11 кроків для проектування друкованої плати

Проектування друкованої плати – це повторюваний процес: ви переходите від остаточної схеми, через захоплення схеми та компонування, до виробничих файлів, необхідних заводу. Дотримання кроків у порядку та відсутність пропуску перевірки в кінці – це те, що відрізняє плату, яка працює з першого разу, від тієї, яка повертається з проблемами. У цьому посібнику викладено 11 кроків для проектування друкованої плати , згрупованих у чотири фази, з практичними деталями та звичками проектування для виробництва, які роблять результат фактично придатним для складання.

Фаза 1 — Визначте, що ви будуєте (кроки 1–2)

Перш ніж запускати будь-яке програмне забезпечення, вам потрібне чітке, усталене уявлення про схему. Цей етап запобігає найдорожчому виду переробки: виявленню фундаментальної проблеми проектування після розробки макета.

Крок 1: Завершіть складання схеми

Розробіть повний електричний проект, кожен функціональний блок, компоненти, вимоги до живлення та те, як деталі з'єднуються між собою. Якщо поведінка невизначена, спочатку перевірте її на макетній платі або в симуляторі, щоб не передавати неперевірену ідею мідним елементам. Чим чистіша концепція тут, тим плавніше все буде далі.

Крок 2: Виберіть програмне забезпечення для дизайну

Оберіть інструмент EDA, що відповідає вашому проекту та досвіду. Початківці часто починають з EasyEDA або KiCad; для професійної роботи можуть знадобитися більші пакети. Важливо, щоб інструмент пройшов весь шлях від схем до виробничих файлів, тому переконайтеся, що він може експортувати стандартні виходи Gerber, свердління, BOM та Pick-and-Place.

Фаза 2 — Захоплення дизайну (кроки 3–4)

Тепер ви перекладаєте схему у формальні представлення, які використовує програмне забезпечення: схему та контактні місця, що з'єднують її з фізичними частинами.

Крок 3: Захоплення схеми

Намалюйте схему в редакторі схем, розмістивши компоненти та з'єднавши їх за допомогою проводів або позначок мереж. Розташуйте її логічно та згрупуйте пов'язані схеми; акуратну схему набагато легше налагоджувати та перевіряти. Ця діаграма є джерелом достовірної інформації, на основі якої генерується макет.

Крок 4: Призначення та перевірка слідів

Кожен символ схеми потребує фізичного контактного місця, тобто схеми виведення, до якої фактично припаюється деталь. Призначте кожне з них та звірте його з технічними даними виробника, оскільки неправильне контактне місце є однією з найпоширеніших причин відмови першої плати. Перевірте розміри контактних майданчиків, відстань між ними, внутрішній двір та нумерацію контактів. Правильні контактні місця також окупаються пізніше під час складання друкованої плати , де невідповідні схеми виведення призводять до дефектів розміщення та паяння.

Фаза 3 — Розкладка дошки (кроки 5–9)

Це серце проектування друкованих плат, перетворення схеми на фізичну плату. Саме тут зосереджена більшість інженерних рішень.

Крок 5: Визначте контур плати та її розташування

Встановіть розмір і форму плати відповідно до її корпусу, потім визначте кількість шарів та їхнє розташування. Кількість шарів залежить від складності та щільності трасування, а для плат з контрольованим імпедансом розташування шарів є навмисним вибором дизайну, областю, яка безпосередньо пов'язана з високошвидкісним виробництвом друкованих плат . Переконайтеся, що ваш виробник може створити таке розташування шарів.

Крок 6: Встановлення правил дизайну

Перед розміщенням або трасуванням визначте правила: мінімальну ширину доріжки, зазор, розмір переходного отвору та кільцеве кільце. Встановіть їх відповідно до реальних можливостей виробника, щоб редактор з самого початку спрямував вас до збірної плати. Правила, встановлені заздалегідь, запобігають порушенням, які в іншому випадку накопичувалися б під час трасування.

Крок 7: Розмістіть компоненти

Розташуйте компоненти на платі. Правильне розміщення виконує більшу частину роботи гарного компонування: групуйте пов'язані компоненти, збережіть короткі високошвидкісні та чутливі сигнали, розмістіть роз'єми та монтажні отвори там, де того вимагає механічна конструкція, та залиште місце для чистої трасування. Час, витрачений на це, багаторазово окупиться під час трасування.

