Проектирование плат печатного монтажа этапы

Самостоятельное проектирование печатных плат

Проектирование печатных плат и рекомендации по правилам компоновки электронных элементов на печатной плате. При проектировании электронной схемы на печатной плате важно, прежде чем приступить к разводке печатной платы, чтобы у вас был четкий план и подробная инструкция того, что можно и чего нельзя делать.

Проектирование печатных плат | Начальные шаги

Понимание схемы имеет решающее значение для проектирования, например, нужно знать максимальный ток и напряжение, которые будут проходить в цепи каждого проводника. Зная эти значения, вам будет проще определить ширину дорожки и тип печатной платы, которая будет использоваться.

Разница напряжений между каждой дорожкой определяет необходимый зазор между каждым проводником. Если зазора недостаточно, есть вероятность, что электрический потенциал между каждой дорожкой вызовет искрение и короткое замыкание печатной платы. Поэтому очень важно соблюдать некоторые из этих основных требований, прежде чем приступить к проектированию печатных плат.

Если вы не учитываете важные аспекты, когда выполняете проектирование печатных плат компоновку электронных элементов, вы можете в конечном итоге получить конструкцию, которая будет плохо работать. Неадекватная разводка может привести к таким проблемам, как электромагнитные помехи, конфликты компонентов по обе стороны от платы, ограниченная функциональность схемы и даже выход ее из строя.

Кроме того, если разводка не получится с первого раза, ее придется переделывать, что может привести к задержкам в изготовлении и дополнительным расходам.

Рекомендации по компоновке печатной платы

Итак, какие правила и принципы при проектировании печатных плат нужно учитывать? Давайте посмотрим на этапы проектирования и компоновки элементов на плату и определим некоторые из основных правил для каждого этапа. Конечно, есть и другие варианты, но здесь мы постараемся представить вам наиболее важные моменты, когда вам потребуется проектирование печатных плат и компоновку деталей, о которых вы должны знать.

Проектирование печатных плат — основные этапы

Разводка печатной платы играет значительную роль на каждом этапе процесса изготовления печатной платы с момента, когда вы только задумали проект, до конечного результата. При этом, вы должны знать, что базовый процесс проектирования включает в себя шесть шагов.

1. Общее представление о проектировании ПП

Этот начальный этап включает в себя определение функций, которые будет выполнять печатная плата. Также следует учесть примерный диапазон температур, в котором будет работать плата, и любые другие экологические проблемы.

2. Схема

Следующим этапом является построение принципиальной схемы на основе окончательной концепции. Эта конструкция включает всю информацию, необходимую для правильного функционирования электрических компонентов платы, а также такие детали, как названия компонентов, стоимость, номинальные характеристики и номера деталей производителя.

Пока вы создаете свою схему, одновременно формируется список материалов, которые вам потребуются. Эта спецификация будет содержать информацию обо всех компонентах, необходимых для вашей печатной платы. Всегда обновляйте эти два документа.

3. Блок-схема платы

Проектирование печатных плат, также включает в себя еще один важный момент, где вы указываете блок-схеме окончательные размеры печатной платы. Отметьте области, предназначенные для каждого блока, части компонентов, которые связаны по электрическим причинам или из-за ограничений. Сохранение связанных компонентов вместе позволит вам сократить время трассировки.

4. Размещение компонентов

Следующим шагом является размещение компонентов, которое определяет, где вы разместите каждый элемент на плате. В основном предпринимается несколько этапов, чтобы полностью доработать размещение компонентов.

5. Маршрутизация первого прохода

Затем определите маршрутизацию и приоритет маршрутизации для канала.

6. Тестирование

После того, как вы закончите разводку платы, вы должны провести серию тестов, чтобы убедиться, что ваша проделанная работа соответствует всем вашим потребностям. Если да, то проектирование печатных плат завершено. В противном случае вам нужно вернуться к этапам, на которых вам необходимо внести коррективы.

Проектная документация

По мере того, как вы выполняете проектирование печатных плат, вы попутно разрабатываете множество документов. Эти документы включают:

• Габаритные чертежи оборудования: описывает размер пустой платы.
• Схема: отображает электрические характеристики платы.
• Спецификация материалов: описывает компоненты, необходимые для проекта.
• Файл макета: описывает базовую компоновку печатной платы.
• Файл размещения компонентов: описывает расположение отдельных компонентов.
• Сборочные чертежи и инструкции: объясняет, как собрать плату.
• Руководства пользователя: хотя они и не требуются, они полезны для предоставления пользователю дополнительной информации.
• Набор файлов Gerber: комплект выходных файлов макета, который производитель печатной платы будет использовать для ее создания.

Рекомендации по компоновке и дизайну печатной платы

В процессе разводки и проектирования печатных плат необходимо учитывать многие нюансы. Некоторые соображения относятся ко всему процессу, а некоторые — к отдельным этапам. Вот семь важных факторов, о которых следует помнить.

