11 шагов по проектированию печатной платы

Разработка печатной платы — это повторяющийся процесс: вы переходите от готовой схемы, через создание принципиальной схемы и компоновку, к производственным файлам, необходимым заводу. Последовательность шагов и проверка в конце — вот что отличает плату, которая работает с первого раза, от платы, которая возвращается с проблемами. В этом руководстве описаны 11 шагов по проектированию печатной платы , сгруппированные в четыре этапа, с практическими деталями и принципами проектирования с учетом технологичности производства, которые делают результат действительно пригодным для изготовления.

Этап 1 — Определите, что вы строите (Шаги 1–2)

Прежде чем открывать какое-либо программное обеспечение, необходимо иметь четкое и ясное представление о схеме. На этом этапе предотвращается самый дорогостоящий вид доработок: обнаружение фундаментальной проблемы проектирования уже после компоновки.

Шаг 1: Завершение сборки схемы

Продумайте всю электрическую схему, каждый функциональный блок, компоненты, требования к питанию и способы соединения частей. В тех случаях, когда поведение устройства вызывает сомнения, сначала проверьте его на макетной плате или в симуляторе, чтобы не привязывать непроверенную идею к медным проводам. Чем лучше проработана концепция на этом этапе, тем проще будет дальнейшее взаимодействие.

Шаг 2. Выберите программное обеспечение для проектирования

Выберите инструмент EDA, подходящий для вашего проекта и вашего опыта. Новички часто начинают с EasyEDA или KiCad; для профессиональной работы могут потребоваться более крупные пакеты. Важно, чтобы инструмент позволял вам пройти весь путь от схемы до файлов для производства, поэтому убедитесь, что он может экспортировать стандартные файлы Gerber, файлы сверления, спецификации материалов и файлы для установки компонентов.

Этап 2 — Фиксация проекта (Шаги 3–4)

Теперь вам нужно преобразовать схему в формальные представления, используемые программным обеспечением: принципиальную схему и посадочные места, соединяющие ее с физическими компонентами.

Шаг 3: Составьте схему.

Нарисуйте схему в редакторе схем, разместив компоненты и соединив их проводами или обозначениями цепей. Разместите компоненты так, чтобы схема читалась логично, и сгруппируйте связанные между собой элементы; аккуратная схема значительно упрощает отладку и проверку. Эта диаграмма является источником достоверной информации, на основе которой создается топология схемы.

Шаг 4: Назначение и проверка отметок местоположения.

Каждому символу на схеме необходимо присвоить физическое обозначение контактной площадки — схему расположения выводов, к которой фактически припаивается компонент. Присвойте каждому обозначению своё физическое обозначение и сверьте его с техническим описанием производителя, поскольку неправильное обозначение контактной площадки — одна из самых распространённых причин выхода из строя первой платы. Проверьте размеры контактных площадок, расстояние между ними, межконтактную площадку и нумерацию выводов. Правильное обозначение контактной площадки также окупается на более поздних этапах сборки печатной платы , где несоответствие схем расположения выводов приводит к дефектам размещения и пайки.

Этап 3 — Разметка доски (Шаги 5–9)

Это сердце проектирования печатных плат, превращающее схему в физическую плату. Именно здесь принимается основная инженерная оценка.

Шаг 5: Определите контуры платы и структуру слоев.

Задайте размер и форму платы в соответствии с ее корпусом, затем определите количество слоев и структуру многослойной структуры. Количество слоев зависит от сложности и плотности трассировки, а для плат с контролируемым импедансом структура многослойной структуры является преднамеренным проектным решением, областью, которая напрямую связана с высокоскоростным производством печатных плат . Убедитесь, что ваш производитель сможет изготовить плату с такой структурой многослойной структуры.

Шаг 6: Установите правила проектирования

Перед размещением или трассировкой определите правила: минимальная ширина дорожек, зазор, размер переходных отверстий и кольцевое отверстие. Настройте их в соответствии с реальными возможностями вашего производителя, чтобы редактор с самого начала направлял вас к созданию платы, пригодной для сборки. Правила, установленные заранее, предотвращают нарушения, которые в противном случае накапливались бы во время трассировки.

Шаг 7: Разместите компоненты.

Разместите компоненты на плате. Правильное размещение выполняет большую часть работы по созданию качественной разводки: сгруппируйте связанные компоненты, используйте короткие высокоскоростные и чувствительные сигналы, разместите разъемы и монтажные отверстия там, где это необходимо с точки зрения механической конструкции, и оставьте место для аккуратной трассировки. Время, затраченное на это, многократно окупится во время трассировки.

