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.

Слои

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.

Как создать плату из схемы в Altium Designer

Altium Designer

|&nbsp Создано: 18 Апреля, 2019 &nbsp|&nbsp Обновлено: 16 Марта, 2020

  

Вы завершили разработку схемы и готовы передать ее на печатную плату. Но в этот раз ситуация несколько изменилась. Возможно, отдел конструирования недоступен, либо вы, возможно, решили создать плату самостоятельно. Как бы то ни было, вы готовы начать работать над проектом со стороны платы, но вы не уверены, каким должен быть следующий шаг.

К счастью, следующий шаг в Altium Designer вполне прост и эффективен. Мы рассмотрим процесс на примере очень простой схемы и увидим, что необходимо для синхронизации данных с совершенно новой платой. Возможно, эта небольшая простая схема не похожа на те, с которыми привыкли работать вы, но основные шаги по передаче данных будут теми же самыми. Создание конструкции платы из схемы не должно быть сложным. Возьмите чашечку кофе (или чего-нибудь еще), и посмотрим на весь этот процесс.

Чего ожидать от редактора плат?

По существу, главное, чего следует ожидать при переходе в редактор плат, это то, что вы можете взаимодействовать с компонентами, размещать их, а также проводить трассировку для создания проводящих областей. После того, как конструкция стала удовлетворять начальным требованиям, вам необходимо сформировать выходные документы, такие как файлы Gerber и 3D-модели.

В идеальном случае, вы сначала разрабатываете устройство, формируя его схему в соответствующем редакторе. Затем вы передаете данные из схемы в плату, где работаете с компонентами, настройками проводящих областей и требованиями к механической части для оптимизации файлов конструкции платы и их максимально простой передачи в производство. К счастью, это самое малое, что может предложить Altium Designer.

Подготовка к синхронизации проекта

Прежде всего, посмотрите на схему еще раз и убедитесь, что она готова к передаче на плату для конструирования. Конечно, это не значит, что на данном этапе схема должна быть полностью завершена – скорее всего, еще будет много изменений перед тем, как проект можно будет отправлять в производство. Но следует убедиться в том, что на плате не появится каких-либо сюрпризов – посмотрите на схему и удалите лишние дублирующиеся части схем, компоненты и т.п.

Теперь убедимся, что со схемой все хорошо, выполнив процесс проверки редактора схем Altium Designer. Для этого необходимо скомпилировать проект. В процессе компиляции будет сформирована вся внутренняя информация о проекте, такая как связи между компонентами и цепями, а также будет проведен ряд проверок схемы на предмет ее соответствия правилам. Поэтому перед компиляцией посмотрим на настройку этих правил, активируя команду Project » Project Options.

 

Настройки проекта в Altium Designer

 

На изображении выше показаны первые четыре вкладки диалогового окна настроек проекта. На первой из них, Error Reporting, вы можете управлять тем, какие нарушения в проекте следует находить и каким образом следует уведомлять о них. На второй вкладке, Connection Matrix, вы задаете, какие выводы могут соединяться между собой. На третьей вкладке, Class Generation, вы настраиваете формирование классов цепей и компонентов. На четвертой вкладке, Comparator, вы видите настройки модуля сравнения (компаратора), которые задают отчет о различиях между схемой и платой. В большинстве случаев, здесь не нужно производить много изменений этих настроек, но вы можете узнать подробнее о них в документации Altium.

Теперь вы готовы к компиляции схемы. Активируйте команду Project » Compile PCB Project, чтобы запустить компилятор. Если в проекте нет нарушений, схема не отобразит каких-либо сообщений.

Чтобы показать, что представляют собой ошибки, мы удалили часть цепи, соединяющей R1 и Q1, как показано ниже, и запустили компилятор. Как видите Altium Designer сообщил, что цепь NetC1_1 содержит только один вывод. После восстановления цепи компилятор больше не сообщает о каких-либо ошибках.

 

Отчет компилятора об ошибках

 

Передача данных из схемы на плату

Теперь вы готовы передать данные схемы в плату, но сначала необходимо создать плату, в которую эти данные будут переданы. Щелкните ПКМ по проекту и выберите команду Add New to Project » PCB, как показано на изображении ниже. В дереве проекта будет создан документ платы. Щелкните по нему ПКМ и сохраните его под каким-либо именем. В этом примере название документа платы совпадает с названием схемы.

 

Добавление новой платы в проект Altium Designer

 

Когда документ платы создан, может понадобиться настроить плату для работы с ней необходимым образом. Сначала задайте сетку и начало координат. Команды для этого находятся в меню View » Grids и Edit » Origin. Также может понадобиться изменить существующий или создать новый контур платы, чтобы у нее были необходимые размеры и форма. Для этого перейдите в режим планирования платы с помощью меню View (или горячей клавиши 1) и затем используйте подходящие команды меню Design.

Теперь вы готовы передать данные из схемы в плату. В редакторе плат выберите команду Design » Import Changes From…. Появится диалоговое окно Engineering Change Order, показанное ниже.

 

Добавление новой платы в проект Altium Designer

 

Сначала нажмите кнопку Validate Changes в левой нижней части этого диалогового окна. После того, как система закончит валидацию изменений, которые вы собираетесь применить для синхронизации схемы и платы, в столбце Check справа появятся зеленые галочки, указывающие, что проверка этих элементов и схемных символов прошла успешно. Элементы, не прошедшие проверку, необходимо изучить и исправить для того, чтобы добиться полной синхронизации проекта.

Затем нажмите кнопку Execute Changes. Применение изменений займет некоторое время, и этот процесс вы можете наблюдать в диалоговом окне. По завершении процесса в столбце Done появятся зеленые галочки, как показано ниже.

 

Диалоговое окно Engineering Change Order после валидации и применения изменений

 

Поздравляем, вы успешно передали данные из схемы на плату. Вы можете закрыть диалоговое окно и увидеть компоненты, размещенные рядом с платой, примерно как это показано на изображении ниже.

 

Данные со схемы были успешно переданы в плату, где компоненты готовы к размещению

 

Вы создали плату из схемы. Что дальше?

Перед тем, как начать конструирование, необходимо выполнить еще ряд задач. Необходимо настроить физическую структуру слоев платы, отображение этих слоев и правила проектирования.

 

Layer Stack Manager в Altium Designer

 

Выше изображен инструмент Layer Stack Manager для управления структурой слоев в Altium Designer. Его запуск осуществляется через меню Design. С его помощью вы можете добавлять, копировать, удалять и перемещать физические слои в структуре платы. Вы можете добавлять сигнальные, экранные и диэлектрические слои платы. Layer Stack Manager также позволяет рассчитывать импедансы.

Настройка правил проектирования осуществляется в диалоговом окне PCB Rules and Constraints Editor, доступного по команде Design » Rules. Настроить видимость слоев и объектов можно с помощью панели View Configuration. Ниже показана вкладка Layers & Colors этой панели.

 

Панель View Configuration в Altium Designer

 

Теперь данные из схемы переданы в плату, и вы готовы к завершению конструкции платы. Вы можете разместить компоненты, провести трассировку, изготовить плату и даже успеть выпить еще кофе до конца дня.

Altium Designer – это средство проектирования печатных плат, созданное на основе унифицированной среды проектирования, которая позволяет легко передавать данные из схемы на плату. Вы можете передать данные туда и обратно между этими инструментами, что делает процесс проектирования проще и эффективнее.

Простая передача данных из схемы на плату – это только малая часть преимуществ, обеспечиваемых Altium Designer. Если вы еще не начали использовать Altium Designer, узнайте больше, поговорив с экспертом Altium.

Как разработать печатную плату: этапы разработки

Как известно, печатная плата используется для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Процесс разработки платы также называют «разводкой». В данной статье мы рассмотрим этапы и особенности производственного процесса печатных плат.

Программы для моделирования

Для разработки печатных плат применяют специальные программы автоматического проектирования. Среди наиболее популярных:

• P-CAD
• OrCAD
• TopoR
• Altium Designer
• Specctra
• Proteus
• gEDA
• KiCad

Основные этапы разработки

Выделяют следующие 3 этапа разработки печатных плат

1. Подготовительный
2. Конструирование
3. Создание выходной документации

Рассмотрим их подробнее.

Подготовительный

• Импорт принципиальной электросхемы в базу данных САПР
• Добавление в САПР компонентов (схемы каждого компонента, расположение и предназначение выводов)
• Получение информации об условиях будущего производства платы (типы материалов, кол-во слоев, класс точности, диаметры отверстий и т.д.), подбор материалов на основе полученной информации

Конструирование

• Создание формы конструкции платы – контур, размеры, отверстия для крепежа, предельно допустимая высота компонентов
• Размещение всех компонентов – автоматическое или вручную
• Трассировка платы – так называется отрисовывание дорожек
• Проверка на ошибки – зазоры, замыкания, наложение одного компонента на другой и т.д.
• Расчет механических свойств будущей платы

Создание выходной конструкторской документации

Файл для платы переводится в формат, по которому будет работать изготовитель. Вся необходимая конструкторская документация оформляется по стандартам. В ней указываются:

• Тип материала основания платы
• Диаметры сверления отверстий
• Тип переходных отверстий – закрытые паяльной маской, открытые, луженые
• Кол-во областей гальванических покрытий и их тип
• Цвет и тип паяльной маски
• Необходимость/отсутствие необходимости в маркировке
• Способ обработки контура (фрезеровка, скрайбирование)

Далее мы рассмотрим материалы для производства и ряд других нюансов, которые учитываются в ходе разработки плат.

Материалы

Для изготовления базы платы применяется сплошной непроводящий материал. Чаще всего это стеклотекстолит (FR-4). Для придания ему проводящих свойств (создание проводящего слоя) он покрывается слоем меди или другого металла. Если требования к производительности схемы платы высокие, то тогда применяют керамику или PTFE.

Слои

Имеется в виду, будет ли ПП 1- или 2-х сторонней. Если плата односторонняя, то это самый экономичный вариант, так как надо использовать только 1 слой меди. Но такая ПП не подойдет для реализации каких-либо сложных проектов, например, коммерческих. Для больших задач потребуется плата с двумя слоями.

Отметим, что чем сложнее конструкция, чем сложнее стоящие перед нею задачи, тем больше дополнительных слоев металлизации требуется для платы.

Медные дорожки

Под этим названием скрывается один из самых важных компонентов ПП – электрические соединения. Они создаются посредством удаления лишней меди с металлизированного слоя.

Переходные отверстия

Это тоже один из важных элементов платы. Такие отверстия применяются в платах с двумя и более слоями для обеспечения электрического соединения одного металлизированного слоя с другим.

4 разновидности отверстий

1. Сквозные – самые популярные, когда отверстие просверливается через всю плату и покрывается металлом для формирования электрического контакта со слоями.
2. Глухие – соединяют наружный слой с одним или несколькими внутренними.
3. Скрытые – отверстия переходного назначения, которые не выходят наружу и соединяют сигналы на внутренних слоях.
4. Микро-отверстия – отверстия малых диаметра и глубины, которые проделываются либо лазером, либо высверливаются с тщательным контролем глубины (соединяют внешний слой с внутренним).

Другие важные нюансы

Далее мы разъясним значения ещё нескольких ключевых компонентов ПП.

• Паяльная маска – защитный зеленый слой, который у многих и ассоциируется собственно с самой платой (зеленый – самый популярный цвет, но может быть и другой).
• Реперные точки – небольшие окружности, не закрытые маской, которые рассчитаны на системы автоматического монтажа компонентов для калибровки и правильной установки элементов на плату
• Шелкография – дополнительный слой в виде рисунков, необходимый для визуального ориентирования в схеме платы
• Медные полигоны – участки меди, подсоединенные путем электрического соединения к земле или питанию, необходимые для снижения шумов устройства и отведения излишков тепла от мощных и активных компонентов

Что нужно учесть при разработке ПП?

Самое главное, что требуется решить на стадии подготовки к созданию платы – это выбор типа схемы. Все просто – он должен соответствовать требованиям в зависимости от того, на каком оборудовании ПП будет использоваться и какие задачи решать.

Если цели и задачи определены, если вам ясно, как будет функционировать устройство на основе будущей печатной платы, то можно приступать к её проектированию. А здесь появляется не менее важная задача – выбор материалов и компонентов для будущей платы. Для этого стоит руководствоваться следующими пунктами:

• Наличие в продаже – это определяет, насколько быстро будет изготовлена ПП
• Цикл производства компонентов – стоит учесть риск снятия выбранного компонента с производства
• Использование оптимальных фильтров по компонентам
• Выбор правильного корпуса – в противном случае могут возникнуть проблемы с впаиванием подходящего компонента

И перед тем как начинать проектировать ПП в одной из выбранных компьютерных программ, лучше набросать эскиз платы на бумаге. А лучше – более детально расписать работу каждого блока по отдельности, на отдельных листах.

Когда же подготовительный этап создания ПП будет завершен, то вы можете передавать все на производство. Для специалистов нашей компании вам достаточно будет подготовить файл будущего проекта в любом из форматов – PCAD, Gerber, CAM350, ACCEL EDA. После этого необходимо лишь заполнить бланк заказа на изготовление (его вы можете скачать у нас с сайта) или оформить онлайн-заявку.

Разводка печатных плат на заказ — PCB technology

Общие соображения

Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешости общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.
Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем. 

Печатная плата — компонент схемы

Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.

Макетирование

Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком. Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы. Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы.

Источники шума и помех

Шум и помехи являются основными факторами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнальные процессоры (DSP). Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.

Категории печатных плат

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находится неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной — основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель материалов, используемых при производстве печатных плат.

Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 — наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.

Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.

FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.

При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр может оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы — поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.

Таблица 1

Категория	Компоненты, комментарии
FR-1	бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности
FR-2	бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности
FR-3	бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками
FR-4	стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства
FR-5	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения
G10	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности
G11	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям

После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.

Количество слоев печатной платы

В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.

Однослойные печатные платы

Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже,односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам. Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.

Двухслойные печатные платы

На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

    • общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь «много» общего провода для упрощения разводки.
    • увеличивается механическая прочность платы.
    • уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.
    • увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.
    • полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.

Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала.

Многослойные печатные платы

Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:

    • такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;
    • сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;
    • между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум.

Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:

    • лучшее подавление электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.
    • снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат. Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ по сравнению с двухслойными платами.

Порядок следования слоев

У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную палату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя — слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?

При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.

Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.

Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.

Заземление

Хорошее заземление — общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.

Основное правило: разделение земли.

Разделение земли на аналоговую и цифровую части — один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.

Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого прозводятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.

Другие правила формирования земли:

    • Шины питания и земли должны находится под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости.
    • Не допускайте перекрытий аналоговых и цифровых полигонов (рис. 1). Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Если в каком-либо месте существует перекрытие аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему. Такие перекрытия аннулируют изоляцию полигонов.

 

    • Разделение не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли (рис. 2). Они должны соединяться вместе в каком-то, желательно одном, низкоимпедансном узле. Правильная, с точки зрения земли, система имеет только одну землю, которая является выводом заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения (например, аккумулятора). Все сигнальные токи и токи питания в этой схеме должны возвращаться к этой земле в одну точку, которая будет служить системной землей. Такой точкой может быть вывод корпуса устройства. Важно понимать, что при подсоединении общего вывода схемы к нескольким точкам корпуса могут образовываться земляные контуры. Создание единственной общей точки объединения земель является одним из наиболее трудных аспектов системного дизайна.

    • По возможности разделяйте выводы разъемов, предназначенные для передачи возвратных токов — возвратные токи должны объединяться только в точке системной земли. Старение контактов разъемов, а также частая расстыковка их ответных частей приводит к увеличению сопротивления контактов, следовательно, для более надежной работы необходимо использование разъемов с некоторым количеством дополнительных выводов. Сложные цифровые печатные платы имеют много слоев и содержат сотни или тысячи проводников. Добавление еще одного проводника редко создает проблему в отличие от добавляемых дополнительных выводов разъемов. Если это не удается сделать, то необходимо создавать два проводника возвратного тока для каждой силовой цепи на плате, соблюдая особые меры предосторожности.
    • Важно отделять шины цифровых сигналов от мест на печатной плате, где расположены аналоговые компоненты схемы. Это предполагает изоляцию (экранирование) полигонами, создание коротких трасс аналоговых сигналов и внимательное размещение пассивных компонентов при наличии расположенных рядом шин высокоскоростных цифровых и ответственных аналоговых сигналов. Шины цифровых сигналов должны разводиться вокруг участков с аналоговыми компонентами и не перекрываться с шинами и полигонами аналоговой земли и аналогового питания. Если этого не делать, то разработка будет содержать новый непредусмотренный элемент — антенну, излучение которой будет воздействовать на высокоимпедансные аналоговые компоненты и проводники (рис. 3).

Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что может вызывать проблему не только основная тактовая частота, но и ее высшие гармоники.

    • Хорошей концепцией является размещение аналоговой части схемы близко к входным/выходным соединениям платы. Разработчики цифровых печатных плат, использующие мощные интегральные схемы, часто склонны разводить шины шириной 1 мм и длиной несколько сантиметров для соединения аналоговых компонентов, полагая, что малое сопротивление трассы поможет избавиться от наводок. То, что при этом получается, представляет собой протяженный пленочный конденсатор, на который будут наводиться паразитные сигналы от цифровых компонентов, цифровой земли и цифрового питания, усугубляя проблему.

Пример хорошего размещения компонентов

На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастотный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей далеко отстоят друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.

Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключенны к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.

Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.

Необходимо учитывать то, что цифровые элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.

Частотные характеристики пассивных элементов

Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.

Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны, и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так — высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.

Резисторы

Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.

Обычно применяются резисторы трех типов: проволочные, углеродные композитные и пленочные. Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая, впрочем, несколько меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.

Конденсаторы

Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.

Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:

Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?

В действительности, никто никогда не видел электролитического конденсатора с реактивным сопротивлением 160 мкОм. Обкладки пленочных и электролитических конденсаторов представляют собой свитые слои фольги, которые создают паразитную индуктивность. Эффект собственной индуктивности у керамических конденсаторов значительно меньше, что позволяет использовать их при работе на высоких частотах. Кроме этого, конденсаторы обладают током утечки между обкладками, который эквивалентен включенному параллельно их выводам резистору, добавляющему свое паразитное воздействие к воздействию последовательно включенного сопротивления выводов и обкладок. К тому же, электролит не является идеальным проводником. Все эти сопротивления, складываясь, создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Конденсаторы, используемые в качестве развязок, должны обладать малым ESR, поскольку последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры довольно значительно увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление и может привести к ухудшению характеристик конденсатора. Поэтому, если предполагается использование алюминиевого электролитического конденсатора при повышенной рабочей температуре, то необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа (105°С).

Выводы конденсатора также вносят свой вклад в увеличение паразитной индуктивности. Для малых значений емкости важно оставлять длину выводов короткой. Сочетание паразитных индуктивности и емкости может создать резонансный контур. Полагая, что выводы имеют индуктивность порядка 8 нГн на один сантиметр длины, мы можем подсчитать, что конденсатор емкостью 0,01 мкФ с выводами длиной по одному сантиметру будет иметь резонансную частоту около 12,5 МГц. Этот эффект был известен еще инженерам, которые десятилетия назад разрабатывали электронные вакуумные приборы. Тот, кто восстанавливает антикварные радиоприемники и не знает об этом эффекте, сталкивается с множеством проблем.

При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным его подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.

В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.

Индуктивности

Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:

Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц — сопротивлением 6,28 МОм. Верно ли это?

В действительности, не существует индуктивности с реактивным сопротивлением 6,28 МОм. Природу возникновения паразитного сопротивления легко понять — витки катушки выполнены из провода, обладающего некоторым сопротивлением на единицу длины. Паразитная емкость воспринимается труднее до тех пор, пока не принять во внимание то, что следующий виток катушки расположен вплотную к предыдущему, и между близко расположенными проводниками возникает емкостная связь. Паразитная емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту. Небольшие проволочные индуктивности начинают становиться неэффективными в диапазоне 10…100 МГц.

Печатная плата

Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.

Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.

Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образуют своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.

Немного из теории антенн

Одним из основных типов антенн является штырь или прямой проводник. Такая антенна работает, потому что прямой проводник обладает паразитной индуктивностью и поэтому может концентрировать и улавливать излучение от внешних источников. Полный импеданс прямого проводника ….

Читать далее >

 

7 правил проектирования печатных плат / Хабр

Приветствую! В процессе обсуждения

статьи

товарища

KSVl

была озвучена необходимость небольшого пособия по проектированию печатных плат. Очень часто на хабре я вижу статьи в стиле «5 правил оформления кода» или «5 шагов к успешному проекту», то есть очень удобные собрания тезисов по определенной теме. К сожалению подобных статей по разработке электроники мало и это плохо…

Я обещал пользователю KSVl и некоторым другим читателям, статью с базовыми принципами проектирования печатных плат (ПП), так же приглашаю к ознакомлению всех любителей попаять за чашечкой кофе!

Пролог

Все описанные в статье правила, являются самыми базовыми и ориентированы исключительно на совсем начинающих разработчиков для которых электроника просто хобби. Сразу хочу отметить, что данная статья не претендует на абсолютную истину и все объяснения даны в вольной форме.

Наверняка найдутся люди, которые скажут: «Да и так ведь работает, зачем что-то менять?». И вот тут увы, я не готов тратить силы и переубеждать вас. Одни хотят все делать хорошо, качественно и надежно, другим же не дано понять этого желания.

Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:

1. Курс общей физики и электротехники. Все в пределах 1-го курса ВУЗа
2. Книги Говарда Джонса «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии» и «Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии»
3. Стандарты IPC, например, IPC-2221A. Бывает перевод на русском (старая версия) и оригинал последних версий на английском
4. Собственный опыт

Правило №1 — Ширина проводника

Ошибка

— очень часто начинающие разработчики используют ту ширину проводников (дорожек), которая стоит по умолчанию в используемой САПР. В упомянутой ранее статье, автор использовал EasyEDA и там базовое значение ширины стоит 6 mils, то есть около 0.15 мм. Данная ширина проводников использована практически везде и это плохо, ибо ведет к ряду проблем.

Проблема №1 — падение напряжения. Все мы помни закон Ома из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.

Проблема №2 — нагрев проводника. Тут все тот же закон Ома, мощность выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Дорогу 0.15 мм ток в 5-10А легко испарит.

Проблема №3 — паразитная индуктивность. Этот момент к базовым вряд ли уже относится, но знать про него надо. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц, например, при работе с SPI.

Проблема №4 — низкая механическая прочность. Думаю не надо объяснять, что дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к текстолитовой основе, чем дорожка 0.15 мм. Ради интереса возьмите заводскую ненужную плату и поковыряйте ее.

Решение — используйте максимально возможную ширину проводников. Если проводник можно провести с шириной 0.6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0.15 мм.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Правило №2 — Подключение к выводам

Под выводами подразумевается контактная площадка компонента (pad), переходные отверстия (via) и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).

Ошибка — бывают две крайности. В одной, разработчик совершает ошибку из правила №1 и подключает дорожку 0.15 мм к выводу smd резистора 1206. В другом случае наоборот, использует проводник ширина которого равна ширине контактной площадки. Оба варианта плохие.

Проблема №1 — низкая механическая прочность. При нескольких попытках перепайки компонента, площадка или дорожка просто отслоятся от текстолитовой основы печатной платы.

Проблема №2 — технологические проблемы с монтажом платы. Хотя это станет проблемой, если вы начнете заказывать в Китае не только платы, но и сборку. Вам конечно соберут, но % брака вырастает.

Решение — ширина проводника, подключаемого к контактной площадке, должна составлять примерно 80% от ширины этой площадки.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Размер площадки конденсатора 1206 в данном случае составляет 1.6 х 1 мм. Соответственно для подведения сигнала снизу используется дорожка равная 80% от ширины площадки, то есть 0.8 мм (80% от 1 мм). Для подведения сигнала справа используется дорожка толщиной 1.2 мм (примерно 80% от 1.6 мм). Ширина площадки у микросхемы в корпусе SOIC-8 равна 0.6 мм, поэтому подводить нужно сигнал с помощью дорожки около 0.5 мм.

Стоит понимать, что данный вариант является идеальным. Переход из 1.2 мм в 0.5 мм вам наверняка не понравится — лишняя возня. Его можно избежать. Для этого обычно принимают ширину дорожки относительно минимального pad-а (площадки), то есть в данном случае можно сделать вот так:

Как видите, я выбрал ширину проводника по минимальной площадке, то есть по площадке вывода микросхемы в корпусе SOIC-8. Такой упрощение допустимо, но его стоит применять с умом.

Правило №3 — Цепи питания

Теперь рассмотрим случай, когда упрощение в отношение правила №2 просто недопустимо, а именно — проектирование цепей питания. Данной правило опирается на два предыдущих и является частным, но пожалуй самым критичным случаем.

Ошибка — пренебрежение правилами №1 и №2 при проектирование цепей питания.

Проблема №1 — на выходе вашего стабилизатора напряжения строго +3.3В. Вы включаете устройство и наблюдаете, что микросхема ведет себя неадекватно, АЦП измеряет не точно и периодически выключается. Вы измеряете напряжение на ногах потребителя (микросхемы) и обнаруживаете вместо +3.3В всего лишь +2.6В.

Проблема №2 — ваш DC-DC преобразователь не запускается, либо на выходе имеет большие пульсации.

Проблема №3 — в попытках найти неисправность, вы ставите щуп осциллографа на линию +3.3В и обнаруживаете там вместо постоянного напряжения какие-то страшные пульсации и помехи.

Решение — соблюдаем особо строго и фанатично правила №1 и №2. Дорожки максимально широкие. Питание должно приходить на микросхему через керамический конденсатор, который по возможности ставят ближе к выводу этой микросхемы.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Что я сделал чтобы стало хорошо:

1) Дорожка питания VCC3V3 теперь подходит не в обход конденсатора, а через него. То есть сначала на конденсатор, а затем уже на вывод микросхемы

2) Переходное отверстие (via) я использовал размером 1.2/0.6 мм. Да, согласно требованиям для 4 класса точности (стандартного), я могу использовать переходное отверстие размером 0.7/0.3 мм, но делать этого не стал и применил более габаритный переход. Это позволило уменьшить его сопротивление и пропустить больший ток

3) Шина питания, которая приходит от стабилизатора у меня теперь не 0.3 мм, а 2 мм! Не бойтесь делать широкие проводники. Такой подход минимизирует падение напряжения в цепи и уменьшит индуктивность проводника

Правило №4 — Земля

О влияние качества проектирование земляной шины (GND) можно говорить вечно, но любой разговор сводится к простой сути:

стабильно и работоспособность устройства в наибольшей степени зависит именно от проектирование земли

. Данная проблема очень объемная и требует глубокого изучения, поэтому я дам самые базовые рекомендации.

Ошибка — трассировка цепи GND (земли) обычным проводником, да еще и минимальной ширины. Это просто к-к-к-комбо!

Проблема №1 — нестабильность работы устройства и сильные помехи в цепях, особенно в цепях питания.

Проблема №2 — нагрев и часто обрыв тонкого проводника, т.к. в нем действует большой ток.

Решение — использовать полигон для разводки цепи GND, а в идеале отдельный слой, который полностью выделен для данной цепи, например, нижний слой.

Пример:

1) Плохой

2) Хороший

Как видите, вместо обычного проводника я применил заливку сплошным полигоном. Такое решение обеспечило мне огромную площадь сечения, ведь полигон это просто очень большой проводник. Только иногда такое решение имеет недостаток, например, когда плотность монтажа высокая и другие проводники разрывают сплошной полигон, как тут цепи LED1..3 разрывают кратчайший путь между выводом микросхемы и конденсатора (GND):

Тут нам поможет, упомянутый ранее, отдельный слой GND. В двухслойной плате в идеале под него выделить нижний слой, а в многослойной плате — один из внутренних слоев:

Таким образом мы восстановили кратчайший путь для тока по цепи GND, а помог в данном случае нижний слой (синий цвет), который из себя полностью представляет земляной полигон. Переходные отверстия (via) около контактных площадок обеспечили для них максимально короткое соединение с нижним слоем земли.

Конечно это идеальный случай и иногда не получится его реализовать без удорожания платы, поэтому тут решение за вами. Порой «супер» надежность и не нужна, тут важно найти для своей задачи золотую середину между стоимостью и качеством.

Правило №5 — Ширина зазора

Минимальное значение зазора между медными проводниками на печатной плате, нам диктуют технологические требования. Для 4-го (стандартного) класса значение составляет 0.15/0.15 мм или 6/6 mils. Максимальная ширина ограничена лишь вашей фантазией, габаритами платы и здравым смыслом.

Ошибка — зазор недостаточно большой, обычно оставляют значение по умолчанию около 0.15 мм.

