7 правил проектирования печатных плат / Хабр
Приветствую! В процессе обсуждения статьи товарища KSVl была озвучена необходимость небольшого пособия по проектированию печатных плат. Очень часто на хабре я вижу статьи в стиле «5 правил оформления кода» или «5 шагов к успешному проекту», то есть очень удобные собрания тезисов по определенной теме. К сожалению подобных статей по разработке электроники мало и это плохо…Я обещал пользователю KSVl и некоторым другим читателям, статью с базовыми принципами проектирования печатных плат (ПП), так же приглашаю к ознакомлению всех любителей попаять за чашечкой кофе!
Пролог
Все описанные в статье правила, являются самыми базовыми и ориентированы исключительно на совсем начинающих разработчиков для которых электроника просто хобби. Сразу хочу отметить, что данная статья не претендует на абсолютную истину и все объяснения даны в вольной форме.
Наверняка найдутся люди, которые скажут: «Да и так ведь работает, зачем что-то менять?». И вот тут увы, я не готов тратить силы и переубеждать вас. Одни хотят все делать хорошо, качественно и надежно, другим же не дано понять этого желания.
Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:
- Курс общей физики и электротехники. Все в пределах 1-го курса ВУЗа
- Книги Говарда Джонса «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии» и «Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии»
- Стандарты IPC, например, IPC-2221A. Бывает перевод на русском (старая версия) и оригинал последних версий на английском
- Собственный опыт
Правило №1 — Ширина проводника
Ошибка — очень часто начинающие разработчики используют ту ширину проводников (дорожек), которая стоит по умолчанию в используемой САПР. В упомянутой ранее статье, автор использовал EasyEDA и там базовое значение ширины стоит 6 mils, то есть около 0.15 мм. Данная ширина проводников использована практически везде и это плохо, ибо ведет к ряду проблем. Проблема №1 — падение напряжения. Все мы помни закон Ома из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.
Проблема №2 — нагрев проводника. Тут все тот же закон Ома, мощность выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Дорогу 0.15 мм ток в 5-10А легко испарит.
Проблема №3 — паразитная индуктивность. Этот момент к базовым вряд ли уже относится, но знать про него надо. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц, например, при работе с SPI.
Проблема №4 — низкая механическая прочность. Думаю не надо объяснять, что дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к текстолитовой основе, чем дорожка 0.15 мм. Ради интереса возьмите заводскую ненужную плату и поковыряйте ее.
Решение — используйте максимально возможную ширину проводников. Если проводник можно провести с шириной 0.6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0.15 мм.
Пример:
1) Плохо
2) Хорошо
Правило №2 — Подключение к выводам
Под выводами подразумевается контактная площадка компонента (pad), переходные отверстия (via) и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).
Ошибка — бывают две крайности. В одной, разработчик совершает ошибку из правила №1 и подключает дорожку 0.15 мм к выводу smd резистора 1206. В другом случае наоборот, использует проводник ширина которого равна ширине контактной площадки. Оба варианта плохие.
Проблема №1 — низкая механическая прочность. При нескольких попытках перепайки компонента, площадка или дорожка просто отслоятся от текстолитовой основы печатной платы.
Проблема №2 — технологические проблемы с монтажом платы. Хотя это станет проблемой, если вы начнете заказывать в Китае не только платы, но и сборку. Вам конечно соберут, но % брака вырастает.
Решение — ширина проводника, подключаемого к контактной площадке, должна составлять примерно 80% от ширины этой площадки.
Пример:
1) Плохо
2) Хорошо
Размер площадки конденсатора 1206 в данном случае составляет 1.6 х 1 мм. Соответственно для подведения сигнала снизу используется дорожка равная 80% от ширины площадки, то есть 0.8 мм (80% от 1 мм). Для подведения сигнала справа используется дорожка толщиной 1.2 мм (примерно 80% от 1.6 мм). Ширина площадки у микросхемы в корпусе SOIC-8 равна 0.6 мм, поэтому подводить нужно сигнал с помощью дорожки около 0.5 мм.
Стоит понимать, что данный вариант является идеальным. Переход из 1.2 мм в 0.5 мм вам наверняка не понравится — лишняя возня. Его можно избежать. Для этого обычно принимают ширину дорожки относительно минимального pad-а (площадки), то есть в данном случае можно сделать вот так:
Как видите, я выбрал ширину проводника по минимальной площадке, то есть по площадке вывода микросхемы в корпусе SOIC-8. Такой упрощение допустимо, но его стоит применять с умом.
Правило №3 — Цепи питания
Теперь рассмотрим случай, когда упрощение в отношение правила №2 просто недопустимо, а именно — проектирование цепей питания. Данной правило опирается на два предыдущих и является частным, но пожалуй самым критичным случаем.
Ошибка — пренебрежение правилами №1 и №2 при проектирование цепей питания.
Проблема №1 — на выходе вашего стабилизатора напряжения строго +3.3В. Вы включаете устройство и наблюдаете, что микросхема ведет себя неадекватно, АЦП измеряет не точно и периодически выключается. Вы измеряете напряжение на ногах потребителя (микросхемы) и обнаруживаете вместо +3.3В всего лишь +2.6В.
Проблема №2 — ваш DC-DC преобразователь не запускается, либо на выходе имеет большие пульсации.
Проблема №3 — в попытках найти неисправность, вы ставите щуп осциллографа на линию +3.3В и обнаруживаете там вместо постоянного напряжения какие-то страшные пульсации и помехи.
Решение — соблюдаем особо строго и фанатично правила №1 и №2. Дорожки максимально широкие. Питание должно приходить на микросхему через керамический конденсатор, который по возможности ставят ближе к выводу этой микросхемы.
Пример:
1) Плохо
2) Хорошо
Что я сделал чтобы стало хорошо:
1) Дорожка питания VCC3V3 теперь подходит не в обход конденсатора, а через него. То есть сначала на конденсатор, а затем уже на вывод микросхемы
2) Переходное отверстие (via) я использовал размером 1.2/0.6 мм. Да, согласно требованиям для 4 класса точности (стандартного), я могу использовать переходное отверстие размером 0.7/0.3 мм, но делать этого не стал и применил более габаритный переход. Это позволило уменьшить его сопротивление и пропустить больший ток
3) Шина питания, которая приходит от стабилизатора у меня теперь не 0.3 мм, а 2 мм! Не бойтесь делать широкие проводники. Такой подход минимизирует падение напряжения в цепи и уменьшит индуктивность проводника
Правило №4 — Земля
О влияние качества проектирование земляной шины (GND) можно говорить вечно, но любой разговор сводится к простой сути: стабильно и работоспособность устройства в наибольшей степени зависит именно от проектирование земли. Данная проблема очень объемная и требует глубокого изучения, поэтому я дам самые базовые рекомендации.
Ошибка — трассировка цепи GND (земли) обычным проводником, да еще и минимальной ширины. Это просто к-к-к-комбо!
Проблема №1 — нестабильность работы устройства и сильные помехи в цепях, особенно в цепях питания.
Проблема №2 — нагрев и часто обрыв тонкого проводника, т.к. в нем действует большой ток.
Решение — использовать полигон для разводки цепи GND, а в идеале отдельный слой, который полностью выделен для данной цепи, например, нижний слой.
Пример:
1) Плохой
2) Хороший
Как видите, вместо обычного проводника я применил заливку сплошным полигоном. Такое решение обеспечило мне огромную площадь сечения, ведь полигон это просто очень большой проводник. Только иногда такое решение имеет недостаток, например, когда плотность монтажа высокая и другие проводники разрывают сплошной полигон, как тут цепи LED1..3 разрывают кратчайший путь между выводом микросхемы и конденсатора (GND):
Тут нам поможет, упомянутый ранее, отдельный слой GND. В двухслойной плате в идеале под него выделить нижний слой, а в многослойной плате — один из внутренних слоев:
Таким образом мы восстановили кратчайший путь для тока по цепи GND, а помог в данном случае нижний слой (синий цвет), который из себя полностью представляет земляной полигон. Переходные отверстия (via) около контактных площадок обеспечили для них максимально короткое соединение с нижним слоем земли.
Конечно это идеальный случай и иногда не получится его реализовать без удорожания платы, поэтому тут решение за вами. Порой «супер» надежность и не нужна, тут важно найти для своей задачи золотую середину между стоимостью и качеством.
Правило №5 — Ширина зазора
Минимальное значение зазора между медными проводниками на печатной плате, нам диктуют технологические требования. Для 4-го (стандартного) класса значение составляет 0.15/0.15 мм или 6/6 mils. Максимальная ширина ограничена лишь вашей фантазией, габаритами платы и здравым смыслом.
Ошибка — зазор недостаточно большой, обычно оставляют значение по умолчанию около 0.15 мм.
Проблема №1 — электрический пробой. Короткое замыкание возникает, когда 2 проводника с разным потенциалом замыкают, например, металлическим предметом и ток резко возрастает. К сожалению идеальных диэлектрических материалов не бывает и в какой-то момент любой материал начинает проводить ток. Пример тому — изоляторы на ЛЭП, иногда и их пробивает. Данное явление происходит, когда превышено значение критического напряжения пробоя. По этой же причине и стеклотекстолит, являющийся основной большинства печатных плат, в какой-то момент может начать пропускать ток.
Решение — увеличение расстояния между проводниками. Напряжение пробоя зависит от типа материала и от толщины/ширины изолятора. В случае печатных плат — расстояние (зазор) между проводниками как раз является тем параметром, который влияет на критического значение напряжения пробоя. Чем больше расстояние между проводниками, тем большее напряжение необходимо чтобы пробить его
Так же хочется сказать, что пробой по стеклотекстолиту не всегда самая актуальная проблема. Воздух, который окружает плату, тоже является диэлектриком, но при определенных условиях становится проводником, вспомните грозу. Воздушный электрический пробой большая проблема в электронике, особенно если учитывать, что воздух может быть сухой, а может и иметь влажность 90-100%, например, в тропиках или на Севере.
Пример:
Условимся, что в данном примере есть 3 проводника: выпрямленное сетевое напряжение +310В, низковольтная линия питания для микроконтроллера +3.3В и шина земли (GND).
1) Плохой
2) Хороший
Почему 0.3 мм плохо, а 0.8 мм уже хорошо спросите вы и в качестве ответа приведу вам 2 источника:
1) Обычные физика и электротехника. Данные в них разнятся из-за различных методик измерений и прочего, но наиболее реалистичная цифра для сухого воздуха составляет 2 кВ/мм. Тут многие испугаются цифры и подумают: «У меня же нет таких напряжений» и это будет ошибкой. Данное значение характерно лишь для сухого воздуха, который встретить в реальных условиях удается редко. И тут цифры уже куда скромнее, например, при влажности 100% напряжение пробоя воздуха составляет всего 250 В/мм! А еще на значение напряжения пробоя влияет запыленность воздуха и платы, а так же атмосферное давление (кривая и закон Пашена).
2) Стандарт IPC-2221, ссылку на который я давал в начале. Интересует нас таблица 6-1, которая выглядит вот так:
Как видите в таблице для большое количество значений даже для нашего конкретного случая 301-500В. Если посмотрим, то увидим значение 0.25 мм для закрытых проводников на внутренних слоях, то есть в «идеальных» условиях без доступа пыли, грязи и влаги. Если устройство будет работать где-то в горах и проводник находится на внешних слоях (все проводники в случае 2-х слойной платы) на высоте до 3000 метров, то там минимальный зазор уже 2,5 мм, то есть в 10 раза больше. Если же мы эксплуатируем устройство на большей высоте, то зазор необходим уже в 12.5 мм! Стоит сделать замечание — такой большой зазор требуется если наша плата не покрыта защитными составами, например, лаком или компаундом. Как только появляется защитное покрытие, то мы видим уже более адекватные значения: 0.8 и 1.5 мм.
Поэтому в «хорошем» примере по мимо обеспечения зазора 0.8 мм, необходимо так же покрыть плату защитных составом, например, лаком после завершения монтажа устройства, его отмывки и сушки. В противном случае необходимо увеличить зазор!
Правило №6 — Гальванический зазор
Ошибка — приравнивание диэлектрического зазора к гальваническому. По сути они очень похожи, но по требованиям все строже, когда дело доходит до гальванической развязки. Ярким случаем является развязка схемы управления и силовой части с помощью реле или оптрона, когда зазор между развязанными сторонами выбирается так же 0.8 или 1,5 мм.
Проблема №1 — пробой изоляции, выход из строя системы управления и прочего дорогого оборудования.
Решение — увеличение порога электрического пробоя. Стандартными значениями обычно являются напряжения 1,5 кВ, 2,5 кВ и 4 кВ. Если ваше устройство работает с сетевым напряжением, но человек напрямую с ним не взаимодействует, то напряжение развязки в 1,5 кВ будет достаточным. Если предполагается взаимодействие человека с устройством, например, через кнопки и прочие органы управления, то рекомендую применить изоляцию с напряжением 2,5 кВ и более.
Пример:
1) Плохой
Что плохого спросите вы, ведь зазоры на плате есть, их можно сделать и 1,5 мм. Дело в том, что даже если сделать зазор 2 мм, то этого будет недостаточным для обеспечения изоляции. Самым «слабым» местом должно быть расстояние между выводами управления реле (1-2) и выводами силовыми (3-8). Так же надо учитывать, что пробой может быть не только между проводниками на одном слое, но и на разных — насквозь плату через стеклотекстолит.
2) Хороший
Что было сделано для улучшения ситуации:
а) Появилась четкая граница между низковольтной и высоковольтной частью. Теперь проводник +3.3В не проходит в высоковольтной области +310В, полигон GND не выходит за границу низковольтной часть, соответственно и пробоя не будет. Так же в зоне/границе гальванической развязки не должно быть вообще ничего.
б) Изолирующая зона освобождена от паяльной маски. Маска — тоже слабое место и в зависимости от качества ее пробьет раньше, чем стеклотекстолит. Это делать не обязательно в общем случае, но если с устройством взаимодействуют люди, то настоятельно рекомендую.
в) Как я выше писал, слабое место — расстояние между управляющими и силовыми выводами реле. Везде я смог сделать изолирующую зону 4 мм, а тут только 2.5 мм. От маски мы очистили, от проводников тоже и единственное через что может произойти пробой по плате — стеклотекстолит. Поэтому убираем и его, я сделал вырез под реле шириной 2.5 мм и убрал весть текстолит между выводами. Данная операция тоже не обязательна, но существенно повышает надежность и безопасность вашего устройства.
Правило №7 — Переходные отверстия
Ошибка — очень часто наблюдаю картину, когда на 2-х слойной печатной плате для того, чтобы соединить 2 контактные площадки, использую 3..4… или даже 5 переходных отверстий.
Проблема №1 — переходных отверстий (via) становится слишком много на плате и это ограничивает место под проводники, что приводит к удлинению цепей, а следовательно и к увеличению их сопротивления. Уменьшает устойчивость цепей и сигналов к помехам.
Решение — используйте минимальное количество переходных отверстий: если вам нужно соединить 2 контакта на разных слоях, то не используйте более 1-го переходного отверстия. Если 2 контакта находятся на одном слое и вы не можете соединить их напрямую, то используйте максимум 2 переходных отверстия. Если вам нужно больше переходов для соединения, то что-то вы делаете не так — тренируйте логику и переразводите участок платы, который привел к проблеме.
Пример:
1) Плохо
2) Хорошо
Для соединения использовано минимальное количество переходных отверстий (via), что дает больше свободного места для других проводников и обеспечивает минимальные паразитные параметры проводника.
Несколько общих советов
- Не используйте автотрассировщики! В «сыром» не настроенном виде они выдают ужасный результат, который даже самую светлую идею превратит в гуано. Для того, чтобы автотрассировщик работал хорошо, ему необходимо прописать определённые правила, которые скажут ему, что дороги надо не 0.15, а 1 мм и так далее. Для адекватного результат даже на простых платах приходится прописывать сотню, а то и две, этих самих правил. В Altium Designer под них выделен целый раздел, например. Если вы любитель и у вас не стоит задачи спроектировать свою плату для ноутбука, то разводите плату руками — выйдет быстрее и качество будет на высоте
- Не ленитесь переделывать плату. Часто бывает, что вы сделали плату на 90%, но дальше все стало туго и вы начинаете нарушать «правила» и лепить гуано. Откатитесь назад, иногда приходится откатываться в самое начало, сделайте работу качественно и на этапе отладки устройства вы сэкономите очень много времени и нервов
- Перед тем как начать проектировать плату, посмотрите несколько open source проектов, например, на хабре или hackaday. Главное не копируйте оттуда чужие очевидные ошибки
- Если у вас есть знакомые разработчики электроники, пускай тоже любители — дайте им на проверку. Свежий взгляд на ваш проект позволит избежать очень много ошибок
Заключение
Надеюсь данная статья станет полезной для начинающих электронщиков и избавит их хотя бы от самых простых ошибок. Думаю не мало людей в данных правилах увидят и свои недочеты, но не стоит от этого правила слепо копировать. Всегда думайте головой и ищите лучший вариант, иногда и 4 переходных отверстия для 1-й цепи допустимы, если это позволяет вам улучшить конечный результат.
Те, кому данного материала мало — предлагаю ознакомиться со стандартами IPC по диагонали, сильно вчитываться смысла нет, а так же прочитать начальный курс «черной магии» от Говарда Джонса. В ней разобраны и физические принципы проектирования, а так же приводится множество рекомендаций по проектированию стандартных цепей и интерфейсов. Это раньше высокоскоростные цифровые цепи были чем-то магическим и возвышенным, но сегодня на дворе 2018 и с ними сталкиваются даже совсем новички, например, при подключение датчиков и памяти по SPI или дисплеев.
Базовые рекомендации разработчику печатных плат | others
Что самое важное при разработке печатных плат (PCB)? Давайте рассмотрим несколько основных моментов, о которых следует всегда помнить разработчику, если он хочет создать по-настоящему технологичные в изготовлении, функциональные и надежные платы. Здесь приведен перевод статьи [1] (автор David Marrakchi), опубликованной на сайте Altium.
