11 kroků k návrhu desky plošných spojů

Návrh desky plošných spojů je opakovatelný proces: postupujete od finálního obvodu, přes zachycení schématu a rozvržení, až po výrobní soubory, které továrna potřebuje. Dodržování kroků v daném pořadí a nevynechávání ověření na konci je to, co odlišuje desku, která funguje napoprvé, od té, která se vrátí s problémy. Tato příručka popisuje 11 kroků pro návrh desky plošných spojů , rozdělených do čtyř fází, s praktickými detaily a návyky pro návrh pro výrobu, které umožňují, aby byl výsledek skutečně sestavitelný.

Fáze 1 – Definujte, co stavíte (kroky 1–2)

Než se spustí jakýkoli software, potřebujete jasnou a ustálenou představu o obvodu. Tato fáze zabraňuje nejdražšímu druhu přepracování: odhalení zásadního konstrukčního problému po dokončení návrhu.

Krok 1: Dokončení obvodu

Propracujte kompletní elektrický návrh, každý funkční blok, komponenty, požadavky na napájení a způsob propojení jednotlivých částí. Pokud je chování nejisté, nejprve jej ověřte na nepájivém poli nebo v simulátoru, abyste neprověřili měď. Čím čistší je koncept zde, tím plynulejší je vše v dalším postupu.

Krok 2: Vyberte si svůj návrhářský software

Vyberte si nástroj EDA, který odpovídá vašemu projektu a zkušenostem. Začátečníci často začínají s EasyEDA nebo KiCad; profesionální práce může využívat větší sady. Důležité je, aby nástroj umožňoval exportovat všechny kroky od schémat až po výrobní soubory, proto se ujistěte, že dokáže exportovat standardní výstupy Gerber, vrtání, kusovník a pick-and-place.

Fáze 2 – Zachycení návrhu (kroky 3–4)

Nyní převedete obvod do formálních reprezentací, které software používá: schématu a ploch, které jej propojují s fyzickými součástmi.

Krok 3: Zachycení schématu

Nakreslete obvod v editoru schémat, umístěte součástky a propojte je pomocí vodičů nebo popisků sítí. Uspořádejte jej logicky a seskupte související obvody; úhledné schéma se mnohem snáze ladí a kontroluje. Toto schéma je zdrojem pravdy, ze kterého se generuje rozvržení.

Krok 4: Přiřazení a ověření footprintů

Každý schematický symbol potřebuje fyzickou stopu, tedy kontaktní obrazec, na který se součástka skutečně pájí. Přiřaďte každý z nich a ověřte ho s datovým listem výrobce, protože nesprávný kontakt je jedním z nejčastějších důvodů selhání první desky. Zkontrolujte velikosti kontaktních plošek, rozteč, rozteč a číslování pinů. Správné kontaktní obrazce se také vyplatí později při osazování desky plošných spojů , kde nesouladné kontaktní obrazce způsobuje vady v umístění a pájení.

Fáze 3 – Rozložení hrací desky (kroky 5–9)

Toto je srdce návrhu desek plošných spojů, které přeměňuje schéma ve fyzickou desku. Je to místo, kde se odehrává většina inženýrského úsudku.

Krok 5: Definujte obrys desky a její uspořádání

Nastavte velikost a tvar desky tak, aby odpovídaly jejímu krytu, a poté rozhodněte o počtu vrstev a jejich uspořádání. Počet vrstev závisí na složitosti a hustotě trasování a u desek s řízenou impedancí je uspořádání záměrnou konstrukční volbou, oblastí, která přímo souvisí s vysokorychlostní výrobou desek plošných spojů . Ujistěte se, že je uspořádání vrstev něco, co váš výrobce dokáže vyrobit.

Krok 6: Stanovení pravidel návrhu

Před umístěním nebo směrováním definujte pravidla: minimální šířku trasy, mezeru, velikost propojení a mezikruží. Nastavte je tak, aby odpovídaly skutečným možnostem výrobce, aby vás editor od začátku nasměroval k sestavitelné desce. Pravidla nastavená předem zabraňují porušením, která by se jinak během směrování hromadila.

Krok 7: Umístění komponent

Uspořádejte součástky na desce. Správné umístění odvede většinu práce dobrého uspořádání: seskupte související součástky, udržujte vysokorychlostní a citlivé signály krátké, umístěte konektory a montážní otvory tam, kde to vyžaduje mechanická konstrukce, a ponechte prostor pro čisté směrování. Čas investovaný do tohoto postupu se vám mnohonásobně vrátí během směrování.

