Навигация по компоновке печатной платы: лучшие практики для инженеров

Компоновка печатной платы – это больше, чем просто ее внешний вид. Успешная компоновка печатной платы физически организует ее схемы для достижения оптимальных электронных характеристик, а также обеспечивает полную технологичность. Это требует тщательного управления библиотеками компонентов, настройками и параметрами САПР, размещением компонентов, маршрутизацией и проектированием сети распределения электроэнергии (PDN). Кроме того, дизайнеры макетов должны гарантировать, что их работа полностью документирована и что конечный продукт готов к включению в предполагаемую электронную систему.

Предстоит проделать большую работу, особенно для инженеров, незнакомых с процессом разводки печатных плат. Чтобы облегчить этот рабочий процесс, желательно иметь под рукой полный набор рекомендаций по разводке печатных плат. Отраслевые и корпоративные стандарты будут определять детали конструкции, но рекомендации по компоновке необходимы, чтобы помочь инженерам ориентироваться в процессе разработки печатной платы от начала до конца. Вот несколько основных рекомендаций по проектированию печатной платы, которые можно использовать для составления собственного руководства по разработке печатной платы.

Прежде чем приступить к разводке печатной платы

Прежде чем начать процесс макетирования, необходимо решить несколько задач, чтобы обеспечить успешный дизайн. Одной из первых задач является создание библиотеки посадочных мест печатной платы, которая будет использоваться.

При создании библиотеки разводок печатных плат крайне важно использовать отраслевые стандарты (такие как IPC) или спецификации производителя в отношении размеров и размеров корпуса. Однако личные, корпоративные или технические требования также могут диктовать изменения в отношении определенных деталей. Например, для корпусов радиочастотных конструкций могут потребоваться площадки меньшего размера, чем для стандартных цифровых конструкций. Вот несколько дополнительных рекомендаций по созданию собственной библиотеки посадочных мест компонентов печатной платы:

• Убедитесь, что все создаваемые вами библиотечные компоненты имеют приемлемые размеры рисунков контактных площадок и интервалы, соответствующие стандартам компонента.
• Следы печатной платы должны включать все необходимые элементы, такие как контуры деталей, шелкографическая маркировка и ссылочные обозначения.
• Хорошее практическое правило — убедиться, что ваш производитель может изготовить проектируемые вами детали, прежде чем отправлять их на окончательную разработку.

Другой вариант — использовать контуры печатных плат от внешних поставщиков библиотек САПР. Производители деталей часто заранее создают свои собственные компоненты для вашей системы проектирования, а некоторые инструменты имеют браузеры для удобной загрузки этих деталей.

Схема печатной платы и структура слоев

Прежде чем приступить к разводке печатной платы, вам необходимо поработать с конструкторами-механиками, чтобы получить хорошую форму контура. Хотя конструктивные факторы могут быть изменены позже, любые изменения могут привести к существенной переработке схемы для соответствия новой форме. Кроме того, большинство инструментов САПР принимают данные, импортированные из систем механического проектирования, что упрощает вашу работу. Однако даже при использовании импортированных данных вам все равно необходимо убедиться, что контур печатной платы правильный и содержит все необходимые элементы САПР, необходимые для вашего проекта, такие как запретные зоны.

Формирование многослойной структуры также должно быть завершено до начала компоновки. Опять же, эти параметры можно изменить позже, но потенциальное влияние на существующие схемы может нарушить график проектирования и бюджет. Многослойная структура также должна быть точно настроена под ваш конкретный проект, чтобы обеспечить правильную конфигурацию слоев для трассировки с контролем импеданса и других требований к целостности сигнала. Выбор материала печатной платы на этом этапе также имеет решающее значение, чтобы можно было выполнить соответствующие расчеты ширины дорожек и другие расчеты на основе физических свойств материала. Эти свойства включают диэлектрическую постоянную, качество изоляции, скорость поглощения влаги и коэффициент рассеяния.

