Проектирование печатных плат

Проектирование разработка печатной платы (ПП) — важнейший этап создания любой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Именно от него во многом зависит успешность конечного изделия. Чаще всего,  входными данными для проектирования печатной платы являются комплект конструкторской документации (КД) и подробное техническое задание (ТЗ),  предоставленное заказчиком.  Однако,  составление ТЗ зачастую тесно связано с особенностями производства, а комплект КД может быть не полным.

Специалисты нашей компании готовы оказать услуги по составлению ТЗ и проектированию печатных плат различной сложности, включая разработку комплекта КД,  качественно и в разумные сроки.

В своей работе мы используем наиболее распространенные программы для разработки печатных плат: СAM350, Altium Designer, P-CAD.

В сфере нашей компетенции такие виды деятельности, как:

  • Проектирование односторонних,  двусторонних и многослойных печатных плат в соответствии с требованиями стандартов серии IPC, ГОСТ 53429-2009 и ГОСТ 23751-86
  • Разработка комплекта КД на изделия РЭА, включая корпуса
  • Перенос бумажных чертежей и топологий печатной платы в электронный вид с последующей подготовкой к производству (сколка)
  • Разработка принципиальной электрической схемы
  • Проектирование печатных плат с контролем волнового сопротивления (импеданса)
  • Разработка плат с высокой плотностью монтажа, использование скрытых переходов и глухих отверстий
  • Оптимизация расположения плат на заготовке, с учетом требований к автоматическому монтажу

Этапы проектирования печатной платы

Проектирование печатной платы происходит в несколько этапов:

  1. Разработка принципиальной электрической схемы

Как правило, принципиальная электрическая схема предоставляется заказчиком с ТЗ на проектирование платы в формате PDF,  Orcad DSN, PCAD,  Altium Designer или разрабатывается нашими специалистами  по заданным параметрам.

Электрическая принципиальная схема важна для последующей проверки платы на правильность соединений. На данном этапе схема разрабатывается с нуля (на основе данных о рабочем напряжении и рабочем токе для цепей платы,  её назначении и функционале),  либо воссоздаётся в программе по предоставленному чертежу или фото.  Если принципиальная схема отсутствует,но имеется рабочая готовая плата,  возможна работа по восстановлению схемы с готовой печатной платы.

  1. Составление библиотеки компонентов

На данном этапе составляется перечень электронных компонентов и спецификация с указанием типов корпусов всех компонентов и их количества.

Учитываются все требования заказчика к применяемым компонентам РЭА, такие как:

  • Возможность замены тех или иных элементов: эти параметры устанавливаются конструктором ПП. При допустимости замены, аналоги элементов необходимо указывать в спецификации
  • Требования по RoHS: детектива RoHS ограничивает использование свинца в электронных компонентах. Эти требования наиболее актуальны для продукции, поставляемой в страны Евросоюза. При наличии этого требования к печатной плате,  крайне важно обратить на него внимание изготовителя,  так как это влияет на подбор специальных режимов оборудования при изготовлении ПП, а также обусловливает выбор финишных покрытий.
  • Специальные требования к нестандартным или редким элементам: учитывается дополнительная информация о них, предоставленная заказчиком.

При составлении перечня,  следует группировать одинаковые элементы и записывать их одной строкой,  указывая позиционные обозначения через запятую.

  1. Прорисовка контура платы

Согласно чертежу:

  • Прорисовывается контур печатной платы с учетом габаритов, отмечаются крепежные отверстия, их тип и форма. Здесь важно учитывать особенности и конфигурацию корпуса, в который плата будет устанавливаться;
  • Определяются зоны, свободные от компонентов и проводников с обеих сторон печатной платы;
  • Устанавливается месторасположение разъемов, радиаторов и других элементов, имеющих жёсткую привязку к конструкции  платы;
  • Обозначаются ограничения по высоте компонентов с обеих сторон;
  • Наносятся реперные метки для автоматического монтажа, при необходимости.
  1. Компоновка электронных компонентов на плате

На данном этапе выполняется расстановка электронных компонентов на плате. У этого процесса есть ряд особенностей:

  • важно учитывать влияние компонентов друг на друга, чтобы минимизировать наводки и  воздействие электромагнитного излучения одних компонентов на другие. Во избежание подобных проблем,  необходимо использовать рекомендации  производителей применительно к конкретным электронным компонентам, а также уделять большое внимание качеству трассировки печатной платы.
  • учитывая возможность нагрева некоторых элементов,  необходимо распределять их на плате  так,  чтобы нагрев платы в целом происходил наиболее равномерно и обеспечивался теплоотвод.
  • расстановку компонентов необходимо производить с учетом последующей трассировки: следует оптимизировать расположение компонентов, чтобы выполнение всех требований к плате было возможным.
  1. Трассировка печатной платы

В ходе трассировки (разводки)  печатной платы происходит соединение компонентов проводниками —  прорисовка топологии платы. При этом изначальная компоновка элементов может претерпевать изменения.

Исходя из типа печатной платы (односторонняя, двусторонняя,  многослойная) и её класса точности учитываются требования к расположению проводников относительно друг друга и края платы, допускам к ширине проводников и зазоров, диаметрам отверстий и контактных площадок. Все эти данные заносятся в программу для установления ограничений проектирования.

 Подготовка к трассировке

До начала трассировки выполняется расчет линий передач и переходных отверстий,  определяется количество слоёв,  их конфигурация и толщина,  используемые материалы. Определяется структура переходных отверстий (сквозные/скрытые) их количество. Описываются правила для дифференциальных пар.  Обозначаются ограничения по габаритным размерам платы,  учитывая также высоту элементов.

 Трассировка критических цепей

Начинать трассировку следует с критических цепей: дифференциальные пары,  быстродействующие шины, синхросигналы, сигналы управления — именно к ним предъявляются наиболее жёсткие требования. На данном этапе необходимо учесть:

  • Расстояние до других трасс;
  • Минимальное количество переходных отверстий;
  • Требования к опорному слою.

 Трассировка основных цепей

После критических цепей,  прорисовываются остальные периферийные цепи.

 Трассировка питания

После трассировки критических и основных цепей приступают к трассировке полигонов: устанавливают количество слоев питания,  трассируют отдельные проводники по питанию,  прокладывают полигоны.

Проверка трассировки

По окончанию трассировки необходимо произвести проверку.  САПР автоматически проверяет соответствие проекта заданным правилам проектирования (минимальная ширина проводника/зазора, минимальный диаметр отверстия и контактной площадки) целостность цепей. Выявленные ошибки необходимо проработать.

Общие правила и рекомендации

Основываясь на многолетнем опыте работы, предлагаем несколько рекомендаций, которые необходимо учитывать при  проектировании печатных плат. Они напрямую влияют на работоспособность платы и её долговечность.

Рекомендации по проектированию и разработке печатных плат:

  • Расположение элементов на плате: конденсаторы следует располагать по пути протекания тока; избегать расположения силовых дорожек под трансформатором; силовые транзисторы и выходные диоды не должны быть расположены на одном радиаторе, в случае пробоя высокое напряжение может попасть в выходную часть; по возможности, располагать первые выводы ключей элементов в одну сторону. Это значительно упрощает монтаж компонентов; Недопустимо прокладывать сигнальные цепи вблизи источников высокочастотных сигналов – кварцевых резонаторов, импульсных стабилизаторов и их соединительных проводов.
  • Соблюдать правило: минимальная длина силовых проводников при их максимальной ширине- излишняя длина силовых проводников приводит к возникновению помех и наводок на плате;
  • Избегать резких поворотов силовых дорожек, по возможности оставлять их прямыми
  • Закладывать зазор между полигоном и краем платы: полигон не должен идти вровень с краем платы, следует всегда оставлять минимальный зазор, в противном случае,  на торце платы, после фрезеровки контура,  остается открытая медь,  что в значительной степени влияет на работоспособность  и долговечность платы.
  • Применять тентинг переходных отверстий: рекомендуется тентировать все переходные отверстия — заполнять паяльной маской. Данная операция препятствует попаданию паяльных материалов в переходные отверстия, тем самым защищая внутренние слои МПП от нежелательного химического воздействия.
  • Устанавливать минимальный диаметр переходных отверстий. Если необходимо выполнить большое сечение перехода, этого можно добиться, увеличив количество переходных отверстий.
  • Избегать сплошных перемычек между платами, для плат в панелях. Всегда предпочтительнее использовать скрайбирование. В случае разделения сплошных перемычек , могут образоваться микротрещины в материале основания платы и в масочном покрытии.
  • Учитывать особенности масочного покрытия при вскрытии контактных площадок: расстояние от края контактной площадки до края паяльной маски от 60 до 75 мкм. Минимальная ширина перемычки маски — 75 мкм. Перемычки меньшей толщины не обладают надежной адгезией и могут откалываться во время монтажа при нагреве.
  • Устанавливать минимальную ширину гарантийного пояска (ширина от края контактной площадки до стенки отверстия)  не менее 0,1мм
  • Принимать во внимание толщину стеклоткани: при проектировании сплошных медных полигонов на внутренних слоях МПП, стоит учесть, что толщина фольги напрямую влияет на толщину  слоя стеклоткани между ними.  Он должен быть достаточным для надежной изоляции слоёв и исключения возможности пробоев.

 

  1. Подготовка производства

Основной информацией для производства печатной платы,  помимо четкого ТЗ,  является заполненный бланк заказа. Несмотря на то,  что бланк заказа дублирует многие пункты ТЗ,  его необходимо  заполнять подробно,  это во многом упрощает процесс подготовки производства  и экономит время.

В ходе подготовки производства создаются программы сверловок металлизированных и неметаллизированных отверстий,  программы фрезеровки печатных плат для станков.

Также,  важным моментом остается

работа с Gerber-файлами:

По окончании трассировки формируются Gerber-файлы, отображающие отдельные слои печатной платы. По ним изготавливаются фотошаблоны топологии внутренних и внешних слоёв,  фотошаблоны масочного  покрытия.

Однако,  одного Gerber-файла не достаточно для того,  чтобы начать изготавливать плату. Особенности производства печатных плат таковы, что весь производственный цикл плата находится в заготовке. Чаще всего, в зависимости от размера,  на заготовке одновременно располагаются несколько плат. Также,  заготовка включает в себя техническое поле,  необходимое для производственных операций  и операций контроля.  Требования и вид таких технических полей заготовок на каждом предприятии изготовителе свои.  Именно поэтому процесс подготовки производства  невозможно опустить,  даже при предоставлении готовых Gerber -файлов заказчиком.

 

  1. Составление конструкторской документации

Наличие полного комплекта конструкторской документации на печатную плату — залог успешного изготовления и соблюдения всех необходимых требований.  Особенно важно это для плат,  входящих в состав изделий ВПК. В полный комплект КД входит:

  • Принципиальная электрическая схема;
  • Чертеж трассировки ПП;
  • Детальный чертеж ПП с указанием информации об отверстиях;
  • Сборочный чертеж ПП;
  • Спецификация;
  • Перечень элементов.

 

Контроль и приёмка готовой продукции осуществляется на основе чертежа. Специальные требования к печатной плате закладываются конструктором и должны быть указаны на чертеже.

К ним относятся:

  • класс точности
  • группа жёсткости
  • материал, возможность/невозможность его замены
  • требования к контролю волнового сопротивления
  • контролируемые размеры
  • цвет и материал масочного покрытия и шелкографии
  • требования к предельным отклонениям размеров и диаметров
  • необходимость ручной маркировки (штамп ОТК и ВП), место маркировки и марка эмали
  • любые другие особые требования к изготовлению печатной платы

Наша компания имеет большой опыт в составлении полной конструкторской документации на печатные платы и готова предоставить услуги по составлению полного комплекта КД под ваш заказ.

Качественное и вдумчивое проектирование печатных плат — важнейший этап во всем процессе изготовления.  Сотрудничество разработчика и изготовителя на данном этапе — залог успешности проекта.