Основные моменты
- Определение двух основных концепций проектирования и производства плат: класса и сборки.
- Обзор обязанностей отдела компоновки: создание библиотечных компонентов, размещение и трассировка.
- Подробное описание каждого этапа, от получения схемы/документа до файлов для производства.
Электронные устройства повсеместно проникают в современный мир. Независимо от того, идет ли речь об устройстве, тихо отслеживающем жизненные показатели, или смартфоне с бесконечным потоком уведомлений, в основе их конструкции лежит печатная плата (PCB). С годами производство печатных плат продолжает расти, чтобы соответствовать возрастающим требованиям к новым, более быстрым и сложным электронным схемам. Обсуждение процессов, связанных с разработкой и проектированием печатной платы, может занять целую библиотеку, но здесь мы предоставим поверхностное введение в основы.
Что такое печатная плата?
Печатная плата представляет собой жесткую структуру, содержащую электрические схемы, состоящие из встроенных металлических поверхностей, называемых дорожками, и больших областей металла, называемых плоскостями. Компоненты припаяны к плате на металлические площадки, которые соединены с цепями платы. Это позволяет компонентым взаимодействовать друг с другом. Плата может состоять из одного, двух или нескольких слоев схем.
Платы изготавливаются с диэлектрическим сердечником с плохими электрическими проводящими свойствами для обеспечения чистой передачи сигналов и могут быть дополнены дополнительными слоями металла и диэлектрика по мере необходимости. Стандартный диэлектрический материал, используемый для печатных плат, представляет собой огнестойкий композит из тканого стекловолокна и эпоксидной смолы, известный как FR-4, а металлические дорожки и плоскости для цепей обычно состоят из меди.
Класс платы
Печатные платы используются для различных целей. Одной из отличительных характеристик печатных плат является их класс — 1, 2 или 3. Класс печатной платы указывает на её общую надежность и качество конструкции.
- Платы класса 1 предназначены для потребительской электроники.
- Платы класса 2 используются в устройствах, где важна высокая надежность, но она не является критической. Эти устройства стараются минимизировать вероятность отказов.
- Платы класса 3 представляют собой самые строгие стандарты производства печатных плат. Если плата класса 3 выходит из строя, жизни людей находятся под угрозой, например, платы в самолете.
Типы печатных плат
В общем, платы можно разделить на три категории: жесткие, гибкие или металлические.
- Жесткие платы — это большая часть плат, с которыми сталкивается дизайнер, где макет платы размещен в жестком субстрате, созданном в процессе ламинирования под высоким давлением и температурой. Обычный материал для этих плат — FR-4, но в зависимости от конкретных нужд дизайна, этот материал может быть модифицирован для улучшения определенных характеристик платы.
- Гибкие платы состоят из менее жесткого материала, что позволяет им значительно деформироваться. Материал тактильно напоминает рулон пленки, а толщина платы обычно значительно меньше, чем у стандартной жесткой платы. Хотя они уже широко используются, есть надежда, что гибкие платы станут следующим шагом в развитии носимых технологий и уберут текущие планарные ограничения жестких плат.
- Металлические платы являются чем-то вроде ответвления от жестких плат, с увеличенной способностью рассеивать тепло по всей плате для защиты чувствительных цепей. Этот тип может быть вариантом для конструкций с высоким током, чтобы предотвратить тепловой износ и отказ.
Где бы ни существовал управляемый электромагнетизм, печатные платы формируют инфраструктуру для его поддержания. Конечно, платы не возникают из ниоткуда — их проектирование и производство являются огромным инженерным предприятием.
Процесс проектирования печатных плат
Прежде чем можно будет изготовить печатную плату, её нужно спроектировать. Это выполняется с помощью CAD инструментов для проектирования печатных плат. Проектирование печатных плат разделено на две основные категории: захват схемы для создания электрических соединений в виде диаграммы и затем компоновка печатной платы для проектирования фактической физической платы.