Проблема №1 — электрический пробой. Короткое замыкание возникает, когда 2 проводника с разным потенциалом замыкают, например, металлическим предметом и ток резко возрастает. К сожалению идеальных диэлектрических материалов не бывает и в какой-то момент любой материал начинает проводить ток. Пример тому — изоляторы на ЛЭП, иногда и их пробивает. Данное явление происходит, когда превышено значение критического напряжения пробоя. По этой же причине и стеклотекстолит, являющийся основной большинства печатных плат, в какой-то момент может начать пропускать ток.

Решение — увеличение расстояния между проводниками. Напряжение пробоя зависит от типа материала и от толщины/ширины изолятора. В случае печатных плат — расстояние (зазор) между проводниками как раз является тем параметром, который влияет на критического значение напряжения пробоя. Чем больше расстояние между проводниками, тем большее напряжение необходимо чтобы пробить его.

Так же хочется сказать, что пробой по стеклотекстолиту не всегда самая актуальная проблема. Воздух, который окружает плату, тоже является диэлектриком, но при определенных условиях становится проводником, вспомните грозу. Воздушный электрический пробой большая проблема в электронике, особенно если учитывать, что воздух может быть сухой, а может и иметь влажность 90-100%, например, в тропиках или на Севере.

Пример:

Условимся, что в данном примере есть 3 проводника: выпрямленное сетевое напряжение +310В, низковольтная линия питания для микроконтроллера +3.3В и шина земли (GND).

1) Плохой

2) Хороший

Почему 0.3 мм плохо, а 0.8 мм уже хорошо спросите вы и в качестве ответа приведу вам 2 источника:

1) Обычные физика и электротехника. Данные в них разнятся из-за различных методик измерений и прочего, но наиболее реалистичная цифра для сухого воздуха составляет 2 кВ/мм. Тут многие испугаются цифры и подумают: «У меня же нет таких напряжений» и это будет ошибкой. Данное значение характерно лишь для сухого воздуха, который встретить в реальных условиях удается редко. И тут цифры уже куда скромнее, например, при влажности 100% напряжение пробоя воздуха составляет всего 250 В/мм! А еще на значение напряжения пробоя влияет запыленность воздуха и платы, а так же атмосферное давление (кривая и закон Пашена).

2) Стандарт IPC-2221, ссылку на который я давал в начале. Интересует нас таблица 6-1, которая выглядит вот так:

Как видите в таблице для большое количество значений даже для нашего конкретного случая 301-500В. Если посмотрим, то увидим значение 0.25 мм для закрытых проводников на внутренних слоях, то есть в «идеальных» условиях без доступа пыли, грязи и влаги. Если устройство будет работать где-то в горах и проводник находится на внешних слоях (все проводники в случае 2-х слойной платы) на высоте до 3000 метров, то там минимальный зазор уже 2,5 мм, то есть в 10 раза больше. Если же мы эксплуатируем устройство на большей высоте, то зазор необходим уже в 12.5 мм! Стоит сделать замечание — такой большой зазор требуется если наша плата не покрыта защитными составами, например, лаком или компаундом. Как только появляется защитное покрытие, то мы видим уже более адекватные значения: 0.8 и 1.5 мм.

Поэтому в «хорошем» примере по мимо обеспечения зазора 0.8 мм, необходимо так же покрыть плату защитных составом, например, лаком после завершения монтажа устройства, его отмывки и сушки. В противном случае необходимо увеличить зазор!

Правило №6 — Гальванический зазор

Ошибка

— приравнивание диэлектрического зазора к гальваническому. По сути они очень похожи, но по требованиям все строже, когда дело доходит до гальванической развязки. Ярким случаем является развязка схемы управления и силовой части с помощью реле или оптрона, когда зазор между развязанными сторонами выбирается так же 0.8 или 1,5 мм.

Проблема №1 — пробой изоляции, выход из строя системы управления и прочего дорогого оборудования.

Решение — увеличение порога электрического пробоя. Стандартными значениями обычно являются напряжения 1,5 кВ, 2,5 кВ и 4 кВ. Если ваше устройство работает с сетевым напряжением, но человек напрямую с ним не взаимодействует, то напряжение развязки в 1,5 кВ будет достаточным. Если предполагается взаимодействие человека с устройством, например, через кнопки и прочие органы управления, то рекомендую применить изоляцию с напряжением 2,5 кВ и более.

Пример:

1) Плохой

Что плохого спросите вы, ведь зазоры на плате есть, их можно сделать и 1,5 мм. Дело в том, что даже если сделать зазор 2 мм, то этого будет недостаточным для обеспечения изоляции. Самым «слабым» местом должно быть расстояние между выводами управления реле (1-2) и выводами силовыми (3-8). Так же надо учитывать, что пробой может быть не только между проводниками на одном слое, но и на разных — насквозь плату через стеклотекстолит.

2) Хороший

Что было сделано для улучшения ситуации:

а) Появилась четкая граница между низковольтной и высоковольтной частью. Теперь проводник +3.3В не проходит в высоковольтной области +310В, полигон GND не выходит за границу низковольтной часть, соответственно и пробоя не будет. Так же в зоне/границе гальванической развязки не должно быть вообще ничего.

б) Изолирующая зона освобождена от паяльной маски. Маска — тоже слабое место и в зависимости от качества ее пробьет раньше, чем стеклотекстолит. Это делать не обязательно в общем случае, но если с устройством взаимодействуют люди, то настоятельно рекомендую.

в) Как я выше писал, слабое место — расстояние между управляющими и силовыми выводами реле. Везде я смог сделать изолирующую зону 4 мм, а тут только 2.5 мм. От маски мы очистили, от проводников тоже и единственное через что может произойти пробой по плате — стеклотекстолит. Поэтому убираем и его, я сделал вырез под реле шириной 2.5 мм и убрал весть текстолит между выводами. Данная операция тоже не обязательна, но существенно повышает надежность и безопасность вашего устройства.

Правило №7 — Переходные отверстия

Ошибка

— очень часто наблюдаю картину, когда на 2-х слойной печатной плате для того, чтобы соединить 2 контактные площадки, использую 3..4… или даже 5 переходных отверстий.

Проблема №1 — переходных отверстий (via) становится слишком много на плате и это ограничивает место под проводники, что приводит к удлинению цепей, а следовательно и к увеличению их сопротивления. Уменьшает устойчивость цепей и сигналов к помехам.

Решение — используйте минимальное количество переходных отверстий: если вам нужно соединить 2 контакта на разных слоях, то не используйте более 1-го переходного отверстия. Если 2 контакта находятся на одном слое и вы не можете соединить их напрямую, то используйте максимум 2 переходных отверстия. Если вам нужно больше переходов для соединения, то что-то вы делаете не так — тренируйте логику и переразводите участок платы, который привел к проблеме.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Для соединения использовано минимальное количество переходных отверстий (via), что дает больше свободного места для других проводников и обеспечивает минимальные паразитные параметры проводника.

Несколько общих советов

• Не используйте автотрассировщики! В «сыром» не настроенном виде они выдают ужасный результат, который даже самую светлую идею превратит в гуано. Для того, чтобы автотрассировщик работал хорошо, ему необходимо прописать определённые правила, которые скажут ему, что дороги надо не 0.15, а 1 мм и так далее. Для адекватного результат даже на простых платах приходится прописывать сотню, а то и две, этих самих правил. В Altium Designer под них выделен целый раздел, например. Если вы любитель и у вас не стоит задачи спроектировать свою плату для ноутбука, то разводите плату руками — выйдет быстрее и качество будет на высоте
• Не ленитесь переделывать плату. Часто бывает, что вы сделали плату на 90%, но дальше все стало туго и вы начинаете нарушать «правила» и лепить гуано. Откатитесь назад, иногда приходится откатываться в самое начало, сделайте работу качественно и на этапе отладки устройства вы сэкономите очень много времени и нервов
• Перед тем как начать проектировать плату, посмотрите несколько open source проектов, например, на хабре или hackaday. Главное не копируйте оттуда чужие очевидные ошибки
• Если у вас есть знакомые разработчики электроники, пускай тоже любители — дайте им на проверку. Свежий взгляд на ваш проект позволит избежать очень много ошибок

Заключение

Надеюсь данная статья станет полезной для начинающих электронщиков и избавит их хотя бы от самых простых ошибок. Думаю не мало людей в данных правилах увидят и свои недочеты, но не стоит от этого правила слепо копировать. Всегда думайте головой и ищите лучший вариант, иногда и 4 переходных отверстия для 1-й цепи допустимы, если это позволяет вам улучшить конечный результат.

Те, кому данного материала мало — предлагаю ознакомиться со стандартами IPC по диагонали, сильно вчитываться смысла нет, а так же прочитать начальный курс «черной магии» от Говарда Джонса. В ней разобраны и физические принципы проектирования, а так же приводится множество рекомендаций по проектированию стандартных цепей и интерфейсов. Это раньше высокоскоростные цифровые цепи были чем-то магическим и возвышенным, но сегодня на дворе 2018 и с ними сталкиваются даже совсем новички, например, при подключение датчиков и памяти по SPI или дисплеев.

Как спроектировать печатную плату на профессиональном уровне

Разработка печатной платы это процесс, включающий множество задач, и не всегда удается уделить каждой из них необходимое внимание. Но есть ли ваша вина в том, что вы не отдаете своим проектам столько любви, сколько они заслуживают? Возможно, вы тратите слишком много времени на создание идеальных схем или выбор наилучших компонентов, но если вы не можете соединить все эти элементы и создать продукт, который будет работать в реальном мире, тогда в чем смысл? Прежде чем ваш проект станет для вас и вашего производителя головной болью, обязательно изучите приведенные ниже рекомендации для того, чтобы разработать свою следующую печатную плату как настоящий профессионал.

Начните разгадывать головоломки

Прежде чем эти святящиеся дорожки из меди окажутся на вашей плате, необходимо, чтобы каждая деталь нашла на ней свое место. Этот процесс требует от разработчика умения быть настоящим мастером по разгадыванию головоломок, вы должны стать специалистом, который одновременно является и художником и ученым. Для того чтобы вам легче было достичь этого баланса мы приготовили несколько советов:

Устанавливайте все компоненты в одном направлении

Обязательно располагайте все компоненты аналогичного типа в одном направлении. Благодаря этому процесс монтажа печатных плат пройдет идеально, когда ваша плата окажется в печи. Если размещать компоненты бессистемно, не удивляйтесь, откуда берется множество непаяных соединений, и плата, просто не работает.

Рекомендуемая ориентация компонентов

на плате при пайке волной припоя

Размещайте схожие компоненты вместе

Если вы работаете с деталями поверхностного монтажа (Surface Mount (SMT), обязательно размещайте их на одной стороне платы. Что касается сквозного монтажа Through-Hole (TH), то все компоненты должны находиться на верхней части печатной платы. С чем связаны особенности расположения деталей?

• Это позволяет устанавливать все компоненты поверхностного монтажа одновременно с помощью роботизированной машины захвата и размещения, не требуя дополнительных действий.

• Это экономит ваши финансовые ресурсы, сохраняя время, затрачиваемое на ручную сборку деталей сквозного монтажа.

• И конечно, когда компоненты похожего назначения находятся рядом, это значительно облегчает производство и проверку печатной платы.

Материнская плата Xbox One — они проделали хорошую работу для легкого процесса пайки, сгруппировав все связанные между собой компоненты. (картинка сверху)

Будьте на шаг впереди

При расположении компонентов всегда помните о том, насколько длинные должны быть дорожки для соединения контактов. Размещая соответствующие компоненты рядом друг с другом, вы делаете процесс маршрутизации проще и эффективнее, закрепляя элементы в одной области печатной платы.

Здесь становится жарко

Тепловыделение — это проблема всех электронных устройств, связанная с тем, что все активные компоненты и дорожки отдают большое количество тепла. По мере того как корпуса становятся меньше, а печатные платы – более наполненными, снизить нагрев можно следующим образом:

Используйте дополнительную медь

Если вы понимаете, что проблема тепловыделения не обойдет ваш продукт стороной, советуем добавить медь вокруг контактных площадок деталей поверхностного монтажа. Это увеличит площадь рассеивания тепла. Изучите спецификации всех компонентов для того, чтобы использовать пространство контактных площадок в качестве радиатора.

Вывод тепла с помощью переходных отверстий (vias)

Знаете ли вы, что можно использовать переходные отверстия для перемещения тепла с одной стороны печатной платы на другую? Это может пригодиться, когда вам потребуется снизить температуру компонентов, направив тепло на другую сторону платы.

Используйте переходные отверстия, чтобы отвести часть тепла

от более крупных компонентов. (картинка сверху)

Держите нагревающиеся детали отдельно

Ряд компонентов выделяет большее количество тепла, к ним относятся диодные мосты, диоды, МОП-транзисторы, катушки индуктивности и резисторы. Рекомендуем держать их на расстоянии от деталей более чувствительных к нагреву, таких как термопары и электролитические конденсаторы. Если данные конденсаторы будут нагреваться, они потеряют способность удерживать заряд.

Просто интегрируйте

Микросхемы (ICs) предлагают огромный функционал в одном небольшом компактном корпусе. Но помимо прочего, они имеют набор собственных проблем, которые также необходимо разрешать. Вот несколько рекомендаций, как сделать размещение и маршрутизацию микросхем проще:

Дайте им немного пространства

Микросхемам, которые содержат множество контактов, да и если уж на то пошло любым микросхемам, нужно предоставить достаточно пространства для удобной маршрутизации. Многие начинающие разработчики совершают ошибку, размещая микросхемы слишком близко друг к другу, оставляя ограниченную площадь для расположения всех необходимых контактов. Старайтесь сохранять расстояние 0,350” – 0,500” между микросхемами и еще больше пространства для более крупных деталей.

Микросхема BGA требует много пространства, чтобы произошли

все шариковые соединения (картинка сверху)

Размещайте их на одной линии

Для того чтобы микросхемы были систематизированы и упорядочены, разместите их по направлению вверх/вниз или влево/вправо. Сделав это, вы разместите первый контакт микросхем в одном направлении, что значительно облегчит процесс маршрутизации и проектирования.

Держите микросхемы в одной ориентации, чтобы контакты были выстроены в линию — это облегчит маршрутизацию. (картинка сверху)

Энергия по общим магистралям

Для правильного питания микросхем, рекомендуем использовать общую магистраль для каждого источника энергии. Кроме того, обязательно используйте сплошные и широкие дорожки для того, чтобы энергия легко попадала к энергоемким микросхемам, и избегайте цепочечного подключения между компонентами во избежание возникновения проблем с перепадами напряжения.