Когда Вы начинаете новый проект платы, довольно просто отбросить эти основные советы, потому что мысли в основном сосредоточены на дизайне схемы и/или ПО. Но это скорее всего позже приведет к неприятным последствиям, которые уже сложно будет исправить и они доставят много головной боли. Схема будет работать не так качественно, как ожидалось, у сборщика появятся трудности в производстве, и т. п. Ниже рассмотрены несколько самых важных моментов, помогающих разработать хорошие, качественные печатные платы.
[1. Следует хорошо знать и использовать спецификации производства]
Перед тем, как начать непосредственную разводку, уделите некоторое время на изучение ограничений, которые накладывает производитель при производстве плат. Можно позвонить производителю, написать ему email с просьбой выслать его требования по минимально допустимой ширине дорожки, минимальному расстоянию между дорожками и т. п. Часто эта информация находится на сайте производителя (типичный пример см. в [10]), и требования к параметрам изготовляемой платы делятся по классам точности (от класса точности зависит цена производства).
Для чего это нужно? Чтобы предварительно настроить правила трассировки (Design Rules), систему проверки дизайна на соответствие заданным ограничениям (Design Rules Check, DRC). Если изначально соблюдать правила заданной технологии, то будет проще выполнить всю работу, не потребуется тратить лишнее время на исправление ошибок, которые могут выявиться на этапе производства.
[2. Тщательно размещайте компоненты]
Стадия разработки, когда Вы размещаете компоненты на PCB, требует как искусства, так и научных знаний. Требуется выбрать стратегию размещения, реализующую наиболее выгодный компромисс по удовлетворению требований к разработке. Этот процесс может быть сложным, и от того, как Вы расположите детали на плате, будет зависеть как сложность производства изделия, так и его работоспособность.
При размещении компонентов полезно пользоваться функцией привязки к координатной сетке (snap-to-grid), эта опция должна быть разрешена. Обычно для первичного размещения деталей используют шаг координатной сетки 50 mil. Хотя размещение обычно начинают с выбора места и положения коннекторов, светодиодов, кнопок, схем питания, деталей точных схем, критических узлов и т. д., есть несколько специальных моментов, которые следует учитывать:
Ориентация. Убедитесь, что ориентация похожих компонентов совпадает. Например, электролитические конденсаторы, диоды и т. п. по возможности должны направлять свой положительный электрод в одну сторону. Это поможет в эффективной и безошибочной пайке.
Размещение. Современное технологическое оборудование автоматического монтажа позволяет применять минимальные интервалы между компонентами до 0.2 мм и от края платы 1 мм. Однако использование таких предельных значений в разработке вряд ли оправдано, потому что усложняет монтаж и ремонтопригодность изделия, снижает его надежность. Рекомендуется сохранять интервалы между компонентами не менее 0.5 – 1.25 мм (в зависимости от типа корпуса).
Избегайте размещения компонентов со штыревыми выводами на стороне пайки (нижняя часть платы, Bottom).
Организация. Рекомендуется размещать все монтируемые на поверхность детали (Surface Mount, SMT, или SMD) только на одной стороне платы (обычно на верхней, Top). Одностороннее размещение деталей упрощает и удешевляет монтаж. Если плата сложная, и на ней есть как SMD-компоненты, так и компоненты со штыревыми выводами (through-hole, TH), то TH-компоненты разместите (по возможности) на верхней стороне платы, а SMD-компоненты на нижней. Это минимизирует операции по сборке (монтажу) платы.
Следует учесть, что если на плате имеются смешанные по технологии пайки компоненты (есть как TH, так и SMD детали), то это заставит производителей предпринимать дополнительные шаги для сборки платы, что удорожает производство.
| Хороший выбор ориентации компонентов | Плохая ориентация компонентов |
| Хорошее размещение компонентов | Плохое размещение компонентов |
Если Вы не нашли компонент в библиотеке, то потребуется его создать. Уделите особое внимание зазорам между контактными площадками и окнам в маске. Маска должна обязательно образовывать окна для каждого вывода, не делайте общее окно для группы выводов. Не соблюдение этого правила может привести к коротким замыканиям мостиками припоя между выводами.
| Маска разделяет промежутки между выводами, снижая риск образования замыканий припоем. | Неправильно созданные окна в маске для выводов микросхемы, повышенный риск наплыва припоя между выводами. |
Автотрасировщик может подсказать, насколько хорошо выполнено размещение деталей (см. далее).
[3. Разделение по функционалу]
Скорее всего Вы уже знаете, что мощные схемы, где есть высокие напряжения и большие импульсные токи, могут генерировать значительные помехи, влияющие на работку маломощных прецизионных схем. Чтобы снизить факторы помех, выполните следующие рекомендации:
Разделение. Убедитесь, что шина высокоточной земли и шина земли схем управления или шина земли чувствительных аналоговых схем разведены отдельно. Если они требуют соединения, то должны соединяться друг с другом только в одной точке, максимально близко к месту входа тока питания на плату. Общий принцип – ток потребления, протекающий по шине земли от мощной части схемы, не должен вносить помехи своим падением напряжения на другие, чувствительные части схемы.
Размещение. Если Вы размещаете заливку земли (ground plane) на внутреннем слое платы, то убедитесь, что существуют многочисленные надежные, с низким импедансом соединения этой заливки с другими проводниками земли, находящимися на верхней и нижней сторонах платы. Это снизит риск наводки токами питания помех на чувствительные сигналы управления. Основная рекомендация – стараться отделять друг от друга цифровую и аналоговую земли, идеальный вариант полная их изоляция друг от друга (применяется в особо точных приборах).
Развязка. Чтобы снизить емкостные паразитные связи из-за размещения проводников над большими заливками земли/питания и под ними, постарайтесь выполнить разводку таким образом, чтобы аналоговые сигнальные проводники проходили только над/под аналоговой заливкой земли и пересекали только аналоговые проводники. Это поможет снизить влияние помех от импульсных напряжений и токов, генерируемых быстро переключающимися цифровыми сигналами.
Пример разделения на плате цифровой (DIGITAL) и аналоговой (ANALOG) частей схемы:
[4. Трассировка питания, земли и сигналов]
Когда компоненты размещены, самое время заняться шинами питания, земли и важными сигнальными проводниками, которые Вы хотите развести качественно, чтобы на них было меньше всего посторонних помех. На этой стадии разработки нужно учитывать следующее:
Размещение заливок питания и земли (Power Plane, Ground Plane). Если плата многослойная, то всегда рекомендуется заливки земли и питания разместить на двух внутренних слоях, и разместить их друг относительно друга симметрично, желательно чтобы каждая такая заливка занимала всю площадь платы. Это поможет защитить плату от изгибов и перенапряжений, что может повлиять на правильность позиционирования компонентов при монтаже. Если плата двухсторонняя, то для питания интегральных схем рекомендуется использовать широкие, прямолинейно проложенные проводники, без образования петель. Идеальный вариант – залить все свободное пространство платы шиной земли, как на верхней, так и на нижней стороне платы, а шины питания (+5V, +3.3V) развести широкими, максимально прямолинейными проводниками, без образования лишних петель при переходе от одной микросхемы к другой, с минимизацией переходов между слоями.
Сигнальные проводники. После прокладки питания разведите ответственные сигнальные цепи в соответствии с рекомендациями по построению Вашей схемы. Всегда рекомендуется такие проводники делать максимально короткими, проводимыми непосредственно от компонента к компоненту. При плотной разводке когда возникают сложности в трассировке и необходимо делать переходы с одной стороны платы на другую (с помощью металлизированных переходных отверстий, via) старайтесь размещать горизонтальные проводники на одной стороне платы и соответственно вертикальные на противоположной.
Определение толщины проводников. Когда ток течет через медные проводники платы, он может их довольно сильно нагревать. Чем больше ширина проводника, тем меньше его сопротивление, и меньше нагрев. Но нельзя бесконечно увеличивать ширину проводника, нужен определенный компромисс. Поэтому управление шириной проводников – один из многих способов сбалансировать нагрев печатной платы и уменьшить сопротивление проводников.
Скорее всего Ваша разработка будет иметь цепи разного класса – одни проводники будут передавать большие токи, другие маленькие. Этот факт будет диктовать необходимую ширину проводников на плате. Базовая рекомендация – для слаботочных аналоговых и цифровых цепей рекомендуется делать проводники шириной 10 mil (mil равен одной тысячной дюйма, или 0.0254 мм). Когда цепи будут передавать ток больше 0.3A, их следует делать шире. Есть удобный онлайн-калькулятор [2], упрощающий процесс вычисления параметров проводников. В следующей таблице приведены грубые рекомендации по выбору толщины проводников в зависимости от силы тока. Следует также учитывать длину проводников. Длинные проводники следует стараться делать шире, если по ним протекают значительные токи, это позволит снизить сопротивление проводника и падение напряжения на нем. Небольшой совет – если есть возможность сделать ширину проводников больше, чем требуется, то сделайте это! Когда Вы с запасом отвечаете требованиям как производителя, так и дизайна, меньше шансов того, что плата окажется бракованной, или будет работать не так, как ожидалось.
| Ширина дорожки | Допустимый ток |
| 10 mil | 0.3 A |
| 15 mil | 0.4 A |
| 20 mil | 0.7 A |
| 25 mil | 1.0 A |
| 50 mil | 2.0 A |
| 100 mil | 4.0 A |
| 150 mil | 6.0 A |
Назначьте цепям питания (GND, VCC и т. п.) отдельный класс, и назначьте ему увеличенную минимальную ширину проводника. Тогда автороутер будет прокладывать эти цепи проводниками заданной толщины. Дополнительное преимущество – по толщине проводников проще ориентироваться в разводке платы.
Контактные площадки SMD. Паяльная паста, и особенно расплавляемый припой ведет себя как обычная жидкость, обладающая поверхностным натяжением. В момент пайки это натяжение может смещать монтируемый компонент (особенно это касается SMD-резисторов и конденсаторов). Поэтому не только важно, чтобы паяльная паста имела достаточную влажность и вязкость, но также чтобы размеры площадок для пайки SMD-компонентов строго соответствовали рекомендованным (рекомендуемые размеры площадок можно узнать в даташите на компонент). Если не соблюдать это правило, например если предусмотрено “универсальное” посадочное место для пайки как корпуса 0805, так и корпуса 1208, то поверхностное натяжение расплавленного припоя может привести к перекосу компонентов и даже “могильным камешкам” (thumbstone).
Подсоединение проводников к контактным площадкам. Обратите внимание на разводку проводников по отношению к местам пайки (контактным площадкам) с целью избежать поворота SMD-компонента при пайке. На рисунках ниже показаны примеры правильной и неправильной разводки по отношению к контактным площадкам.
Предпочтительная разводка проводников (стрелками показана миграция припоя):
Нежелательная разводка, которая может привести к повороту SMD-компонента при пайке (стрелками показана миграция припоя):
Диаметры сверл и переходные отверстия. Насколько это возможно, снизьте ассортимент диаметров отверстий, используемых на печатной плате для монтажа TH-компонентов и переходов между слоями. Постарайтесь минимизировать количество сквозных и слепых переходных отверстий для разводки сигнальных проводников (это не касается отверстий, предназначенных для соединения накоротко заливок медью шин земли и питания). По возможности совсем исключите из дизайна слепые переходные отверстия. Это повысит технологичность, надежность платы, её пригодность для ремонта и тестирования.
Зазоры. При разводке необходимо оставлять достаточно места между проводниками различных цепей (зазор, clearance). Почему? Если Вы слишком близко проложите проводники, то повышается риск коротких замыканий между дорожками, образующихся в процессе производства платы. Помните, что процесс производства PCB не на 100% точен, поэтому всегда необходимо для безопасности выдерживать зазор минимум от 7 до 10 mil между соседними дорожками и контактными площадками для пайки деталей.
Особенно важны зазоры между проводником и контактными площадками для пайки. Минимальный допустимый зазор, как и толщина проводников, в общем случае определяется классом точности печатной платы [8], однако хорошей рекомендацией будет не допускать зазоры между контактными площадками и между контактными площадками и токопроводящим рисунком других цепей меньше 7 mil, лучше всего делать зазоры 10 mil. Слишком маленькие зазоры повышают риск возникновения коротких замыканий из-за мостиков припоя и ошибок в производстве самой печатной платы. Также зазоры нужно увеличивать, если проводник находится под высоким напряжением относительно других цепей.
При разводке проводников включите привязку к координатной сетке (snap-to-grid). Шаг координатной сетки 50 mil будет хорошим начальным выбором. Снижение шага до 25 mil может помочь в работе по разводке более плотной платы. Выключение привязки к координатной сетке (или включение очень мелкого шага) может понадобится при подключении проводников к выводам компонентов, которые используют необычный шаг выводов.
Общей практикой является ограничение направлений разводки горизонтальными, вертикальными проводниками, и проводниками под 45 градусов. При прокладке тонких проводников избегайте острых углов при поворотах трассы. Проблема здесь состоит в том, что внешний угол может быть вытравлен сильнее, в результате чего в этом месте проводник получится слишком тонким. Для резких поворотов проводника используйте скругление углов сегментами, направленными под 45 градусов.
Монтажные отверстия. Не забывайте оставлять достаточный интервал между монтажным отверстием и токопроводящим рисунком, чтобы металлическая стойка, винт или шайба не вызвали нежелательного замыкания. Помните, что паяльная маска не может служить хорошим изолятором – она слишком тонкая, и легко разрушается от механического воздействия.
[5. Борьба с нагревом]
Сталкивались ли Вы с ситуациями, когда из-за повышенной температуры ухудшалась работа схемы или даже она вовсе выходила из строя? Эта проблема часто возникает, если не уделить достаточно внимания рассеиваемой компонентами мощности и охлаждению. Ниже приведено несколько советов, помогающих избежать проблем с перегревом и пайкой.
Идентифицируйте проблемные компоненты. Сначала нужно определить, какие компоненты на плате будут больше всего нагреваться. В этом может помочь изучение даташита на компонент и проверка его реальных условий работы в схеме. Обращайте внимание на термосопротивление корпуса (параметр Thermal Resistance) и рекомендации по монтажу и использованию компонента. Конечно, при необходимости должны быть добавлены радиаторы и вентиляторы, чтобы снизить температуру компонента. Также нужно стараться удалить сильно нагревающиеся компоненты от других нагревающихся компонентов и деталей, чувствительных к нагреву (например, от электролитических конденсаторов).
Добавление термобарьера. Термобарьер для пайки (Thermal Relief) – очень полезная технология, улучшающая технологичность платы для процесса её монтажа. Особенно это критично для плат, которые паяются в массовом производстве методом “волна припоя” (wave soldering) и для сборки сложных многослойных плат. Без наличия термобарьера на штыревых выводах компонентов, подключенных к заливке земли (и даже иногда для пайки SMD-компонентов на заливку меди) трудно контролировать температуру припоя в месте пайки. Термобарьер помогает качественной пайке, припой хорошо растечется по всему металлизированному отверстию или месту пайки, что уменьшает риск образование “ложной” пайки.
Общая рекомендация – всегда используйте термобарьер для любого сквозного отверстия, предназначенного для пайки. Также это касается и массивных точек пайки SMD-компонентов, когда они находятся на заливках меди. Исключением из этого правила могут быть случаи, когда такая заливка специально предназначена для охлаждения компонента, но в таком случае должны быть предусмотрены специальные условия для пайки (например, нижний подогрев платы). Типичный термобарьер для места пайки штыревого вывода:
В дополнение термобарьерам применяйте скругления металлом к площадке пайки (teardrops) в тех местах, где проводник, покрытый маской, соединяется с местом пайки, свободным от маски. Это поможет снизить механический и термальный стресс, наносимый проводникам при пайке, будет меньше риск их повреждения и расслоения.
[6. Пользуйтесь автороутером!]
Многие разработчики слепо верят, что автоматический трассировщик мало чем может помочь в разводке. Основная аргументация такого подхода – программный автомат никогда не сможет лучше человека учесть все нюансы разработки. Но это ошибка! Если правильно составить стратегию разводки и соответствующим образом выбрать ограничения дизайна, то автороутер может сэкономить Вам много времени, избавив от монотонной работы [6]. Конечно, автороутер не может выполнить за Вас почти всю работу (за исключением совсем простых проектов). Ваша задача корректировать его поведение и вручную разводить проблемные и особо ответственные цепи, чередуя итерации автоматической и ручной разводки.
Также не стоит впадать в другую крайность и считать, что автороутер может решить все Ваши проблемы. Автотрассировщики, сколь хороши они ни были, никогда не заменят целиком трассировку саму по себе, и должны использоваться только по нескольким причинам, включая следующие:
Размещение компонентов. Автороутер может помочь приблизительно оценить, насколько оптимально расположены компоненты на печатной плате. Вы можете попробовать использовать автороутер после того, как разместите все свои компоненты, чтобы результат разводки автороутера показал, насколько качественную разводку при таком размещении можно получить. Если автороутер развел меньше 85%, то этот может означать, что требуется более тщательно подобрать места для расположения деталей на плате.
Узкие места трассировки. Также можно использовать автороутер для выявления проблемных мест и других критических точек соединений, которые сразу не видны в процессе размещения компонентов.
Подсказка. И наконец, автороутер можно использовать как источник новых идей в поиске пути трассировки некоторых соединений. Быстрый запуск автотрассировщика может показать новый путь для разводки, который Вы ранее не рассматривали.
Помимо этих причин не рекомендуется полностью полагаться на результат автоматической разводки. Почему? Скорее всего автоматическая разводка не будет достаточно точна, и особенно если Вы любите красивую/симметричную разводку, то автороутер наверняка разочарует. И что более важно – ручная трассировка (при условии наличии достаточного опыта) позволит наиболее качественно выполнить все соединения. Трассировка – кропотливый процесс, требующий терпения и любви к своей работе, чтобы можно получить желаемые результаты. ИМХО самый оптимальный вариант – комбинировать итерации ручной разводки и запуска автороутера, чтобы максимально ускорить получение удовлетворительного результата.
