13 основных правил компоновки печатных плат (и причины их возникновения)

Схема доказывает работоспособность идеи; компоновка печатной платы определяет, будет ли она действительно работать после сборки. Одна и та же схема может обеспечить бесшумную, пригодную для производства плату или плату, которая излучает тепло, выходит из строя на высоких скоростях, сильно нагревается и накапливает дефекты сборки — разница заключается исключительно в размещении и трассировке. Тринадцать правил, приведенных ниже, — это те, которые, по мнению наших инженеров, чаще всего игнорируются в поступающих проектах. Они расположены в порядке, в котором вы бы фактически разводили плату, и указаны с конкретными цифрами, которые делают их применимыми. Ни одно из них не является экзотическим; вместе, грамотное проектирование и компоновка печатной платы предотвращают подавляющее большинство ненужных переделок.

Ниже приведено описание того, на что обращает внимание наша команда DFM в Highleap Electronics при проверке проектной документации перед изготовлением.

1. Почему компоновка печатной платы важнее, чем принципиальная схема.

Каждая цепь на плате представляет собой физическую структуру с сопротивлением, индуктивностью, емкостью и обратным током, который должен пройти до места назначения. Схема скрывает все это; разводка же это раскрывает. Электромагнитное поведение, целостность высокоскоростных сигналов, тепловые характеристики и даже выход годной продукции определяются расположением компонентов и способом их медного соединения — именно поэтому опытный инженер может исправить неудачную схему разводки, а небрежный — испортить хорошую схему. Отношение к передовым методам разводки печатных плат как к правилам, а не к предпочтениям, делает плату предсказуемой на протяжении всего производственного процесса.

2. Правила компоновки печатной платы 1–7: расположение компонентов, заземление и питание.

Первые решения — еще до начала трассировки — определяют потолок того, насколько качественной может быть плата.

Правило 1 — Составьте план помещения, прежде чем прокладывать маршрут.

Сначала разместите разъемы, монтажные отверстия и основные функциональные блоки, группируя компоненты по функциям, чтобы сигналы передавались в одном направлении по всей плате. Продуманная планировка сокращает критически важные цепи и предотвращает запутанную трассировку, которая приводит к компромиссам в дальнейшем.

Правило 2 — Не допускайте больших объемов текущих циклов.

Каждый сигнальный и силовой тракт образует замкнутый контур со своим обратным путем, а площадь контура определяет, что излучает, а что поглощает помехи. Размещайте компоненты и трассируйте таким образом, чтобы каждый контур — особенно быстродействующие сигналы и контуры с импульсными стабилизаторами напряжения — оставался как можно меньше; излучаемые помехи зависят от площади контура.

Правило 3 — Обеспечьте доске прочную опорную поверхность.

Сплошная заземляющая плоскость — это самый мощный инструмент компоновки. Она обеспечивает низкоимпедансный обратный провод непосредственно под каждым сигналом, и её нельзя разделять или разрезать под высокоскоростными дорожками, поскольку сигнал, пересекающий разрыв, теряет свой обратный путь, его импеданс резко возрастает, и он излучает.

Правило 4 — Разъединение на штифте

Разместите развязывающий конденсатор (обычно 0.1 мкФ, размер которого соответствует устройству) непосредственно у каждого вывода питания микросхемы, проложив короткий и широкий путь к силовой и заземляющей плоскостям, и подсоедините к нему дополнительный конденсатор для платы. Конденсатор, расположенный далеко или подключенный через длинную тонкую дорожку, увеличивает индуктивность и не может обеспечить быстрый переходный ток, необходимый для микросхемы.

Правило 5 — Разделяйте аналоговые, цифровые и силовые компоненты.

Размещайте шумные цифровые и импульсные силовые секции вдали от чувствительных аналоговых и радиочастотных компонентов и направляйте их обратные токи таким образом, чтобы цифровой шум не проходил через аналоговое заземление. Разделяйте компоненты по функциям на плане размещения и соединяйте заземления в одной, специально выбранной точке там, где это необходимо для компонентов смешанного сигнала.

Правило 6 — Планирование сети распределения электроэнергии

Обеспечьте каждому полю питания низкоимпедансный путь: широкие дорожки или выделенные плоскости, тесную связь питания с землей для компенсации межплоскостной емкости и достаточное количество меди, чтобы полю питания не провисало под воздействием переходных нагрузок. Слабая сеть распределения питания проявляется в виде сбоев, маскирующихся под логические ошибки.

Правило 7 — Используйте достаточно слоев, чтобы выполнить правила 3–6.