Стройте маршрут как профессионал

Сигнальные дорожки — это маршрут для подключения всех компонентов на макете печатной платы. И для вас, как и для любого другого инженера, процесс маршрутизации сигнальных дорожек представляет собой интересную возможность для проявления организованного творчества. Прежде чем вы погрузитесь в маршрутизацию печатной платы, обратите внимание на следующие рекомендации:

Уберите резкость изгибов

Избегайте применения резких изгибов в 90° на сигнальных дорожках. Сохранять их ширину становится действительно не просто, особенно когда они становятся уже. Вместо этого выстраивайте повороты под углом 45° для того, чтобы все шло гладко.

Отличный пример того, как не следует делать маршрутизацию печатной платы, выстраивайте повороты под углом 45°. (картинка сверху)

Определите ширину дорожек

Прежде чем прокладывать дорожки, обязательно используйте калькулятор ширины дорожек. С помощью него вы легко сможете определить, какой толщины и ширины должны быть дорожки, учитывая конкретные требования проекта. И если в конечном итоге вы получите дополнительное пространство на своей плате, продолжайте использовать более широкие дорожки, так как это не является лишними издержками для производителя.

Помните, куда уходит тепло

Если вы проектируете многослойную печатную плату, помните, что все дорожки на внешних слоях имеют гораздо большие возможности для охлаждения, чем дорожки на внутренних уровнях. Для того чтобы произошел выброс тепла на внутренних дорожках, необходимо преодолеть длинный путь через слои меди и других материалов, поэтому по возможности размещайте их сверху и снизу платы.

Включите и выключите питание

Когда все сигнальные дорожки будут размещены, вам необходимо проверить, чтобы все они получали необходимую энергию. По магистралям проходит ток, необходимый для питания всей печатной платы, и все это легко воплотить в жизнь, следуя нашим рекомендациям:

Текущая вместимость имеет значение

Дорожки, несущие большой объем энергии, должны быть шире, чем стандартные сигнальные дорожки для аккумуляции более сильной нагрузки. Представленные значения, могут быть рекомендациями возможной ширины дорожек для определенных потоков:

Ширина дорожки и единица электрического напряжения постоянного тока

• 0.010″ 0.3 А

• 0.015″ 0.4 А

• 0.020″ 0.7 А

• 0.025″ 1.0 А

• 0.050″ 2.0 А

• 0.100″ 4.0 А

• 0.150″ 6.0 А

Схема печатной платы и дорожек в 3D (картинка сверху)

Держите вдали от шума

Размещайте шумные земляные дорожки как можно дальше от сигнальных, для которых необходимы тишина и покой. Вы также можете расположить внутренний проводящий слой для заземления непосредственно под шумными сигнальными дорожками, чтобы снизить сопротивление для высокоскоростных разработок.

И

дем на взлет

Как только дизайн вашей печатной платы будет полностью спроектирован, вы сможете перейти к еще одному крайне важному этапу – оценка проекта у контрактного производителя! Вам необходимо дважды проверить, правильно ли осуществлена маршрутизация каждой сигнальной дорожки. Вы можете сделать это, просмотрев схему «провод за проводом» и сравнив ее с траекторией дорожек на макете печатной платы. Все хорошо? Тогда пришло время отправляться на производство.

Базовые рекомендации разработчику печатных плат | others

Что самое важное при разработке печатных плат (PCB)? Давайте рассмотрим несколько основных моментов, о которых следует всегда помнить разработчику, если он хочет создать по-настоящему технологичные в изготовлении, функциональные и надежные платы. Здесь приведен перевод статьи [1] (автор David Marrakchi), опубликованной на сайте Altium.

Когда Вы начинаете новый проект платы, довольно просто отбросить эти основные советы, потому что мысли в основном сосредоточены на дизайне схемы и/или ПО. Но это скорее всего позже приведет к неприятным последствиям, которые уже сложно будет исправить и они доставят много головной боли. Схема будет работать не так качественно, как ожидалось, у сборщика появятся трудности в производстве, и т. п. Ниже рассмотрены несколько самых важных моментов, помогающих разработать хорошие, качественные печатные платы.

[1. Следует хорошо знать и использовать спецификации производства]

Перед тем, как начать непосредственную разводку, уделите некоторое время на изучение ограничений, которые накладывает производитель при производстве плат. Можно позвонить производителю, написать ему email с просьбой выслать его требования по минимально допустимой ширине дорожки, минимальному расстоянию между дорожками и т. п. Часто эта информация находится на сайте производителя (типичный пример см. в [10]), и требования к параметрам изготовляемой платы делятся по классам точности (от класса точности зависит цена производства).

Для чего это нужно? Чтобы предварительно настроить правила трассировки (Design Rules), систему проверки дизайна на соответствие заданным ограничениям (Design Rules Check, DRC). Если изначально соблюдать правила заданной технологии, то будет проще выполнить всю работу, не потребуется тратить лишнее время на исправление ошибок, которые могут выявиться на этапе производства.

[2. Тщательно размещайте компоненты]

Стадия разработки, когда Вы размещаете компоненты на PCB, требует как искусства, так и научных знаний. Требуется выбрать стратегию размещения, реализующую наиболее выгодный компромисс по удовлетворению требований к разработке. Этот процесс может быть сложным, и от того, как Вы расположите детали на плате, будет зависеть как сложность производства изделия, так и его работоспособность.

При размещении компонентов полезно пользоваться функцией привязки к координатной сетке (snap-to-grid), эта опция должна быть разрешена. Обычно для первичного размещения деталей используют шаг координатной сетки 50 mil. Хотя размещение обычно начинают с выбора места и положения коннекторов, светодиодов, кнопок, схем питания, деталей точных схем, критических узлов и т. д., есть несколько специальных моментов, которые следует учитывать:

Ориентация. Убедитесь, что ориентация похожих компонентов совпадает. Например, электролитические конденсаторы, диоды и т. п. по возможности должны направлять свой положительный электрод в одну сторону. Это поможет в эффективной и безошибочной пайке.

Размещение. Современное технологическое оборудование автоматического монтажа позволяет применять минимальные интервалы между компонентами до 0.2 мм и от края платы 1 мм. Однако использование таких предельных значений в разработке вряд ли оправдано, потому что усложняет монтаж и ремонтопригодность изделия, снижает его надежность. Рекомендуется сохранять интервалы между компонентами не менее 0.5 — 1.25 мм (в зависимости от типа корпуса).

Избегайте размещения компонентов со штыревыми выводами на стороне пайки (нижняя часть платы, Bottom).

Организация. Рекомендуется размещать все монтируемые на поверхность детали (Surface Mount, SMT, или SMD) только на одной стороне платы (обычно на верхней, Top). Одностороннее размещение деталей упрощает и удешевляет монтаж. Если плата сложная, и на ней есть как SMD-компоненты, так и компоненты со штыревыми выводами (through-hole, TH), то TH-компоненты разместите (по возможности) на верхней стороне платы, а SMD-компоненты на нижней. Это минимизирует операции по сборке (монтажу) платы.

Следует учесть, что если на плате имеются смешанные по технологии пайки компоненты (есть как TH, так и SMD детали), то это заставит производителей предпринимать дополнительные шаги для сборки платы, что удорожает производство.

Хороший выбор ориентации компонентов	Плохая ориентация компонентов

Хорошее размещение компонентов	Плохое размещение компонентов

Если Вы не нашли компонент в библиотеке, то потребуется его создать. Уделите особое внимание зазорам между контактными площадками и окнам в маске. Маска должна обязательно образовывать окна для каждого вывода, не делайте общее окно для группы выводов. Не соблюдение этого правила может привести к коротким замыканиям мостиками припоя между выводами.

Маска разделяет промежутки между выводами, снижая риск образования замыканий припоем.	Неправильно созданные окна в маске для выводов микросхемы, повышенный риск наплыва припоя между выводами.

Автотрасировщик может подсказать, насколько хорошо выполнено размещение деталей (см. далее).

[3. Разделение по функционалу]

Скорее всего Вы уже знаете, что мощные схемы, где есть высокие напряжения и большие импульсные токи, могут генерировать значительные помехи, влияющие на работку маломощных прецизионных схем. Чтобы снизить факторы помех, выполните следующие рекомендации:

Разделение. Убедитесь, что шина высокоточной земли и шина земли схем управления или шина земли чувствительных аналоговых схем разведены отдельно. Если они требуют соединения, то должны соединяться друг с другом только в одной точке, максимально близко к месту входа тока питания на плату. Общий принцип — ток потребления, протекающий по шине земли от мощной части схемы, не должен вносить помехи своим падением напряжения на другие, чувствительные части схемы.

Размещение. Если Вы размещаете заливку земли (ground plane) на внутреннем слое платы, то убедитесь, что существуют многочисленные надежные, с низким импедансом соединения этой заливки с другими проводниками земли, находящимися на верхней и нижней сторонах платы. Это снизит риск наводки токами питания помех на чувствительные сигналы управления. Основная рекомендация — стараться отделять друг от друга цифровую и аналоговую земли, идеальный вариант полная их изоляция друг от друга (применяется в особо точных приборах).

Развязка. Чтобы снизить емкостные паразитные связи из-за размещения проводников над большими заливками земли/питания и под ними, постарайтесь выполнить разводку таким образом, чтобы аналоговые сигнальные проводники проходили только над/под аналоговой заливкой земли и пересекали только аналоговые проводники. Это поможет снизить влияние помех от импульсных напряжений и токов, генерируемых быстро переключающимися цифровыми сигналами.

Пример разделения на плате цифровой (DIGITAL) и аналоговой (ANALOG) частей схемы:

[4. Трассировка питания, земли и сигналов]

Когда компоненты размещены, самое время заняться шинами питания, земли и важными сигнальными проводниками, которые Вы хотите развести качественно, чтобы на них было меньше всего посторонних помех. На этой стадии разработки нужно учитывать следующее:

Размещение заливок питания и земли (Power Plane, Ground Plane). Если плата многослойная, то всегда рекомендуется заливки земли и питания разместить на двух внутренних слоях, и разместить их друг относительно друга симметрично, желательно чтобы каждая такая заливка занимала всю площадь платы. Это поможет защитить плату от изгибов и перенапряжений, что может повлиять на правильность позиционирования компонентов при монтаже. Если плата двухсторонняя, то для питания интегральных схем рекомендуется использовать широкие, прямолинейно проложенные проводники, без образования петель. Идеальный вариант — залить все свободное пространство платы шиной земли, как на верхней, так и на нижней стороне платы, а шины питания (+5V, +3.3V) развести широкими, максимально прямолинейными проводниками, без образования лишних петель при переходе от одной микросхемы к другой, с минимизацией переходов между слоями.

Сигнальные проводники. После прокладки питания разведите ответственные сигнальные цепи в соответствии с рекомендациями по построению Вашей схемы. Всегда рекомендуется такие проводники делать максимально короткими, проводимыми непосредственно от компонента к компоненту. При плотной разводке когда возникают сложности в трассировке и необходимо делать переходы с одной стороны платы на другую (с помощью металлизированных переходных отверстий, via) старайтесь размещать горизонтальные проводники на одной стороне платы и соответственно вертикальные на противоположной.

Определение толщины проводников. Когда ток течет через медные проводники платы, он может их довольно сильно нагревать. Чем больше ширина проводника, тем меньше его сопротивление, и меньше нагрев. Но нельзя бесконечно увеличивать ширину проводника, нужен определенный компромисс. Поэтому управление шириной проводников — один из многих способов сбалансировать нагрев печатной платы и уменьшить сопротивление проводников.

Скорее всего Ваша разработка будет иметь цепи разного класса — одни проводники будут передавать большие токи, другие маленькие. Этот факт будет диктовать необходимую ширину проводников на плате. Базовая рекомендация — для слаботочных аналоговых и цифровых цепей рекомендуется делать проводники шириной 10 mil (mil равен одной тысячной дюйма, или 0.0254 мм). Когда цепи будут передавать ток больше 0.3A, их следует делать шире. Есть удобный онлайн-калькулятор [2], упрощающий процесс вычисления параметров проводников. В следующей таблице приведены грубые рекомендации по выбору толщины проводников в зависимости от силы тока. Следует также учитывать длину проводников. Длинные проводники следует стараться делать шире, если по ним протекают значительные токи, это позволит снизить сопротивление проводника и падение напряжения на нем. Небольшой совет — если есть возможность сделать ширину проводников больше, чем требуется, то сделайте это! Когда Вы с запасом отвечаете требованиям как производителя, так и дизайна, меньше шансов того, что плата окажется бракованной, или будет работать не так, как ожидалось.

Ширина дорожки	Допустимый ток
10 mil	0.3 A
15 mil	0.4 A
20 mil	0.7 A
25 mil	1.0 A
50 mil	2.0 A
100 mil	4.0 A
150 mil	6.0 A

Назначьте цепям питания (GND, VCC и т. п.) отдельный класс, и назначьте ему увеличенную минимальную ширину проводника. Тогда автороутер будет прокладывать эти цепи проводниками заданной толщины. Дополнительное преимущество — по толщине проводников проще ориентироваться в разводке платы.

Контактные площадки SMD. Паяльная паста, и особенно расплавляемый припой ведет себя как обычная жидкость, обладающая поверхностным натяжением. В момент пайки это натяжение может смещать монтируемый компонент (особенно это касается SMD-резисторов и конденсаторов). Поэтому не только важно, чтобы паяльная паста имела достаточную влажность и вязкость, но также чтобы размеры площадок для пайки SMD-компонентов строго соответствовали рекомендованным (рекомендуемые размеры площадок можно узнать в даташите на компонент). Если не соблюдать это правило, например если предусмотрено «универсальное» посадочное место для пайки как корпуса 0805, так и корпуса 1208, то поверхностное натяжение расплавленного припоя может привести к перекосу компонентов и даже «могильным камешкам» (thumbstone).

Подсоединение проводников к контактным площадкам. Обратите внимание на разводку проводников по отношению к местам пайки (контактным площадкам) с целью избежать поворота SMD-компонента при пайке. На рисунках ниже показаны примеры правильной и неправильной разводки по отношению к контактным площадкам.

Предпочтительная разводка проводников (стрелками показана миграция припоя):

Нежелательная разводка, которая может привести к повороту SMD-компонента при пайке (стрелками показана миграция припоя):

Диаметры сверл и переходные отверстия. Насколько это возможно, снизьте ассортимент диаметров отверстий, используемых на печатной плате для монтажа TH-компонентов и переходов между слоями. Постарайтесь минимизировать количество сквозных и слепых переходных отверстий для разводки сигнальных проводников (это не касается отверстий, предназначенных для соединения накоротко заливок медью шин земли и питания). По возможности совсем исключите из дизайна слепые переходные отверстия. Это повысит технологичность, надежность платы, её пригодность для ремонта и тестирования.