Параметры и настройки САПР

Нередко можно встретить дизайнеров, работающих с настройками своих САПР по умолчанию. Однако большинство САПР предоставляют пользователям широкие возможности управления цветами, узорами заливки, штриховкой, а также размерами и шириной шрифтов. Вы также можете изменить отображение определенных объектов, разместить один элемент дизайна над другим, установить сетки и указать настройки макета и маршрутизации. Эти настройки предназначены для повышения эффективности вашей работы, и вы можете сэкономить время, заранее оптимизировав настройки.

Рекомендации по размещению компонентов

После завершения работы с библиотеками САПР, контуром печатной платы и другими задачами по настройке можно приступать к проектированию. Первым шагом в этом процессе является размещение на плате посадочных мест компонентов печатной платы. Размещение компонентов на плате должно отвечать трем основным требованиям: быстродействию схемы, технологичности и доступности.

Характеристики цепи

Высокоскоростные схемы требуют, чтобы их компоненты размещались как можно ближе друг к другу, чтобы обеспечить короткие и прямые пути прохождения сигнала, но это не единственные компоненты, к которым предъявляется это требование. Аналоговые схемы и силовые компоненты также необходимо размещать так, чтобы их чувствительные или сильноточные пути были как можно короче. Это помогает снизить индуктивность и улучшить целостность сигнала и мощности. Однако в некоторых случаях эти компоненты может потребоваться разделить для обеспечения прокладки шины или тепловой изоляции.

Технологичность

Чтобы максимально минимизировать производственные затраты, важно размещать компоненты таким образом, чтобы их было как можно проще изготовить. Например, компоненты, расположенные слишком близко друг к другу, могут оказаться невозможными для автоматической сборки или их будет сложно спаять с помощью автоматизированных процессов пайки. Компоненты более высокого размера будут создавать эффект тени, когда перед ними выполняется волновая пайка небольших деталей, что приводит к ухудшению паяных соединений. Несбалансированная медь между двумя площадками припоя небольших компонентов микросхемы приведет к неравномерному нагреву, в результате чего одна площадка припоя расплавится раньше другой, потянув другую сторону вверх.

Доступность

Печатные платы обычно необходимо тестировать и дорабатывать вручную, что требует доступа к компонентам, которые необходимо устранить. Если более крупные компоненты закрывают эти компоненты, это может увеличить время их работы или привести к случайному повреждению соседних компонентов. Аналогично, разъемы, переключатели и другие недоступные человеко-машинные интерфейсы также могут замедлить производство печатной платы.

Ключевой руководящий принцип заключается в том, что макет должен начинаться с базового плана компонентов на макетной плате. Это позволит вам разработать стратегии разделения различных областей схемы на плате, чтобы избежать перекрытия аналоговых и цифровых сигналов.

Рекомендации по компоновке печатной платы: эффективное размещение компонентов приводит к прокладке трассы.

Рекомендации по маршрутизации печатной платы

Для разработчиков печатных плат решающее значение имеет расположение печатных плат таким образом, чтобы обеспечить оптимальную целостность сигнала и питания. Компоненты должны быть размещены в оптимальных положениях для обеспечения короткой и прямой маршрутизации. В то же время печатная плата должна быть проложена так, чтобы можно было полностью развести все сети. Уравновешивание этих требований может оказаться весьма сложной задачей в проектах с высокой плотностью размещения. Первое руководство по компоновке печатной платы — это установка правил проектирования и ограничений для трассировки.

Правила проектирования и ограничения

Технически настройка правил и ограничений проектирования должна быть включена в параметры и настройки. Однако, поскольку большинство правил напрямую применяются к отслеживанию маршрутизации, мы включили их сюда. Правила и ограничения используются для управления шириной и расстоянием дорожек и могут быть установлены для отдельных сетей, групп сетей, называемых классами цепей, или в качестве настроек по умолчанию для всех неуказанных сетей. Правила проектирования также используются для управления тем, какие переходные отверстия выбираются для разных цепей, длины трассировки и совпадающих длин, а также какие слои разрешены для трассировки определенных цепей и топологий трассировки. Кроме того, правила проектирования используются для управления расстоянием между компонентами, правилами шелкографии, механическими зазорами и многими другими ограничениями.