Если невозможно обеспечить каждому сигнальному слою смежную опорную плоскость и корректно передать сигналы питания, добавьте пару слоев. Четырехслойная плата с правильно расположенными плоскостями обычно превосходит по характеристикам двухслойную плату с ограниченным пространством, а добавление меди обходится дешевле, чем снижение надежности из-за компромиссной структуры слоев.

3. Правила компоновки печатных плат 8–13: трассировка, импеданс и производство.

После определения плана размещения и плоскостей, трассировка преобразует план в медный кабель, не отменяя его.

Правило 8 — Выбирайте размеры трасс для пропускания тока и тепла.

В соответствии со стандартом IPC-2152 (и более старым стандартом IPC-2221) ширина и толщина медного слоя дорожки определяют, какой ток она пропускает при заданном повышении температуры. Размеры силовых и заземляющих дорожек следует выбирать целенаправленно, а не использовать стандартную ширину сигнальной дорожки, и расширять их там, где ток высок.

Правило 9 — Используйте короткие, согласованные и соответствующие друг другу высокоскоростные сети.

Быстродействующие сигналы должны передаваться коротко и напрямую, всегда по непрерывной опорной плоскости, и для них должно быть задано контролируемое сопротивление в структуре платы (обычно 50 Ом для однополярного подключения, 90–100 Ом для дифференциального). Необходимо согласовать длину критически важных по времени групп и дифференциальных пар, а также располагать тактовые сигналы и высокоскоростные линии вдали от краев платы и чувствительных цепей.

Правило 10 — Контроль перекрестных помех и краев плоскостей

Для ограничения перекрестных помех между чувствительными параллельными дорожками применяйте правило 3W — расстояние между центрами дорожек не менее трех ширин — и правило 20H , согласно которому плоскости следует отодвигать от края платы для уменьшения излучения с краев. Эти недорогие эвристические методы предотвращают дорогостоящие проблемы с электромагнитной совместимостью.

Правило 11 — Маршрут с чистой геометрией

Используйте изгибы под углом 45° вместо резких поворотов и избегайте острых углов, которые могут задерживать травильный раствор во время изготовления. Не допускайте попадания переходных отверстий в контактные площадки, если они не заполнены и не покрыты металлом, и минимизируйте количество слоёв на быстроразъёмных сетях, поскольку каждое переходное отверстие добавляет отросток и разрыв. Заливайте и соединяйте медь разумно — в наших заметках о заливке меди и соединении переходных отверстий рассматривается соединение переходных отверстий как для экранирования, так и для теплоотвода.

Правило 12 — Управление тепловым потоком и проектирование с учетом сборки.

Для теплоотвода нагреваемых компонентов используйте медь для рассеивания тепла, тепловые переходные отверстия — под контактными площадками питания, а теплоотводящие соединения — на плоскостях, чтобы площадки хорошо паялись. В то же время, учитывайте расположение и расстояние между компонентами, ориентируйте похожие детали одинаково для ускорения контроля качества и оставляйте место для доработки вокруг компонентов с малым шагом выводов и разъемов — компоновка влияет как на надежность, так и на выход годной продукции при сборке.

Правило 13 — Добавьте возможности тестирования и проектирования к производственным мощностям.

Предусмотрите контрольные точки для монтажных машин, точки для внутрисхемного или функционального тестирования, а также механические ограничители для разъемов и корпусов — и при этом соблюдайте минимальные ограничения производителя по длине дорожек/расстояния, кольцевому зазору, размеру сверла и количеству слоев. Теоретически идеальную плату, превосходящую возможности производства, просто невозможно изготовить, а добавление доступа для тестирования позже обычно приводит к необходимости повторного изготовления.

4. Распространенные ошибки при компоновке печатных плат, которых следует избегать.

Приведенные выше правила напрямую соответствуют наиболее часто встречающимся нам ошибкам, и полезно распознавать каждую из них по симптомам, а не только по причине.

• Сбой, связанный с излучением, при проведении испытаний на электромагнитную совместимость. Обычно это происходит из-за расщепления или щели в земле при быстром сигнале или из-за того, что самолеты не отведены от края.
• Случайные сбои, которые исчезают при зондировании. Обычно это проблемы с целостностью питания: слишком сильное отсоединение от микросхемы или провисание шины питания при переходной нагрузке.
• Перегрев или падение напряжения на шине Это происходит из-за трассировки мощности стандартной ширины, которая никогда не была рассчитана на соответствующий ток.
• Высокоскоростное соединение, которое не заблокируется. Часто это означает, что импеданс был определен после трассировки, или же дифференциальная пара изначально не была согласована по длине.
• Доску, которую невозможно протестировать или точно установить. Это означает, что контрольные точки или опорные метки были пропущены — это обнаружилось слишком поздно, чтобы исправить без поворота.
• Запоздалое заявление от производителя: «Мы не можем это построить». указывает на острые углы, расстояние между заготовками меньше минимального или невозможное соотношение сторон сверла.