Зазоры. При разводке необходимо оставлять достаточно места между проводниками различных цепей (зазор, clearance). Почему? Если Вы слишком близко проложите проводники, то повышается риск коротких замыканий между дорожками, образующихся в процессе производства платы. Помните, что процесс производства PCB не на 100% точен, поэтому всегда необходимо для безопасности выдерживать зазор минимум от 7 до 10 mil между соседними дорожками и контактными площадками для пайки деталей.

Особенно важны зазоры между проводником и контактными площадками для пайки. Минимальный допустимый зазор, как и толщина проводников, в общем случае определяется классом точности печатной платы [8], однако хорошей рекомендацией будет не допускать зазоры между контактными площадками и между контактными площадками и токопроводящим рисунком других цепей меньше 7 mil, лучше всего делать зазоры 10 mil. Слишком маленькие зазоры повышают риск возникновения коротких замыканий из-за мостиков припоя и ошибок в производстве самой печатной платы. Также зазоры нужно увеличивать, если проводник находится под высоким напряжением относительно других цепей.

При разводке проводников включите привязку к координатной сетке (snap-to-grid). Шаг координатной сетки 50 mil будет хорошим начальным выбором. Снижение шага до 25 mil может помочь в работе по разводке более плотной платы. Выключение привязки к координатной сетке (или включение очень мелкого шага) может понадобится при подключении проводников к выводам компонентов, которые используют необычный шаг выводов.

Общей практикой является ограничение направлений разводки горизонтальными, вертикальными проводниками, и проводниками под 45 градусов. При прокладке тонких проводников избегайте острых углов при поворотах трассы. Проблема здесь состоит в том, что внешний угол может быть вытравлен сильнее, в результате чего в этом месте проводник получится слишком тонким. Для резких поворотов проводника используйте скругление углов сегментами, направленными под 45 градусов.

Монтажные отверстия. Не забывайте оставлять достаточный интервал между монтажным отверстием и токопроводящим рисунком, чтобы металлическая стойка, винт или шайба не вызвали нежелательного замыкания. Помните, что паяльная маска не может служить хорошим изолятором — она слишком тонкая, и легко разрушается от механического воздействия.

[5. Борьба с нагревом]

Сталкивались ли Вы с ситуациями, когда из-за повышенной температуры ухудшалась работа схемы или даже она вовсе выходила из строя? Эта проблема часто возникает, если не уделить достаточно внимания рассеиваемой компонентами мощности и охлаждению. Ниже приведено несколько советов, помогающих избежать проблем с перегревом и пайкой.

Идентифицируйте проблемные компоненты. Сначала нужно определить, какие компоненты на плате будут больше всего нагреваться. В этом может помочь изучение даташита на компонент и проверка его реальных условий работы в схеме. Обращайте внимание на термосопротивление корпуса (параметр Thermal Resistance) и рекомендации по монтажу и использованию компонента. Конечно, при необходимости должны быть добавлены радиаторы и вентиляторы, чтобы снизить температуру компонента. Также нужно стараться удалить сильно нагревающиеся компоненты от других нагревающихся компонентов и деталей, чувствительных к нагреву (например, от электролитических конденсаторов).

Добавление термобарьера. Термобарьер для пайки (Thermal Relief) — очень полезная технология, улучшающая технологичность платы для процесса её монтажа. Особенно это критично для плат, которые паяются в массовом производстве методом «волна припоя» (wave soldering) и для сборки сложных многослойных плат. Без наличия термобарьера на штыревых выводах компонентов, подключенных к заливке земли (и даже иногда для пайки SMD-компонентов на заливку меди) трудно контролировать температуру припоя в месте пайки. Термобарьер помогает качественной пайке, припой хорошо растечется по всему металлизированному отверстию или месту пайки, что уменьшает риск образование «ложной» пайки.

Общая рекомендация — всегда используйте термобарьер для любого сквозного отверстия, предназначенного для пайки. Также это касается и массивных точек пайки SMD-компонентов, когда они находятся на заливках меди. Исключением из этого правила могут быть случаи, когда такая заливка специально предназначена для охлаждения компонента, но в таком случае должны быть предусмотрены специальные условия для пайки (например, нижний подогрев платы). Типичный термобарьер для места пайки штыревого вывода:

В дополнение термобарьерам применяйте скругления металлом к площадке пайки (teardrops) в тех местах, где проводник, покрытый маской, соединяется с местом пайки, свободным от маски. Это поможет снизить механический и термальный стресс, наносимый проводникам при пайке, будет меньше риск их повреждения и расслоения.

[6. Пользуйтесь автороутером!]

Многие разработчики слепо верят, что автоматический трассировщик мало чем может помочь в разводке. Основная аргументация такого подхода — программный автомат никогда не сможет лучше человека учесть все нюансы разработки. Но это ошибка! Если правильно составить стратегию разводки и соответствующим образом выбрать ограничения дизайна, то автороутер может сэкономить Вам много времени, избавив от монотонной работы [6]. Конечно, автороутер не может выполнить за Вас почти всю работу (за исключением совсем простых проектов). Ваша задача корректировать его поведение и вручную разводить проблемные и особо ответственные цепи, чередуя итерации автоматической и ручной разводки.

Также не стоит впадать в другую крайность и считать, что автороутер может решить все Ваши проблемы. Автотрассировщики, сколь хороши они ни были, никогда не заменят целиком трассировку саму по себе, и должны использоваться только по нескольким причинам, включая следующие:

Размещение компонентов. Автороутер может помочь приблизительно оценить, насколько оптимально расположены компоненты на печатной плате. Вы можете попробовать использовать автороутер после того, как разместите все свои компоненты, чтобы результат разводки автороутера показал, насколько качественную разводку при таком размещении можно получить. Если автороутер развел меньше 85%, то этот может означать, что требуется более тщательно подобрать места для расположения деталей на плате.

Узкие места трассировки. Также можно использовать автороутер для выявления проблемных мест и других критических точек соединений, которые сразу не видны в процессе размещения компонентов.

Подсказка. И наконец, автороутер можно использовать как источник новых идей в поиске пути трассировки некоторых соединений. Быстрый запуск автотрассировщика может показать новый путь для разводки, который Вы ранее не рассматривали.

Помимо этих причин не рекомендуется полностью полагаться на результат автоматической разводки. Почему? Скорее всего автоматическая разводка не будет достаточно точна, и особенно если Вы любите красивую/симметричную разводку, то автороутер наверняка разочарует. И что более важно — ручная трассировка (при условии наличии достаточного опыта) позволит наиболее качественно выполнить все соединения. Трассировка — кропотливый процесс, требующий терпения и любви к своей работе, чтобы можно получить желаемые результаты. ИМХО самый оптимальный вариант — комбинировать итерации ручной разводки и запуска автороутера, чтобы максимально ускорить получение удовлетворительного результата.

[7. Используйте переходные отверстия для отвода тепла]

Последний совет касается того, как можно использовать переходные отверстия (via). Они не только могут предоставить соединение между слоями платы, но также дополнительный способ теплоотвода.

Это становится особенно удобно, если у применяемого мощного компонента есть специальная контактная площадка для отвода тепла (die), предназначенная для пайки на площадку фольги. Если Вы сделаете на этой контактной площадке несколько переходных отверстий до полигона на обратной стороне платы, то тепло будет лучше рассеиваться, и система будет работать надежнее.

[8. Тщательно проверяйте свою работу]

Всегда рекомендуется воспользоваться инструментами автоматической проверки, чтобы не быть озадаченным проблемами, возникающими в процессе производства, сборки и тестирования. К таким инструментам относятся проверка электрических правил (Electrical Rules Check, ERC) и проверка правил разводки (Design Rules Check, DRC), они проверяют, удовлетворяет ли дизайн установленным ограничениям. Эти две системы контроля позволяют просто управлять зазорами, шириной проводников, общими шагами производства, требованиями к высокоскоростным цепям.

Когда тесты ERC и DRC [3, 4] покажут отсутствие ошибок, рекомендуется на всякий случай проверить трассировку каждого сигнала, чтобы убедиться в том, что ничего не упустили. Собственно для этой цели и выполняется рисование принципиальной схемы в таких системах разработки плат, как Altium Designer и других подобных. Если принципиальная схема создана правильно то наверняка и печатная плата не будет содержать грубых ошибок после успешного прохождения тестов ERC и DRC.

Убедитесь, что печатная плата содержит качественную маркировку шелкографией важных мест, и имеются специальные маркеры, предназначенные для автоматизированной сборки и тестирования. Размещение шелкографии и SMD-компонентов только на верхней стороне платы не только удешевляет производство самой платы, но и еще позволяет быстрее определить верхнюю сторону платы при ручном монтаже.

Некоторые интегрированные системы разработки создают трехмерные модели готовой, смонтированной печатной платы [7]. 3D-модель еще до сборки помогает лучше разобраться в технологичности платы, позволяет бросить общий взгляд на готовое изделие и выявить недостатки, которые были незаметны на этапе разработки. Например, компоненты с металлическим корпусом (радиатор, кварцевый резонатор, батарея) могут вызвать неожиданные замыкания с токопроводящим рисунком. Трехмерная модель позволяет лучше выявить места возможных проблем.

[Ссылки]

1. Top 5 PCB Design Guidelines Every PCB Designer Needs to Know site:altium.com.
2. Trace Width Calculator site:4pcb.com.
3. Electrical Rules Check (ERC) site:altium.com.
4. Design Rules Check (DRC) site:altium.com.
5. Использование Altium Designer для разводки печатных плат.
6. Эффективная трассировка печатных плат в Eagle.
7. Eagle3D: как сделать объемную модель печатной платы.
8. Классы точности печатных плат (PCB).
9. The Top 10 PCB Routing Tips for Beginners site:autodesk.com.
10. JLCPCB Capabilities.
11. 7 правил проектирования печатных плат site:habr.com.

Как спроектировать печатную плату или другие печатные платы: основы

В мире электроники печатные платы или печатные платы являются наиболее неотъемлемой частью любого электронного устройства. На них часто не обращают внимания, поскольку они скрыты под оболочкой электронного устройства, но они действительно являются основой любого устройства, электронных гаджетов и устройств, которыми вы владеете. На печатной плате размещаются все электронные компоненты устройства, которые соединяют друг друга электронным способом для создания схемы.Он по праву спроектирован таким образом, чтобы все электрические провода и другие компоненты оставались на месте.

Если вы занимаетесь производством электроники, неудивительно, что вам интересно, как спроектировать плату печатной платы, и вы, скорее всего, захотите узнать шаги проектирования печатной платы. Несмотря на то, что вы всегда можете купить готовые печатные платы, это будет слишком дорого, особенно если вы занимаетесь небольшим электронным бизнесом. Сделать это самому — определенно лучший способ сделать это мелким производителем электроники.

Существует 3 различных способа создания печатной платы;

1. Схема вручную
2. Утюг на глянцевой бумаге
3. Метод лазерной резки

Метод лазерной резки — это лучшая технология, используемая в отрасли при создании конструкций печатных плат. Для этого требуется лазерное оборудование, которое слишком дорого для малого и даже среднего бизнеса. В этой вики-статье давайте сосредоточимся на двух других методах создания печатной платы: схема вручную и утюг на глянцевой бумаге.

Если вы хотите получить полное представление о том, как работает конструкция печатной платы, мы рекомендуем онлайн-курсы от Udemy и Fedevel.

---

Пошаговый процесс проектирования печатной платы

Прежде всего, вам нужно составить принципиальную схему вашей схемы, прежде чем думать о ее установке на печатную плату. К счастью, уже существует много бесплатного программного обеспечения, которое может позаботиться о дизайне компоновки печатной платы.Некоторые из них являются платными пакетами, которые могут дать подробный обзор дизайна компоновки печатной платы, и от вас зависит, выберете ли вы бесплатные или платные.

После того, как макет печатной платы готов, вы должны закрепить материалы, необходимые в соответствии с рекомендациями по проектированию печатной платы. Вот необходимые вам материалы;

• Медная пластина
• Раствор для травления
• Глянцевая бумага
• Маркер черный
• Резак
• Наждачная бумага
• Бумага кухонная
• Вата
• Стальная вата

В этом примере о том, как спроектировать печатную плату, давайте рассмотрим создание конструкции печатной платы для простого устройства с сенсорным переключателем с использованием IC555.

1. Получите распечатку макета вашей печатной платы.

Распечатайте макет печатной платы на глянцевой бумаге и убедитесь, что печать находится на глянцевой стороне бумаги. Выберите вывод в черном цвете как на макете печатной платы, так и в настройках принтера.

2. Вырежьте медную пластину для печатной платы.

Отрежьте медную пластину в соответствии с размером вашей печатной платы. Чем меньше пластина, тем лучше для общего результата, поскольку мы хотим, чтобы вещи были маленькими и минимальными, но в то же время просторными, чтобы сохранить все электрические компоненты.

Протрите медную сторону печатной платы стальной ватой, чтобы удалить оксидный слой меди вместе с поверхностью фоторезиста. Гладкая поверхность позволяет изображению с распечатки лучше держаться.

3. Перенести распечатку на медную пластину.

Перенесите распечатку, положив ее на медную поверхность печатной платы и убедитесь, что плата правильно выровнена по краям. При необходимости прикрепите распечатку к доске, чтобы она держалась в нужном положении.

Для следующего шага, вот где это становится улицей с двусторонним движением, поскольку в игру вступят два разных метода проектирования печатной платы, упомянутые выше.

а. Схема вручную

Обращаясь к схеме, нарисуйте карандашом расположение печатной платы на медной пластине. Как только вы будете удовлетворены своим эскизом, повторите его с помощью перманентного черного маркера.

г. Утюг на глянцевой бумаге

Это другой метод, при котором вы гладите печатную глянцевую бумагу вниз к медной стороне пластины. Просто положите глянцевую бумагу поверх медной пластины обратной стороной глянцевой бумаги на поверхность.Используйте плоскогубцы, чтобы удерживать глянцевую бумагу и медную пластину на месте, затем положите утюг на противоположный конец на 8-10 секунд. Повторите процесс для других поверхностей и просто двигайте плоскогубцами рукой, чтобы удерживать их на месте.

После того, как вы покроете всю поверхность глянцевой бумаги, прогладьте глянцевую бумагу по всем краям с небольшим давлением в течение 10–15 минут. В процессе глажки чернила переносятся на медную пластину из-за тепла. Остерегайтесь горячей поверхности медной пластины из-за горячего железа.