Шаг 8: Проложите соединения

Соедините компоненты медными дорожками, подбирая сечение каждой дорожки в соответствии с протекающим по ней током и необходимым импедансом. Обеспечьте целостность сигнала, делая критически важные дорожки короткими и обеспечивая им чистые обратные пути. Тщательная трассировка — это тот этап, на котором правильное размещение либо упрощает работу, либо, в случае спешки, делает её сложной.

Шаг 9: Добавьте медные заливки, плоскости и шелкографию.

Добавьте заземляющие и силовые плоскости или медные заливки для обеспечения низкоимпедансных обратных путей и снижения шума, затем нанесите шелкографию, обозначения позиций, метки полярности и этикетки, которые позволят собирать и обслуживать плату. Эти завершающие штрихи существенно влияют как на производительность, так и на технологичность производства.

Этап 4 — Проверка и выпуск (Шаги 10–11)

Разработка, похоже, завершена, но продукт не будет выпущен до тех пор, пока не пройдет все проверки и не будет создан корректный выходной файл.

Шаг 10: Запустите DRC и ERC.

Выполните проверку правил проектирования (DRC), чтобы сравнить плату с вашими правилами, выявить слишком близко расположенные дорожки, слишком малые зазоры, неразведенные соединения, переходные отверстия, нарушающие правила, и исправить все выявленные нарушения. Повторно выполните проверку электрических правил (ERC) на принципиальной схеме. Чистые результаты DRC и ERC — это ваша последняя и самая дешевая возможность обнаружить ошибки перед началом изготовления.

Шаг 11: Сгенерируйте выходные данные для производства.

Экспортируйте файлы, необходимые заводу: файлы Gerber для каждого слоя, файл для сверления с ЧПУ, а для сборки — спецификацию материалов и файл для установки компонентов. Укажите параметры, которые не охватываются стандартными файлами: толщина платы, плотность меди, цвета паяльной маски и шелкографии, качество поверхности и требования к импедансу. Получив качественные выходные данные, вы готовы разместить заказ в компании по производству печатных плат.

Проектирование с учетом технологичности производства с самого начала.

Наибольшее улучшение, которого могут добиться большинство разработчиков, — это учитывать технологичность производства на всех этапах, а не только на 11-м шаге. Плата может пройти все электрические проверки, но при этом быть сложной или дорогой в изготовлении.

Внедрите принципы технологичности производства на каждом этапе.

• В макетеОставляйте достаточное расстояние между деталями для их установки и проверки, а также избегайте элементов, которые невозможно надежно изготовить на заказ.
• Для сборкиДобавьте контрольные точки, обеспечьте достаточные зазоры и разумно разделите плату на панели, чтобы она бесперебойно проходила через линию поверхностного монтажа.
• Для тепловых конструкцийнеобходимо спланировать отвод тепла от платы; для мощных цепей может потребоваться подложка, подходящая для этих целей. сборка с металлическим сердечником.
• Для объемаРазработка с учетом производственных потребностей позволяет масштабировать одни и те же файлы в зависимости от технологичности. сборка печатных плат в больших объемах без перепроектирования.

Практический способ гарантировать успех — это предварительная проверка проекта производителем перед принятием окончательного решения. Бесплатная проверка DFM (проектирование для производства) сопоставляет ваши файлы с реальным технологическим процессом и выявляет проблемы, недостающие зазоры, размеры сверл, близкие к предельным, отсутствующие данные, пока их еще можно недорого исправить.

Практические советы, которые помогут избежать повторного вращения.

Большинство вторых версий платы появляются из-за небольшого количества предотвратимых недочетов. Внедрение этих навыков в ваш производственный процесс экономит время и затраты на повторную обработку.

Перед тем, как проложить маршрут

• Тщательно проверьте каждый контактный вывод по данным, указанным в технической документации, уделяя особое внимание контакту 1 и ориентации разъема.
• Установите развязывающие конденсаторы рядом с выводами питания каждой микросхемы; их отсутствие — классическая причина нестабильной работы.
• Проверьте тип разъема и его распиновку, сравнив их с разъемами, к которым они подключаются.

Во время прокладки маршрута

• Рассчитывайте габариты силовых и заземляющих проводников с учетом фактического тока, протекающего по ним.
• Обеспечение коротких и чистых обратных путей для высокоскоростных и чувствительных сигналов — это основной принцип высокоскоростного производства печатных плат.
• Необходимо соблюдать зазоры, соответствующие имеющемуся напряжению и технологическому процессу производства.