Krok 8: Směrování připojení

Spojte součástky měděnými vodiči a dimenzujte každý vodič podle proudu, který vede, a potřebné impedance. Zajistěte integritu signálu tím, že kritické vodiče udržíte krátké a jejich zpětné cesty čisté. Pečlivé umístění vodičů buď usnadňuje práci, nebo ji ve spěchu ztěžuje.

Krok 9: Přidání měděných odlitků, hoblování a sítotisku

Přidejte zemnící a napájecí roviny nebo měděné odlitky pro zajištění nízkoimpedančních zpětných cest a snížení šumu. Poté přidejte sítotisk, referenční značky, značky polarity a štítky, které usnadňují sestavení a servis desky. Tyto finální úpravy silně ovlivňují jak výkon, tak vyrobitelnost.

Fáze 4 – Ověření a uvolnění (kroky 10–11)

Návrh vypadá hotový, ale nebude vydán, dokud neprojde kontrolami a nevygeneruje čisté výstupní soubory.

Krok 10: Spuštění DRC a ERC

Spusťte kontrolu návrhových pravidel (DRC), abyste porovnali desku s vašimi pravidly, zjistili příliš blízké vodiče, příliš malé vzdálenosti, nesměrovaná spojení, propoje, které porušují pravidla, a opravili všechna nahlášená porušení. Znovu spusťte i kontrolu elektrických pravidel (ERC) schématu. Čisté DRC a ERC jsou vaší poslední a nejlevnější příležitostí k odhalení chyb před zahájením výroby.

Krok 11: Generování výrobních výstupů

Exportujte soubory, které továrna potřebuje: soubory Gerber pro každou vrstvu, soubor pro NC vrtání a pro montáž kusovník a soubor pro pick-and-place. Zahrňte parametry, které standardní soubory nezachycují, tloušťku desky, hmotnost mědi, barvy pájecí masky a sítotisku, povrchovou úpravu a požadavky na impedanci. S čistými výstupy v ruce jste připraveni objednávat výrobu plošných spojů.

Navrhování s ohledem na vyrobitelnost od samého začátku

Největším zlepšením, kterého může většina návrhářů dosáhnout, je myslet na vyrobitelnost v celém procesu, nejen v kroku 11. Deska může projít všemi elektrickými kontrolami a přesto být obtížná nebo drahá na výrobu.

Zabudujte vyrobitelnost do každé fáze

• V rozvržení, ponechte mezi díly dostatečný prostor pro umístění a kontrolu a vyhněte se prvkům jemnějším, než jaké váš výrobce dokáže spolehlivě vyrobit.
• Pro montáž, přidejte referenční značky, dodržujte dostatečné mezery a rozumně rozmístěte desku v panelech, aby deska hladce procházela linkou SMT.
• Pro tepelné návrhynaplánujte, jak teplo opouští desku; obvody s vysokým výkonem mohou vyžadovat substrát vhodný pro sestava s kovovým jádrem.
• Pro hlasitost, navrhujte s ohledem na produkční prostředí, aby se stejné soubory daly škálovat do velkoobjemová montáž PCB bez reengineeringu.

Praktickým způsobem, jak si to zafixovat, je kontrola návrhu výrobcem předtím, než se k projektu zavážete. Bezplatná kontrola DFM porovná vaše soubory se skutečným procesem a označí problémy, mezní vůle, velikosti vrtáků blízké limitu, chybějící data, a to i v době, kdy je jejich oprava ještě levná.

Praktické tipy, které vám ušetří opakované zatočení

Většina druhých verzí desky existuje kvůli malému množství přehlédnutí, kterým se dalo předejít. Začlenění těchto návyků do vašeho procesu šetří čas i náklady na další výrobní cyklus.

Před plánováním trasy

• Dvakrát zkontrolujte každý konektor s jeho datovým listem, přičemž věnujte zvláštní pozornost pinu 1 a orientaci konektoru.
• Přidejte oddělovací kondenzátory blízko napájecích pinů každého integrovaného obvodu; jejich chybějící funkce je klasickou příčinou nestabilního chování.
• Ověřte si pohlaví a zapojení pinů konektorů s odpovídajícími součástkami.

Během trasy

• Dimenzujte napájecí a zemnící vodiče podle proudu, který skutečně provádějí.
• Zajistěte krátké cesty vysokorychlostních a citlivých signálů a čisté zpětné cesty, což je disciplína, která stojí za vysokorychlostní výrobou desek plošných spojů.
• Dodržujte odstup odpovídající přítomnému napětí a výrobnímu procesu.