[7. Используйте переходные отверстия для отвода тепла]
Последний совет касается того, как можно использовать переходные отверстия (via). Они не только могут предоставить соединение между слоями платы, но также дополнительный способ теплоотвода.
Это становится особенно удобно, если у применяемого мощного компонента есть специальная контактная площадка для отвода тепла (die), предназначенная для пайки на площадку фольги. Если Вы сделаете на этой контактной площадке несколько переходных отверстий до полигона на обратной стороне платы, то тепло будет лучше рассеиваться, и система будет работать надежнее.
[8. Тщательно проверяйте свою работу]
Всегда рекомендуется воспользоваться инструментами автоматической проверки, чтобы не быть озадаченным проблемами, возникающими в процессе производства, сборки и тестирования. К таким инструментам относятся проверка электрических правил (Electrical Rules Check, ERC) и проверка правил разводки (Design Rules Check, DRC), они проверяют, удовлетворяет ли дизайн установленным ограничениям. Эти две системы контроля позволяют просто управлять зазорами, шириной проводников, общими шагами производства, требованиями к высокоскоростным цепям.
Когда тесты ERC и DRC [3, 4] покажут отсутствие ошибок, рекомендуется на всякий случай проверить трассировку каждого сигнала, чтобы убедиться в том, что ничего не упустили. Собственно для этой цели и выполняется рисование принципиальной схемы в таких системах разработки плат, как Altium Designer и других подобных. Если принципиальная схема создана правильно то наверняка и печатная плата не будет содержать грубых ошибок после успешного прохождения тестов ERC и DRC.
Убедитесь, что печатная плата содержит качественную маркировку шелкографией важных мест, и имеются специальные маркеры, предназначенные для автоматизированной сборки и тестирования. Размещение шелкографии и SMD-компонентов только на верхней стороне платы не только удешевляет производство самой платы, но и еще позволяет быстрее определить верхнюю сторону платы при ручном монтаже.
Некоторые интегрированные системы разработки создают трехмерные модели готовой, смонтированной печатной платы [7]. 3D-модель еще до сборки помогает лучше разобраться в технологичности платы, позволяет бросить общий взгляд на готовое изделие и выявить недостатки, которые были незаметны на этапе разработки. Например, компоненты с металлическим корпусом (радиатор, кварцевый резонатор, батарея) могут вызвать неожиданные замыкания с токопроводящим рисунком. Трехмерная модель позволяет лучше выявить места возможных проблем.
[Ссылки]
1. Top 5 PCB Design Guidelines Every PCB Designer Needs to Know site:altium.com.
2. Trace Width Calculator site:4pcb.com.
3. Electrical Rules Check (ERC) site:altium.com.
4. Design Rules Check (DRC) site:altium.com.
5. Использование Altium Designer для разводки печатных плат.
6. Эффективная трассировка печатных плат в Eagle.
7. Eagle3D: как сделать объемную модель печатной платы.
8. Классы точности печатных плат (PCB).
9. The Top 10 PCB Routing Tips for Beginners site:autodesk.com.
10. JLCPCB Capabilities.
| |
| |
Мини-FAQ по разводке печатных плат, особенно аналоговых. [Вегалаб-Викизона]
Коротко о проектировании печатных плат для преимущественно аналоговых устройств.
Во-первых, несколько слов о разводке цепей питания, особенно при двуполярном питании. Распространенная ошибка: емкости блокировки по «+» и по «-» питаний аналоговых микросхем (напр. ОУ) брошены на земляной слой далеко друг от друга, в результате чего по земляному слою течет контурный ток потребления. «Физика» тут простая – при усилении больших сигналов, выходные каскады практически всех аналоговых микросхем переходят в режим AB, и токи потребления по отдельным («+» и «-») цепям питания начинают содержать много высших гармоник сигнала. При несовпадении мест заземления блокировочных конденсаторов для «+» и «-», эти токи начинают «растекаться» по земляным цепям, формируя помеху в них. Именно поэтому блокировочные емкости от «+» и «-» в подавляющем большинстве случаев надо стараться располагать так, чтобы расстояние между точками их присоединения к земляному слою было минимальным. Еще часто (особенно для микросхем с Rail-to-Rail выходами) имеет смысл при возможности ввести прямую ВЧ блокировку между их выводами «+» и «-» питания. Размещать блокировочные конденсаторы желательно как можно ближе к ИС, для сокращения паразитной индуктивности. При использовании SMD микросхем в относительно крупных корпусах (SOIC-8 и больше) блокировочные емкости часто имеет смысл размещать на обратной стороне платы. Для мелких SMD корпусов (MSOP-8, SOT-23) – обычно лучше на той же стороне, что и сам корпус, чтобы не увеличивать индуктивность из-за переходных отверстий. При использовании же корпусов DIP-8, прямо под них легко влезают несколько SMD конденсаторов типоразмера 1206, а при некотором умении – и 1210. Естественно, площадь образующегося контура протекания токов тоже должна быть минимальной, это само собой разумеется.
На величине (номинале) керамических конденсаторов, если они используются совместно с оксидными, экономить не следует, т.к. рекомендации по установке «0,1 мкФ» давно устарели – ESR современных оксидных конденсаторов номиналом 100…220 мкФ снизилось до величин менее 0,1 Ома, поэтому для предотвращения появления явного резонанса на индуктивности монтажа (~10…20 нГн) сейчас требуется значительно бОльший номинал «высокочастотных» емкостей, ОТ 0,68…1 мкФ.
Минимальное значение – $\frac{Lмонт}{(ESR^2)}$.
Резисторы в цепях питания каждой ИМС сильно упрощают разводку, т.к. служат перемычками, и позволяют «+» и «-» питания развести вплотную друг к другу, что весьма желательно для снижения излучений сигнальных/выходных токов цепями питания.
Увеличивать ширину шин питания (до резисторов) в малосигнальных цепях выше примерно 0,5…0,7 мм нет никакого смысла, ширину слаботочных сигнальных проводников (кроме СВЧ согласованных линий) как правило, тоже нет смысла делать больше, чем это нужно для обеспечения технологичности плат (0.127…0.254…0.508 мм в зависимости от возможностей производства). БОльшая ширина лишь увеличивает паразитные емкости. Исключения из этого правила: при разводке плат без металлизации отверстий контактные площадки приходится делать как можно бОльшего размера для обеспечения механической прочности, с той же целью на однослойных платах уширяют дорожки там, где это возможно. Если есть место, то шины земли (а иногда и питания) вполне можно уширять, вплоть до сплошной «заливки» медью (формирование полигонов). При этом важно, чтобы не образовывалось большого (по площади) контура протекания ВЧ токов – если шины питания выполнены полигонами, при двуполярном питании полигоны «+» и «-» должны вплотную примыкать друг к другу или располагаться в соседних слоях друг над другом/землей. Аналогичное замечание справедливо для цепей блокировок микросхем – то есть, для цепей, образовываемых выводами питания микросхем, блокировочными конденсаторами и «земляными» проводниками.
Далее, весьма желательно разделять «сигнальную» и «силовую» земли, чтобы избежать протекания токов питания/нагрузки/помех по «сигнальной» земле. В простых (чисто аналоговых) схемах это элементарно делается на 2-слойной плате, чуть сложнее – на «1,5» слойной (однослойной с навесными шинами/перемычками). В более сложных случаях (запутанная схема, много источников питания, высокая плотность монтажа) проще воспользоваться двухслойной или «2,5» – слойной платой, то есть поставить дополнительные близко расположенные шины питаний/земли на плату, как это часто делалось на платах старых компьютеров и даже в хорошей бытовой технике. Если нет требований по жестким условиям эксплуатации и в схеме нет высокоомных или особо критичных к паразитным емкостям цепей, то в большинстве случаев сегодня наиболее практичным вариантом будет использование многослойной платы (особенно, если серия невелика).
Как уже говорилось, для подавления перекрестных помех по «земле» в низкочастотных устройствах цепи «земли» следует разделять на «сигнальные» (для разводки которых, как правило, используется правило «звезды», с использованием проводников обычной ширины) и «силовые» (которые лучше разводить «сеткой», широкими трассами – полигонами или выполнять в виде по возможности цельного слоя). Соединяют их в одной точке («мекке»), обычно около «земли» входного (иногда – выходного) разъема. В многоканальных устройствах можно сделать несколько «сигнальных» земель, свою для каждого канала.
В ВЧ устройствах есть своя специфика – там, как правило, нужна минимальная индуктивность именно «сигнальной» земли, однако «развязать» сигнальную и силовую земли практически невозможно (из-за сильной индуктивной связи), поэтому их, как правило, не разделяют, а объединяют в общий сплошной слой без сколько-нибудь больших разрезов.
Существует также изящный (но весьма трудоемкий) метод подавления помех по «земле» без явного разделения земель, особенно полезный при использовании двусторонних плат – максимальное сохранение цельного слоя «земли» на одной из сторон (т.е. фактически однослойная разводка схемы на другой стороне, с минимумом «перемычек»), тщательный анализ контуров протекания токов питания по этой земляной плоскости и нахождение эквипотенциальных точек, т.е. точек, разность потенциалов между которыми при протекании по «земле» токов в цепях питания/нагрузки остается близкой к нулю. Эти точки и используются в качестве выводов «сигнальной» земли. Вид контуров протекания токов при необходимости можно изменять, вводя дополнительные разрезы или наоборот, делая перемычки в возникших по условиям разводки разрезах земляного слоя.
Самое подробное изучение вопросов топологии/протекания токов и т.п. было выполнено при создании методик проектирования устройств, устойчивых к ЭМИ импульсу, возникающему при взрыве ядерных боеприпасов или ЭМИ-генераторов импульсного действия. К сожалению, публикации на эту тему разрознены, и к тому же часто до сих пор «под грифом». Одну из иллюстративных статей я отсканировал, но не могу сюда прикрутить – выбран лимит на число вложений.
О конструировании ПП. Необходимо сразу отметить, что иногда встречающийся прямолинейный подход – «чем больше слоев – тем лучше» – для чисто аналоговых (а частично и для цифровых) схем «не катит». Слишком много привходящих факторов.
Одно/двухслойные ПП на гетинаксе/стеклотекстолите без металлизации отверстий – в настоящее время адекватны только для очень простых устройств в большой (»10000) серии. Главные минусы – низкая надежность в жестких условиях эксплуатации (из-за отслоения контактных площадок/проводников при механических вибрациях и термоциклах, набора влаги/флюсов через стенки отверстий), а также сложность (и дороговизна) качественной разводки сколько-нибудь сложных схем. Плотность монтажа низкая (обычно не более 3…4 выводов на квадратный сантиметр общей площади платы). Достоинство – крайняя простота и дешевизна в производстве (при больших объемах и проектных нормах порядка 0.38 мм – менее $0.3/кв. дм) за счет отсутствия металлизации и возможности замены сверления отверстий их пробивкой.
Двухслойные ПП с металлизацией отверстий – наиболее надежны в жестких условиях эксплуатации, имеют самые лучшие «изоляционные» свойства, наименьшие паразитные емкости проводников. Могут быть изготовлены с наименьшей общей толщиной и с наиболее жесткими проектными нормами, наиболее прочны механически при равной толщине. Но организовывать сплошные слои земли/питания на них сложно, обычно удается сделать более-менее сплошным только один слой, как правило, «земли», и то при плотной разводке это требует немалых трудозатрат. Однако тот факт, что достаточно плотная (с шагом порядка сантиметра), даже не очень регулярная, решетка межсоединений «земли»/питаний по эффективному импедансу (паразитной индуктивности) мало уступает сплошному слою вплоть до частот порядка 60…100 мегагерц, позволяет обходиться двухслойными (наиболее надежными) платами при разработке достаточно сложных и плотно скомпонованных устройств (с плотностью выводов 10…12 и более на кв. см. общей площади платы). При грамотной разводке, естественно.
Главный минус двухслоек – трудоемкость (дороговизна) разработки действительно качественной топологии. Эквивалент платы, которая на 4-6 слоях разводится по типовым инструкциям студентом в течение нескольких часов (нередко в полуавтоматическом режиме), в двухслойном исполнении требует от нескольких дней работы квалифицированного специалиста. Внесение даже относительно небольших изменений в двухслойном варианте, в отличие от многослойного, может оказаться нетривиальным и потребовать почти полной переделки проекта. Поэтому применение двухслойных плат для сложных устройств оправданно в основном в двух случаях. Первый случай – обеспечение предельно высокой надежности и улучшение «аналоговых» характеристик платы (минимизация утечек, паразитных емкостей и т.п.). Второй случай – достаточно большой тираж устройства, когда разница в цене плат и уменьшение потерь на брак после сборки перекрывают рост стоимости разработки/доводки конструкции. Разница в цене 2 и 4…6-слойных печатных плат с проектными нормами 0.127 в промышленных количествах составляет всего $1.6…2 за кв. дм, брак многослоек хорошего качества после печной пайки порядка нескольких десятых долей процента, поэтому идея сэкономить, применив двухслойку, может сработать только при тираже от ~500…1000 штук. В мелкой же серии, как правило, проще и на круг дешевле сделать многослойку, несмотря на то, что «аналоговые» свойства (типа паразитных емкостей на единицу площади проводника и качества изоляции) из-за меньших толщин диэлектрика и ряда других причин у них существенно (в разы) хуже, чем у двухслойных плат. По этим причинам в настоящее время повышение коммутационных возможностей ПП стараются производить не столько за счет роста числа слоев свыше 4…6 (8), сколько путем ужесточения проектных норм – это снижает емкости проводников. Сегодняшний стандарт на ширину проводников и зазор между ними – 0.127…0.102 мм, уже не редкость и 0.076. Советские «0.3…0.25 мм» – для плат под обычные условия применения давно стали достоянием истории. Соответственно, двухслойная плата, но с проектными нормами 0.102…0.076 обычно позволяет обеспечить бОльшую плотность цепей, чем 4-слойная с проектными нормами 0.15…0.25. Причина далеко не пропорционального роста плотности разводки при увеличении числа слоев состоит в том, что контактные площадки переходных отверстий, диаметр которых намного больше ширины проводника, «рубят» каналы трассировки (одно отверстие мешает прокладке ~3 трасс в каждом из слоев). Использование многослойных плат становится технически необходимым в основном при создании сильно высокочастотных (» 200 МГц) и одновременно плотно скомпонованных цифровых и цифро-аналоговых устройств (чисто аналоговые, типа радиочастотных усилителей/модуляторов/детекторов, прекрасно живут и на двух слоях) или при применении микросхем с высокой плотностью выводов (особенно в корпусах BGA).
Основная проблема многослоек, кроме худших параметров изоляции – значительно худшая долговременная надежность контактов к внутренним слоям в жестких условиях эксплуатации (вибрации, механические нагрузки, термоциклирование), особенно когда это отверстия для впайки механически нагруженных штыревых компонентов (например, разъемов). Электротест тут не очень помогает, т.к. выявить все платы с потенциально ненадежными переходными отверстиями сразу после изготовления (и забраковать) практически невозможно. Вызвано это тем, что контакт к внутренним слоям в подавляющем большинстве случаев осуществляется только по тонкому (обычно не более 35 мкм, сейчас чаще 18 мкм) торцу фольги в отверстии. Разница в температурных коэффициентах расширения и модуля Юнга диэлектрика и меди при вибрациях и термоциклировании приводят к образованию отслоений/срезов металлизации. В «мягких» условиях это сказывается меньше, однако деградация плат в эксплуатации остается одной из основных причин отказов, к примеру, материнских плат ноутбуков. Причина разницы в надежности соединений с внешними и внутренними слоями в том, что при металлизации отверстий в производстве плат, металлом покрываются не только стенки отверстий, но и дорожки на внешних слоях, образуя своего рода «пустотелую заклепку». Именно поэтому в жестких условиях эксплуатации двухслойка оказывается гораздо надежнее многослоек – даже отслоение металлизации от стенок отверстий не ведет к нарушению контактов. Существует технология изготовления многослоек склейкой уже просверленных и металлизированных двухслойных заготовок, когда переходы между парными слоями столь же надежны, как и в двухслойках, и при этом не занимают места на остальных слоях. Но такая технология дорога, сильнее подвержена ошибкам совмещения слоев и не очень проста в разводке, поэтому используется редко. Большинство многослойных плат в мире производится с только сквозными отверстиями (плюс иногда микровиа, см. ниже). Ранее (до широкого распространения технологии microvia) было также популярно применение «глухих» отверстий, когда отверстие в плате сверлится не насквозь, а только на небольшую глубину – для формирования переходов с наружных на один-два нижележащих слоя. Для повышения надежности контакта к внутренним слоям, кстати, часто перед металлизацией специально травят диэлектрик (растравливают отверстия), чтобы фольга внутренних слоев слегка выступила внутрь отверстия и лучше покрывалась при металлизации (при применении такой технологии внутри металлизированных отверстий видны небольшие сужения в местах выхода фольги внутреннего слоя). В сочетании с дублированием отверстий это позволяет гарантировать достаточную для критических приложений надежность контактов. Существуют и «эксклюзивные» варианты, к примеру, мне однажды пришлось делать 18-слойную ПП (точнее, многокристальный модуль) общей толщиной 2.6 мм с несколькими видами диэлектриков, проектными нормами проводник/зазор в одном из слоев вплоть до 0.038 мм, скрытыми микропереходами и диаметром сквозных переходных отверстий менее 0.1 мм. Однако надежность этих плат по термоциклированию оказалась существенно ниже (чего изготовитель и не скрывал), а стоимость и сроки поставки – много выше, чем для типовых решений. Практически при разводке многослойных плат внутренние слои желательно отдавать под цепи земли/питания, разводя сигнальные проводники на внешних слоях, а также по возможности дублировать переходные отверстия, ведущие на внутренние слои, тем более что это снижает паразитную индуктивность цепей земли/питания. Естественно, надежность контакта в любых переходных отверстиях можно повысить путем их дублирования при разработке топологии, для ответственных цепей это иногда даже прямо предписывается правилами проектирования.
