Navigace v rozložení PCB: Nejlepší postupy pro inženýry

Rozložení desky plošných spojů je více než jen její vzhled. Úspěšné uspořádání PCB fyzicky uspořádá své obvody tak, aby bylo dosaženo optimálního elektronického výkonu a zároveň bylo plně vyrobitelné. To vyžaduje pečlivou správu knihoven komponent, nastavení a parametrů CAD, umístění komponent, směrování a návrh rozvodné sítě (PDN). Návrháři rozvržení musí navíc zajistit, aby jejich práce byla plně zdokumentována a aby byl konečný produkt připraven k zařazení do zamýšleného elektronického systému.

Čeká nás spousta práce, zejména pro inženýry, kteří nejsou obeznámeni s procesem uspořádání PCB. Abychom vám pomohli s tímto pracovním postupem, je vhodné mít k dispozici komplexní soubor pokynů pro uspořádání desek plošných spojů. Odvětvové a podnikové normy budou diktovat detaily návrhu, ale pokyny pro rozvržení jsou nezbytné pro pomoc inženýrům orientovat se v procesu vývoje PCB od začátku do konce. Zde jsou některé základní pokyny pro návrh plošného spoje, které lze použít k vytvoření vlastního průvodce vývojem plošných spojů.

Před spuštěním rozvržení PCB

Před zahájením procesu rozvržení je třeba vyřešit několik úkolů, aby byl zajištěn úspěšný návrh. Jedním z prvních úkolů je vytvořit knihovnu otisků DPS, která bude použita.

Při vytváření knihovny rozložení desek plošných spojů je zásadní použít průmyslové standardy (jako je IPC) nebo specifikace výrobce pro velikosti a rozměry balení. Osobní, firemní nebo technické požadavky však mohou také vyžadovat odchylky pro určité části. Například balíčky v RF designech mohou vyžadovat menší velikosti podložek než standardní digitální designy. Zde jsou některé další pokyny pro vytvoření vlastní knihovny stop komponent PCB:

• Zajistěte, aby všechny komponenty knihovny, které vytvoříte, měly přijatelné velikosti vzoru podložek s rozestupy, které vyhovují standardům komponenty.
• Otisky desek plošných spojů by měly zahrnovat všechny nezbytné prvky, jako jsou obrysy součástí, sítotiskové značky a referenční označení.
• Dobrým pravidlem je zajistit, aby váš výrobce mohl vyrobit díly, které navrhujete, než je předloží ke konečnému návrhu.

Další možností je použít stopy PCB od externích poskytovatelů CAD knihoven. Výrobci dílů často vytvářejí své vlastní komponenty pro váš návrhový systém předem a některé nástroje mají prohlížeče pro pohodlné stahování těchto dílů.

Obrys a vrstvení PCB

Než začnete s návrhem desky plošných spojů, musíte spolupracovat s návrháři mechaniky, abyste získali dobrý obrysový tvar. I když konstrukční faktory lze později změnit, jakékoli změny si mohou vynutit výrazné přepracování obvodu, aby se přizpůsobil novému tvaru. Většina nástrojů CAD navíc akceptuje data importovaná ze systémů mechanického navrhování, což vám usnadní práci. I u importovaných dat však stále musíte zajistit, aby obrys desky plošných spojů byl správný a obsahoval všechny nezbytné CAD prvky potřebné pro váš návrh, jako jsou ochranné zóny.

Před zahájením návrhu by mělo být dokončeno i vrstvení vrstev. I v tomto případě je možné je později změnit, ale potenciální dopad na stávající obvody by mohl narušit váš harmonogram návrhu a rozpočet. Vrstvy by měly být také doladěny pro váš konkrétní návrh, aby se zajistila správná konfigurace vrstev pro impedančně řízené směrování a další požadavky na integritu signálu. Výběr materiálu desky plošných spojů v této fázi je také zásadní, aby bylo možné provést vhodné šířky stop a další konstrukční výpočty na základě fyzikálních vlastností materiálu. Mezi tyto vlastnosti patří dielektrická konstanta, kvalita izolace, míra absorpce vlhkosti a disipační činitel.