Целостность сигнала и питания

Для достижения оптимальной производительности и целостности сигнала разработчикам печатных плат необходимо соблюдать определенные требования к трассировке цепей. В этом случае помогут правила и ограничения проектирования, позволяющие разработчикам вводить физические параметры трассировки в системы САПР. Хотя точные значения будут варьироваться в зависимости от потребностей печатной платы, разработчики обычно устанавливают правила, обеспечивающие соблюдение следующих рекомендаций:

• Маршруты высокоскоростных передач должны быть короткими и прямыми.
• Ширина дорожек, расстояние между ними и разрешенные слои для трассировки с контролируемым импедансом.
• Указанные длины дорожек и допуски на длину для маршрутизации согласованной длины.
• Ширина и расстояние для дифференциальных пар.
• Ширина и расстояние для чувствительных сигналов, таких как часы и элементы управления.
• Типы переходов для разных сетей.
• Ширина дорожек и расстояние между аналоговыми цепями.
• Ширина дорожек и вес меди для сильноточных силовых цепей.

Еще одно важное правило, которое следует помнить, — избегать пересечения зон между аналоговыми и цифровыми маршрутами при маршрутизации в схемах со смешанными сигналами.

Рекомендации по эффективному питанию и заземлению

В современных высокоскоростных схемах оптимальной стратегией заземления часто является использование одного или нескольких сплошных заземляющих слоев на внутренних слоях. Это обеспечивает превосходную защиту от электромагнитных помех и гарантирует свободные пути прохождения сигнала, что улучшит общую целостность сигнала. В областях, где возникают разрывы заземляющей плоскости из-за уникальных контуров или особенностей печатной платы, следует избегать трассировки в любых заземляющих зазорах на плате. Если нет сплошных и смежных заземляющих плоскостей, которые служили бы свободными обратными путями для сигналов, ваша схема может генерировать много нежелательных шумов. Вот несколько рекомендаций по питанию и заземляющим плоскостям, которые следует учитывать:

• Слои земли должны быть соседними с сигнальными слоями в Сборка печатных плат с высокоскоростной маршрутизацией. Это поможет защитить высокоскоростную маршрутизацию от помех и обеспечить хорошую опорную плоскость для путей возврата сигнала.
• Используйте термопрокладки и тщательно контролируйте подключение питания и заземления к плоскости. Радиус контактной площадки амортизирующей полосы должен быть достаточно широким, чтобы выдерживать большой ток, исключая при этом возможность использования этих соединений в качестве радиаторов.
• Тщательно спланируйте подключения питания и разделите плоскости питания, чтобы обеспечить достаточную подачу питания на все подключенные компоненты по всей печатной плате.

Избегайте одновременной маршрутизации аналоговых и цифровых цепей в конструкциях со смешанными сигналами.

Рекомендации по тестированию шелкографии и печатных плат

После завершения проектирования печатной платы настает время сосредоточиться на окончательной доработке компоновки, очистке слоя шелкографии и добавлении контрольных точек. Маркеры, номера компонентов и другая информация о компании наносятся на печатную плату чернилами в процессе шелкографии. Как правило, для создания этих меток разработчики используют слой «шелкотрафаретная печать» в своей САПР-системе.

Чтобы маркировка слоев шелкографии была разборчивой, дизайнеры следуют следующим рекомендациям:

• Толщина линий не должна быть менее 4 мил.
• Размер шрифта не должен быть меньше 24 милов.

Обозначения компонентов следует переименовывать на основе схемы сетки компании, чтобы облегчить поиск определенных частей на печатной плате. Перемещайте и поворачивайте контрольные метки, чтобы их было легче читать. Укажите полярность и отметьте один контакт там, где это необходимо.

Тестовые точки имеют решающее значение для печатных плат, предназначенных для массового производства, для автоматизированной проверки сборки. Каждая сеть в проекте должна иметь контрольную точку, будь то существующий штырь для сквозного отверстия, переходное отверстие или добавленная тестовая площадка для поверхностного монтажа. Тестовые точки должны находиться на расстоянии не менее 50 мил от других объектов на печатной плате, таких как компоненты или площадки, и на расстоянии не менее 100 мил от края печатной платы. Однако эти значения могут различаться в зависимости от поставщика, поэтому обязательно проверьте требования производителя к контрольным точкам.