Требования по повышению плотности монтажа при сохранении надежности в производстве BGA корпусов и портативной техники привели к разработке технологии микропереходов (microvia), когда кроме обычных (сквозных) переходных отверстий на плате с одной или обоих сторон формируются (обычно лазером) глухие отверстия-переходы на нижележащий слой, металлизируемые в одном цикле с металлизацией сквозных отверстий. Размер контактной площадки под такой переход (0.2…0.35 мм) гораздо меньше, чем под сквозное или «глухое» отверстие, и не нарушается трассировка в остальных слоях. К тому же в ряде случаев microvia может быть размещен прямо на контактной площадке SMD элемента без риска ухода заметной части припоя в отверстие ввиду его малого размера и глубины (не более 0.1…0.15 мм). Это очень сильно повышает плотность разводки, т.к. обычные переходные отверстия на площадках SMD элементов размещать, как правило, нельзя (или приходится применять т.н. «забивку» или закрытие отверстий медью, что сложно и дорого). Microvia можно также сформировать и во внутренних слоях, но это существенно сложнее и дороже в производстве.
Несколько слов про толщину меди и покрытия плат. Основная часть плат делается на материалах с толщиной фольги 35, 18 и 9 мкм, при этом во время металлизации отверстий на наружных слоях наращивается еще по 15-25 мкм меди (в отверстиях должно быть ~ 20 мкм). Платы с проектными нормами 0.127 и менее часто делаются на материале с толщиной фольги ~9 мкм (чем тоньше фольга, тем меньше искажение формы рисунка из-за бокового подтрава проводников). Беспокоиться о «малости сечения меди» не стоит, т.к. печатные проводники ввиду хорошего охлаждения допускают гораздо бОльшие плотности тока (~100 А/кв.мм), чем монтажный провод (3…10 А/кв. мм). Итоговая толщина во внешних слоях за счет осаждения меди при металлизации отверстий, естественно, оказывается больше, чем у исходной фольги. Cопротивление плоских проводников зависит от их геометрии в плане по простому закону: сопротивление квадрата х число квадратов. Сопротивление квадрата не зависит от его абсолютного размера, а только от толщины и проводимости материала. То есть, сопротивление проводника шириной 0,25 мм и длиной 10 мм (т.е. 40 квадратов) такое же, как при ширине 2,5 и длине 100. Для медной фольги 35 мкм это около 0,0005 Ом/квадрат. На промышленных платах при металлизации отверстий на фольгу наращивается дополнительный слой меди, так что сопротивление квадрата падает еще процентов на 20 по сравнению с приведенным выше. Облуживание же, даже «жирное», мало влияет на сопротивление, его цель – повысить теплоемкость проводников, чтобы они не сгорали от кратковременного ударного тока. Применяя коррекцию фотошаблонов (т.е. вводя поправки на подтравы) и анизотропное травление, изготовителям удается обеспечить производство плат с толщиной исходной фольги до 30-40% от проектных норм, т.е. при использовании самой толстой фольги 105 мкм (а с учетом осаждения меди – где-то 125-130 мкм) проектные нормы могут быть только от 0.3…0.35 мм.
Более существенным ограничением для силовых схем является то, что допустимый ток, пропускаемый через переходное отверстие, зависит в основном от его диаметра, так как толщина металлизации в нем невелика (15…25 мкм) и, как правило, не зависит от толщины фольги. Для отверстия диаметром 0.5 мм при толщине платы 1.5 мм допустимый среднеквадратичный ток порядка 0.4 А, для 1 мм – примерно 0.75 А. При необходимости пропустить по переходным отверстиям бОльший ток рациональным решением будет использование не одного большого, а набора мелких переходных отверстий, особенно при их плотном размещении в «шахматном» или «сотовом» порядке – в вершинах сетки из ромбов или шестиугольников. Дублирование переходных отверстий также дает выигрыш в надежности, поэтому часто применяется и в критических цепях (в том числе сигнальных) при разработке аппаратуры для особо ответственных применений (например, систем жизнеобеспечения).
Покрытия проводников плат бывают изолирующие и/или защитные. «Паяльная маска» – это защитное изолирующее покрытие, в котором сформированы окна в местах контактных площадок. Проводники могут быть оставлены медными, или покрыты слоем металла, защищающего их от коррозии (оловом/припоем, никелем, золотом и пр.). Каждый вид покрытия имеет достоинства и недостатки. Покрытия бывают тонкослойные, толщиной в доли микрона (как правило, химические), и толстослойные (гальванические, горячее лужение). Паяльную маску лучше всего наносить на голую медь или тонкослойное покрытие, при ее нанесении на луженые дорожки она держится хуже и при пайке проявляется капиллярный эффект – затекание припоя/отрывы маски. Золотое покрытие бывает обоих видов, химическое (тонкое) и гальваническое (требующее для своего выполнения электрического соединения проводников, например, на разъеме). В крупносерийном производстве также популярен вариант покрытия чисто медных (нелуженых) контактных площадок плат флюсоподобным лаком (organic coating, OSP). Выбор вида покрытия зависит от технологии монтажа и типа деталей. Для ручного монтажа (и автоматического при деталях типоразмера от 0805 и крупнее) в подавляющем большинстве случаев оптимальный вариант – горячее лужение площадок (HASL) с маской по меди. Для более мелких деталей и автоматического монтажа, если нет требований по особо малым утечкам на плате, один из лучших вариантов – химическое (иммерсионное) золото (Flash Gold) или иммерсионное олово. Химзолото стоит в нормальном мире очень дешево, практически столько же, сколько горячее лужение, и при этом обеспечивает идеально ровные посадочные места для элементов, без бугорков припоя. Однако при изготовлении плат в РФ зачастую лучше заказывать покрытие не иммерсионным золотом, а иммерсионным оловом или серебром – их растворы не так экономят. При пайке плат с тонкими покрытиями, в том числе Flash Gold, их надо паять быстро и/или заливать нейтральным флюсом во избежание окисления меди через поры покрытия, а при автоматической пайке – желательно еще и использовать среду нейтрального газа (азот, фреон).
Ниже приложена наиболее доходчивая (на мой взгляд) литература по данному вопросу, а также пример двухслойной компьютерной платы разработанного мной около 10 лет измерителя микропрофилей (профилометра), в которой меры по обеспечению качества топологии применены без фанатизма, только частично. Однако и этого оказалось достаточно, чтобы безо всяких экранировок, в работающем ПК с его помехами (и собственной силовой частью – управлением коллекторным двигателем) обеспечить разрешение в несколько атомов, многократно превзойдя требования ТЗ (использованные ОУ – всего лишь TL084/LM324). Прибор выпускался до самого последнего времени и был единственным в РФ профилометром 1 класса точности.
Сергей Агеев ака sia_2
Основы разводки печатных плат | Все своими руками
Начало
Проиллюстрируем сказанное в предыдущей части статьи несколькими примерами.
Пример 1
На рис. 6 представлена схема кварцевого генератора микроконтроллера.
Основу генератора составляет инвертирующий усилитель, встроенный в микроконтроллер. Режим работы по постоянному току задается встроенным высокоомным резистором, включенным между входом и выходом этого усилителя. Для корректной работы генератора дополнительно к внешнему кварцевому резонатору ZQ1 требуются два конденсатора малой емкости — С1 и С2. Конденсаторы и минус питания микропроцессора подключены к внутреннему общему проводу устройства. Точки подключения конденсаторов и микроконтроллера к общему проводу печатной платы играют существенную роль. Малейший перекос напряжений общего провода между С1 и V SS , возникающий при прохождении НП по общему проводу устройства, будет многократно усилен и попадет внутрь микроконтроллера как короткий ложный тактовый импульс.
Поскольку длительность ложного тактового импульса намного меньше, чем длительность «настоящих», внутренняя логика микропроцессора может перейти в непредсказуемое состояние. Микропроцессор «зависнет», и не всякий встроенный сторожевой таймер сможет его сбросить, так как в некоторых микроконтроллерах сторожевые таймеры тактируются от общего генератора и сами могут «зависнуть» после воздействия такой помехи. На рис. 7 показаны примеры разводки этого узла на печатной плате. Фрагмент слева разведен обычным образом в предположении, что общий провод печатной платы эквипотенциален.
Конденсаторы С1 и С2 подключены к нему точно также, как и все остальные элементы, толщина проводников общего провода выбрана большой. Такая разводка встречается часто, но она не обеспечивает высокой помехоустойчивости. Фрагмент справа разведен таким образом, чтобы ток помех не протекал по дорожке, соединяющей конденсаторы С1 и С2 с выводом минуса питания микроконтроллера. Эта дорожка образует участок «чистого» общего провода. Помехоустойчивость микропроцессорного устройства с такой разводкой максимальная.
Пример 2
Вход сброса микроконтроллера является еще одной цепью, подверженной влиянию наносекундных помех.
Нередко разработчики игнорируют этот очевидный факт и используют разветвленную цепь сброса, непосредственно подключенную к различным узлам на плате. Перекос общего провода между источником сигнала сброса (часто это супервизор питания) и микроконтроллером вызывает ложный сброс устройства. Схемотехнически решить эту проблему нетрудно, достаточно на вход микроконтроллера добавить простую RC-цепочку, как показано на рис. 8.
Однако такое решение должно сопровождаться и правильной разводкой «холодного» вывода конденсатора С3, иначе никакой пользы оно не принесет. Требования к разводке проводника, соединяющего С3 с минусовым выводом микроконтроллера такие же, как для первого примера: никакие другие детали, кроме С3, к этому проводнику подключать нельзя. Исключение составляют только конденсаторы кварцевого генератора (С1 и С2 на рис. 6).
Пример 3
Обеспечить высокую помехоустойчивость устройства можно на этапе общей компоновки. Типичная плата устройства, при компоновке которой вопросы помехоустойчивости не были приняты во внимание, показана на рис. 9.
Для подключения внешних сигналов и питания в нем использованы все четыре кромки печатной платы. Микропроцессор расположен почти в центре печатной платы, т. е. в месте максимально подверженном влиянию наносекундных помех. В случае использования сплошного общего провода очень вероятно, что такое устройство будет сбиваться. Не меняя компоновки существенного улучшения помехоустойчивости в таком устройстве можно достичь, если разделить общий провод на «чистую» и «грязную» части, как условно показано на рис. 9. Наружный контур является «грязной» частью, он специально предназначен для распространения наносекундных помех. К «грязной» части нельзя подключать устройства, чувствительные к помехам. Внутренний «полуостров» «чистой» части соединен с «грязной» частью в одной точке. Во все сигнальные линии, проходящие между «чистой» и «грязной» частями, необходимо добавить резисторы или дроссели, чтобы преградить путь НП (барьеры).Дальнейшее улучшение помехоустойчивости достигается перекомпоновкой устройства, как показано на рис. 10. Видно, что все терминалы сосредоточены с одной «грязной» стороны платы. Тем самым путь распространения помех по общему проводу платы значительно сокращен.
Барьеры.
После того как внутренний общий провод устройства разделен на «чистые» и «грязные» части, возникает вопрос — как предотвратить проникновение помех из «грязной» части в «чистую»? Например, в устройстве на рис. 5 узел 2 подключен к «чистой» части, но он обменивается сигналами с узлом 3, который подвержен влиянию помех. В приведенном выше примере 3 было упомянуто, что сигнальные цепи, соединяющие узлы на «чистой» и «грязной» частях, должны содержать барьеры для помех — резисторы или дроссели. Практика показывает, что повсеместное использование барьеров обычно повышает помехоустойчивость устройства в несколько раз.
Пример 4
Рассмотрим микроконтроллер, управляющий мощной нагрузкой при помощи реле через биполярный транзистор (рис. 11).
Контакты реле являются источником наносекундных помех. Кроме того, внешние помехи достаточно легко проходят «сквозь» реле за счет его паразитной проходной емкости и емкостей монтажа. Вместе с тем ни реле, ни транзистор VT1 сами по себе влиянию НП не подвержены. Минусовый вывод микроконтроллера V SS подключен к «чистой» части общего провода, эмиттер транзистора VT1 — к «грязной». Резистор R1 помимо своей основной функции выполняет роль барьера, препятствующего распространению помех из «грязной» части в «чистую». Проходная емкость резистора, как правило, мала, порядка 0,2…0,3 пФ, поэтому резистор создает достаточно эффективный барьер для НП. В особо тяжелых случаях для уменьшения проходной емкости можно включать по два-три резистора последовательно. Если бы вместо биполярного использовался полевой транзистор, то R1 пришлось бы поставить именно в качестве барьера, хотя для функционирования схемы он был бы не нужен.
Пример 5
Другой типичный пример — подключение оптронов к микроконтроллеру. На рис. 12 представлен фрагмент входной и выходной оптронной развязки.
Эмиттер входного оптрона U1 подключен к «грязной» части общего провода, так как за счет проходной емкости в 0,5 пФ оптрон полупрозрачен для НП. Сам низкоскоростной оптрон достаточно безразличен к НП, но надо заметить, что оптроны с подключенным выводом базы фототранзистора иногда «ловят помеху», поэтому предпочтительней использовать оптроны без вывода базы. Резистор R1 может быть подключен как к «грязному», так и к «чистому» выводам питания, поскольку сам резистор является барьером, препятствующим прохождению НП на «чистое» питание. Резистор R2 сопротивлением 1…100 кОм служит барьером для помех между оптроном и микроконтроллером. Конденсатор С1 не является обязательным элементом, однако его наличие дополнительно улучшает помехоустойчивость, так как уменьшает ток помех, протекающий по выводу V SS микроконтроллера. Конденсатор С1 и микроконтроллер подключены к «чистой» части общего провода. Анод светодиода выходного оптрона U2 подключен к «грязному» питанию +5 В. Токозадающий резистор R3 одновременно служит барьером для помех. В особо тяжелой помеховой обстановке полезно зашунтировать светодиод оптрона конденсатором 1…10 нФ или хотя бы резистором. В случае, когда невозможно или неудобно подключать оптрон к «грязному» питанию, можно разделить токозадающий резистор на два, как это показано для оптрона U3. Резистор R5 служит барьером для помех между оптроном и «чистой» шиной питания +5 В.
ЕМКОСТНЫЕ СВЯЗИ
Часть тока помех на рис. 1 протекает через емкость связи С Х. Вспомним, что при испытании устройства на помехоустойчивость оно должно находиться на изолирующей подставке на высоте 100 мм над сплошной заземленной поверхностью. Иногда одной только емкости связи с землей бывает достаточно для сбоя устройства. Разделение общего провода на «чистую» и «грязную» части само по себе не уменьшает суммарную величину емкостной связи. Соотношение емкостей связи для «чистой» и «грязной» частей соответствует отношению их площадей. Вполне очевидными методами борьбы с емкостными связями являются перераспределение частей общего провода, уменьшение площадей проводников и частичное экранирование.
Обратите внимание на положение микропроцессора на рис. 10. Он расположен в углу платы, поэтому за счет емкостной связи сквозь него будет течь сравнительно небольшой ток. На рис. 9 он расположен иначе.
Большой полигон «чистой» части общего провода справа от него имеет значительную емкостную связь с истинной землей, поэтому вероятность сбоя будет намного больше.
Пример 6
На рис. 13 показаны два варианта разводки площадки общего провода под микроконтроллером. Вместо кварцевого резонатора и конденсаторов используется трехвыводной керамический резонатор для монтажа на поверхность Х1.
Разводка выполнена для гипотетического «правильного» микроконтроллера, разработчики которого позаботились о помехоустойчивости и расположили общий вывод между выводами генератора. Это не утопия, микроконтроллеры семейства M16C фирмы Renesas, которые являются одними из самых помехоустойчивых 16-битных микроконтроллеров, действительно имеют подобное расположение выводов. Неиспользованные выводы микроконтроллера подключены к внутренней площадке общего провода. На рис. 13 слева эта площадка соединена с «чистой» частью общего провода
платы несколькими переходными отверстиями. За счет этого устройство оказывается не помехоустойчивым. Ток помехи, протекающий по «чистой» части и уходящий в истинную землю через емкостную связь, создает градиент напряжения («перекос»). Переходные отверстия передают этот перекос на площадку под микроконтроллером. Ток помехи частично протекает через выводы микроконтроллера, подключенные к площадке, что может вызвать сбой. На рис. 13 справа площадка под микроконтроллером соединена с «чистой» частью в одной точке рядом с общим выводом микроконтроллера. Помехоустойчивость устройства максимальна, так как «чистая» часть на противоположной стороне платы при этом становится разновидностью экрана, защищающего «сверхчистую» площадку под микроконтроллером.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ПОМЕХИ
Помимо внешних источников наносекундных помех различные узлы внутри устройства сами могут генерировать взаимные помехи. Современные цифровые микросхемы, особенно БИС, тоже являются
источниками НП. В момент переключения сотни и тысячи транзисторов внутри БИС меняют свои состояния, в результате сотни и тысячи паразитных емкостей перезаряжаются (например, емкости затворов в микросхемах КМОП). В результате через выводы общего провода и питания микросхем протекают импульсные токи наносекундной и субнаносекундной длительности и большой амплитуды. Распространяясь по шинам общего провода и питания платы эти токи несколько ухудшают суммарную помехоустойчивость устройства, но сами по себе, как правило, причиной сбоев не являются. Для уменьшения вредного влияния этих токов в цепи питания рядом с микросхемами ставят керамические развязывающие конденсаторы. Конденсаторы должны устанавливаться как можно ближе к выводам общего провода и питания, чтобы уменьшить размер контура, по которому циркулируют токи перезарядки.