Ограничения платы

Первые ограничения, на которые вы должны обратить внимание, связаны с еще не заполненной платой. Некоторые из этих основных ограничений включают в себя размер и форму самой платы.

Вам нужно будет сразу убедиться, что у вас достаточно места на плате для схемы. Размер конечного продукта, функциональность, которую должна обеспечивать плата, и другие факторы определяют, насколько большой она должна быть.

Перед тем, как приступить к проектированию, прикиньте примерный размер платы. Если у вас недостаточно места для всех функций, требуемых при более простой конструкции, вам может потребоваться использовать многослойный стеклотекстолит или метод межсоединений высокой плотности (HDI).

Стандартная печатная плата имеет прямоугольную форму. В подавляющем большинстве случаев она остается наиболее распространенной формой печатных плат. Однако можно создавать платы и других форм. Чаще всего разработчики делают это из-за ограничений по размерам или для использования элементов неправильной формы.

Еще одним важным моментом является количество необходимых слоев, которое определяется уровнем мощности и сложностью конструкции. Лучше всего выяснить, сколько слоев вам нужно, на ранних этапах проектирования макета.

Добавление большего количества слоев может увеличить производственные затраты, но позволит вам включить больше дорожек. Это может потребоваться для более сложных плат с расширенными функциональными возможностями.

Для всех сильноточных дорожек используйте не менее двух отверстий для перехода между слоями. Использование нескольких отверстий при переходе на другие слои повышает надежность, улучшает теплопроводность и снижает индуктивные и резистивные потери.

Производственные процессы

Вам также следует взять во внимание производственные процессы, которые вы хотели бы использовать для изготовления платы. Различные методы имеют разные ограничения и трудности. Вам нужно будет использовать опорные отверстия или точки, которые будут нужны во время изготовления платы.

Также не забывайте о методе монтажа платы. Различные подходы могут потребовать оставить открытыми разные участки платы. Использование нескольких типов технологий, таких как сквозные отверстия и компоненты для поверхностного монтажа, может увеличить стоимость ваших плат, но в некоторых случаях может быть необходимым.

Всегда уточняйте у изготовителя, есть ли у него возможность изготовить нужный вам тип платы. Некоторые из них, например, могут не иметь возможности выполнить ваш заказ с большим количеством слоев или платы, использующие гибкую конструкцию.

Материалы и компоненты

На этапе макетирования продумайте, какие материалы и компоненты вы планируете использовать для своей платы. Прежде всего, необходимо убедиться, что нужные элементы доступны. Некоторые материалы и детали трудно найти, а другие настолько дороги, что не позволяют этого сделать.

Порядок размещения компонентов

Одно из самых основных правил проектирования печатных плат включает в себя порядок размещения компонентов на плате. Рекомендуемый порядок: разъемы, затем силовые цепи, затем точные цепи, потом критические цепи и дальше остальные элементы. Уровни мощности, восприимчивость к шумам, генерация и возможность маршрутизации, также влияют на приоритет трассировки схемы.

Ориентация

При размещении компонентов старайтесь ориентировать их в одном направлении в основном те, которые похожи друг на друга. Это сделает процесс пайки более эффективным и поможет избежать ошибок во время него.

Размещение

Старайтесь не размещать на паяемой стороне печатной платы детали, которые будут находиться за покрытыми сквозными отверстиями участках.

Формирование

Логическое формирование компонентов может сократить количество необходимых этапов сборки, повысить эффективность и снизить затраты. Старайтесь размещать все компоненты для поверхностного монтажа на одной стороне платы, а все компоненты для установки в сквозные отверстия — на верхней стороне.

Автоматическая установка микросхем

Источник

Как спроектировать печатную плату. Часть 1

Этот пост первый из серии о проектировании печатных плат. Эта часть в основном о деталях, которые необходимо знать и использовать до начала разводки печатной платы (здесь и далее по тексту будет встречаться сокращение ПП), вторая же часть будет главным образом о проектировании самих печатных плат и пост обработке.

Брэдборды хороши для прототипирования и являются очень полезным инструментом, но когда нужно сделать действительно что-то серьезное тут не обойтись без знаний о том как собственно сделать свою печатную плату.
Создание ПП задача не самая простая, но немного упорства и времени, а также данное руководство помогут вам создать свою первую ПП.

Анатомия ПП

Когда вы работает за своим компьютером любая задача кажется абстрактно, однако не стоит забывать, что вы работаете с реальными физическими средами и материалами. Перед тем как начинать изучать проектирование плат неплохо было бы разобраться как они делаются на самом деле.

Разрез ПП для показа внутренних слоев

Если уже знакомы с тем, что и как делается можете смело переходить к следующему разделу.

