн — это, по сути, чертеж, который используют производители и другие инженеры в процессах разработки и производства. Схема определяет функцию печатной платы, характеристики дизайна и размещение компонентов. Аппаратная часть печатной платы также перечисляется в этой схеме. Это оборудование включает материал печатной платы, компоненты, вовлечённые в дизайн, и любые другие материалы, которые понадобятся производителю в производственном процессе.

Вся эта информация содержится в схеме на начальной стадии дизайна. После завершения первой схемы дизайнер проводит предварительный анализ, проверяя потенциальные проблемы и редактируя их при необходимости. Схема затем загружается в специальный инструмент для использования в ПО проектирования печатных плат, которое может запускать симуляции для обеспечения функциональности. Эти симуляции позволяют инженерам уловить любые ошибки дизайна, которые они могли упустить при первоначальной проверке схемы. После этого электронный дизайн схемы может быть конвертирован в «нет-лист» (netlist), который перечисляет информацию о взаимосвязи компонентов.

При рассмотрении дизайна своей схемы электроинженеры должны помнить несколько критически важных основ проектирования печатных плат с самого начала. Некоторые из этих соображений для реализации на стадии разработки схемы включают следующее:

• 
• • Выбор подходящего размера панели печатной платы: Выбор размера платы, наиболее совместимого с используемым оборудованием, — базовая, но часто забываемая лучшая практика. Так лишнее пространство не тратится, трассы держатся минимальной длины, а общие материальные затраты остаются относительно низкими. Важно, однако, обеспечить оптимизацию спецификаций дизайна для массового производства. Слишком малый дизайн платы может быть невыполним для массово-производственных установок, производящих достаточно вариаций между изделиями для нарушения малых дизайнов.
• • Выбор правильной сетки: Шаг сетки всегда устанавливается и применяется для соответствия большинству компонентов. Приверженность этой сетке — одна из самых полезных вещей, которые инженер может сделать для избежания проблем с интервалами, поэтому выбор лучшей для работы имеет решающее значение. Если некоторые детали не работают так хорошо с сеткой, дизайнер должен попытаться найти альтернативы, или, ещё лучше, использовать самопроектированные продукты.
• • Применяйте DRC максимально возможно: Многие компании по сборке печатных плат ошибаются, запуская программное обеспечение проверки правил проектирования (DRC) только в конце процесса проектирования. Это позволяет небольшим ошибкам и сомнительным выборам дизайна накапливаться, приводя к большему объёму корректирующей работы в конце. Вместо этого дизайнеры должны проверять свою работу с DRC так часто, как это выполнимо. Это позволяет им решать проблемы, выявленные DRC, максимально быстро и минимизировать количество масштабных изменений в конце процесса проектирования. В итоге это экономит время и выравнивает процесс редактирования, так что он не так сильно нагружен в конце.

Спецификация материалов (Bill of Materials)

Пока схема генерируется, электроинженер также разрабатывает детальную спецификацию материалов (Bill of Materials — BOM). Это список компонентов, используемых в схемотехнической диаграмме печатной платы. Когда и BOM, и схема завершены, электроинженер передаёт оба инженеру по топологии и инженеру по компонентам. Эти инженеры проверяют специфику и получают необходимые компоненты для проекта. Конкретно, инженер по компонентам отвечает за выбор компонентов, соответствующих схеме в терминах максимального рабочего напряжения и тока. Они также отвечают за выбор оборудования, попадающего в разумные параметры стоимости и размера.

Пять наиболее важных аспектов, которым должны соответствовать компоненты BOM:

• • Количество: Число закупленных компонентов должно удовлетворять, как минимум, числу компонентов в BOM.
• • Обозначения ссылки (Reference Designators): Каждый компонент должен быть идентифицирован согласно его месту в цепи на печатной плате.
• • Номинал (Value): Каждый компонент должен попадать в конкретный диапазон значений, включая омы, фарады и т.д. Стоимость — фактор, если это важно для клиента.
• • Посадочное место (Footprint): Расположение каждого компонента должно быть указано.
• • Номер детали производителя (Manufacturer Part Number): Отслеживание номера детали в случае неисправности, как для сборщиков, так и для справки производителя.