Сказанное является прописной истиной. Тем не менее, достаточно часто приходится слышать такие высказывания: «мое устройство сбивается, я поставил больше конденсаторов в цепи питания, а оно все равно сбивается». Складывается впечатление, что некоторые разработчики считают, будто развязывающие конденсаторы ставятся для защиты от внешних помех. Это, конечно, заблуждение. Вследствие такого заблуждения иногда встречаются платы, где развязывающие конденсаторы стоят вдалеке от микросхем, хотя ничто не мешало поставить их гораздо ближе к выводам питания. Особого рассмотрения заслуживает микросхема супервизора питания. Как известно, срабатывает она нечасто, так что наносекундных помех практически не создает. Однако она сама подвержена влиянию НП, поэтому вблизи супервизора питания необходимо ставить керамический развязывающий конденсатор. Это редкий
случай, когда такой конденсатор и в самом деле является фильтром для внешних помех.
Алексей Кузнецов, г. Аделаида, Австралия
ЛИТЕРАТУРА:
1. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. ГОСТ Р 51317.4.4-99.
2. Устойчивость к электростатическим разрядам. ГОСТ Р 51317.4.2-99.
3. Методы проектирования аппаратного обеспечения. http://www.analog.com.ru/Public/10.pdf.
4. The Keith Armstrong Portfolio. http://www.compliance-club.com/KeithArmstrongPortfolio.htm.
5. SZZA009: PCB Design Guidelines For Reduced EMI. http://www-s.ti.com/sc/psheets/szza009/szza009.pdf.
6. SDYA011: Printed Circuit Board Layout for Improved Electromagnetic Compatibility. http://www-s.ti.com/sc/
psheets/sdya011/sdya011.pdf.
7. SCEA018: Comparison of Electromagnetic Interference Potential of Integrated Logic Circuits AVC, GTLP,
BTL and LVDS. http://www-s.ti.com/sc/psheets/scea018/scea018.pdf.
8. SLLA057: A Survey of Common-Mode Noise. http://www-s.ti.com/sc/psheets/slla057/slla057.pdf.
9. ANM085: EMC Improvement Guidelines. http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc3ae68a605a252.pdf.
10. AVR040: EMC Design Considerations. http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1619.pdf.
11. AN1050: Designing for Electromagnetic Compatibility (EMC) with HCMOS Microcontrollers. http://e-
www.motorola.com/brdata/PDFDB/docs/AN1050.pdf.
11. AP2426: EMC Design Guideline for Microcontroller Board Layout. http://www.
infineon.com/cmc_upload/0/000/011/171/ap242602_EMC_DesignGuideline.pdf.
Обсудить эту статью на – форуме “Радиоэлектроника, вопросы и ответы”.
Просмотров:2 329
Требования к проектированию печатных плат
Технологическая инструкция
Предисловие
Настоящая инструкция устанавливает требования к печатным платам, предназначенным для автоматического монтажа поверхностно-монтируемых компонентов, которые должны быть соблюдены при их проектировании и изготовлении.
Конструирование печатных плат производится в специализированных программах автоматизированного проектирования, наиболее известная P-CAD.
Для заказа печатных плат изготовителю файл платы в формате P-CAD переводится в формат Gerber, принимаемый большинством изготовителей как входной формат, управляющий технологическим оборудованием: сверлильными станками, фотоплоттерами, станками для скрайбирования и т. п.
1 Область применения
Настоящая инструкция применяется специалистами отдела главного конструктора и бюро подготовки производства и технологий цеха при проектировании конструкции печатной платы изделия и мультиплицировании печатной платы для автоматического монтажа поверхностно-монтируемых компонентов на линиях поверхностного монтажа.
Ответственность за выполнение требований настоящей инструкции при проектировании единичных плат несет главный конструктор, мультимодульных плат — начальник цеха.
2 Нормативные ссылки
При проектировании топологии печатных плат необходимо руководствоваться требованиями и рекомендациями следующих национальных стандартов Российской Федерации и международных стандартов IPC:
- ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия»
- ГОСТ Р53429-2009 « Платы печатные. Основные параметры конструкции»
- ТРС-2221 «Generic Standard on Printed Board Design» — Общий стандарт по проектированию печатных плат
- ТРС-2222 « Sectional Standard on Rigid Organic Printed Boards» — Стандарт по конструированию жестких печатных плат на органической основе»
- ТРС-2224 «Sectional Standard of Design of PWB for PC Cards» — Стандарт по конструированию печатных плат формата РС Card
- IPC-7351A «Land Pattern Naming Convention Notes» — Общие требования по конструированию контактных площадок печатных плат c применением технологии поверхностного монтажа
- lPC-SM-782A «Surface Mount Design and Land Pattern Standard» Руководство по проектированию плат и контактных площадок для поверхностного монтажа.
- ОСТ 4.42.02-93 «Сборочно-монтажное произвщство радиоэлектронных средств. Требования технологические к конструкциям печатных узлов для автоматизированной сборки»
3 Термины и определения
- Топология печатной платы — это рисунок проводящего слоя печатной платы.
- Скрайбирование — v-scoring — нанесение линейных надрезов заданной глубины на поверхность технологической заготовки c обеих сторон, c целью упрощения производства печатных плат и облегчения последующего разделения мультимодульной платы на единичные.
- Мультимодульная печатная плата — групповая заготовка единичных печатных плат, разделенных между собой скрайбами или фрезерованными пазами.
- Панель — мультимодульная плата прямоугольной или квадратной формы.
- Datasheet — спецификация технических характеристик электронного компонента.
4 Обозначения и сокращения
- IPC — The Institute for Interconnecting fnd Packaging Electronic Circuits международная ассоциация компаний — производителей электроники. Область деятельности: конструирование, производство, стандартизация, сертификация в электронной отрасли промышленности.
- SMD — компонент — Surface Mount Device — компонент, монтируемый на поверхность печатной платы
- ПП — печатная плата
- КД — конструкторская документация
- КП — контактная площадка
5 Требования и рекомендации к проекту печатной платы
5.1 Специальные требования к образам ЭМО-компонентов в программах разводки топологии печатных плат:
Все образы ЭМО-компонентов должны иметь точку привязки для автоматического монтажа (Pick and Place). Данная точка вводится по центру тяжести элемента в редакторе корпусов компонентов (P-CAD Pattern Editor) по команде Place — Pick Point. При этом точки привязки для автоматического монтажа (Pick Point) и привязки компонента (Ref Point) могут не совпадать.
Образы ЗМО-компонентов должны иметь соответствующие действительности значения атрибутов Туре, Value, Ref Des.
5.2 Требования к отверстиям:
Диаметры монтажных, переходных металлизированных и неметаллизированных отверстий должны быть выбраны из ряда, указанного в разделе 5.3
ГОСТ Р 53429-2009. Предельные отклонения диаметра отверстия в зависимости от класса точности печатной платы должны быть выбраны из таблицы 1.
Диаметры переходных отверстий должны выбираться, основываясь на толщине платы и минимальном диаметре металлизированного отверстия. При выборе диаметра отверстия необходимо учитывать толщину слоя основной металлизации и финишного покрытия.
Рекомендуемое расположение переходных отверстий и контактных площадок (Рис. 1):
Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 2
Продолжаем публиковать цикл статей об основах проектирования печатных плат для высокоскоростных интерфейсов.
Трассировка изгибов печатных дорожек
При трассировке высокоскоростных сигналов количество изгибов печатных дорожек должно быть сведено к минимуму. При необходимости следует выполнять изгибы под углом 135°, а не 90° (рис. 1).
Рис. 1. При выполнении трассировки следует выполнять изгибы под углом 135°, а не 90°
При работе с высокоскоростными интерфейсами часто требуется выравнивание длин проводников. Для этой цели применяют трассировку в виде меандра (рис. 2). Необходимо, чтобы расстояние между проводниками меандра было как минимум в 4 раза больше ширины дорожки, а длина перпендикулярных частей меандра должна быть в 1,5 раза больше ширины дорожки. Во многих САПР эти условия не контролируются автоматическими инструментами проверки платы (DRC), так как трассы являются частью одной и той же сети.
Рис. 2. При выполнении трассировки необходимо контролировать шаг и параметры сегментов меандра
Трассировка высокоскоростных линий
Нельзя располагать проводники высокоскоростных линий вплотную друг к другу, так как это неизбежно приводит к возникновению перекрестных помех (речь идет об отдельных проводниках, а не о дифференциальных парах!). Уровень перекрестных помех зависит от расстояния между трассами и длины участка, на котором они проходят в непосредственной близости друг от друга. Иногда на плате встречаются узкие места, которые вынуждают разработчиков размещать дорожки слишком близко. Необходимо сократить количество и минимизировать протяженность таких участков, а за их пределами – увеличить расстояние между проводниками (рис. 3). Если свободное пространство позволит, то следует разнести проводники высокоскоростных линий (а также проводники высокоскоростных и низкоскоростных линий) как можно дальше.
Рис. 3. Для минимизации перекрестных помех необходимо максимально разносить проводники высокоскоростных линий
Трассировка отводов
Длинные отводы от основной дорожки могут действовать как антенны и, следовательно, приводить к проблемам, связанным с электромагнитной совместимостью (ЭМС). Кроме того, отводы создают отражения, которые отрицательно влияют на целостность сигналов. Такие проводники обычно используются для подключения подтягивающих резисторов. Если возникает необходимость в подобной подтяжке, то следует вместо отводов использовать одну дорожку, которая будет последовательно соединять все резисторы (рис. 4).
Рис. 4. Вместо отводов большой длины стоит использовать одну дорожку, которая будет последовательно соединять компоненты
Как правило, отводы с длиной более 0,1 от длины волны следует рассматривать как потенциальную проблему. Формула 2 – это пример расчета максимальной длины отвода для сигналов Gen3 PCIe:
Переходные отверстия также могут выступать в качестве отводов. Например, на плате с шестью слоями, когда сигнал переходит со слоя 1 на слой 3, сквозное переходное отверстие создает отвод, который тянется от слоя 3 до слоя 6. Эту проблему можно решить с помощью несквозных (слепых) переходных отверстий. Однако технология слепых переходных отверстий является довольно дорогостоящей и поддерживается далеко не всеми производителями печатных плат. По этой причине очень часто единственным решением становится минимизация числа переходов для высокоскоростных линий.
Вырезы на слое земли под крупными контактами площадками
Импеданс печатного проводника зависит от его ширины и расстояния до опорной плоскости земли. Широкий проводник имеет более низкий импеданс, чем тонкий проводник той же длины. Аналогичные выводы справедливы для соединительных разъемов и контактных площадок. Импеданс контактной площадки будет значительно меньше, чем у подключенной к ней дорожки. Это различие в импедансе может вызвать отражения, что негативно скажется на целостности сигнала. Следовательно, под разъемами и массивными контактными площадками необходимо выполнять вырез в металлизации опорного слоя земли, вместо него активную плоскость земли необходимо располагать на другом слое (рис. 5). При этом основной и дополнительный опорные слои следует объединять с помощью переходных отверстий.
Рис. 5. Под крупной контактной площадкой необходимо делать вырез в металлизации слоя земли
Переходные отверстия являются еще одной причиной неоднородности импеданса. Чтобы свести к минимуму негативный эффект, необходимо удалить неиспользуемую металлизацию переходных отверстий на внутренних слоях (рис. 6). Это можно сделать на этапе проектирования печатной платы средствами САПР, если такая функция поддерживается, либо попросить об этом производителя печатной платы.
Рис. 6. Неиспользуемая металлизация переходных отверстий должна быть удалена
Трассировка дифференциальных линий
Проводники высокоскоростных дифференциальных пар необходимо располагать параллельно на определенном постоянном расстоянии друг от друга. Это расстояние выбирается исходя из величины требуемого импеданса. Дифференциальные проводники должны быть симметричными. При их трассировке следует минимизировать число различных неоднородностей (рис. 7).
Рис. 7. Проводники высокоскоростных дифференциальных пар должны быть симметричными и параллельными
Не допускается размещение каких-либо компонентов или переходных отверстий между проводниками дифференциальных пар, даже если сами проводники остаются параллельными и симметричными (рис. 8). Компоненты и переходные отверстия между дифференциальными проводниками могут приводить к проблемам с ЭМС и создавать неоднородности импеданса.
Рис. 8. Между дифференциальными парами нельзя размещать компоненты или переходные отверстия
Некоторые высокоскоростные дифференциальные интерфейсы требуют последовательных разделительных конденсаторов. Необходимо размещать такие конденсаторы симметрично (рис. 9). Конденсаторы и их контактные площадки создают неоднородности импеданса. При необходимости следует применять малогабаритные корпуса 0402. Использование корпусов 0603 также иногда допустимо. Более крупные корпуса, например, 0805 или C-pack, применять не рекомендуется.
Рис. 9. Необходимо размещать разделительные конденсаторы симметрично
Переходные отверстия создают существенную неоднородность импеданса дифференциальных линий. Необходимо отказаться от межслойных переходов или хотя бы минимизировать их количество. Переходные отверстия следует размещать симметрично (рис. 10).
Рис. 10. Переходные отверстия следует размещать симметрично
Для согласования импеданса необходимо, чтобы проводники дифференциальной линии располагались на одном слое и имели одинаковое число переходов (рис. 11).
Рис. 11. Проводники дифференциальной линии должны располагаться на одном слое и иметь равное число переходов
Согласование длин проводников
Высокоскоростные интерфейсы предъявляют жесткие требования к временным задержкам сигналов. Это особенно критично для высокочастотных параллельных шин, в которых все сигналы должны приходить практически одновременно, чтобы соответствовать требованиям ко времени установки и удержания приемника. Проектировщик печатной платы должен убедиться, что эти требования выполняются. Для этого необходимо согласовать длину проводников. Для расчета максимальной разности длин дорожек следует оценить скорость распространения сигналов на печатной плате. Расчет скорости можно производить по формуле 3:
где с – скорость света в вакууме, εr – относительная диэлектрическая проницаемость материала между дорожкой и опорной плоскостью.
Относительная диэлектрическая проницаемость FR-4, – традиционного материала печатных плат, – составляет около 4,5, в то время как для воздуха этот показатель составляет 1. Электромагнитное взаимодействие между микрополосковыми линиями на внешних слоях печатной платы и опорной плоскостью также происходит по воздуху и маске припоя. Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость обоих материалов ниже, чем у FR-4, то сигналы быстрее распространяются по полосковым линиям, расположенным на внутренних слоях. Как правило, скорость распространения сигналов на печатной плате составляет примерно половину от скорости света в вакууме, то есть около 150 мкм/пс.
Согласование времен задержек сигналов высокочастотных дифференциальных линий должно быть очень жестким. Поэтому различия в длине проводников необходимо устранить, например, с помощью трассировки в виде меандра. Геометрия таких участков должна быть тщательно подобрана, чтобы уменьшить неоднородность импеданса. На рисунке 12 показан пример трассировки меандра.
Рис. 12. Предпочтительная геометрия меандра
Меандр необходимо помещать рядом с точкой, где начинается рассогласование длин проводников дифференциальной пары (рис. 13). Это гарантирует, что положительная и отрицательная составляющие сигнала будут распространяться синхронно большую часть пути.
Рис. 13. Добавление корректирующего меандра в точку, где начинается рассогласования длин проводников
Изгибы являются типичной причиной рассогласования длин. Как было сказано выше, компенсацию в виде участка меандра следует располагать рядом с изгибом, на расстоянии не более 15 мм (рис. 14).
Рис. 14. Согласование длин проводников рядом с изгибом дорожек
Иногда два последовательных изгиба компенсируют друг друга. Например, дополнительное согласование длин не требуется, если изгибы удалены друг от друга менее чем на 15 мм (рисунок 15). Как было сказано выше, сигналы не должны распространяться асинхронно на расстояние более 15 мм.
Рис. 15. Изгибы проводников могут компенсировать друг друга
Проводники дифференциальной пары могут быть разделены на сегменты разъемами, разделительными конденсаторами или переходными отверстиями. Каждый такой сегмент должен быть согласован индивидуально. На рис. 16 представлен пример с двумя изгибами, которые могли бы компенсировать друг друга, но, поскольку между ними есть переходные отверстия, каждый изгиб нужно компенсировать по отдельности. Это гарантирует синхронное распространение положительных и отрицательных сигналов через переходные отверстия. Выполнение данного правила обычно приходится проверять вручную, поскольку автоматизированная система проверки ошибок (DRC) в большинстве САПР контролирует только разницу полной длины проводников.
Рис. 16. Разница в длине должна компенсироваться на каждом отдельном участке
Как было сказано выше, скорость сигналов отличается для разных слоев. Поскольку получаемую разницу трудно учесть и скомпенсировать, рекомендуется располагать проводники, требующие согласования, на одном слое. Например, LVDS-интерфейс требует жесткого согласования проводников дифференциальных пар данных и проводников дифференциального тактового сигнала. Поэтому настоятельно рекомендуется трассировать эти проводники в одном слое (рис. 17).
Рис. 17. Дифференциальные сигналы одного и того же интерфейса должны проходить в одном слое
Стоит иметь в виду, что некоторые САПР при расчете учитывают длину проводников, находящихся внутри контактной площадки. На рис. 18 показано два примера, идентичных с электрической точки зрения. На левом рисунке участки дорожек, расположенных внутри контактной площадки, имеют разную длину. В реальности сигналы не используют эти внутренние сегменты. Тем не менее, некоторые САПР учитывают их при расчете полной длины проводника, что приводит к появлению расчетной разницы длин между дорожками дифференциальной пары. Чтобы избежать подобных ошибок, необходимо самостоятельно проверять, что сегменты, расположенные внутри контактных площадок, имеют одинаковую длину. Аналогичная ситуация складывается при учете высоты переходных отверстий. Если количество переходов одинаково, то это не повлияет на точность вычисления длины проводников внутри одной дифференциальной пары. Однако если требуется согласование длин нескольких дифференциальных пар, то проблема учета переходных отверстий становится актуальной и требует особой аккуратности.
Рис. 18. Некоторые САПР неверно рассчитывают длину проводников из-за учета сегментов, расположенных внутри контактных площадок
Подключение проводников дифференциальных пар к контактам и выводам по возможности также следует выполнять симметричным, чтобы избежать рассогласования длин (рис. 19).