Разработка библиотечных CAD частей
Первым шагом является разработка библиотечных CAD частей, необходимых для проектирования. Это будет включать в себя символы схемы, модели симуляции, посадочные места для компоновки печатных плат и 3D модели для отображения печатных плат. После того как библиотеки готовы, следующим шагом является создание логического представления схемы на принципиальной схеме. CAD инструменты используются для размещения символов на листе схемы и их соединения для формирования схемы.
Одновременно проводится симуляция схемы, чтобы убедиться, что проект будет работать так, как задумано. После завершения этих задач инструменты схемы передают данные о соединениях в инструменты компоновки.
Компоновка
На стороне компоновки печатной платы данные о соединениях схемы принимаются и обрабатываются как сети, соединяющие два или более выводов компонентов. Имея контур предполагаемой формы платы на экране, дизайнер компоновки размещает посадочные места компонентов в правильных местах. После оптимальной организации этих компонентов следующим шагом является соединение сетей с выводами, прорисовывая дорожки и плоскости между выводами. CAD инструменты имеют встроенные правила проектирования, которые предотвращают касание дорожек одной сети другой, а также управляют многими другими ширинами и расстояниями, необходимыми для завершенного проектирования. После завершения трассировки снова используются инструменты проектирования для создания чертежей для производства и выходных файлов, которые будут использованы производителем для изготовления платы.
Проектирование и производство платы — это поэтапный процесс: создание схемы и симуляция, настройка сеток проектирования и DRC, размещение компонентов, трассировка платы, силовые плоскости и, наконец, сборка BOM и изготовление платы. Следующий этап проектирования будет сосредоточен на этих шагах.
Как изготовить печатную плату
Хотя проектирование и производство печатной платы можно обобщить как захват схемы, компоновка печатной платы и изготовление и сборка платы, детали каждого из этих шагов очень сложны. Здесь мы рассмотрим некоторые из более конкретных аспектов каждого из этих шагов.
Создание схемы
Перед началом проектирования платы с использованием CAD инструментов необходимо убедиться, что библиотечные части завершены. Для схемы это означает создание логических символов для компонентов, которые будут использоваться: резисторов, конденсаторов, индуктивностей, разъемов и интегральных схем (IC).
С этими частями, готовыми к использованию, начните их организацию на листах схемы в CAD инструментах. После того как части размещены, можно провести линии, представляющие соединения между выводами символов схемы. Эти линии называются сетями и могут представлять собой отдельные сети или группы сетей для памяти или данных. В процессе захвата схемы компоненты должны перемещаться по мере необходимости для создания читаемой и понятной схемы.
Симуляция схемы
С частями и сетями, организованными на схеме, следующим шагом является проверка того, что схема будет работать так, как задумано. Для проверки используется симуляция схем в программе симуляции с инструментом Integrated Circuit Emphasis, иначе известным как SPICE. Эти инструменты позволяют инженерам печатных плат тестировать схемы, которые они разрабатывают, до создания фактического оборудования. Таким образом, они могут сэкономить время и деньги, делая эти инструменты важной частью процесса проектирования печатных плат.
Настройка CAD инструментов
Инструменты проектирования, которые используют разработчики печатных плат, имеют множество различных возможностей, включая возможность настройки правил проектирования и ограничений, которые предотвратят пересечение различных сетей, сохраняя правильное расстояние до различных объектов. Существует множество дополнительных вспомогательных средств для дизайнера, таких как сетки проектирования, которые помогают размещать компоненты и прокладывать дорожки аккуратно и организованно.
Размещение компонентов
С правильно настроенной базой данных проектирования и импортированной информацией о сетевых соединениях из схемы следующим этапом является физическая компоновка печатной платы. Первый шаг — размещение посадочных мест компонентов в пределах контура платы в CAD-системе. Каждое посадочное место будет иметь отображение сетевых соединений в виде изображения «призрачной линии», чтобы показать дизайнеру, с какими частями они соединяются. Размещение этих частей для их наилучшей работы, учитывая при этом соединения, зоны избыточного тепла и электрического шума, а также другие физические препятствия, такие как разъемы, кабели и крепежные элементы, — задача, которую дизайнеры совершенствуют с опытом. Требования цепи сами по себе не являются единственным ограничивающим фактором: дизайнеры должны учитывать размещение компонентов так, чтобы они могли быть оптимально собраны производителем.