Принцип во всех случаях одинаков: стоимость соблюдения правила при раскладке минимальна, в то время как стоимость его нарушения — это повторный ход, сбой в полевых условиях или бракованная партия. Дисциплина окупается с первого же раза, когда она спасает ход на доске.

5. Разработка компоновки печатной платы и анализ DFM в компании Highleap.

Даже тщательно продуманная компоновка выигрывает от взгляда второго взгляда, знающего ограничения производства. Когда вы отправляете проект в Highleap, наши инженеры проводят бесплатную проверку DFM (проектирование для производства ) в соответствии с вышеуказанными правилами и нашими реальными возможностями — проверяя дорожки и зазоры, кольцевое пространство, размеры сверл, структуру и импеданс, теплоотвод, расстояние для напряжения и доступ для тестирования — прежде чем что-либо будет изготовлено. Цель состоит не в том, чтобы перепроектировать вашу плату, а в том, чтобы выявить те немногие проблемы, которые в противном случае привели бы к повторной разработке или снижению выхода годных изделий.

Отправьте вам файлы Gerber или ODB++, и мы предоставим конкретные, полезные рекомендации, после чего изготовим и соберем детали в соответствии с задуманной вами компоновкой. Обнаружение щелевой плоскости или невозможных для строительства промежутков на экране ничего не стоит; обнаружение их после первой сборки стоит ход.

Получите бесплатный анализ DFM вашей планировки.

6. Часто задаваемые вопросы о компоновке печатных плат

Какое самое важное правило проектирования печатных плат?

Обеспечьте плате сплошную, непрерывную заземляющую плоскость и никогда не нарушайте её при подаче высокоскоростных сигналов. Она обеспечивает низкоимпедансный обратный путь непосредственно под каждой дорожкой, что контролирует импеданс и минимизирует электромагнитные помехи — самый важный фактор в компоновке.

Куда следует устанавливать развязывающие конденсаторы?

Прямо на выводе питания каждой микросхемы, с коротким и широким соединением с плоскостями питания и заземления, с поддержкой емкости для платы. Конденсатор, расположенный далеко или подключенный через длинную тонкую дорожку, увеличивает индуктивность и не может обеспечить питание для быстрого переходного тока микросхемы.

Какой должна быть ширина дорожки на печатной плате?

Достаточно широкие, чтобы пропускать ток при приемлемом повышении температуры, исходя из веса меди, согласно стандартам IPC-2152 или IPC-2221. Сигнальные дорожки могут быть узкими, но силовые и заземляющие дорожки следует выбирать с учетом необходимого сечения и расширять там, где ток высок.

Что представляют собой правила 3W и 20H?

Правило 3W предусматривает размещение чувствительных параллельных дорожек на расстоянии не менее трех ширин дорожек друг от друга (от центра до центра), чтобы ограничить перекрестные помехи. Правило 20H отодвигает силовые и заземляющие плоскости от края платы примерно на двадцать толщин диэлектрика, чтобы уменьшить излучение на краю.

Действительно ли углы, равные 90 градусам, представляют собой проблему?

Электромагнитное воздействие углов в 90° незначительно на большинстве скоростей, но острых углов следует избегать, поскольку они могут задерживать травильный раствор во время изготовления. Фрезерование с изгибами под углом 45° является стандартной и чистой практикой.

Зачем мне нужны реперные точки и контрольные метки?

Реперные точки позволяют машинам для размещения компонентов точно позиционировать плату, а контрольные точки обеспечивают внутрисхемное или функциональное тестирование. Их добавление на этапе компоновки практически ничего не стоит, но если их не добавить, а они понадобятся позже, часто требуется повторная компоновка.

Сколько слоев мне нужно для хорошей компоновки?

Этого достаточно, чтобы обеспечить каждому сигнальному слою смежную опорную плоскость и передать линии питания. Простые схемы работают на 2 или 4 слоях; плотные или высокоскоростные схемы требуют 6 или более слоев, чтобы можно было соблюдать правила заземления и импеданса.