Помимо этих базовых рекомендаций BOM, хорошей идеей иметь в виду несколько соображений при формулировке как BOM, так и схемы в целом. Эти советы по проектированию печатных плат включают:

• • Интеграция компонентов: Выбор компонентов — одна из самых важных задач дизайнера. Для помощи в процессе у вас есть опция выбрать дискретные компоненты с высокими или низкими номиналами и схожими эффектами. Интегрируя эти компоненты и создавая небольшую категорию стандартных значений, можно эффективно упростить спецификацию материалов и снизить стоимость продукта.
• 
• • Применяйте развязывающий конденсатор: Никогда не пытайтесь оптимизировать дизайн, избавляясь от развязывающих линий питания. Многие дизайнеры избегают эти конденсаторы в ошибочной попытке снизить затраты. Конденсаторы низки в цене и очень долговечны, добавляя долговечность вашему дизайну. Конденсаторы также помогут поддерживать упорядоченность вашей печатной платы, сохраняя низкие затраты. Фокусируйтесь на советах выше, если вас беспокоит ваш BOM.

Размещение компонентов печатной платы

Каждый компонент должен иметь своё обозначенное место на дизайне печатной платы. Выбор правильного размещения — сложная часть. Определение лучшего места для элемента зависит от множества факторов и соображений для дизайнера, включая термическое управление, соображения электрического шума и общую функцию печатной платы. В большинстве случаев дизайнеры размещают компоненты в следующем порядке:

• • Разъёмы (Connectors)
• • Схемы питания (Power circuits)
• • Чувствительные и точные схемы (Sensitive and precision circuits)
• • Критические компоненты схемы (Critical circuit components)
• • Все остальные элементы

Несколько дополнительных соображений дизайна на этой стадии цикла проектирования:

• • Идентифицируйте и разделяйте касающиеся компоненты и требуемые тестовые точки: Если на печатной плате есть какой-либо тревожный компонент, разместите его рядом с требуемыми тестовыми точками для более своевременного обнаружения неисправностей.
• • Гибко применяйте силькскрин-печать: Силькскрин-печать может маркировать широкий диапазон информации для использования производителями печатных плат, инженерами, сборщиками и тестировщиками в различных частях процесса сборки печатных плат. На силькскрине хорошей идеей маркировать функциональность, тестовые метки и направления размещения компонентов и соединений. Старайтесь применять силькскрин и на верхнюю, и на нижнюю сторону печатной платы, чтобы избежать дублирования работы и уточнить направления для ручных сборщиков, упрощая производственный процесс.

После размещения этих индивидуальных компонентов на печатном дизайне лучше завершить ещё один круг тестирования для верификации надлежащей работы платы. Это поможет выявить любые проблемные выборы дизайна и определить потенциальные корректировки.

Трассировка (Routing)

После размещения компонентов на печатной плате следующий шаг основ проектирования печатных плат — соединить их все. Каждый элемент на плате соединяется через трассы, реализуемые через правильную трассировку. Трассировка, однако, требует собственного процесса дизайна из-за множества соображений, которые дизайнеры должны учесть. Эти факторы включают уровни питания, чувствительность к сигнальному шуму, генерацию сигнального шума и способность трассировки.

К счастью, большинство ПО для проектирования печатных плат будет трассировать трассы, используя нет-лист, разработанный из схемы. Программа делает это, используя количество доступных слоёв для соединения и вычисляя лучшие маршруты для использования пространства. Программа также изменяет дизайн по необходимости. Это может потребовать много вычислительной мощности, особенно для больших моделей. Результат — более длительный процесс трассировки — программа может занять ещё больше времени, когда компоненты размещены в особенно плотной расстановке.

Пока большинство ПО для печатных плат трассирует трассы согласно нет-листу из схемы, это ПО не универсально. Не все проектировщики печатных плат используют автоматическое ПО трассировки, и даже те, кто использует, склонны дважды проверять трассы на проблемы. Это всегда хорошая практика, так как даже компьютеры могут производить результаты, не нравящиеся дизайнеру.

Общее эмпирическое правило для трасс: те, что с шириной 10–20 mil, способны нести 10–20 мА тока. Трассы с шириной 5–8 mil могут нести ток ниже 10 мА. Это особенно важное соображение для высокотоковых дизайнов печатных плат или дизайнов для печатных плат с быстро меняющимися сигналами, так как их трассировка к высокочастотным узлам потребует специфической ширины трассы.

• 
• • Распределяйте линии питания и земли соответствующим образом: Большинство проектировщиков печатных плат выделяют один цепной слой для использования как заземляющая плоскость. Другой обычно выделяется как плоскость питания. Это помогает снизить уровень шума в печатной плате и позволяет дизайнеру создавать соединения с низким сопротивлением источника. Одна хорошая практика проектирования печатных плат — распределять линии согласно плоскости питания максимально возможно. Это помогает улучшить эффективность и снизить импеданс, предоставляя достаточные пути заземляющих контуров.
• • Поддерживайте короткие трассы: Убедитесь, что трассы максимально коротки на каждой стадии дизайна. Пока большинство процессов сборки печатных плат включают шаг для оптимизации длины трасс, это должно практиковаться на каждой стадии дизайна. Это правило должно соблюдаться ещё более строго, когда дизайнер работает с аналоговой или высокоскоростной цифровой схемой. Эти типы печатных схем, часто встречающиеся в автомобилях и телекоммуникационных устройствах, более сильно страдают от импеданса и паразитных эффектов.