CAD parametry a nastavení

Není neobvyklé, že najdeme designéry, kteří pracují s výchozím nastavením svých CAD systémů. Většina CAD systémů však poskytuje uživatelům rozsáhlou kontrolu nad barvami, vzory výplně, stínováním a také velikostí a šířkou písma. Můžete také změnit zobrazení určitých objektů, umístit jeden prvek návrhu nad druhý, nastavit mřížky a určit předvolby rozvržení a směrování. Tato nastavení jsou navržena tak, aby zvýšila efektivitu vaší práce a optimalizací nastavení předem můžete ušetřit čas.

Pokyny pro umístění komponent

Po dokončení CAD knihoven, obrysu PCB a dalších úloh nastavení může začít návrh. Prvním krokem v tomto procesu je umístění otisků součástí PCB na desku. Umístění součástek na desku musí splňovat tři hlavní požadavky: výkon obvodu, vyrobitelnost a dostupnost.

Výkon obvodu

Vysokorychlostní obvody potřebují, aby jejich součásti byly umístěny co nejblíže k sobě, aby bylo dosaženo krátkých přímých signálových cest, ale nejsou jedinými součástmi s tímto požadavkem. Analogové obvody a výkonové komponenty je také potřeba umístit tak, aby jejich citlivé nebo silnoproudé dráhy byly co nejkratší. To pomáhá snížit indukčnost a zlepšuje integritu signálu a napájení. V některých případech však může být nutné tyto součásti oddělit, aby se přizpůsobilo vedení sběrnice nebo tepelné izolaci.

Vyrobitelnost

Pro co největší minimalizaci výrobních nákladů je důležité umístit komponenty tak, aby byla výroba co nejjednodušší. Například součástky, které jsou příliš blízko u sebe, nemusí být možné sestavit automaticky nebo může být obtížné pájet pomocí automatizovaných pájecích procesů. Vyšší čipové komponenty budou produkovat stínový efekt, když se před nimi provádí vlnové pájení menších částí, což má za následek špatné pájené spoje. Nevyvážená měď mezi dvěma pájecími ploškami malých čipových součástek způsobí nerovnoměrné zahřívání, což způsobí, že se jedna pájecí ploška roztaví před druhou a vytáhne druhou stranu nahoru.

Přístupnost

Obvodové desky je obvykle nutné ručně otestovat a přepracovat, což vyžaduje přístup ke komponentám, které je třeba řešit. Pokud větší součásti tyto součásti zakrývají, může to zkrátit jejich práci nebo způsobit náhodné poškození sousedních součástí. Podobně konektory, přepínače a další rozhraní člověk-stroj, které jsou nepřístupné, mohou také zpomalit výrobu desky plošných spojů.

Klíčovým vůdčím principem je, že rozvržení by mělo začínat základním půdorysným pohledem na komponenty na vývojové desce. To vám umožní navrhnout strategie, jak rozdělit různé oblasti obvodů na desce, aby se zabránilo překrývání analogových a digitálních signálů.

Pokyny pro rozvržení desky plošných spojů: Efektivní umístění součástí vede ke směrování

Pokyny pro směrování PCB

Pro návrháře desek plošných spojů je zásadní rozmístění desek plošných spojů tak, aby se vytvořila optimální integrita signálu a napájení. Komponenty by měly být umístěny v optimálních polohách, aby bylo dosaženo krátkého přímého směrování. Zároveň musí být plošný spoj rozmístěn tak, aby bylo možné plně směrovat všechny sítě. Vyvážení těchto požadavků může být u konstrukcí s vysokou hustotou docela problém. Prvním vodítkem pro návrh plošného spoje je nastavení návrhových pravidel a omezení pro směrování.

Pravidla a omezení návrhu

Technicky by konfigurace pravidel návrhu a omezení měla být zahrnuta do parametrů a nastavení. Protože se však většina pravidel přímo vztahuje na směrování stop, uvádíme je zde. Pravidla a omezení se používají k řízení šířky a rozestupů kolejí a lze je nastavit pro jednotlivé sítě, skupiny sítí nazývané třídy sítí nebo jako výchozí nastavení pro všechny nespecifikované sítě. Pravidla návrhu se také používají k řízení toho, které průchody jsou vybrány pro různé sítě, délky směrování a odpovídající délky a které vrstvy jsou povoleny pro směrování konkrétních sítí a topologie směrování. Kromě toho se pravidla návrhu používají k řízení roztečí součástí, pravidel sítotisku, mechanických vůlí a mnoha dalších omezení.