Než propustíte

• Opravte všechny položky DRC a ERC, nejen ty zřejmé.
• Před objednáním proveďte kontrolu vyrobitelnosti, například bezplatnou kontrolu DFM.
• Znovu si přečtěte sítotisk, zda neobsahuje referenční označení, značky polarity a indikátory pin-1.

Žádný z těchto kroků není obtížný, ale jejich vynechání je nejčastějším důvodem, proč se první deska vrací k revizi. Pár minut kontroly ušetří celý výrobní cyklus.

11 kroků v kostce

Postupným propracováním těchto jedenácti kroků, s ohledem na vyrobitelnost, vznikne návrh, který může továrna čistě vyrobit. Více se o společnosti Highleap Electronics a o tom, jak hotový návrh převádíme ze souborů na pracovní desky, si můžete přečíst zde.

Často kladené dotazy

Jaké jsou hlavní fáze návrhu desky plošných spojů?

Čtyři: definování obvodu a výběr softwaru; zachycení schématu a přiřazení kontaktních ploch; rozvržení desky (obrys, pravidla, umístění, trasování, zalévání); a ověření a uvolnění (DRC/ERC, poté generování výrobních souborů). Do těchto fází spadá jedenáct kroků.

Který krok způsobuje nejvíce selhání první desky?

Přiřazení otisků (krok 4) je častým viníkem, protože nesprávný vzor kontaktů znamená, že součástky nebudou správně pasovat nebo pájet. Další častou příčinou je vynechání nebo uspěchaná kontrola návrhových pravidel (krok 10). Ověření otisků a splnění DRC předchází většině selhání.

Musím před zahájením trasování nastavit pravidla návrhu?

Ano. Nastavení minimální šířky trasy, mezery, velikosti propojení a mezikruží vpředu, odpovídající možnostem výrobce, nasměruje editor k sestavitelné desce a zabrání hromadění porušení. Pravidla nastavená po trasování znamenají přepracování tras.

Jaké soubory vytvoří krok 11?

Soubory Gerber pro každou vrstvu a soubor NC vrtačky pro výrobu, plus kusovník a soubor pro pick-and-place pro montáž. Také specifikujte tloušťku desky, hmotnost mědi, barvy pájecí masky a sítotisku, povrchovou úpravu a případné požadavky na impedanci.

Jak se liší dobré umístění od dobrého směrování?

Umístění určuje, kde součástky budou; trasa je spojuje. Dobré umístění, seskupení souvisejících součástek, zkrácení kritických signálů a ponechání prostoru pro měď usnadňují trasování. Uspěchané umístění trasování ztěžuje bez ohledu na to, jak jste zruční, proto věnujte kroku 7 čas.

Kdy bych měl/a přemýšlet o vyrobitelnosti?

Od prvního kroku, nejen při vydání. Ponechání prostoru pro montáž, vyhýbání se prvkům jemnějším, než dokáže váš výrobce vyrobit, plánování tepelných cest a navrhování s ohledem na objem v celém rozsahu zabraňuje nákladným přepracováním. Kontrola DFM výrobcem před objednáním potvrzuje, že je návrh realizovatelný.

Jaký je nejčastější důvod, proč správní rada potřebuje druhou revizi?

Předejít lze přehlédnutím: špatný půdorys, chybějící oddělovací kondenzátory, nesprávné zapojení pinů konektoru nebo neopravené položky DRC. Kontrola půdorysů s datovými listy, přidání oddělovacích kondenzátorů, ověření konektorů a vyřešení všech položek DRC a ERC před vydáním zabraňuje většině opakovaných otáček.

Jak dlouho trvá návrh desky plošných spojů?

To se značně liší v závislosti na složitosti, od odpoledne u jednoduché desky až po týdny u složité. Schéma zapojení a směrování obvykle zabere nejvíce času a důkladné ověření před vydáním je dobře strávený čas, protože se zabrání mnohem pomalejšímu opětovnému roztočení později.

Potřebuji samostatný software pro schéma zapojení a rozvržení?

Ne. Moderní EDA nástroje zvládají jak zachycení schémat, tak i rozvržení desek plošných spojů v jednom balíčku a exportují výrobní soubory, takže jeden nástroj vás přenese od obvodu k Gerberům. Vyberte si takový, který podporuje složitost vašeho projektu a exportuje standardní výstupy.

Můžu přeskočit schéma a rovnou rozvrhnout desku?

Důrazně se nedoporučuje. Schéma zapojení je zdrojem pravdy, ze kterého se generuje a kontrolují rozvržení a seznam sítí; jeho vynechání odstraní kontrolu elektrických pravidel a chyby se mnohem hůře odhalí. Nejprve schéma zapojení zachyťte a poté z něj rozložte desku.