Трассировка печатной платы
После размещения компонентов (их можно перемещать по мере необходимости) наступает время для соединения сетей. Это осуществляется путем преобразования резиновых соединений сетей в нарисованные дорожки и плоскости. CAD-инструменты содержат множество функций, позволяющих дизайнеру это сделать, включая некоторые автоматические функции трассировки, которые экономят значительное время. Особое внимание необходимо уделять при трассировке, чтобы убедиться, что сети имеют правильную длину для сигналов, которые они передают, а также чтобы они не пересекали зоны избыточного шума. Это может привести к перекрестным помехам или другим проблемам целостности сигнала, которые могут ухудшить производительность собранной платы.
Обеспечение четкого пути возврата тока печатной платы
Обычно каждый активный компонент на плате (IC и другие связанные компоненты) должен быть подключен к сетям питания и земли. Это легко достигается путем заливки областей или слоев сплошными плоскостями, к которым могут подключаться эти компоненты. Однако проектирование силовых и земляных плоскостей не так просто, как кажется. Эти плоскости также выполняют важную задачу возврата сигналов, которые трассируются дорожками. Если в плоскостях слишком много отверстий, вырезов или разрезов, это может вызвать создание шума на путях возврата и ухудшить производительность печатной платы.
Финальная проверка правил
После завершения размещения компонентов, трассировки дорожек и силовых и земляных плоскостей, ваш проект печатной платы практически завершен. Следующим шагом является проведение финальной проверки правил и настройка различных текстов и маркировок, которые будут нанесены шелкографией на внешние слои. Это поможет другим найти компоненты и маркировать плату именами, датами и информацией об авторских правах. В то же время необходимо создать чертежи, которые будут использоваться при производстве для изготовления и сборки финальной платы. Дизайнеры печатных плат также используют свои инструменты для составления оценок стоимости изготовления платы.
Снимок 3D компоновки печатной платы с использованием OrCAD PCB Designer
Вот пример печатной платы, созданной с помощью OrCAD PCB Designer.
Изготовление платы
На данном этапе плата готова к изготовлению, и первым шагом является отправка выходных файлов данных на производственное предприятие. Этот процесс включает травление всех дорожек и плоскостей на различных металлических слоях и их прессование, что приводит к созданию чистой платы, готовой к сборке.
На сборочном предприятии плата загружается необходимыми компонентами и проходит через различные процессы пайки в зависимости от типа используемых компонентов. Затем плата инспектируется и тестируется, и готовый продукт готов к отправке.
Использование инструментов проектирования печатных плат для высокого качества дизайна
Процессы изготовления и сборки печатных плат являются точными и требовательными. Чтобы создать плату, чьи схемы обеспечивают требуемую производительность, производители нуждаются в точных данных проектирования.
Инструменты проектирования печатных плат должны обладать функциями и возможностями, необходимыми для создания сложных проектов. Это включает в себя специализированные функции, которые помогают трассировать сложные дорожки для высокоскоростных схем, и правила проектирования, которые можно легко настроить для определенных зазоров. Также необходимо иметь лучшие инструменты симуляции для оптимизации процесса захвата схемы, а также богатую библиотеку компонентов. Хорошая новость заключается в том, что уже существуют инструменты проектирования печатных плат, которые могут справиться с уровнем проектирования, о котором мы говорили. Рассмотрите систему проектирования печатных плат от Cadence для всех ваших нужд в инструментах проектирования.
Ведущие поставщики электроники полагаются на продукты wwpcb для оптимизации потребностей в мощности, пространстве и энергии для широкого спектра рыночных приложений. Если вы хотите узнать больше о наших инновационных решениях, свяжитесь с нашей командой экспертов или подпишитесь на наш канал YouTube.