После глажки опустите медную пластину в теплую воду на 10 минут. Бумага сразу же растворится, и вам будет проще ее снять. Тем не менее, бывают случаи, когда чернила теряют сознание после отслоения, но вы можете легко решить эту проблему, проведя все заново черным маркером.

4. Протравите пластину.

Это, пожалуй, самый важный этап изготовления печатной платы: процесс травления. Вы должны быть очень осторожны во время этого процесса, сначала надев гигиенические перчатки для защиты.Положите немного бумаги на нижний край, чтобы раствор для травления не оставил следов на полу. Тем временем наполните пластиковую коробку водой и растворите в ней 2-3 чайные ложки раствора для травления, обычно хлорида железа.

Погрузите плату в раствор и оставьте на полчаса. Раствор для травления вступает в реакцию с медными поверхностями, удаляя с печатной платы медь без следов на ней. Если он не протравлен должным образом, снова оставьте доску в растворе еще на несколько минут.Выньте бесполезную медь плоскогубцами.

5. Очистка и последние штрихи для печатной платы.

Раствор для травления очень токсичен, и его необходимо утилизировать надлежащим образом. Не сливайте его просто в раковину, так как это может повредить трубопровод. Вместо этого разбавьте раствор большим количеством воды и выбросьте его где-нибудь за пределами дома.

Чтобы удалить оставшиеся чернила на печатной плате, нанесите несколько капель растворителя на кусок хлопка. Просто протрите им поверхность, затем тщательно промойте водой и вытрите насухо тканью или кухонной бумагой.Обрежьте доску до желаемого размера, затем разгладьте края наждачной бумагой.

На последнем этапе просверлите отверстия в конструкции печатной платы с помощью сверлильного станка для печатных плат. Используйте паяльник, чтобы прикрепить все свои крутые компоненты к плате. Если вам нужен традиционный дизайн печатной платы зеленого цвета, нанесите стойкую к пайке краску поверх некоторого лака для печатной платы.

Тщательно следуйте этим рекомендациям по проектированию печатных плат, и теперь у вас есть недорогая печатная плата или печатная плата своими руками.Корпус для печатной платы обычно делается, начиная с трехмерного проектирования и продолжая производством пластмасс.

Как разработать печатную плату, печатную плату »Электроника

При проектировании базовых плат печатных плат необходимо знать, как выполнить несколько ключевых этапов для создания наилучшего дизайна печатной платы для конкретного приложения.

---

Конструкция печатной платы Включает:
Основы конструирования печатной платы Схема захвата и рисования Компоновка / разводка печатной платы Рекомендации по проектированию печатных плат Целостность сигнала печатной платы

---

Зная, как спроектировать печатную плату, печатная плата является ключевым элементом любого процесса проектирования электронных схем.

Компоновка и конструкция печатной платы имеют большое влияние на способ работы схемы, и поэтому, если печатная плата спроектирована эффективным образом, схема будет работать более надежно и в пределах своих технических характеристик.

Типовая сложная конструкция печатной платы

Оборудование для проектирования печатной платы

Для программ коммерческой разработки могут быть доступны САПР, пакеты автоматизированного проектирования, которые необходимы в результате сложности.

Даже для студентов и любителей есть много очень хороших пакетов, которые можно получить бесплатно по умеренной цене.

Старый процесс проектирования печатной платы с использованием ленты, помещенной на лист чертежа-эталона, давно ушел, хотя возможно, что это все еще может быть выполнено в ряде очень ограниченных случаев.

Возможности программного обеспечения печатной платы значительно различаются. Бюджетное или даже бесплатное программное обеспечение обеспечивает основные функции, тогда как пакеты высшего уровня позволяют включить в дизайн гораздо больше возможностей. Доступны симуляции, сложная маршрутизация и многие другие возможности.

Возможность проводить моделирование становится все более требовательной по мере увеличения скорости цифровых плат, а радиочастотные конструкции достигают все более высоких частот.

Схема захвата

Первым этапом разработки дизайна печатной платы является создание схемы для схемы. Этого можно добиться разными способами. Схемы могут быть введены в средство схематического захвата. Это может быть частью набора для проектирования печатных плат или может быть внешним пакетом, выходные данные которого можно экспортировать в подходящем формате.

В дополнение к чисто схематическому захвату, на этом этапе может быть выполнено моделирование схемы.Некоторые пакеты могут иметь возможность взаимодействовать с пакетами моделирования. Для таких приложений, как моделирование конструкции ВЧ-схемы, можно будет оптимизировать окончательную схему без создания прототипа.

После завершения захвата схемы электронный дизайн схемы содержится в файле и может быть преобразован в так называемый «список соединений». Список соединений — это информация о взаимосвязях, и это, по сути, выводы компонентов и узлы схемы, или цепи, к которым подключается каждый вывод.

Дизайн печатной платы с указанием компонентов и дорожек

Первоначальное размещение компонентов на печатной плате

Прежде чем приступить к детальному проектированию и компоновке печатной платы, необходимо получить приблизительное представление о том, где будут расположены компоненты и достаточно ли на плате места для размещения всех необходимых схем. Это позволит принять решение о количестве слоев, необходимых на плате, а также о том, достаточно ли места для размещения всех схем, которые могут потребоваться.

После того, как была сделана приблизительная оценка пространства и примерного расположения компонентов, можно сделать более подробную компоновку компонентов для проекта печатной платы.Это может учитывать такие аспекты, как близость устройств, которым может потребоваться связь друг с другом, и другую информацию, относящуюся, например, к любым соображениям RF.

Для того, чтобы компоненты могли быть включены в конструкцию печатной платы, они должны иметь всю соответствующую информацию, связанную с ними. Это будет включать площадь основания для контактных площадок печатной платы, любую информацию о сверлении, запрещенные зоны и т.п. Обычно несколько устройств могут иметь одну и ту же посадочную площадь, поэтому эту информацию не нужно вводить для каждого номера детали компонента.Однако библиотека для всех используемых устройств будет создана в системе проектирования компоновки печатных плат. Таким образом можно легко вызвать компоненты, которые использовались ранее.

Маршрут

После того, как базовое размещение завершено, следующим этапом проектирования печатной платы является разводка соединений между всеми компонентами. Затем программное обеспечение печатной платы направляет физические соединения на плате в соответствии со списком соединений на схеме. Для этого он будет использовать количество слоев, доступных для соединений, при необходимости создавая сквозные отверстия.Часто один слой выделяется для использования в качестве заземляющего слоя, а другой — для использования в качестве слоя питания. Это не только снижает уровень шума, но и позволяет подключать источник питания с низким сопротивлением.

Маршрутизация может использовать значительную вычислительную мощность. Это особенно верно для больших проектов, где может быть от трех до четырех тысяч компонентов. Если маршрутизация затруднена из-за высокой плотности компонентов, это может привести к тому, что маршрутизация займет значительное количество времени.

Файлы печатной платы: файлы Gerber и т. Д.

Информация для фото-схем разводки печатной платы выводится в виде файлов Gerber. Этот формат является стандартом для файлов печатных плат и представляет собой форму файла с числовым программным управлением, используемого фотоплоттером. В дополнение к файлам Gerber, также создается информация о сверлении, а также информация о снимках экрана и фоторезисте.

Одним из основных элементов стоимости печатной платы является сверление. В любой конструкции требуются отверстия для крепления, а также отверстия для любых необходимых компонентов.Однако для снижения затрат разумно использовать отверстия как можно меньшего размера. Таким образом, сверло нужно будет реже менять, а время сокращается.

После завершения информация о печатной плате будет использоваться во многих областях производственного процесса. Он будет использоваться не только для изготовления самой печатной платы, но и файлы также будут использоваться в других областях производственного процесса. Их можно использовать для разработки программы выбора и размещения, и в дополнение к этому файлы могут использоваться при производстве паяльной маски для печатной платы для добавления паяльной пасты на плату перед размещением компонентов.Файлы также могут быть использованы для разработки различных форм тестовых программ, таких как «внутрисхемный тест» (ICT), и, в частности, при разработке любого приспособления для тестирования гвоздей. Таким образом, конструкция печатной платы является важным элементом всего производственного процесса любого продукта. Дизайн печатной платы — это больше, чем просто дизайн базовой платы.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Создайте свою собственную печатную плату

Видеоурок по печатной плате

Райан Винтерс, менеджер по продукту,
Макетные платы

без пайки отлично подходят для создания и тестирования схем, поскольку они многоразовые и не требуют пайки. Дизайнеры смогут легко создавать временные прототипы и экспериментировать с схемотехникой. Двигаясь вперед на следующем этапе проектирования, дизайнеры используют макетные платы, на которых соединения припаяны на место, создавая прочное и более постоянное соединение.

Однако, если вам нужно реальное подтверждение концепции или качественный внешний вид, вам нужно разработать свою собственную печатную плату (PCB). Спроектировать собственную печатную плату проще и дешевле, чем вы думаете. Некоторые основные преимущества использования печатных плат заключаются в том, что их легче производить массово, и вы получаете единообразие. Не только это, но и плотность компонентов и схем может быть значительно увеличена. И, лично, мне нравится иметь возможность добавлять свой собственный логотип в свой дизайн.

Есть и другие преимущества.Вы можете провести трассировки сигналов намного ближе друг к другу и по всей плате, что было бы очень сложно на макетной плате. Трассы сигнала станут более надежными, и вы сможете добавить полезные функции, такие как заливка меди для создания заземляющего слоя или уменьшения помех вокруг компонентов. Готовая печатная плата также придает вашему проекту некоторое доверие — гораздо приятнее представить готовую и аккуратную печатную плату, чем крысиное гнездо перемычек.

Существует множество программ для создания схем и печатных плат, но та, которую я собираюсь продемонстрировать в этом видеоуроке, называется PCB Creator.Он предоставляется бесплатно нашим местным партнером по производству печатных плат, Bay Area Circuits.

Для начала я создал схему и преобразовал ее в компоновку печатной платы. Встроенная программа проверки ошибок сравнит их и укажет, где я мог пропустить соединение, что, избегая ошибок, может сэкономить время и деньги. Еще одна приятная особенность — это 3D-превью печатной платы. Некоторое программное обеспечение даже включает в себя 3D-компоненты, поэтому вы можете полностью визуализировать свою печатную плату на экране компьютера.

В конце этапа проектирования программное обеспечение позволяет экспортировать файлы в формате Gerber, который понадобится производителю печатных плат для создания печатной платы. Bay Area Circuits также предлагает инструмент, который они называют InstantDFM (проектирование на технологичность), который проверяет вашу конструкцию на соответствие правилам и допускам, которые они установили для своего оборудования. Он может сказать вам, если сигнальные линии расположены слишком близко или вы забыли включить файл сверления. Все эти инструменты могут помочь вам сделать хорошую печатную плату с первого раза.

---

Райан Винтерс — менеджер по продукции в Jameco Electronics, уроженец Bay Area, California . Он в основном самоучка, а его хобби — работа над автомобилями и компьютерами, возня с электронными гаджетами и эксперименты с робототехникой.

7 советов по разработке печатной платы для начинающих | Ардуино

Кроме того, вы будете знать сопротивление, падение напряжения и потери мощности на трассе.

Таким образом, из этого приложения вы сможете определять ширину и другие свойства дорожек вашего проекта с хорошей безопасностью.

4 — Автоматический маршрутизатор и автоматическое размещение в дизайне печатной платы

Это два инструмента, которые широко используются многими новичками: автоматический маршрутизатор и автоматическое размещение. Однако будьте очень осторожны. Использовать их в своих проектах не очень удобно.

Автоматическая маршрутизация — это процесс, в котором программное обеспечение направляет все треки за вас.

В некоторых программах есть автоматический роутер, однако в процессе использования мы заметили большой беспорядок на дорожках при применении этого инструмента. Несмотря на то, что программа имеет отличную систему маршрутизации следа, мы поняли, что использовать ее для этого рискованно.

Помимо того, что это рискованно, многие разработчики не рекомендуют и не используют его, поскольку само программное обеспечение не понимает рабочих характеристик, уровней сигналов, технических характеристик электронных компонентов и других характеристик, влияющих на организацию трасс.

Как мы знаем, некоторые трассы, по которым проходят определенные сигналы, не могут быть близкими и должны быть построены с большой осторожностью. Поэтому мы рекомендуем вам всегда выполнять процесс маршрутизации вручную. Это помогает избежать ошибок, помех и помогает улучшить конструкцию печатной платы.

Благодаря ручному процессу мы смогли проанализировать структуру каждой тропы, выполнить индивидуальную маршрутизацию на основе ее сигналов и обеспечить лучшую организацию и безопасность в структуре троп нашего проекта.

Помимо авто-роутера многие используют автоматическое размещение. Эта функция — еще одна проблема, которая может возникнуть в ваших проектах печатных плат. Не рекомендуется использовать его, потому что еще раз мы цитируем: цель размещения — автоматическая организация его компонентов, и это может вызвать серьезные проблемы.

При использовании этой функции некоторые компоненты могут столкнуться с серьезными проблемами, так как некоторые, например, рассеивают много тепла, а другие чувствительны к теплу.

Анализируя эти компоненты, их размещение не понимает и может оставить их близко друг к другу и, как следствие, вызвать повреждение чувствительных компонентов схемы. А также порождают другие проблемы дизайна.

Поэтому избегайте использования автоматического размещения и автоматического маршрутизатора. Всегда отдавайте приоритет выполнению своей работы вручную, и вы получите максимально возможный контроль над электронными компонентами и дорожками ваших проектов печатных плат.

5 — Рассеивание тепла на конструкции печатной платы

Некоторые электронные компоненты рассеивают много тепла, когда они работают в схемах. Среди этих устройств мы выделяем, например, регуляторы напряжения, резисторы и драйверы привода.

Чтобы избежать этой проблемы, мы можем использовать прямоугольные медные области под ИС, которые рассеивают высокотемпературное значение. Таким образом вы снижаете температуру и гарантируете срок службы CI. Это показано на рисунке ниже.

Как научиться проектированию печатных плат: Вам необходимо полное руководство по проектированию печатных плат

Дизайн печатных плат — это искусство и наука создания 2-мерного дизайна для электронных схем, которые могут быть изготовлены на плате.

Загрузить сейчас

Если вы так или иначе связаны с электроникой, либо любитель, либо студент инженерного факультета, либо кто-то, кто в настоящее время работает в области электроники, то почти невозможно, чтобы вы не знали о PCB Design

.