Материалы для ПП

Сперва разберем какие материалы используются для изготовления. База для ПП изготавливается из сплошного непроводящего материала. Этот материал покрывается слоем меди (или другого металла), который и образует проводящий слой.
Обычно основа это стеклотекстолит, известный как FR-4. Это наиболее часто употребляемый материал, т.к. он огнестоек, дешев и самое главное имеет низкую собственную проводимость.
Для высокопроизводительных схем (RF) используются другие типы материалов, такие как керамика или PTFE. В рамках этих статей мы не будем касаться высокочастотных схем. Когда вы будете отправлять свой дизайн ПП на производство или будете делать плату сами, электрические соединения обычно создаются удалением выбранных участков меди со общего слоя проводника.

Самый дешевый вариант ПП это односторонняя ПП, т.е. на стеклотекстолите используется лишь один слой меди. Если вы собирается изготавливать ПП в домашних условия, то скорее всего это будет односторонняя ПП. Однослойные ПП очень просты в производстве и разработке, но если разводка вашей платы не умещается в один слой вам придется использовать внешние джамперы для электрических соединений, а это уже может быть неудобно на этапе монтажа радиодеталей.
Большая часть коммерческих и хоббийных проектов строится на двухслойных печатных платах. Их использование позволяет разрабатывать более сложные и элегантные решения дизайнов плат.
Чем более сложными становятся конструкции, тем больше дополнительных слоев металлизации требуют ПП. Обычно хватает двух слоев и если нет необходимости добавлять больше слоев, то лучше этого не делать, т.к. многослойные платы дороже при производстве значительно.

Медные дорожки

Как уже писали выше медные дорожки (электрические соединения) создаются путем удаления лишней меди с поверхности металлизированного слоя. Более подробно о важных аспектах электрических соединений будет сказано во второй статье.

Переходные отверстия (Vias)

Один из главных компонентов ПП это переходные отверстия, используются в двух и многослойных платах для электрического соединения одного слоя металлизации с другим.
Переходные отверстия бывают нескольких видов:
1. Сквозные переходные отверстия – наиболее часто используемый вид, отверстие засверливается сквозь всю плату и металлизируется для создания электрического контакта со слоями.
2. Глухие (blind vias) – отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними.
3. Скрытые (buried vias) – переходные отверстия, не выходящие наружу и соединяющие между собой сигналы на внутренних слоях.
4. Микро-via или uVia – микроотверстия или отверстия малого диаметра и малой глубины, выполненные лазером или сверлением с контролем глубины и соединяющие внешний слой с внутренним.
Вот в принципе и все, что нужно знать про переходные отверстия.

Другие вещи

Разберем еще несколько концепция для построения печатных плат и затронем некоторые другие слои ПП, назначение которых нужно понять.
1. Паяльная маска (Soldermask) – если спросить любого человека, что такое плата, он скажет, что это что-то зеленое. Это зеленое и есть паяльная маска, которая выполняет защитные функции для ПП и не позволяет паяльной пасте попадать на нежелательные электрические контакты платы. И кстати, она бывает необязательно зеленого цвета, а практически любого цвета, все зависит от производителя плат.
2. Реперные точки (Fiducials) – это специальная маркировка на плате, которая позволяет системам автоматического монтажа компонентов калиброваться и правильно устанавливать элементы на плату при монтаже. Представляют собой небольшие окружности металла, не закрытые паяльной маской.
3. Шелкография (Silkscreen) – это еще один слой, который наносится на плату при производстве. Шелкография это рисунки на плате, которые дают подсказки пользователю, идентифицируют компонент на плате по размещению или номиналу и другая информация.
4. Медные полигоны (Copper fill) – участки меди, которые подключены электрически к земле или питанию, создание полигонов очень важная часть в проектировании ПП. Полигоны уменьшают шумы устройства, отводят лишнее тепло от мощных активных компонентов.

Разработка схемы

Перед тем как рассматривать проектирование платы или схемотехнику устройства вы должны определиться с идеей того, что вы хотите разработать. Т.е. нужно просто подумать, что вы хотите собрать и выбрать правильные компоненты для этого.