Проверки (Checks)

Проверка дизайна — возможно, самый важный шаг процесса проектирования. Этот сегмент процесса рассматривает всё о дизайне, ища потенциальные проблемы, косящие проектирование печатных плат.

Например, частая проблема в дизайнах печатных плат — тепло. Печатная плата с идеальным термическим дизайном может держать всю плату при согласованной и равномерной температуре, предотвращая горячие точки. Однако такие горячие точки и несоответствия температуры могут быть вызваны любым числом особенностей дизайна, таких как вариации толщины меди, количество слоёв в печатной плате, более крупные размеры печатной платы и наличие или отсутствие термических путей.

Простая проверка дизайна может уловить потенциальные проблемы в термическом управлении печатных плат, большинство ПО DRC тоже может их уловить. Есть несколько методов снижения операционных температур печатных плат, многие из которых смягчаются основами проектирования печатных плат. Несколько советов по управлению теплом:

• • Соединяйте сплошные заземляющие или питания плоскости с большим количеством слоёв напрямую с источником тепла печатной платы. Эти плоскости обычно более способны рассеивать тепло, так как они склонны содержать больше меди.
• • Устанавливайте эффективные тепловые и высокотоковые маршруты для помощи в направлении и рассеивании тепла. Это может помочь оптимизировать теплопередачу.
• • Максимизируйте площадь, используемую для теплопередачи. Это может помочь поддерживать более низкую температуру по всей плате. Это то, что должно учитываться рано в процессе проектирования, так как это может влиять на размер платы.

Большинство ПО DRC может уловить вышеупомянутые проблемы. ПО DRC берёт все детали дизайна печатной платы и определяет, удовлетворяет ли макет списку предопределённых параметров. Это называется правилами проектирования печатных плат. Идеально, как упоминалось ранее, DRC должен использоваться на протяжении всего процесса проектирования для раннего выявления проблемных зон. Однако, если всё остальное терпит неудачу, использование DRC после завершения всего остального может сэкономить много времени проектирования и путаницы между дизайнером и компанией по сборке.

Шаг проверки процесса проектирования не включает только проверку DRC — он также включает несколько других процессов физической верификации, включая проверку layout-versus-schematic (LVS), XOR-проверку, проверку электрических правил (ERC) и проверку антенны. Более передовые производители печатных плат могут использовать дополнительные проверки и правила для улучшения выходного коэффициента, но это базовые проверки, которые обычно используют дизайнеры и производители.

Кроме того, хорошей практикой является верификация производственных параметров перед подачей. Перед подачей окончательного дизайна на производство дизайнер должен лично сгенерировать и верифицировать производственные параметры печатной платы. Хотя большинство производителей готовы скачать и верифицировать файлы дизайна для своих клиентов, лучше дважды проверить дизайн перед отправкой. Это может помочь избежать любых недопониманий или недоразумений и избежать потерь из-за производства с некорректными параметрами. Этот шаг верификации также может ускорить процесс за счёт уменьшения времени, необходимого для коррекции и повторной верификации дизайна перед началом производства.

Найдите сервис сборки для вашего дизайна

Проектирование печатных плат может быть упрощено реализацией вышеуказанных базовых техник и лучших практик. Оно может стать ещё проще при партнёрстве с сервисом поставки и сборки печатных плат, который работает с вами для создания лучших, наиболее стоимостно-эффективных печатных плат.

PCBCart — всемирный поставщик печатных плат, с лояльными клиентами по всему миру. Мы знаем, что вы не можете позволить себе использовать некачественные печатные платы, поэтому мы следуем самым требовательным международным стандартам качества. Мы также знаем, что вам нужны стоимостно-эффективные материалы, поэтому мы предлагаем печатные платы по непревзойдённым ценам. Мы предлагаем вам лучшие услуги печатных плат по наименьшей возможной цене, чтобы вы могли фокусироваться меньше на поставщике и больше на своём бизнесе.

Наши экспертные представители خدمة клиентов ждут, чтобы помочь вам. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше о правилах проектирования печатных платах и процессах сборки и о том, как мы можем помочь вам с вашим следующим проектом проектирования печатных плат. Если у вас уже есть дизайн и вы хотите начать сборку, не стесняйтесь получить котировку, нажав кнопки ниже:

Полезные ресурсы:
• 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