Как сказано, PCB означает печатную плату. Когда у нас есть схема на бумаге, и мы хотим ее протестировать или построить физический формат этой схемы, мы создаем печатную плату. Таким образом, печатная плата — это твердый формат схемы, нарисованной на бумаге.И чтобы спроектировать печатную плату, нам нужно правильно понимать электронную схему и ее взаимодействие. Вот почему говорится, что дизайн печатных плат — это одновременно искусство и наука. Разработчик должен учитывать множество различных параметров, но наиболее важными из них являются размер печатной платы и количество установленных на ней компонентов. Хорошая конструкция печатной платы — это та, которая может вместить больше компонентов на меньшей площади, в то же время не оставляя следов несоединения.

PCB Design или дизайн печатной платы — это процесс придания твердой формы схеме, которую мы создаем на бумаге.Обычно мы можем создать прототип любой схемы, используя макетную плату. На макетной плате вы можете очень хорошо протестировать схему, но для создания физической схемы вам необходимо спроектировать печатную плату. узнать больше о макетных платах можно здесь. Краткая форма печатной платы — это то, что мы обычно называем печатной платой. Дизайн печатных плат — это искусство и наука одновременно, потому что вам нужно знать об электронных компонентах, их текущем потоке и связанных с ними вещах, чтобы проектировать печатную плату, и вы должны быть достаточно артистичными, чтобы ваша печатная плата выглядела хорошо. Возможно, вы слышали об одержимости Стива Джобса делать вещи красивыми внутри компьютера, и это также связано с тем, как выглядит печатная плата и как гнутые дорожки на плате 🙂

Какие основные этапы проектирования печатных плат нужно знать?

Для того, чтобы разрабатывать печатные платы, важно знать несколько вещей, а именно:

• Знакомство с электронными компонентами
• Общие сведения о посадочном месте печатной платы, которое также называется пакетом
• Общие сведения о медных сторонах печатной платы, которые вы используете, односторонние или двусторонние
• Размещение компонентов, правильное размещение компонентов является наиболее важным при проектировании плат
• Маршрутизация, вам необходимо знать требования к току, протекающему от дорожек печатной платы, которые вы собираетесь спроектировать, каковы требования и какова связь между размером дорожки и максимальным током, который она позволяет течь.

Загрузить сейчас

Как устроены печатные платы?

Дизайн печатных плат в прежние времена в основном выполнялся на бумаге, где нужно было просто нарисовать рисунок на бумаге, обычно миллиметровой бумаге, чтобы получить правильное представление о размерах, а затем нанести посадочные места компонентов на бумагу, нарисовав их.Последним шагом было соединить эти компоненты, используя дорожки, нарисованные простым карандашом. Во многих академических институтах это первый этап обучения студентов дизайну печатных плат, и это к лучшему, потому что вы понимаете его основную концепцию, когда изучаете его впервые.

Изначально все узнают об односторонних печатных платах, где медь находится только на одной стороне печатной платы, и со временем обучение проектированию печатных плат становится намного более сложным, когда мы знаем о создании плотной печатной платы небольшого размера.Затем идут двухсторонние печатные платы, где с обеих сторон есть медь, поэтому разработчик может размещать компоненты, а также прокладывать дорожки с обеих сторон печатной платы. И с этого времени большинство дизайнеров переходят на использование компьютерных инструментов для проектирования печатных плат (CAD)

.

Какие популярные инструменты САПР для проектирования печатных плат?

На рынке доступно множество инструментов для проектирования печатных плат, многие из них бесплатные, многие из них — платные. И выбор инструмента для проектирования печатных плат полностью зависит от того, что лучше всего подходит для ваших требований.Я просто привожу здесь несколько имен, исходя из того, насколько они популярны и насколько они дороги, но, вне всякого сомнения, есть гораздо больше, чем этот список

1. Mentor Graphics PAD, возможно, самый дорогой инструмент для проектирования печатных плат, используемый многими компаниями, занимающимися разработкой корпоративных продуктов.
2. Proteus Design Suite , более предпочтительный из-за конструкции печатной платы и моделирования электроники, который поставляется в одном пакете
3. Altium (ранее protel) предоставляет полный пакет для проектирования с 3D-визуализацией и обзором того, как печатные платы впишутся в корпус
4. OrCAD одно из старейших программ
5. Eagle , несомненно, программное обеспечение для проектирования печатных плат Eagle можно назвать самым доминирующим и самым популярным инструментом, поскольку оно используется как отраслями промышленности, так и сообществом любителей по всему миру, а с гибкой ценой оно доступно даже для одного стартапа.
6. KiCAD один из самых популярных бесплатных инструментов для проектирования печатных плат
7. EasyEDA полностью облачное решение 100% бесплатный онлайн и мощный инструмент для проектирования печатных плат

Список можно продолжать и продолжать, и он основан только на пробах и ошибках, и вы должны выбрать подходящий вам инструмент.

Скачать сейчас

Важность изучения дизайна печатных плат

Если вы студент, изучающий инженерное дело, или кто-то, кто хочет открыть свой собственный стартап, очень важно понимать и изучать хотя бы основы проектирования печатных плат.Будучи студентом инженерного факультета, знание основ проектирования односторонних печатных плат является обязательным. Вы можете загрузить любое из вышеперечисленных программ или попробовать easyEDA прямо в облаке, не загружая программное обеспечение на свой компьютер, и сразу же начать экспериментировать с ним

Теперь мы все знаем, что большинство разработок, происходящих каждый день, происходит в области электроники, появляются новые мобильные телефоны, новые устройства IoT, а также проводится множество новых гаджетов и исследований, и все это требует дизайна продукта, который включает в себя дизайн печатной платы. как основной навык.А в эпоху Arduino и Raspberry Pi легче найти программиста или разработчика встраиваемых систем, но день ото дня стартапам становится все труднее найти хорошего дизайнера печатных плат, почему? потому что люди просто игнорируют изучение конструкций печатных плат.

Какое программное обеспечение выбрать?

Если вы студент, ищущий работу, или любитель, который хочет создавать для себя интересные забавные проекты на предстоящие выходные, изучение дизайна печатных плат путем выбора подходящего инструмента становится очень важным. Мои личные предложения — это не одна, а две рекомендации.Рекомендации основаны на очень простых параметрах

• Популярность (орел — один из самых популярных)
• Стоимость (easyEDA — безусловно, лучший полностью БЕСПЛАТНЫЙ набор для проектирования печатных плат, который я когда-либо использовал)

Выберите Eagle, если вы планируете открыть компанию в будущем или хотите разработать небольшие схемы для хобби. Это 2 конца веревки. Потому что бесплатная версия Eagle позволяет проектировать печатную плату небольшого размера, поэтому она должна подходить только для небольших схем, и в конечном итоге вы можете захотеть ее купить.

Но преимущество у eagle огромно, во-первых, это полностью мощный инструмент со всеми функциями, которые могут вам понадобиться, во-вторых, почти все проекты оборудования с открытым исходным кодом, доступные в Интернете, созданы с использованием Eagle, поэтому адаптация проще, полное руководство на орле

1. Доступна бесплатная ограниченная версия
2. Очень популярный
3. Большие пользовательские библиотеки доступны почти для каждой детали
4. Количество проектов с открытым исходным кодом, созданных в Eagle, упрощает внедрение
5. Очень небольшая кривая обучения
6. Малогабаритная установка

Для тех, кто интересуется основами проектирования печатных плат, вот мое объясненное видео, которое вызовет большинство сомнений у новичков

Скачать сейчас

Если вам удобно использовать полностью облачное программное обеспечение, в котором все ваши проекты также сохраняются в облаке, тогда easyEDA — один из лучших вариантов по многим причинам, прочтите здесь полное руководство

1. Бесплатно
2. Не требует установки, работает в облаке
3. При желании вы можете запустить его на своем локальном компьютере, но это совершенно необязательно.
4. Кривая обучения проста, я имею в виду предельно просто, наверное, 1 час
5. Библиотека запчастей, добавленных пользователями, огромная, большая, гигантская, я бы сказал 🙂

Основываясь на этих двух вещах, вы можете выбрать то, что лучше для вас, после экспериментов.

Для тех, кто интересуется основами проектирования печатных плат, вот мое объясненное видео, которое вызовет большинство сомнений у новичка

Скачать сейчас

Из чего сделана печатная плата?

Печатная плата состоит из тонкой платы, на которую нанесена медь с одной или обеих сторон платы. Плата обычно изготавливается из непроводящего материала. Доска обычно имеет толщину от 0,6 мм до 2 мм. самый популярный размер доски — 1.6 мм. Толщина нанесенной на него меди варьируется в широких пределах, но стандартная толщина составляет 35 микрон. Однако мы использовали печатные платы там, где хотели, чтобы их толщина составляла до 100 микрон. Толщина медного слоя прямо пропорциональна току, который может проводить медный слой. Когда нам нужен медный слой того же размера для пропускания большего тока, в этом случае мы выбираем увеличение толщины слоя, а не полную переработку печатных плат. На односторонней плате медь нанесена только с одной стороны. В двусторонней печатной плате медь нанесена на оба слоя платы.Голая печатная плата выглядит так.

Доска может быть изготовлена ​​из самых разных материалов. Однако полный список для справки доступен здесь. Этот материал называется подложкой. Обычно наиболее широко используемой подложкой является стекловолокно или также кодовое название FR-4. Этот прочный сердечник придает печатной плате прочность. В зависимости от требований могут быть изготовлены гибкие печатные платы. В случае гибкой печатной платы подложка сделана из жаропрочного пластика.

Слои меди могут быть разной толщины Наиболее распространенная и популярная толщина слоя меди — 35 мкм

Скачать сейчас

Подложка

Базовый материал или подложка, как правило, это стекловолокно, называемое «FR4».Этот прочный сердечник придает печатной плате жесткость и толщину. Существуют также гибкие печатные платы, изготовленные из гибкого жаропрочного пластика (каптон или аналог). Толщина платы составляет 0,8-2,6 мм, чаще всего используется плата толщиной 1,6 мм

.

Каков процесс изготовления печатных плат?

Печатная плата ручной работы

Этапы изготовления печатной платы можно кратко описать как

1. Схема захвата: Рисование принципиальной схемы требуемой печатной платы
2. Draw PCB Layout and Artwork: процесс создания компоновки компонентов ожидаемого размера и последующего соединения компонентов с помощью дорожек.Это этап рисования, который обычно выполняется на компьютере с использованием подходящего программного обеспечения.
3. DRC: после завершения проектирования нам необходимо выполнить проверку правил проектирования, чтобы увидеть, есть ли какие-либо ошибки.
4. Export Gerber: на этом этапе мы экспортируем производственные данные из программного обеспечения PCB Design. Затем эти данные отправляются производителю
.
5. Сверление: производитель сначала сверлит всю печатную плату
6. Травление: на этом этапе дизайн печатной платы рисуется на печатной плате и подвергается процессу, называемому травлением.В процессе травления нежелательная медь удаляется с помощью химической реакции с подходящим химическим веществом, таким как хлорид железа. После травления печатная плата содержит только медь, необходимую для дорожек, и вся нежелательная медь удаляется.
7. Печать: на этом этапе печатается дополнительная цветовая маска, текстовый слой и все необходимое.
8. Отгрузка: после завершения печатные платы разрезаются в зависимости от требований и отправляются заказчику.

Сделай сам и произведено

Сделай сам против готовой печатной платы Скачать сейчас

Существует существенная разница между качеством печатной платы, сделанной своими руками, и той, которая изготовлена ​​производителем печатной платы.Вы можете изготавливать собственные печатные платы для односторонних печатных плат без использования какого-либо сложного оборудования. Но то же самое невозможно для двусторонней печатной платы. Самостоятельная печатная плата изготавливается путем печати макета на лазерном принтере на фотобумаге и последующего переноса его на печатную плату с помощью горячего утюга. Травление может быть выполнено в домашних условиях, просто приготовив раствор химического вещества FECL3. Но когда дело доходит до длительного срока службы, всегда предпочтительнее, чтобы печатные платы изготавливались от известного стандартного производителя.

Печатная плата DIY выглядит так:

DIY PCB

и произведенная печатная плата выглядит так:

Изготовленная печатная плата Скачать сейчас

Паяльная маска и шелкография

Когда вы вручную изготавливаете печатные платы дома, у вас не может быть паяльной маски и шелкографии на печатной плате.Паяльная маска — это красивый красивый зеленый / красный / черный / синий цвет, который появляется на печатной плате, когда мы смотрим на нее. Шелкография — это белые границы вокруг компонентов, а этикетки компонентов также печатаются с использованием тех же белых чернил. Мы называем это шелкографией. Поскольку эти отпечатки требуют очень тонкой настройки механизма печати и самой печатной платы, сделать их дома очень сложно. Даже если у вас дома есть настройки для трафаретной печати, их все еще непросто распечатать на печатной плате.

Паяльная маска

Паяльная маска

Шелкография

Общие термины

DRC -> Проверка правил проектирования
Отверстие -> Отверстие для вставки и пайки компонента
Площадка -> Площадка для пайки компонента для поверхностного монтажа
Через -> Отверстие для соединения 2 слоев печатной платы
Дорожка -> Медная линия, соединяющая 2 части / провод цепи
Перемычка -> Провод к месту, где невозможно провести дорожку
Плоскость -> Избыточная площадь меди
Отпечаток поверхности -> Печать компонента на печатной плате

Единицы измерения на плате

Как правило, все ПО для проектирования печатных плат поддерживают несколько единиц измерения, чтобы облегчить задачу разработчикам по всему миру.Есть несколько единиц измерения, которые считаются стандартными в программном обеспечении для проектирования печатных плат. И единица называется тыс. или тыс.

.

И это хорошая практика, чтобы понять, что такое thou. Ничего, кроме одной тысячной дюйма. Так что его тоже легче запомнить.

1 th == thou == 0,001 дюйма = 0,0254 мм = 0,00254 CM
thou — самая распространенная единица измерения в инструментах для проектирования печатных плат. Однако можно использовать и мм.

Популярные размеры, предлагаемые программным обеспечением для проектирования печатных плат

• тыс.т.о.
• мм
• см
• дюймов

Загрузить сейчас

Односторонний дизайн печатной платы и двусторонний дизайн печатной платы

Когда мы создаем простую схему, обычно все компоненты размещаются на одной стороне платы, а дорожки появляются на противоположной стороне платы.Этот тип дизайна печатной платы называется односторонним дизайном печатной платы. Это наиболее распространено среди разработчиков и любителей. Самым большим преимуществом использования односторонней печатной платы является простота конструкции. Любой желающий может также разработать небольшой односторонний дизайн на бумаге. Более того, проекты с меньшим количеством компонентов могут быть разработаны с использованием PCB

.