Рис. 19. Подключение проводников дифференциальных пар следует делать симметричным
Если пространство между контактами позволяет, то лучше добавить небольшую петлю к дорожке с меньшей длиной вместо того, чтобы использовать согласующий меандр (рис. 20).
Рис. 20. При необходимости лучше использовать дополнительную петлю вместо согласующего меандра
Работа с возвратными токами
Если при разработке печатной платы не уделять должного внимания возвратным токам, то это может обернуться возникновением дополнительных шумов и проблемами с ЭМС. Путь протекания возвратных токов должен прорабатываться одновременно с трассировкой самого сигнала. Возвратные токи низкочастотных сигналов распространяются по кратчайшему пути – пути с наименьшим сопротивлением. При этом возвратный ток высокочастотных сигналов протекает по пути минимального импеданса и пытается следовать за исходным сигналом (рис. 21). Возвратные токи должны учитываться и для дифференциальных сигналов.
Рис. 21. Возвратный ток высокочастотных сигналов стремится следовать по пути исходного сигнала
Печатный проводник не должен проходить над вырезами в слое земли, так как в этом случае возвратный ток не сможет в точности повторить путь исходного сигнала. Если плоскость земли разделена, то лучше всего прокладывать дорожку между источником и приемником сигнала в обход выреза (рис. 22). Если пути прямого и возвратного тока отличаются, то область ведет себя как рамочная антенна.
Рис. 22. Печатный проводник не должен проходить над разрывами в слое земли
Если проводник должен пройти над двумя различными опорными полигонами, то эти полигоны следует соединить с помощью конденсатора (рис. 23). Конденсатор позволит возвратным ВЧ-токам перемещаться из одного полигона в другой. Конденсатор необходимо поместить в непосредственной близости от дорожки, чтобы расстояние между прямым и обратным каналом было минимальным. Типовое значение емкости объединительного конденсатора составляет 10…100 нФ.
Рис. 23. В случае необходимости следует объединить полигоны с помощью конденсатора
В общем случае настоятельно рекомендуется избегать трассировки высокочастотных сигналов над вырезами в опорных слоях и полигонах (рис. 24). Если же это неизбежно, то необходимо использовать объединительные конденсаторы для минимизации проблем, связанных с разделением пути протекания прямых и возвратных токов.
Рис. 24. Для согласования пути протекания прямого и возвратного токов следует использовать объединительный конденсатор
Вырезы в слое земли могут быть образованы близко расположенными переходными отверстиями. Это необходимо иметь в виду при трассировке высокочастотных сигналов. Следует избегать возникновения больших неметаллизированных зон на опорных слоях. Для решения этой проблемы зачастую будет достаточно грамотно распределить переходные отверстия (рисунок 25). Иногда, чтобы устранить огромный вырез на опорном слое, лучше пожертвовать некоторыми переходами, относящимися к цепям питания и земли.
Рис. 25. Следует избегать вырезов, образованных переходными отверстиями
Путь возвратного тока должен выбираться, исходя из положения источника и приемника сигнала. На рис. 26 представлен пример удачной (справа) и неудачной (слева) трассировок. На рисунке слева используется единственное переходное отверстие, поэтому возвратный ток идет не по слою земли, как хотелось бы, а по проводникам на верхнем слое. По этой причине лучше использовать правый вариант трассировки и размещать переходные отверстия как возле источника сигнала, так и возле приемника. В таком случае возвратный ток будет распространяться преимущественно по слою земли.
Рис. 26. Различие путей возвратных токов при разном размещении переходных отверстий
Если требуется, чтобы возвратный ток протекал по слою питания, для этого необходимо создать соответствующие условия. У источника и приемника сигналов опорным является слой земли. Чтобы возвратный ток мог попасть на слой питания, необходимо использовать объединяющие конденсаторы (рисунок 27). Если питание приемника и источника поступает напрямую с опорного слоя, то в качестве объединительных конденсаторов могут выступать обычные развязывающие конденсаторы, но только в том случае, если они расположены близко к точке входа/выхода сигнала. Типовое значение емкостей объединительных конденсатора составляет 10…100 нФ.
Рис. 27. Чтобы возвратный ток протекал по слою питания, необходимо использовать объединяющие конденсаторы
Если сигнальная дорожка переходит на другой слой, то для нее изменяется и опорный слой земли. Следовательно, чтобы избежать проблем с возвратными токами, следует установить переходные отверстия между опорными слоями земли в максимальной близости от точки перехода (рис. 28). Это позволяет возвратному току беспрепятственно переходить между слоями земли. Для дифференциальных сигналов переходные отверстия между слоями земли следует располагать симметрично.
Рис. 28. Переходные отверстия между опорными слоями земли следует располагать в максимальной близости от точки перехода сигнального проводника
Если при переводе сигнального проводника на другой слой вместо слоя земли опорным становится слой питания, то чтобы избежать проблем с возвратными токами, следует использовать объединительные конденсаторы (рис. 29). Это позволяет возвратному току беспрепятственно переходить между слоем земли и слоем питания. Для дифференциальных сигналов объединяющие конденсаторы необходимо размещать симметрично.
Рис. 29. Использование объединительных конденсаторов при смене опорного слоя
Рекомендуется избегать трассировки высокоскоростных сигналов на границе опорных плоскостей или вблизи границ печатной платы (рис. 30). В противном случае это может отрицательно повлиять на согласование импедансов цепей.
Рис. 30. Рекомендуется избегать трассировки высокоскоростных сигналов на границе опорных плоскостей или вблизи границ печатной платы
Аналоговое и цифровое заземление
Аналоговые схемы могут быть очень чувствительны к цифровому шуму. Существуют два основных пути проникновения цифрового шума в аналоговую часть схемы. Первый определяется емкостной и индуктивной связью между проводниками. Эта связь может быть минимизирована за счет физического разнесения дорожек. Следует проявлять особую осторожность, если проводники аналоговых и цифровых сигналов проходят параллельно на длинном участке платы. В таких случаях следует разносить дорожки максимально далеко. Рекомендуется располагать чувствительные аналоговые схемы на максимальном удалении от цепей тактирования и мощных импульсных схем, например, источников питания.
Второй путь проникновения цифрового шума в аналоговую часть схемы определяется индуктивной связью по цепи питания. Данная проблема демонстрируется на рис. 31. Если цифровая и аналоговая части схемы имеют общий путь протекания возвратного тока источника питания, то из-за наличия паразитного сопротивления и индуктивности проводников цифровой импульсный шум будет воздействовать на аналоговую часть схемы. Для решения проблемы необходимо разделять пути протекания возвратных токов для аналоговых и цифровых доменов, если это возможно.
Рис. 31. Следует разделять пути протекания возвратных токов аналоговых и цифровых частей схемы
Существует два подхода к разделению путей возвратных токов:
- физическое разделение аналоговой и цифровой земли;
- виртуальное разделение земли за счет оптимального размещения компонентов.
Оба подхода имеют свои преимущества, по этой причине сложно судить какое из решений лучше.
Физическое разделение аналоговой и цифровой земли
Многие референсные схемы для ИС со смешанными сигналами, например, АЦП, используют подход с физическим разделением аналоговой и цифровой земли. Этот подход упрощает оформление принципиальной схемы и позволяет показать, какие компоненты и контакты должны быть подключены к цифровой земле, а какие – к аналоговой. При трассировке таких схем используются две опорные плоскости земли, которые требуется грамотно разместить. Аналоговая земля должна располагаться только под аналоговыми контактами и компонентами. Таким образом, необходимо очень ответственно отнестись к компоновке элементов (рисунок 32).
Рис. 32. При разделении земли следует ответственно подходить к расположению компонентов
Объединение аналоговой и цифровой земли необходимо выполнять в одной точке. В референсных схемах часто рекомендуется объединять земли с помощью ферритовых бусинок или резисторов с нулевым сопротивлением. Точка соединения цифровой и аналоговой земли должна быть расположена близко к интегральной схеме, которая использует как аналоговые, так и цифровые сигналы.
В схемах со смешанными сигналами и раздельным заземлением важно трассировать проводники таким образом, чтобы проводники цифровых сигналов не проходили над плоскостью аналоговой земли, а проводники аналоговых сигналов не пересекали плоскости цифровой земли (рис. 33). Эти домены должны быть полностью разделены.
Рис. 33. Проводники цифровых сигналов не должны пересекать плоскость аналогового заземления
Одним из преимуществ подхода с физическим разделением земли является то, что по схеме всегда можно понять, какие линии являются цифровыми, а какие – аналоговыми. Кроме того, разделение между цифровыми и аналоговыми доменами хорошо видно на печатной плате. Впрочем, если над проектом работает несколько инженеров, то и плата, и макет могут быть очень запутанными.
Виртуальное разделение аналоговой и цифровой земли
Рассмотрим подход с виртуальным разделением аналоговой и цифровой земли. При таком подходе на принципиальной схеме отображается одна общая земля, а цифровой и аналоговый домены на печатной плате оказываются электрически не разделены. Хитрость заключается в том, чтобы при создании проводящего рисунка добиться такого эффекта, как будто эта граница существует. Очевидно, что в этом случае решающее значение будет иметь расположение компонентов. Их следует размещать только над соответствующими частями виртуальных плоскостей земли (рис. 34).
Рис. 34. При виртуальном разделении земли решающее значение имеет расположение компонентов
Виртуальная разделительная линия должна соблюдаться при трассировке сигналов. Проводникам цифровых и аналоговых сигналов не разрешается покидать свой домен (рис. 35). Граница раздела должна иметь простую форму, так как с электрической точки зрения не существует препятствий по проникновению цифровых токов в аналоговую часть схемы.
Рис. 35. Проводники цифровых сигналов не должны пересекать виртуальную линию разделения
При использовании подхода с виртуальным разделением земли трассировка печатной платы оказывается более сложной, так как ошибки разводки не обнаруживаются средствами автоматической проверки САПР (DRC). Если трассировка платы выполнена грамотно, то виртуальное разделение даст лучший результат, чем при использовании физического разделения цифровой и аналоговой земли.
Руководство по компоновке печатной платы – Советы и подсказки »Электроника
– обзор или учебное пособие об основах руководящих принципов проектирования печатных плат и о том, на что следует обратить внимание при проектировании печатных плат и компоновке печатных плат.
Конструкция печатной платы Включает:
Основы конструирования печатной платы
Схема захвата и рисования
Схема / разводка печатной платы
Рекомендации по проектированию печатных плат
Целостность сигнала печатной платы
Печатная плата, дизайн печатной платы, является одним из наиболее важных элементов дизайна в дизайне электронного продукта.В большинстве случаев инженер-проектировщик электронного оборудования разрабатывает схему, а затем специалист по компоновке печатной платы выполняет компоновку печатной платы и проектирует ее по схеме, предоставленной с использованием системы автоматизированного проектирования печатных плат.
Компоновка и дизайн печатной платы – это специальные навыки, требующие знания не только программного обеспечения для проектирования печатных плат и системы автоматизированного проектирования печатных плат, но и различных стандартов и методов, используемых для обеспечения успешного переноса основной схемы схемы на общую печатную плату. которые могут быть изготовлены в среде производства электронных схем.
Для того, чтобы печатная плата могла быть спроектирована удовлетворительно, часто помогает наличие некоторых руководящих принципов, которым можно следовать, хотя ничто не может заменить опыт.
Дизайн печатной платы с указанием компонентов и дорожекРуководство по проектированию печатных плат
Существует множество идей и рекомендаций, которые можно составить для дизайна и компоновки печатной платы. Список ниже охватывает некоторые из них. Очевидно, что их больше, и приведенный ниже список рекомендаций по проектированию печатных плат не следует рассматривать как полный список.
Для облегчения выполнения рекомендаций по проектированию печатных плат, они разделены на разделы:
- Рекомендации по проектированию ограничений платы – те, которые охватывают начальные ограничения платы
- Общие принципы проектирования
- Рекомендации, связанные с плоскостями или слоями
- Руководство по проектированию гусениц
- Проблемы с температурой
- Целостность сигнала и особенности радиочастот
Это некоторые из основных областей, которые необходимо учитывать при разработке печатной платы.Для некоторых проектов одни из руководящих принципов проектирования печатных плат будут более важными, чем другие, и часто необходимо принимать решения, чтобы сбалансировать одно требование с другим.
Ограничение платы Рекомендации по проектированию печатной платы
Эти рекомендации по проектированию печатной платы связаны с ограничениями платы в целом: – размером, формой и некоторыми факторами, влияющими на общую конструкцию или концепцию печатной платы. Это должны быть одни из первых факторов, которые необходимо решить.
- Выберите контрольные точки, соответствующие производственному процессу. Обычно на плате должны быть контрольные отверстия или точки. Они используются для подъемных машин и испытательных приспособлений. Их следует выбирать в соответствии с технологическим процессом изготовления печатной платы. Часто это могут быть отверстия для приспособлений, но они также могут быть перекрещенными метками для оптических датчиков. Они должны быть свободны от компонентов и не должны быть закрыты.
- Обеспечьте достаточную площадь платы для схемы Часто размеры платы будут определяться общим размером продукта, но до начала проектирования печатной платы следует сделать оценки относительно размера платы и того, может ли она вместить компоненты и их дорожки.
- Определите количество необходимых слоев Целесообразно определить количество слоев дорожек, которые необходимы на печатной плате в начале проектирования. Дополнительные слои увеличивают производственные затраты, но могут означать, что гусеницы могут быть размещены. Сложные конструкции могут иметь много дорожек, и их невозможно прокладывать, если не доступно достаточное количество слоев.
- Рассмотрим способ монтажа платы В начале проектирования необходимо продумать, как будет монтироваться печатная плата.Различные методы монтажа могут потребовать, чтобы разные области платы оставались свободными, или они могут занимать разные области на плате.
Общий вид Руководство по проектированию печатной платы
Эти рекомендации по проектированию печатных плат должны быть рассмотрены до начала основного проектирования схемы. Фактически они должны быть одними из первых элементов размещения компонентов.
- Нарисуйте и нарисуйте общий план, на котором будут расположены различные области схемы. Одна из первых частей схемы схемы состоит в том, чтобы нарисовать приблизительный план расположения основных компонентов и областей компонентов.Таким образом можно оценить критические пробеги пути и выбрать наиболее удобную конструкцию .
Рекомендации по проектированию печатных плат, связанные с используемыми плоскостями или слоями
Обычной практикой является использование целого слоя или плоскости для заземления или шин питания. На раннем этапе проектирования печатной платы следует учитывать наиболее эффективные способы их использования.
- Подумайте, будут ли полные плоскости использоваться для питания, заземления и т. Д. Обычной практикой является использование целых плоскостей для заземления и некоторых основных шин питания.Это дает преимущества с точки зрения шума и токовой нагрузки.
- Избегайте частичных плоскостей Разумно избегать оставлять большие промежутки в плоскостях заземления или силовых плоскостях или иметь частичные плоскости в определенной области платы. Они могут создавать напряжения в плате, которые могут привести к деформации во время изготовления голой платы или позже, когда плата нагревается в процессе пайки. Деформация после добавления компонентов для поверхностного монтажа может привести к поломке компонентов и, следовательно, к высокому уровню функциональных отказов.
Руководство по проектированию гусениц
Рассмотрение особенностей самих дорожек на печатной плате необходимо учитывать на ранней стадии, поскольку, возможно, придется пойти на компромисс.
- Определите используемую стандартную ширину колеи Необходимо сбалансировать стандартный размер колеи, который будет использоваться в проекте. Если следы слишком узкие и слишком близкие, существует большая вероятность короткого замыкания.Кроме того, если они слишком широкие и слишком далеко друг от друга, это может ограничить количество дорожек в заданной области, и это может вынудить использовать дополнительные плоскости в платах для обеспечения возможности разводки конструкции печатной платы.
- Учитывайте размер дорожек для линий, по которым проходит ток. Тонкие дорожки, используемые в сегодняшних печатных платах, могут пропускать только ограниченный ток. Следует учитывать размер рельсов, по которым проходят шины питания, а не сигналы низкого уровня.В таблице ниже приведены значения ширины дорожек или повышение температуры на 10 ° C для медных плат разной толщины.
| Рекомендуемый максимальный ток для дорожек печатной платы | ||
|---|---|---|
| Ток (А) | Ширина доски 1 унция (тыс.) | Ширина для картона 2 унции (тыс.) |
| 1 | 10 | 5 |
| 2 | 20 | 15 |
| 3 | 50 | 25 |
- Закрепите контактную площадку печатной платы и размер отверстия. В начале проектирования печатной платы необходимо определить размеры контактной площадки и отверстия.Обычно используется соотношение примерно 1,8: 1 (подушечка: отверстие), хотя иногда в качестве меры используется площадка на 0..5 мм больше, чем отверстие. Это учитывает допуски на сверление отверстий и т. Д. Производитель печатной платы без покрытия может посоветовать стандарты, которые требуются для их процесса. Соотношение становится более важным по мере уменьшения размера контактных площадок и отверстий, и это особенно важно для сквозных отверстий.
- Определите формы контактных площадок печатной платы Библиотеки компонентов, связанные с системами CAD для печатных плат, будут иметь библиотеки для схем и посадочных мест печатных плат для различных компонентов.Однако они могут отличаться в зависимости от производственного процесса. Обычно для пайки волной припоя они должны быть больше, чем для пайки оплавлением инфракрасным светом. Таким образом, производственный процесс необходимо определить до начала проектирования, чтобы можно было выбрать оптимальные размеры контактных площадок и использовать их в системе автоматизированного проектирования печатных плат и, следовательно, на самой печатной плате.
Проблемы с перегревом
Хотя для многих печатных плат меньшего размера тепловые проблемы не представляют проблемы, при более высоких скоростях обработки и более высокой плотности компонентов для современных печатных плат тепловые проблемы часто могут стать серьезным препятствием.