Integrita signálu a napájení

Aby návrháři desek plošných spojů dosáhli optimálního výkonu a integrity signálu, musí dodržovat specifické požadavky na směrování obvodů. V tomto případě pomohou návrhová pravidla a omezení, která návrhářům umožní zadat fyzické parametry směrování do CAD systémů pro účely směrování. Přestože se přesné hodnoty liší v závislosti na potřebách desky plošných spojů, návrháři obvykle stanoví pravidla, aby zajistili dodržování následujících pokynů:

• Trasy pro vysokorychlostní přenosy by měly být krátké a přímé.
• Šířky stopy, rozestupy a povolené vrstvy pro směrování s řízenou impedancí.
• Specifikované délky kolejí a délkové tolerance pro směrování přizpůsobené délky.
• Šířky a rozteče pro diferenciální páry.
• Šířky a vzdálenosti pro citlivé signály, jako jsou hodiny a ovládací prvky.
• Přes typy pro různé sítě.
• Šířky a rozteče pro analogové obvody.
• Šířky kolejí a měděné závaží pro silnoproudé výkonové obvody.

Dalším důležitým vodítkem k zapamatování je vyhnout se křížení oblastí mezi analogovými a digitálními trasami při směrování v provedeních se smíšeným signálem.

Efektivní výkon a směrnice zemní roviny

U moderních vysokorychlostních konstrukcí je optimální strategií uzemnění často použití jedné nebo více souvislých zemních vrstev na vnitřních vrstvách. To poskytuje vynikající ochranu proti elektromagnetickému rušení a zajišťuje volné signálové cesty, což zlepší celkovou integritu signálu. V oblastech, kde dochází k nespojitostem zemnící roviny v důsledku jedinečných obrysů nebo vlastností desky plošných spojů, je třeba se vyhnout uzemnění v jakýchkoli zemních mezerách na desce. Pokud neexistují žádné souvislé a sousední zemnící roviny, které by sloužily jako volné zpětné cesty pro signály, může váš návrh generovat mnoho nežádoucího šumu. Zde je několik pokynů pro napájení a zemnící roviny, které je třeba mít na paměti:

• Zemní vrstvy musí sousedit se signálovými vrstvami v a Skládání PCB s vysokorychlostním směrováním. To pomůže chránit vysokorychlostní směrování před rušením a poskytne dobrou referenční rovinu pro zpětné cesty signálu.
• Používejte tepelné podložky a pečlivě spravujte napájecí a zemní připojení k letadlu. Poloměr podložky podušky musí být dostatečně široký, aby nesl vysoký proud a zároveň eliminoval možnost, aby tato spojení fungovala jako radiátory.
• Pečlivě naplánujte připojení napájení a rozdělte napájecí roviny, abyste zajistili, že napájení bude dostatečně přiváděno do všech připojených komponent v celé desce plošných spojů.

Vyhněte se současnému směrování analogových a digitálních obvodů v provedeních se smíšeným signálem

Sítotisk a pokyny pro testování PCB

Jakmile je návrh desky plošných spojů dokončen, je čas zaměřit se na finalizaci rozvržení vyčištěním vrstvy sítotisku a přidáním testovacích bodů. Referenční značky, čísla dílů a další informace o společnosti jsou na desce plošných spojů vyznačeny inkoustem pomocí sítotisku. Konstruktéři obvykle používají k návrhu těchto značek vrstvu „sítotisku“ ve svém CAD systému.

Aby byly značky sítotiskové vrstvy čitelné, návrháři se řídí těmito pokyny:

• Šířka čar by neměla být menší než 4 mil.
• Velikost písma by neměla být menší než 24 mil.

Označení referenčních komponent by mělo být přejmenováno na základě firemního mřížkového vzoru, aby se usnadnilo umístění konkrétních dílů na desce plošných spojů. Posouvejte a otáčejte referenční značky, aby byly snadno čitelné. V případě potřeby uveďte polaritu a připněte jednu značku.

Testovací body jsou klíčové pro plošné spoje určené pro hromadnou výrobu pro automatizované ověřování montáže. Každá síť v návrhu by měla mít testovací bod, ať už se jedná o stávající kolík s průchozím otvorem, průchod nebo přidanou testovací podložku pro povrchovou montáž. Testovací body by měly být vzdáleny alespoň 50 mil od ostatních předmětů na desce plošných spojů, jako jsou součásti nebo destičky, a alespoň 100 mil od okraje desky plošných spojů. Tyto hodnoty se však mohou lišit podle dodavatele, proto si nezapomeňte ověřit, jaké jsou požadavky výrobce na zkušební body.