Крок 8: Прокладання з'єднань

З'єднайте деталі за допомогою мідних доріжок, підбираючи розмір кожної доріжки відповідно до струму, який вона пропускає, та необхідного їй імпедансу. Керуйте цілісністю сигналу, утримуючи критичні доріжки короткими та забезпечуючи їм чисті зворотні шляхи. Трасування – це те, де ретельне розміщення або спрощує роботу, або, якщо робити це поспіхом, робить її складною.

Крок 9: Додайте мідні заливки, рубанки та шовкографію

Додайте заземлювальні та силові площини або мідні заливки, щоб забезпечити низькоомні зворотні шляхи та зменшити шум, потім додайте шовкографію, позначення опорних точок, позначки полярності та етикетки, які роблять плату легкою для складання та обслуговування. Ці завершальні штрихи суттєво впливають як на продуктивність, так і на технологічність.

Фаза 4 — Перевірка та випуск (кроки 10–11)

Дизайн виглядає готовим, але його не випускають, доки не пройдуть перевірки та не зроблять вихідні файли чистими.

Крок 10: Запустіть DRC та ERC

Виконайте перевірку правил проектування (DRC), щоб порівняти плату з вашими правилами, перевірити занадто близькі доріжки, занадто малі зазори, непрокладені з'єднання, перехідні отвори, що порушують правила, та виправити кожне виявлене порушення. Також повторно виконайте перевірку електричних правил (ERC) для схеми. Чисті DRC та ERC – це ваша остання та найдешевша можливість виявити помилки перед тим, як розпочати виготовлення.

Крок 11: Створення виробничих результатів

Експортуйте файли, необхідні фабриці: файли Gerber для кожного шару, файл свердління з ЧПУ та, для складання, специфікацію матеріалів та файл "пік-енд-пласування". Включіть параметри, які стандартні файли не відображають, товщину плати, вагу міді, кольори паяльної маски та шовкографії, обробку поверхні та вимоги до імпедансу. Маючи чіткі вихідні дані, ви готові замовляти виробництво друкованих плат.

Проектування для технологічності з самого початку

Найбільше покращення, яке може зробити більшість дизайнерів, — це враховувати технологічність протягом усього процесу, а не лише на кроці 11. Плата може пройти всі електричні перевірки і все одно бути складною або дорогою у виготовленні.

Вбудуйте технологічність у кожен етап

• У макеті, залишайте достатній відстань між деталями для розміщення та перевірки, а також уникайте елементів, які є тоншими, ніж ваш виробник може надійно створити.
• Для складання, додайте опорні позначки, забезпечте достатні зазори та розумно розмістіть панелі, щоб плата плавно проходила через лінію поверхневого монтажу.
• Для теплових конструкцій, сплануйте, як тепло відводиться від плати; для потужних схем може знадобитися підкладка, придатна для збірка з металевим сердечником.
• Для обсягу, розробляйте з урахуванням виробничого процесу, щоб ті самі файли масштабувалися в велика кількість друкованих плат без реінжинірингу.

Практичний спосіб зафіксувати це – це перевірка конструкції виробником, перш ніж ви погоджуєтесь. Безкоштовна перевірка DFM перевіряє ваші файли на відповідність реальному процесу та виявляє проблеми, граничні зазори, розміри свердла близькі до граничних, відсутні дані, поки їх ще недорого виправити.

Практичні поради, які заощадять повторне обертання

Більшість других версій плати існують через невеликий набір помилок, яких можна уникнути. Впровадження цих звичок у ваш процес заощаджує як час, так і вартість ще одного виробничого циклу.

Перш ніж прокласти маршрут

• Двічі перевірте кожен контактний майданчик з його технічними даними, звертаючи особливу увагу на контакт 1 та орієнтацію роз'єму.
• Додайте розділові конденсатори поблизу виводів живлення кожної мікросхеми; їх відсутність є класичною причиною нестабільної роботи.
• Звірте типи роз'ємів та їх розташування відповідно до деталей, з якими вони з'єднуються.

Під час прокладання маршруту

• Розміри силових та заземлювальних доріжок визначаються струмом, який вони фактично передають.
• Забезпечте високошвидкісні та чутливі сигнали короткими шляхами та чистими зворотними шляхами – дисципліна, що лежить в основі високошвидкісного виробництва друкованих плат.
• Забезпечте достатню вільну відстань, що відповідає наявній напрузі та виробничому процесу.