- Оставьте достаточно места для охлаждения вокруг горячих компонентов Для компонентов, которые рассеивают большое количество тепла, может потребоваться дополнительное пространство вокруг них. Оставьте достаточно места для радиаторов, которые могут потребоваться.
Целостность сигнала и рекомендации по РЧ
При проектировании печатной платы возникает множество проблем, связанных с целостностью сигнала, радиочастотами и электромагнитной совместимостью. Многие способы избежать проблем связаны с маршрутизацией путей.
- Избегайте параллельного движения дорожек Дорожки, которые идут параллельно на любой длине, будут иметь более высокий уровень перекрестных помех, когда сигналы на одной дорожке появляются на другой. Перекрестные помехи могут привести к множеству проблем в схеме, и их может быть очень трудно устранить после того, как печатная плата будет спроектирована и изготовлена.
- Когда треки должны пересекаться, сделайте их пересечение под прямым углом Чтобы уменьшить уровень создаваемых перекрестных помех, когда две сигнальные линии должны пересекаться, они должны пересекаться под прямым углом, чтобы снизить уровень емкости и взаимной индуктивности между ними линий.
Существует множество руководств по проектированию печатных плат, которые можно задокументировать. Приведенные здесь рекомендации по проектированию печатных плат – это лишь некоторые из многих, которые можно было бы придумать, но они могут лечь в основу набора руководящих принципов, которые можно использовать в общем дизайне печатных плат.
Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы»., ,
лучших рекомендаций по проектированию печатных плат для разработчиков печатных плат | Блог о проектировании печатных плат
5 лучших рекомендаций по проектированию печатных плат для инженеров
Приступая к разработке новой печатной платы, легко оставить рекомендации по проектированию печатной платы на потом, поскольку вы тратите большую часть своего времени на разработку схемы и выбор компонентов. Но, в конце концов, отсутствие достаточного количества времени и целенаправленных усилий для основы компоновки печатной платы может привести к дизайну, который плохо переносится из цифровой области в физическую реальность, и в конечном итоге может стать проблемой для вашего производителя.Так что же является ключом к созданию доски, реалистичной на бумаге и в физической форме? Давайте рассмотрим 5 основных рекомендаций по проектированию печатных плат, которые вам необходимо знать, чтобы разработать свою следующую производимую, функциональную и надежную печатную плату.
# 1 – Точная настройка размещения компонентов
Стадия размещения компонентов в процессе проектирования компоновки печатной платы – это одновременно искусство и наука, требующая стратегического рассмотрения в отношении основного места, доступного на вашей плате. Преднамеренное размещение компонентов печатной платы до каждого переходного отверстия радикально влияет на производительность.Хотя этот процесс может быть сложным, от того, как вы разместите свои электронные компоненты, будет зависеть, насколько легко будет изготовить вашу плату, а также насколько хорошо она будет соответствовать вашим первоначальным требованиям к дизайну печатной платы.
При размещении компонентов необходимо учитывать множество правил компоновки печатной платы. В то время как общие рекомендации по компоновке платы говорят вам размещать компоненты в порядке разъемов, силовых цепей, прецизионных цепей, критических цепей и т. Д., Есть также несколько конкретных рекомендаций по компоновке платы, о которых следует помнить.
Ориентация. Обязательно сориентируйте аналогичные компоненты в одном направлении, так как это поможет с эффективной разводкой при проектировании печатной платы. Это также помогает обеспечить эффективный и безошибочный процесс пайки во время сборки.
Размещение. Избегайте размещения компонентов на стороне пайки платы, которые могут лежать за компонентами со сквозными отверстиями.
Организация. Рекомендуется размещать все компоненты устройств поверхностного монтажа (SMD) на одной стороне платы в соответствии с правилами проектирования печатных плат SMD.Все компоненты со сквозными отверстиями (TH) следует размещать на верхней стороне платы, чтобы минимизировать количество этапов сборки.
Следует помнить об одном окончательном руководстве по проектированию компоновки печатной платы – при использовании компонентов смешанной технологии (компоненты для сквозного монтажа и поверхностного монтажа) производителям может потребоваться дополнительный процесс сборки вашей платы, что увеличит ваши общие затраты на печатную плату ,
Хорошо Ориентация компонентов микросхемы (слева) и Плохая Ориентация компонентов микросхемы (справа)
Хорошо Размещение компонентов (слева) и Плохое Размещение компонентов (справа)
# 2 – Размещение силовых, заземляющих и сигнальных проводов
После размещения компонентов настало время проложить трассы питания, заземления и сигналов, чтобы обеспечить чистый и беспроблемный путь движения сигналов.Вот несколько рекомендаций, которые следует учитывать на этом этапе процесса создания макета:
Ориентация силовых и наземных самолетов
Всегда рекомендуется располагать пластины питания и заземления внутри печатной платы, при этом они должны быть симметричными и центрированными. Это поможет предотвратить изгиб вашей платы, что также повлияет на правильность расположения ваших компонентов. Обратите внимание, что это невозможно на двухслойной плате, так как у вас не будет места для компонентов.Для питания ваших микросхем рекомендуется использовать общие шины для каждого источника питания, следить за тем, чтобы у вас были прочные и широкие трассы, а также избегать последовательного подключения линий питания от детали к детали.
Рекомендации по прокладке разводки печатных плат
Затем подключите дорожки сигнала в соответствии с рекомендациями схемы. Лучшие практики компоновки печатной платы рекомендуют всегда размещать трассы как можно короче и непосредственно между компонентами. Если размещение вашего компонента требует горизонтальной трассировки трассы на одной стороне платы, всегда трассируйте трассы вертикально на противоположной стороне.Это одно из многих важных правил проектирования двухслойной печатной платы.
Правила проектирования печатных плат и рекомендации по компоновке печатных плат усложняются по мере увеличения количества слоев в стеке. Ваша стратегия трассировки потребует чередования горизонтальных и вертикальных трасс в чередующихся слоях, если вы не разделите каждый сигнальный слой базовой плоскостью. В очень сложных платах для специализированных приложений многие из широко разрекламированных передовых практик печатных плат могут больше не применяться, и вам нужно будет следовать руководящим принципам проектирования печатных плат, которые являются конкретными для вашего приложения.
Определение чистой ширины
Конструкция вашей печатной платы, вероятно, потребует других сетей, которые будут пропускать широкий диапазон токов, что будет определять требуемую ширину сети. Принимая во внимание это основное требование, рекомендуется обеспечить ширину 0,010 дюйма для слаботочных аналоговых и цифровых сигналов. Следы на печатной плате с током более 0,3 А должны быть шире. Вот бесплатный калькулятор ширины следа, который упрощает этот процесс. Вы также можете использовать этот расчет (основанный на IPC-2152) для определения ширины дорожки печатной платы.
Предпочтительная разводка (стрелки указывают на миграцию припоя)
Нежелательная разводка (стрелки указывают на миграцию припоя)
# 3 – Хранить вещи отдельно
Вероятно, вы уже знаете, как большое напряжение в цепях питания и всплески тока могут мешать работе ваших цепей управления низким напряжением и током. Чтобы свести к минимуму эту проблему помех, руководство по проектированию печатных плат для силовой электроники обычно рекомендует следующее:
Разделение. Обязательно держите заземление питания и заземление управления отдельно для каждого каскада источника питания. Если вам все же нужно связать их вместе на печатных платах, убедитесь, что это ближе к концу вашего пути поставки.
Размещение. Если вы разместили пластину заземления на среднем слое, обязательно разместите путь с малым импедансом, чтобы снизить риск любых помех силовой цепи и защитить ваши управляющие сигналы. Этим же рекомендациям можно следовать, чтобы разделить цифровое и аналоговое заземление.
Муфта. Чтобы уменьшить емкостную связь из-за размещения большой заземляющей пластины и линий, проложенных над и под ней, постарайтесь, чтобы аналоговая земля пересекалась только аналоговыми линиями.
Пример цифровых и аналоговых секций на плате
# 4 – Решение проблем с отоплением
Снижались ли характеристики вашей схемы или даже ваша плата была повреждена из-за проблем с нагревом? Эта проблема беспокоит многих дизайнеров, если не учитывать тепловыделение.Вот несколько рекомендаций, которые следует помнить, чтобы решить проблемы с отоплением:
Выявление проблемных компонентов
Первый шаг – подумать, какие компоненты будут рассеивать больше тепла на вашей плате. Этого можно достичь, сначала найдя номинальные значения «термического сопротивления» в техническом описании вашего компонента, а затем следуя рекомендованным инструкциям по отводу выделяемого тепла. Конечно, можно добавить радиаторы и охлаждающие вентиляторы, чтобы снизить температуру компонентов, а также не забыть держать критически важные компоненты подальше от любых источников тепла.
Если у вас есть несколько компонентов, которые выделяют большое количество тепла, может быть лучше распределить эти компоненты по всей плате, а не кластеризовать их в одном месте. Это предотвращает образование горячих точек на плате. Возможно, вам придется тщательно сбалансировать размещение этих компонентов с сохранением короткой длины трассы при разработке стратегии маршрутизации, что может оказаться сложной задачей.
Добавление терморельефа
Добавление термостатов может быть невероятно полезным для изготовления готовой платы, и они имеют решающее значение для пайки волной припоя на сборках и многослойных платах с высоким содержанием меди.Поскольку поддержание рабочих температур может быть затруднительным, всегда рекомендуется использовать термостаты на компонентах со сквозными отверстиями, чтобы максимально упростить процесс пайки за счет снижения скорости отвода тепла через пластины компонентов.
Некоторые дизайнеры посоветуют вам использовать терморазгрузочный шаблон для любого переходного отверстия или отверстия, подключенного к заземлению или силовой панели. Это не всегда лучший совет. Обратите внимание, что рядом с микросхемой с высокой скоростью переключения могут появиться переходы питания / заземления, которые выделяют много тепла.Отвод тепла от ИС помогает регулировать температуру ИС.
Заземляющий слой может действовать как большой радиатор, который затем равномерно передает тепло по всей плате. Следовательно, если конкретное переходное отверстие подключено к заземляющей пластине, отсутствие термозащитных подушек на этом переходном отверстии позволит теплу проходить к заземляющей пластине. Это предпочтительнее, чем удерживать тепло у поверхности. Однако это может создать проблему, если ваша плата собрана с использованием пайки волной припоя, поскольку вам необходимо удерживать тепло вблизи поверхности.
Помимо термозащиты, вы также можете добавить капельки на стыках контактных площадок, чтобы обеспечить дополнительную поддержку из медной фольги / металла. Это поможет снизить механическое напряжение и термическое напряжение.
Типовой терморельефный узор
# 5 – Проверка компоновки на соответствие правилам проектирования печатной платы
Ближе к концу дизайнерского проекта легко растеряться, когда вы изо всех сил пытаетесь собрать оставшиеся детали для производства.Двойная и тройная проверка вашей работы на наличие ошибок на этом этапе может означать разницу между производственным успехом или неудачей.
Чтобы облегчить этот процесс контроля качества, всегда рекомендуется начинать с проверки электрических правил (ERC) и проверки правил проектирования (DRC), чтобы убедиться, что вы соблюдаете все установленные вами ограничения. С помощью этих двух систем вы можете легко определить ширину зазора, ширину дорожек, общие производственные требования, требования к высокоскоростной электрической сети и другие физические требования для вашего конкретного приложения.Это автоматизирует рекомендации по проверке компоновки печатной платы для проверки вашей компоновки.
Обратите внимание, что во многих процессах проектирования указано, что вы должны запускать проверки правил проектирования в конце этапа проектирования при подготовке к производству. Если вы используете правильное программное обеспечение для проектирования, вы можете запускать проверки на протяжении всего процесса проектирования, что позволяет выявлять потенциальные проблемы проектирования на раннем этапе и быстро их исправлять.
Когда ваши окончательные ERC и DRC дадут безошибочные результаты, рекомендуется проверить маршрутизацию каждого сигнала и убедиться, что вы ничего не пропустили, пропуская схему по одному проводу за раз.И, конечно же, убедитесь, что компоновка вашей печатной платы соответствует вашей схеме, с помощью функции зондирования и маскирования вашего инструмента проектирования.
Дважды проверьте свой дизайн, печатную плату и ограничения
Округляем
Вот и все – наши 5 основных рекомендаций по проектированию печатных плат, которые должен знать каждый разработчик печатных плат. Следуя этому небольшому списку рекомендаций, вы сможете быстро спроектировать функциональную и производимую плату, причем действительно качественную печатную плату.
Хорошие методы проектирования печатных плат имеют решающее значение для успеха. Эти рекомендации по проектированию печатных плат только поверхностные, но они формируют основу для построения и укрепления практики постоянного улучшения всех ваших методов проектирования.
Хотите еще несколько лучших практик по созданию платы, которая будет произведена правильно с первого раза? Ознакомьтесь с нашим веб-семинаром «Проектирование для производства» – Максимальное увеличение выхода продукции на печатные платы или начните пробовать эти рекомендации по проектированию печатных плат прямо сейчас с помощью нашего флагманского программного обеспечения.
Оцените Altium Designer® в действии …
Опыт современного интерфейса
«Раньше я не имел большого опыта в 3D-дизайне печатных плат. Как относительно новый пользователь ALTIUM, я должен сказать, что проектировать гибкие и жесткие печатные платы в 3D с помощью Altium намного проще, чем я думал. Обменять файлы макетов 3D печатных плат с моими механическими когортами для просмотра никогда не было так просто! »
Келли Дак, CID + CIT
PCB Designer / IPC Instructor
Зарегистрируйтесь и попробуйте Altium Designer сегодня.
,Проверка правил проектирования: основы компоновки печатной платы 3 | EAGLE
Добро пожаловать в нашу серию статей по основам компоновки печатных плат! Если вы зашли так далеко, то вся тяжелая работа уже позади. Мы начали с Части 1, оттачивая наши художественно-инженерные навыки в процессе размещения компонентов. Затем мы погрузились во вторую часть, чтобы решить величайшую загадку из всех – маршрутизацию. В части 3 пришло время расслабиться и добавить завершающие штрихи к вашему дизайну.
На этом этапе выполняется проверка вашей работы с помощью проверки правил проектирования (DRC).Затем мы добавим несколько столь необходимых медных заливок. Как только это будет завершено, мы можем перейти к полировке макета вашей платы с помощью шелкографии. Как только эти задачи будут решены, пора изготовить ваш дизайн! Вы зашли так далеко, давайте завершим разработку вашей печатной платы раз и навсегда.
Обнимая вторую пару глаз
Проектирование печатной платы в Autodesk EAGLE – увлекательный и полезный процесс, но он не происходит изолированно. Хотя вы можете проектировать свою плату в программном обеспечении для проектирования печатных плат, в конце концов, вы, скорее всего, отправите свои файлы производителю для создания физической печатной платы.А в мире производства печатных плат есть некоторые вполне реальные физические ограничения, на которые нужно обращать внимание. Здесь в игру вступает проверка правил проектирования.
Вместо того, чтобы проектировать вашу плату без учета ограничений вашего производителя, проверка правил проектирования позволяет вам установить набор границ для ширины дорожек, расстояния между компонентами, диаметров и т. Д. Только после того, как вы настроите все эти правила, Затем вы можете приступить к завершению процесса проектирования, зная, что любая проблема с этими производственными ограничениями будет отмечена в Autodesk EAGLE при запуске DRC.
В примере дизайна, над которым мы работали, мы оставили наши правила дизайна по умолчанию. Но по мере того, как вы погружаетесь в более профессиональные проекты, вы, вероятно, установите некоторые правила индивидуального дизайна еще до того, как разместите компонент или проложите дорожку. Пока не настало это время, давайте рассмотрим, как выполнить базовую проверку правил проектирования в нашем проекте.
- Откройте файл разводки печатной платы (.brd) на панели управления Autodesk EAGLE .
- Выберите инструмент DRC
в левой части интерфейса, чтобы открыть диалоговое окно DRC Setup .
Вы будете использовать диалог настройки DRC всякий раз, когда вам нужно будет запустить DRC или изменить набор правил по умолчанию.
- Найдите минутку, чтобы ознакомиться с правилами по умолчанию, установленными здесь на всех доступных вкладках. Когда вы закончите, нажмите кнопку Проверить , чтобы запустить проверку правил проектирования.
- Если у вас возникнут какие-либо проблемы, откроется диалоговое окно Ошибки DRC , как показано ниже. А если ошибок нет, вы увидите DRC: No errors в нижнем левом углу интерфейса.
в левой части интерфейса, чтобы открыть диалоговое окно DRC Setup .
Когда мы запустили DRC на нашем завершенном проекте светодиодной мигалки, у нас не было никаких ошибок, поэтому мы решили намеренно сделать их, перекрыв трассу контактной площадкой компонента. Когда мы снова запустили нашу проверку DRC, у нас было две ошибки из-за перекрытия объектов на слое 1, который является нашим верхним слоем.
Каждой ошибке DRC присваивается точное имя и уровень, которые помогут вам легко ее идентифицировать.
Выбрав эту ошибку, вы можете увидеть, что у нас есть белое поле на макете нашей печатной платы, которое показывает нам, где именно находится проблема.В сочетании с описанием ошибки это становится детективным процессом выяснения того, что нужно исправить.
Найти ошибки в дизайне так же просто, как выбрать каждую ошибку и посмотреть, где она выделяется в дизайне.
В нашем примере мы разорвем перекрывающуюся дорожку и снова проведем ее, чтобы она не пересекала площадку. Как только это будет завершено, мы можем снова запустить нашу проверку DRC и получить сообщение об ошибке DRC: No error. Успех!
Добавление медной заливки в компоновку
Есть много причин для добавления медных заливок в нашу конструкцию.Добавление медной заливки на вашу плату добавляет отличный завершающий штрих, который придает вашей плате профессиональный вид, а также обеспечивает общий слой для всех ваших сигналов заземления и питания. Экранирование или отвод тепла.