Определите свои цели

Первый шаг к успешному дизайну устройства — это правильно сформулированные цели того, что вы хотите получить в конце. Вы всегда должны ставить для своего проекта умные цели, что это означает:
— конкретные
— измеряемые
— достижимые
— реалистичные
— ограниченные в времени
Для примера, я начал работать над персональным проектом для собственных нужд. Свет ванной комнате в моей квартире тускл в вечернее время суток, но когда я включаю искусственное освещение свет довольно ярок и не комфортен. Можно было бы купить лампу меньшей мощности, но допустим их нет в продаже или меньше уже некуда. И я решаю сделать свою лампу, которая будет изменять цвет и яркость и контролироваться беспроводным способом.
Звучит довольно круто. Пока идея не вышла из головы садимся за компьютер и начинаем планировать. На данном этапе мои цели очень широки:
— лампа должна быть мультицветовой
— регулируемая яркость
— беспроводной контроль
Ни одна из этих целей не специфична для проекта. Что подразумевается под мультицветностью? Два, три или любое количество цветов? Что такое регулируемая яркость? Беспроводное управление каким способом? Wifi, Zigbee, Bluetooth или может быть голосом? Все способы возможны.
Немного переформулируем наши цели, чтобы они стали умными:
— Непрерывно регулируемые RGB светодиоды высокой яркости, закрытые акриловым покрытием для равномерного рассеивания света.
— Контроль яркости, который позволит мне выбрать любую яркость от полностью выключенного состояния до максимальной яркости светодиодов.
— Bluetooth Low Energy 4.0 интерфейс, для контроля параметров с iOS и Android девайсов.
Теперь все наши цели вполне конкретны и реализуемы.

Визуализируйте ваш концепт

Теперь у вас есть ясная идея вашего проекта, время начать проектирование. Перед тем как начинать искать компоненты и чертить схемы я предлагаю разработать ясную картину того, как ваш проект должен функционировать. Т.е. нам нужно нарисовать функциональную схему устройства, что с чем связано и как работает.

Пока что вы не знаете какой источник питания нужен или какие должны быть коннекторы на плате, но вы уже знаете, как компоненты будут соединены друг с другом и какие дополнительные компоненты понадобятся в проекте.
Это хороший момент рассмотреть эстетический аспект вашего дизайна. Вы хотите вместить плату в определенный форм-фактор? Нужно ли учитывать эргономику? Будете ли вы в состоянии открыть свой проект через год и понять что как работает? Эти казалось бы незначительные детали отличают хорошее проектирование от очень хорошего.

Выбор компонентов

Возможно это самый утомительный шаг в процессе проектирования, но он ключевой для успеха проекта. От выбора правильных компонентов зависит закончите ли вы проект успешно или откажетесь от него в отчаянии.
Производители интегральных микросхем много работают, чтобы создать наиболее функциональные компоненты по самой минимальной цене, но все же не все компании равны в этой гонке, особенно это заметно, когда речь заходит о простоте использования компонентов.
Выбирая реди миллионов различных компонентов, предлагаемых на рынке, очень трудно дать полное руководство по выбору, но я могу представить несколько советов, которые помогут выбрать наилучшие компоненты для вашего применения.
1. Проверяйте наличие. Самое последнее, что вы бы хотели сделать это отложить ваш проект на несколько недель или даже месяцев только из-за того, что ключевой компонент вашего проекта отсутствует в наличии у продавца. Выбирайте компоненты, которых в избытке в наличии и они доступны у разных дистрибьюторов.
2. Учитывайте цикл производства ваших компонентов. Иногда случается, что компоненты снимают с производства и возможно через короткий промежуток времени вам придется вносить изменения в проект, однако, если ваше устройство будет в единичном экземпляре, то это не играет ощутимой роли.
3. Используйте фильтры по компонентам. Многие интернет-магазины предоставляют на сайте очень функциональные фильтры по параметрам компонентов, а также по стоимости и наличию, используйте их, подбирайте компоненты с оптимальными для вас параметрами, а потом фильтруйте их по стоимости.
4. Помните о минимальном количестве. Многие компоненты продаются лишь минимально допустимыми партиями, например, начиная от 1000 штук.
5. Выбирайте правильный корпус. Обращайте внимание при выборе компонентов на корпус, в котором он выпускается, не стоит покупать компонент, который вы потом не сможете впаять.
6. Изучите компонент. Перед покупкой обязательно изучите документацию на компонент, чтобы в будущем не возникло проблем с его применением в проекте.
После того, как все компоненты выбраны, можно заказывать их. Лично мне нравится заказывать через интернет-магазины, например, mouser.com или digikey.com. Это, конечно, сугубо мои предпочтения. Если вы знаете других актуальных поставщиков можете написать о них в комментариях.

Зарисуйте ваши соединения

Финальный этап перед началом работы с софтом это перенести некоторые ключевые моменты проекта на бумагу. Наиболее подходящий вариант для этого разрисовать каждый блок раздельно на разных страницах блокнота. Также можете сделать все необходимые примечания, что как работает и за что отвечает тот или иной пин. Также внесите дополнительную информацию, которая понадобится в процессе проектирования, например, бывает утомительно каждый раз искать в даташите адреса I2C микросхемы, внесите их в блокнот.

После того как вы закончили все записи можно переходить к процессу проектирования непосредственно печатной платы. Об этом в следующей части руководства.

Данная статья перевод с дополнениями для сайта radiotech.kz

Заходите в наш чат Telegram, здесь всегда есть, что обсудить.

Источник