Перш ніж ви відпустите

• Виправте кожен елемент DRC та ERC, а не лише очевидні.
• Перед замовленням проведіть перевірку технологічності, наприклад, безкоштовний огляд DFM.
• Перечитайте шовкографію на наявність позначок, позначок полярності та індикаторів контакту 1.

Жоден з цих кроків не є складним, але їх пропуск є найпоширенішою причиною, чому перша плата повертається на доопрацювання. Кілька хвилин перевірки економлять виробничий цикл.

11 кроків з першого погляду

Виконання цих одинадцяти кроків по порядку, з урахуванням технологічності, дозволяє створити конструкцію, яку завод може виготовити бездоганно. Ви можете дізнатися більше про Highleap Electronics та про те, як ми переносимо готову конструкцію з файлів на робочі плати.

Поширені запитання

Які основні етапи проектування друкованої плати?

Чотири: визначення схеми та вибір програмного забезпечення; захоплення схеми та призначення посадкових місць; розмітка плати (контур, правила, розміщення, трасування, заливка); та перевірка та випуск (DRC/ERC, а потім створення виробничих файлів). Одинадцять кроків належать до цих фаз.

Який крок спричиняє найбільше збоїв на першій платі?

Призначення контактних майданчиків (крок 4) є частою причиною, оскільки неправильний шаблон посадки означає, що деталі не будуть правильно підходити або паятися. Пропуск або поспішна перевірка правил проектування (крок 10) є ще однією поширеною причиною. Перевірка контактних майданчиків та успішне проходження DRC запобігають більшості збоїв.

Чи потрібно мені встановлювати правила проектування перед трасуванням?

Так. Встановлення мінімальної ширини траси, зазору, розміру переходних отворів та кільцевого кільця на початку, що відповідає можливостям виробника, спрямовує редактор до створення плати, придатної для збірки, та запобігає накопиченню порушень. Правила, встановлені після трасування, означають переробку трас.

Які файли створює крок 11?

Файли Gerber для кожного шару та файл свердління з ЧПУ для виготовлення, а також специфікація матеріалів та файл Pick-and-Place для складання. Також вкажіть товщину плати, вагу міді, кольори паяльної маски та шовкографії, обробку та будь-які вимоги до імпедансу.

Чим відрізняється гарне розміщення від гарного маршруту?

Розміщення визначає, де будуть розташовані деталі; трасування їх з'єднує. Гарне розміщення, групування пов'язаних деталей, утримання коротких критичних сигналів, залишаючи місце для міді, робить трасування простим. Поспішне розміщення ускладнює трасування, незалежно від вашої кваліфікації, тому приділіть час кроку 7.

Коли варто подумати про технологічність?

З першого кроку, не лише під час випуску. Залишення простору для складання, уникнення елементів, складніших за ті, що може створити ваш виробник, планування теплових шляхів та проектування з урахуванням об'єму запобігають дороговартісному переробленню. Огляд виробником DFM перед замовленням підтверджує придатність конструкції до будівництва.

Яка найпоширеніша причина, чому рада потребує другого перегляду?

Недоліки, яких можна уникнути: неправильне розташування контактів, відсутні розділові конденсатори, неправильне розташування контактів роз'єму або невиправлені елементи DRC. Звірка розташування контактів з технічними характеристиками, додавання розділових конденсаторів, перевірка роз'ємів та вирішення проблеми кожного елемента DRC та ERC перед випуском запобігає більшості повторних обертань.

Скільки часу займає проектування друкованої плати?

Це значно варіюється залежно від складності, від одного дня для простої плати до тижнів для складної. Запис схеми та трасування зазвичай займають найбільше часу, а ретельна перевірка перед випуском — це добре витрачений час, оскільки це дозволяє уникнути набагато повільнішого повторного запуску пізніше.

Чи потрібне мені окреме програмне забезпечення для схеми та макета?

Ні. Сучасні інструменти EDA обробляють як схемотехніку, так і розмітку друкованої плати в одному пакеті та експортують виробничі файли, тому один інструмент переносить вас від схеми до Gerber. Виберіть той, який підтримує складність вашого проекту та експортує стандартні виходи.

Чи можу я пропустити схему та розгорнути плату безпосередньо?

Настійно не рекомендується. Схема є джерелом достовірної інформації, на основі якої генеруються та перевіряються розводка та список з'єднань; її пропуск усуває перевірку електричних правил і значно ускладнює виявлення помилок. Спочатку зробіть знімок схеми, а потім розгорніть плату з неї.