Перед тем как отпустить

• Исправьте все ошибки DRC и ERC, а не только очевидные.
• Перед оформлением заказа проведите проверку технологичности производства, например, бесплатную оценку DFM (проектирование для технологичности производства).
• Перечитайте маркировку на шелкографии, чтобы найти обозначения, метки полярности и индикаторы контакта 1.

Все эти шаги несложны, но их пропуск — самая распространенная причина, по которой первая плата возвращается на доработку. Несколько минут проверки позволяют сэкономить цикл изготовления.

11 шагов вкратце

Последовательное выполнение этих одиннадцати этапов с учетом технологичности производства позволяет создать конструкцию, которую можно без проблем изготовить на заводе. Вы можете узнать больше о компании Highleap Electronics и о том, как мы превращаем готовый проект из файлов в рабочие платы.

Часто задаваемые вопросы

Каковы основные этапы проектирования печатной платы?

Четвертый этап: определение схемы и выбор программного обеспечения; создание принципиальной схемы и назначение контактных площадок; компоновка платы (контур, разметка, размещение, трассировка, заливка); проверка и выпуск (DRC/ERC, затем генерация производственных файлов). В эти этапы входят одиннадцать шагов.

Какой этап чаще всего приводит к отказам первой платы?

Часто причиной является неправильное размещение контактных площадок (шаг 4), поскольку неправильный рисунок контактных площадок означает, что компоненты не подойдут или не будут правильно спаяны. Другой распространенной причиной является пропуск или спешка при проверке соответствия проектным правилам (шаг 10). Проверка контактных площадок и прохождение проверки соответствия проектным правилам предотвращают большинство сбоев.

Нужно ли устанавливать правила проектирования до трассировки?

Да. Предварительная установка минимальной ширины трассы, зазора, размера переходного отверстия и кольцевого зазора в соответствии с возможностями производителя направляет редактор к созданию платы, пригодной для сборки, и предотвращает накопление нарушений. Правила, установленные после трассировки, означают необходимость доработки трасс.

Какие файлы создаются на шаге 11?

Файлы Gerber для каждого слоя и файл для сверления с ЧПУ для изготовления, а также спецификация материалов и файл для установки компонентов для сборки. Также укажите толщину платы, плотность меди, цвета паяльной маски и шелкографии, отделку и любые требования к импедансу.

Чем отличается правильное размещение от правильной маршрутизации?

Размещение определяет, где будут располагаться компоненты; трассировка соединяет их. Правильное размещение, группировка связанных компонентов, обеспечение короткого замыкания критически важных сигналов и наличие места для медных проводников упрощают трассировку. Спешка с размещением затрудняет трассировку, независимо от вашего уровня квалификации, поэтому уделите время шагу 7.

Когда следует задумываться о технологичности производства?

Начиная с первого этапа, а не только на этапе выпуска. Учет пространства для сборки, избегание деталей, которые невозможно изготовить на заказ, планирование тепловых путей и проектирование с учетом объема производства позволяют избежать дорогостоящих переделок. Предварительная проверка DFM производителем перед заказом подтверждает возможность изготовления конструкции.

Какова наиболее распространенная причина необходимости второй доработки платы?

Досадные ошибки, которых можно избежать: неправильный посадочный размер, отсутствие развязывающих конденсаторов, некорректная распиновка разъема или неисправленные ошибки в правилах проверки кода (DRC). Проверка посадочных размеров по техническим характеристикам, добавление развязывающих конденсаторов, проверка разъемов и устранение всех ошибок DRC и ERC перед выпуском предотвращают большинство повторных попыток.

Сколько времени занимает разработка печатной платы?

Время выполнения сильно варьируется в зависимости от сложности платы: от одного дня для простой платы до нескольких недель для сложной. Разработка схемы и трассировка обычно занимают больше всего времени, и тщательная проверка перед выпуском — это хорошо потраченное время, поскольку она позволяет избежать гораздо более медленной повторной настройки в дальнейшем.

Для создания принципиальной схемы и компоновки требуется отдельное программное обеспечение?

Нет. Современные инструменты EDA позволяют создавать как схемы, так и разводку печатных плат в одном пакете и экспортировать файлы для производства, поэтому один инструмент позволит вам получить файлы Gerber из схемы. Выберите тот, который соответствует сложности вашего проекта и экспортирует стандартные выходные данные.

Могу ли я обойтись без принципиальной схемы и сразу же развести разводку печатной платы?

Крайне не рекомендуется этого делать. Схема является источником достоверной информации, на основе которой создаются и проверяются топология и список соединений; игнорирование схемы исключает проверку на соответствие электрическим правилам и значительно затрудняет выявление ошибок. Сначала сделайте схему, а затем разместите компоненты на плате, исходя из неё.