И хотя мы можем добавлять эту медную заливку в последнюю очередь, вы также можете добавить ее в начале процесса макета. Это значительно упростит разводку сложных плат, если у вас будет общая точка подключения для всех сигналов заземления. Чтобы добавить медную заливку, сделайте следующее:
- Выберите инструмент Polygon в левой части интерфейса.
- В верхней части интерфейса выберите верхний слой (1 верхний) в раскрывающемся списке Layer Selection , а затем введите значение Isolate 0,012 ”, чтобы обеспечить достаточный зазор между сигналами заземления и медной заливкой.
- Теперь щелкните левой кнопкой мыши в нижней левой исходной точке контура платы и начните рисовать красную линию вдоль каждого края платы.
- Когда вы вернетесь в исходную точку , щелкните левой кнопкой мыши еще раз, чтобы завершить контур многоугольника.Ваш сплошной красный многоугольник теперь должен превратиться в пунктирный.
Завершенный многоугольник, теперь показан пунктирными линиями вместо сплошных.
- Затем вам нужно связать этот многоугольник как плоскость земли. Для этого выберите инструмент Name в левой части интерфейса и щелкните левой кнопкой мыши вашего многоугольника.
- В диалоговом окне Имя введите GND в поле Новое имя: и выберите ОК .
в левой части интерфейса.
в левой части интерфейса и щелкните левой кнопкой мыши вашего многоугольника. После завершения настройки все, что вам нужно сделать, это выбрать инструмент Ratsnest 
в левой части интерфейса, и теперь перед вашими глазами должна появиться красная медная заливка! Продолжайте и повторите этот процесс для вашего нижнего слоя, на этот раз для слоя 16 вместо слоя 1.
После выбора инструмента Ratsnest вы преобразуете верхний слой в медную заливку для сигналов заземления.
Добавление шелкографии в макет
Последний штрих, который нужно добавить в ваш дизайн, – это шелкография и рисунки.Эта часть не является обязательной и не добавляет функциональности вашему дизайну. Но что он действительно делает, так это добавляет некоторого контекста и эстетики в безвкусную печатную плату.
Например, если вы попытаетесь использовать Arduino Uno без шелкографии, чтобы определить номера контактов для цифровых и аналоговых сигналов, это было бы огромной проблемой. Но с помощью шелкографии эти булавки легко распознать. В случае сомнения документ; мы всегда рекомендуем добавить слой шелкографии в качестве последнего штриха к вашему дизайну.Вот как это сделать:
- Есть несколько инструментов, которые вы можете использовать для добавления шелкографии, в том числе инструмент Wire , Text , Circle , Arc , Rectangle или Polygon . Выберите один в левой части вашего интерфейса.
- Теперь вам нужно выбрать, на каком слое рисовать шелкографию. Выберите либо 21 tPlace (верхний слой шелкографии), либо 22 bPlace (нижний слой шелкографии) из выпадающего списка Layer Selection .
- Наконец, щелкните левой кнопкой мыши на компоновке печатной платы, чтобы начать рисовать или добавлять текст шелкографии.
, Text 
, Circle 
, Arc 
, Rectangle 
или Polygon Мы упростили задачу, добавив шелкографию для нашей светодиодной мигалки в нижнем левом углу макета, но не сдерживайтесь! Проявите творческий подход и рисуйте / пишите все, что хотите.
Arduino Uno поставляется с некоторыми необычными изображениями шелкографии на верхнем и нижнем слоях. (Источник изображения)
Теперь вы готовы к производству
Официально; ваш макет официально готов! Процесс проектирования печатной платы требует тонны работы, от изучения того, как размещать компоненты, до умелого завершения вашей трассировки и, наконец, погружения в некоторую детективную работу с проверкой правил проектирования.
По мере того, как ваши проекты становятся более сложными и сложными, вы можете рассчитывать на то, что потратите часы на процесс компоновки печатной платы, и на то есть веская причина. На этом этапе вашего пути вам предстоит преобразовать то, что когда-то было двумерным представлением схемы на схеме, в нечто, что будет физически изготовлено. Это огромная ответственность!
На этом этапе пришло время сохранить ваш проект, расслабиться и полюбоваться всей своей тяжелой работой. Если вы еще не связались со своим производителем, сейчас самое время сделать это, чтобы узнать стоимость вашего дизайна и посмотреть, какие файлы им могут понадобиться, чтобы их волшебство произошло.Если вы не выбрали производителя, OSH Park – отличное место для начала. Следите за обновлениями в нашей будущей серии «Основы производства печатных плат», в которой мы расскажем, как создать все файлы, которые нужно отправить производителю в Autodesk EAGLE.
Создание первого макета печатной платы в бесплатной версии Autodesk EAGLE – это лишь верхушка айсберга! Получите все возможности сегодня, подписавшись на Autodesk EAGLE.
,Как разработать макет печатной платы
Макетные платы отлично подходят для создания прототипов схем, но они не так хороши для фактического использования того, что вы создаете. В какой-то момент вы, вероятно, захотите сделать проект более постоянным. Лучше всего это сделать на печатной плате.
В этом руководстве я расскажу вам, как разработать макет печатной платы и напечатать ее на заказном изготовителе печатной платы. Производительность вашей схемы будет во многом зависеть от того, как она размещена на печатной плате, поэтому я дам вам много советов, как оптимизировать вашу конструкцию.
Вы всегда можете протравить печатные платы дома, используя процесс, аналогичный проявлению отпечатков с фотопленки. Но этот метод грязный и требует большого количества химикатов. Гораздо проще (и дешевле) сделать печатную плату профессиональным производителем. Чтобы продемонстрировать процесс, я воспользуюсь онлайн-службой EasyEDA для разработки макета печатной платы для аудиоусилителя LM386, затем я изготовлю его и покажу вам результаты. Их бесплатное программное обеспечение для онлайн-дизайна прост в использовании, а цены очень доступны.
Все начинается со схемы
Перед тем, как вы начнете проектировать печатную плату, неплохо составить схему вашей схемы. Схема будет служить планом для разметки трасс и размещения компонентов на печатной плате. Кроме того, программное обеспечение для редактирования плат может импортировать все компоненты, посадочные места и провода в файл печатной платы, что упростит процесс проектирования (подробнее об этом позже).
Начните с входа в EasyEDA и создайте новый проект:
На начальной странице щелкните вкладку «Новая схема»:
Теперь вы увидите пустой холст, где вы можете нарисовать схему:
Лучше всего разместить все символы схемы на холсте, прежде чем рисовать какие-либо провода.В EasyEDA условные обозначения находятся в «Библиотеках». Библиотека EasyEDA по умолчанию содержит большинство общих символов, но есть также «библиотеки, созданные пользователем» с множеством других символов:
Каждый используемый вами схематический символ должен иметь связанный с ним посадочный материал печатной платы. Посадочное место на печатной плате будет определять физические размеры компонента и размещение медных площадок или сквозных отверстий. Сейчас хорошее время, чтобы решить, какие компоненты вы будете использовать.
Схематические символы в библиотеке EasyEDA уже имеют связанные с ними посадочные места, но их можно изменить, если вы используете другой размер или стиль:
Чтобы изменить посадочное место, связанное со схематическим символом, выполните поиск в « Созданные пользователем »библиотеки для посадочного места, которое соответствует используемому вами компоненту.Как только вы найдете его, щелкните значок сердца, чтобы добавить его в избранное:
Затем скопируйте имя компонента:
Теперь щелкните символ в редакторе схем и вставьте имя нового посадочного места. в поле «пакет» в меню правой боковой панели (см. видео ниже для демонстрации):
После того, как все ваши символы размещены на схеме и вы назначили посадочные места для каждого символа, пора начинать рисовать провода.Вместо того, чтобы объяснять детали всего этого в этой статье, я снял видео, чтобы вы могли посмотреть, как я рисую схему для моего аудиоусилителя LM386:
После того, как все подключения выполнены, рекомендуется обозначьте символы. Этикетки будут перенесены на макет печатной платы и в конечном итоге будут напечатаны на готовой печатной плате. У каждого символа есть имя (R1, R2, C1, C2 и т. Д.) И значение (10 мкФ, 100 Ом и т. Д.), Которые можно редактировать, щелкая по метке.
Следующим шагом является импорт схемы в редактор плат, но прежде чем мы это сделаем, давайте поговорим о некоторых вещах, которые следует учитывать при проектировании печатной платы.
Оптимизация конструкции печатной платы
Определите, что делает каждая часть вашей схемы, и разделите схему на секции в соответствии с функцией. Например, моя схема аудиоусилителя LM386 имеет четыре основных участка: источник питания, аудиовход, LM386 и аудиовыход. На этом этапе может помочь нарисовать несколько диаграмм, которые помогут вам визуализировать дизайн, прежде чем вы начнете его выкладывать.
Держите компоненты в каждой секции сгруппированными вместе в одной и той же области печатной платы, чтобы токопроводящие дорожки были короткими.Длинные следы могут улавливать электромагнитное излучение от других источников, что может вызывать помехи и шум.
Различные участки вашей цепи должны быть расположены так, чтобы путь электрического тока был как можно более линейным. Сигналы в вашей цепи должны проходить по прямому пути от одной секции к другой, что позволит сократить длину следа.
На каждую секцию цепи должно подаваться питание с отдельными трассами одинаковой длины. Это называется звездообразной конфигурацией , и она гарантирует, что каждая секция получает одинаковое напряжение питания.Если секции соединены в гирляндную конфигурацию, ток, потребляемый из секций, расположенных ближе к источнику питания, вызовет падение напряжения и приведет к снижению напряжения на участках дальше от источника питания:
Форма и размер печатной платы
Это не редкость. чтобы увидеть круглые, треугольные или другие интересные формы печатной платы. Большинство печатных плат имеют минимальный размер, но в этом нет необходимости, если ваше приложение этого не требует.
Если вы планируете разместить печатную плату в корпусе, размеры могут быть ограничены размером корпуса.В этом случае вам нужно будет узнать размеры корпуса, прежде чем устанавливать печатную плату, чтобы все поместилось внутри.
Компоненты, которые вы используете, также будут влиять на размер готовой печатной платы. Например, компоненты для поверхностного монтажа имеют небольшой размер и низкий профиль, поэтому вы сможете уменьшить размер печатной платы. Компоненты со сквозными отверстиями больше по размеру, но их часто легче найти и легче паять.
Пользовательские интерфейсы
Расположение компонентов, таких как разъемы питания, потенциометры, светодиоды и аудиоразъемы, в вашем готовом проекте повлияет на расположение вашей печатной платы.Нужен ли вам светодиод рядом с выключателем питания, чтобы указать, что он включен? Или вам нужно поставить потенциометр громкости рядом с потенциометром усиления? Для лучшего взаимодействия с пользователем вам, возможно, придется пойти на некоторые компромиссы и спроектировать остальную часть вашей печатной платы с учетом расположения этих компонентов.
Слои печатной платы
Более крупные схемы может быть сложно спроектировать на однослойной печатной плате, потому что сложно провести трассы, не пересекая друг друга. Возможно, вам придется использовать два медных слоя с трассировками, проложенными с обеих сторон печатной платы.
Следы на одном слое могут быть соединены с другим слоем с помощью через . Переходное отверстие – это медное отверстие в печатной плате, которое электрически соединяет верхний слой с нижним слоем. Вы также можете соединить верхнюю и нижнюю дорожки в сквозном отверстии компонента:
Слои заземления
Некоторые двухслойные печатные платы имеют слой заземления, где весь нижний слой покрыт медной пластиной, соединенной с землей. Положительные дорожки проложены сверху, а соединения с землей выполнены через сквозные отверстия или переходные отверстия.Слои заземления хороши для схем, склонных к помехам, потому что большая площадь меди действует как экран от электромагнитных полей. Они также помогают рассеивать тепло, выделяемое компонентами.
Толщина слоя
Большинство производителей печатных плат позволяют заказывать слои различной толщины. Вес меди – это термин, который производители используют для описания толщины слоя, и он измеряется в унциях. Толщина слоя влияет на то, сколько тока может протекать через цепь, не повреждая следы.Ширина дорожки – еще один фактор, который влияет на то, сколько тока может безопасно проходить через цепь (обсуждается ниже). Чтобы определить безопасные значения ширины и толщины, вам необходимо знать силу тока, которая будет проходить через рассматриваемую дорожку. Используйте онлайн-калькулятор ширины дорожки, чтобы определить идеальную толщину и ширину дорожки для данной силы тока.
Следы на печатной плате
Если вы посмотрите на профессионально разработанную печатную плату, вы, вероятно, заметите, что большинство медных дорожек изгибаются под углом 45 °.Одна из причин этого заключается в том, что углы 45 ° сокращают электрический путь между компонентами по сравнению с углами 90 °. Другая причина заключается в том, что высокоскоростные логические сигналы могут отражаться от задней части угла, вызывая помехи:
Если в вашем проекте используется цифровая логика или высокоскоростные протоколы связи выше 200 МГц, вам, вероятно, следует избегать углов 90 ° и переходных отверстий в твои следы. Для более медленных трасс трассы под углом 90 ° не сильно повлияют на характеристики вашей цепи.
Ширина следа
Как и толщина слоя, ширина ваших дорожек влияет на то, сколько тока может протекать через вашу схему, не повреждая схему.
Близость трасс к компонентам и соседним трассам также определяет ширину трассы. Если вы разрабатываете небольшую печатную плату с большим количеством дорожек и компонентов, вам может потребоваться сузить дорожки, чтобы все подходило.
Создание компоновки печатной платы
Теперь, когда мы обсудили некоторые способы оптимизации конструкции печатной платы, давайте посмотрим, как компоновка печатной платы в EasyEDA.
Откройте схему в редакторе схем и нажмите кнопку «Преобразовать проект в плату»:
Посадочные места, связанные с каждым символом схемы, будут автоматически перенесены в редактор плат:
Обратите внимание на тонкий синий линии, соединяющие компоненты. Они называются ratsnest строк. Линии Ratsnest – это виртуальные провода, которые представляют соединения между компонентами. Они показывают вам, где вам нужно провести трассы в соответствии с проводными соединениями, которые вы создали в своей схеме:
Теперь вы можете начать расставлять компоненты, учитывая советы по проектированию, упомянутые выше.Возможно, вы захотите провести небольшое исследование, чтобы выяснить, есть ли какие-либо особые требования к конструкции для вашей схемы. Некоторые схемы лучше работают с определенными компонентами в определенных местах. Например, в схеме усилителя LM386 развязывающие конденсаторы источника питания необходимо размещать близко к микросхеме, чтобы уменьшить шум.
После того, как вы расставили все компоненты, пора начать рисовать следы. Используйте провода ratsnest в качестве приблизительного ориентира для прокладки каждого следа. Однако они не всегда показывают лучший способ прокладки трасс, поэтому рекомендуется вернуться к своей схеме, чтобы проверить правильность соединений.
Трассы также можно маршрутизировать автоматически с помощью программного обеспечения auto-router . Для сложных схем, как правило, лучше прокладывать трассы вручную, но попробуйте автоматический маршрутизатор на более простых схемах и посмотрите, что он даст. Вы всегда можете настроить отдельные трассы позже.
Это видео покажет вам, как рисовать следы в редакторе плат EasyEDA:
Теперь пора определить размер и форму контура печатной платы. Щелкните контур платы и перетащите каждую сторону, пока все компоненты не окажутся внутри:
Последнее, что нужно сделать перед размещением заказа, – это запустить проверку правил проектирования .Проверка правил проектирования покажет вам, перекрываются ли какие-либо компоненты или трассировки трассируются слишком близко друг к другу. Проверку правил проектирования можно найти, нажав кнопку «Диспетчер дизайна» в правом окне:
Элементы, не прошедшие проверку правил проектирования, будут перечислены под папкой «Ошибки DRC». Если вы нажмете на одну из ошибок, трассировка проблемы или компонент будут выделены в представлении платы:
. Вы можете указать свои собственные настройки для проверки правил проектирования, щелкнув раскрывающееся меню в верхнем правом углу и переход в Разное> Настройки правил проектирования:
Откроется окно, в котором вы можете установить правила проектирования для ширины трассы, расстояния между трассами и других полезных параметров:
На этом этапе рекомендуется удвоить сравните разводку печатной платы со схемой, чтобы убедиться, что все подключено правильно.Если результат вас устраивает, следующим шагом будет заказ печатной платы. EasyEDA делает эту часть действительно простой…
Заказ печатной платы
Начните с нажатия кнопки «Производственный вывод» в верхнем меню редактора плат:
Это перенесет вас на другой экран, где вы можете выбрать параметры для заказ вашей печатной платы:
Вы можете выбрать количество печатных плат, которые вы хотите заказать, количество слоев меди, толщину печатной платы, вес меди и даже цвет печатной платы.После того, как вы сделали свой выбор, нажмите «Сохранить в корзину», и вы попадете на страницу, где можете ввести свой адрес доставки и платежную информацию.
Вы также можете загрузить файлы Gerber своей печатной платы, если хотите отправить их другому производителю:
Файлы Gerber – это набор файлов изображений, которые содержат шаблоны, используемые для изготовления вашей печатной платы. Все файлы сжаты в один файл .zip. Есть отдельный файл для медных дорожек, шелкографии и расположения просверленных отверстий и переходных отверстий:
Я заказал 15 печатных плат для схемы усилителя звука LM386, и их стоимость составила около 15 долларов США.Изготовление и доставка заняли около двух недель. Печатные платы были сделаны хорошо, и я не смог найти никаких дефектов. После того, как я спаял компоненты и протестировал усилитель, он отлично заработал. Вы можете клонировать мою схему усилителя LM386 и печатную плату здесь, если хотите.
Создание собственной нестандартной печатной платы – это очень весело, и результаты могут быть очень полезными. Надеюсь, эта статья поможет вам перенести прототип схемы на печатную плату. Дайте нам знать в комментариях, если у вас есть какие-либо вопросы, и сообщите нам, какие проекты дизайна печатных плат вы запланировали.Если вам понравился этот урок и вы хотите, чтобы он понравился еще больше, обязательно подпишитесь!
.