Но недостаток односторонней печатной платы проявляется, когда мы пытаемся создать сложную схему в ограниченном формате. В этом случае односторонний дизайн печатной платы может не соответствовать ожидаемому размеру платы, и нам может потребоваться обратиться к двустороннему дизайну печатной платы

.

Преимущества одностороннего проектирования печатных плат

• Проще начать разработку
• Низкая цена
• можно сделать дома
• Быстрый возврат / срок поставки

Недостатки односторонней печатной платы

• Сложные схемы нельзя строить в одном помещении
• из-за того, что все компоненты одного размера, обычно размер платы больше.

Двусторонняя печатная плата

В двусторонней печатной плате отложения меди присутствуют с обеих сторон платы. Из-за осаждения меди с обеих сторон мы можем проектировать цепные тракты с обеих сторон платы. Это также помогает нам монтировать компоненты с обеих сторон. 2 слоя, верхний и нижний, можно соединить с помощью «через»

Via — это небольшое отверстие на печатной плате, которое тщательно покрыто металлическим покрытием. Это металлическое отверстие обеспечивает возможность соединения обоих слоев друг с другом.Означает, что если вы прокладываете дорожку по нижней меди, но теперь думаете, что некоторая часть маршрута должна идти от верхнего слоя печатной платы, тогда добавляется переходное отверстие. Переходное отверстие обеспечивает проводящий путь между верхним и нижним слоями печатной платы

.

Преимущества двусторонней конструкции печатной платы

• Сложные печатные платы могут быть сконструированы в небольшом размере / корпусе
• дает больше свободы и уменьшает человеческие усилия для создания PCB Design

Недостатки двухсторонней конструкции печатной платы

• Двусторонняя печатная плата Дизайн и производство дороже по сравнению с односторонней конструкцией
• Процесс проектирования довольно долгий
• Больше времени требуется для изготовления печатных плат

Загрузить сейчас

Монтаж на поверхность по сравнению с компонентами в сквозное отверстие

В схемотехнике электроники в основном доступны 2 типа компонентов.

• сквозное отверстие
• Накладной

Сквозное отверстие IC

Компонент со сквозным отверстием, как следует из названия, проходит через отверстие на печатной плате на другую сторону.Затем пайка выполняется с другой стороны. Обычные резисторы, конденсаторы и даже микросхемы типа 555 или операционный усилитель по умолчанию поставляются в виде пакета со сквозными отверстиями. Электронные компоненты, используемые для исследований и экспериментов, также имеют сквозное отверстие, чтобы упростить установку на макетную плату или пайку и снятие пайки компонента с печатной платы.

Устройство для поверхностного монтажа (SMD), также называемое компонентом технологии поверхностного монтажа (SMT).

Где SMD или Surface Mounted Device — это устройство, которое может быть установлено непосредственно на поверхности печатной платы.Посмотрите на картинку ниже

Сквозное отверстие против поверхностного монтажа
Загрузить сейчас

Как вы могли заметить, ИС является компонентом для поверхностного монтажа. Его можно припаять непосредственно к печатной плате, и он экономит много места, потому что он, как правило, намного меньше, чем компоненты со сквозными отверстиями. В то время как компоненты со сквозными отверстиями, показанные на рисунке ниже, представляют собой резисторы, конденсаторы и многие другие общие компоненты, которые мы используем некоторое время.

Паять компонент со сквозным отверстием очень просто и может выполняться вручную без особых усилий.Пайка компонентов SMD голыми руками может быть сложной задачей. Хотя это полностью зависит от руки пользователя, но ручная пайка не является решением для массового производства, и в этом случае печь для пайки оплавлением используется для всех типов компонентов.

Одним из самых больших преимуществ компонентов со сквозными отверстиями является то, что они обеспечивают очень прочную механическую связь с печатной платой, что делает ее более прочной.
Несмотря на то, что технология поверхностного монтажа в основном заменила монтаж в сквозных отверстиях, технология сквозных отверстий позволяет инженерам и производителям иметь дело с компонентами, которые будут подвергаться механической нагрузке в результате этого механического соединения.Например, соединители или тяжелые компоненты, такие как трансформаторы, обычно лучше подходят для монтажа в сквозные отверстия.

Изложив как можно больше информации меньшим количеством слов, пришло время начать собственное путешествие по дизайну печатных плат. Выбор программного обеспечения, производителя печатной платы и всех ее аспектов полностью зависит от вас. Помните, что вы сначала начинаете экспериментировать, а затем продолжаете совершенствовать инструменты. Продолжайте экспериментировать !!!

Скачать сейчас

Схема и компоновка печатной платы

Дизайн печатных плат

начинается со схемы.Схема конструкции печатной платы может быть описана как принципиальная схема или функциональная схема электронных схем. Символы используются для обозначения компонентов и показывают, как они электрически соединены. Это графическое представление электронной схемы создается до фактического макета схемы. Когда схема будет утверждена для обеспечения надлежащей проектной функциональности, можно начинать разводку печатной платы.

VPI Technology Group предлагает услуги по проектированию макетов печатных плат штатными разработчиками печатных плат из США, имеющими большой опыт.Они могут взять вашу схему и создать качественные макеты печатных плат. В качестве альтернативы наш инженерный персонал может создать схемы и электрические схемы на основе требований вашей системы или продукта.

Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации о наших услугах по компоновке печатных плат и дизайну печатных плат или позвоните нам по телефону 801-260-4065, чтобы начать работу над вашим следующим проектом дизайна печатной платы. VPI Technology — ваш надежный поставщик услуг по проектированию, компоновке, прототипам и изготовлению печатных плат под ключ.

Вы разрабатываете новый продукт и нуждаетесь в печатной плате?

Многие компании доверили VPI проектировать и разрабатывать свои новые электронные продукты, для которых требуется печатная плата. На основе спецификаций вашего продукта VPI может создать электрические конструкции, схемы, макеты печатных плат, прототипы, окончательные проекты и помочь вам превратить ваш новый продукт в готовый продукт на рынке. Узнайте больше о том, как мы разрабатываем новую электронику здесь.

Создание эффективной стратегии проектирования печатной платы

Составление схемы — важный шаг на ранних этапах разработки электронного продукта.Знание того, что представляют собой различные компоненты и межсоединения и как они связаны друг с другом, помогает затем создать успешную компоновку печатной платы и рабочий дизайн.

Можно создать проект печатной платы без схемы, но это не рекомендуется. Если вы думаете о схеме как о чертеже вашего дома, а о печатной плате как о конструкции дома, вы поймете, что правильное продумывание создания схемы до завершения макета печатной платы сэкономит время и деньги.

Также важно определить подходящий размер и механические требования к печатной плате, а также плотность компонентов, чтобы электронные схемы могли удобно разместиться в пределах доступной площади платы. Необходимо учитывать зазор между самыми высокими компонентами, прокладку внутренних жгутов кабелей и проводов, стратегическое расположение разъемов и, конечно же, процедуры сборки. Наше программное обеспечение для 3D-моделирования поможет смягчить проблемы, которые могут возникнуть, если эти элементы не будут тщательно продуманы и внедрены в конструкцию печатной платы.

Одна из распространенных проблем, с которыми сталкиваются инженеры-электрики, — это прохождение нормативных испытаний и сертификации, таких как FCC Part 15. Обеспечение надлежащих заземляющих поверхностей и достаточного количества слоев для вашей платы наряду с другими мерами защиты от электромагнитных помех может снизить проблемы перепроектирования и дорогостоящие производственные затраты.

Добавление контрольных точек и диагностических разъемов для проверки работоспособности вашей печатной платы также необходимо учитывать в процессе проектирования. Эти меры помогут в проверке каждой платы, сходящей с конвейера.

Команда опытных разработчиков печатных плат

Опытная команда разработчиков и инженеров печатных плат компании

VPI предоставляет ресурсы, необходимые для перехода на новый уровень вашего проекта по разработке печатных плат. Келли Вигингтон, директор нашей группы разработчиков печатных плат, имеет более чем 30-летний опыт компоновки и проектирования печатных плат. Кроме того, все члены нашей команды сертифицированы IPC, что обеспечивает высочайшее качество проектирования вашей печатной платы.

Для оценки вашего следующего проекта дизайна печатной платы заполните нашу форму макета и дизайна печатной платы, и один из наших опытных членов команды разработчиков печатных плат свяжется с вами своевременно.

Услуги по проектированию и компоновке печатных плат

Специалисты по проектированию печатных плат

VPI являются экспертами в области программного обеспечения Altium Designer и Cadence Allegro. Однако мы также поддерживаем другие устаревшие форматы (перечисленные ниже). У нас есть опыт перевода между наиболее популярными форматами данных, если это может потребоваться. Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам, чтобы обсудить, как мы можем наилучшим образом удовлетворить ваши потребности в компоновке и дизайне печатной платы.

Возможности программного обеспечения печатной платы

VPI PCB Design может завершить захват схемы и разводку печатной платы в нескольких различных форматах программного обеспечения, включая:

• Altium Designer
• Cadence OrCAD / Allegro
• Устаревший PCAD
• Eagle (преобразование Altium)

Возможности проектирования печатных плат с обширным опытом проектирования

VPI PCB Design — ведущий поставщик услуг по компоновке и дизайну печатных плат.Наши сотрудники обладают более чем 60-летним опытом в области проектирования и компоновки печатных плат, поэтому мы хорошо подготовлены к решению ваших задач по проектированию печатных плат. У нас есть опыт проектирования различных типов печатных плат, начиная от простых и заканчивая сложными.

• Жесткие и гибкие схемы
• Индивидуальная разработка схем
• Защита от электромагнитных помех
• Конструкция высокоскоростного сигнала
• Контроль дифференциального сопротивления
• Компоновка BGA с мелким шагом
• Конструкции высокого тока / напряжения
• Чувствительные аналоговые схемы
• Конструкция на технологичность
• Дизайн для проверки
• 3D моделирование

Свяжитесь с VPI Technology, чтобы получить услуги по компоновке и дизайну печатных плат.

Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации о наших современных услугах по проектированию печатных плат или запросите коммерческое предложение для получения прямой информации о ценах сегодня.VPI Technology — ваш главный ресурс, предлагающий качественные услуги по проектированию печатных плат, включая форматы проектирования печатных плат Altium и Cadence.

Создайте свою печатную плату как профессионал | ОРЕЛ

На разработку печатной платы уходит много работы, но не все части этой головоломки рассматриваются одинаково. Вы виноваты в том, что не оказали своей компоновке печатной платы той любви, которой она заслуживает? Вы, вероятно, потратите много времени на создание идеальной схемы или на выбор лучших частей, но если вы не можете воплотить все эти данные и теорию во что-то, что работает в реальном мире, тогда в чем смысл? Прежде чем вы в конечном итоге доставите себе и производителю головную боль с платой, которую нужно сделать кошмаром, обязательно следуйте приведенным ниже советам, чтобы спроектировать свою следующую печатную плату как профессионал.

Бросьте эти компоненты, как будто они горячие

Прежде чем вы нанесете один из этих горячих медных проводов, ваши компоненты должны найти свое место. Этот процесс требует, чтобы дизайнер стал мастером головоломок, нося одновременно шляпы художника и ученого. Этот баланс можно упростить с помощью следующих советов:

Держите части в одном направлении

Обязательно сориентируйте все компоненты одного типа в одном направлении. Это поможет вашему процессу пайки пройти без заминки, пока ваша плата катится через паяльную печь.Если вы разместите компоненты случайно, не удивляйтесь, если на вашей печатной плате окажется куча непаянных соединений, а ваша плата просто не работает.

Вот предпочтительная ориентация ваших верхних и нижних компонентов, которая соответствует процессу пайки печатной платы.

Соедините одинаковые детали вместе

Если вы планируете работать с компонентами поверхностного монтажа (SMT), обязательно разместите их все на одной стороне платы. Что касается компонентов со сквозным отверстием (TH), все они должны быть размещены наверху вашей платы.Почему предпочтения по размещению?

• Это позволит разместить компоненты для поверхностного монтажа за один раз с помощью механизма для захвата и установки, не требуя дополнительных действий.
• Это также поможет вам сэкономить деньги за счет сокращения времени, затрачиваемого на сборку компонентов для сквозных отверстий вручную.
• И, конечно же, это упрощает проверку и изготовление вашей платы, когда части схожего назначения находятся на одном слое.

Вот материнская плата для Xbox One — они хорошо поработали, сгруппировав все связанные компоненты вместе, чтобы упростить процесс пайки.(Источник изображения)

Взгляд на шаг вперед

При размещении компонентов всегда помните, сколько времени потребуется вашим дорожкам для соединения контактов. Разместив соответствующие части рядом друг с другом, вы можете сделать процесс маршрутизации намного проще и эффективнее, сохраняя одинаковые задания маршрутизации в одной области на вашей плате.

Здесь становится жарко

Рассеивание тепла является проблемой для любого электронного устройства, когда все ваши очень активные компоненты и следы выделяют большое количество тепла.По мере того, как корпуса становятся меньше, а печатные платы становятся более плотными, уменьшите нагрев с помощью этих советов:

Используйте дополнительную медь

Если вы планируете отвод тепла на плате, сделайте себе одолжение и поместите дополнительную медь вокруг контактных площадок для поверхностного монтажа. Это обеспечит дополнительную площадь поверхности для отвода тепла. Ознакомьтесь с техническими описаниями компонентов, чтобы найти всю необходимую информацию об использовании площади контактной площадки в качестве радиатора.

Нагрев канала с переходными отверстиями

Знаете ли вы, что переходные отверстия можно использовать для отвода тепла от одной стороны печатной платы к другой? Это может пригодиться, когда вам нужно снизить рабочую температуру компонентов, направив немного тепла на другую сторону платы.

Используйте переходные отверстия, чтобы отвести часть тепла от более крупных компонентов. (Источник изображения)

Держите эти горячие части отдельно

Многие детали выделяют серьезное тепло, включая мостовые выпрямители, диоды, полевые МОП-транзисторы, индукторы и резисторы. Вы должны держать эти компоненты вдали от других термочувствительных деталей, таких как термопары и электролитические конденсаторы. Если эти конденсаторы станут слишком горячими, они начнут терять способность удерживать заряд.

Просто интегрируйте его

Интегральные схемы (ИС)

предлагают массу расширенных функций в одном небольшом компактном корпусе. Но у них также есть свой набор проблем, у некоторых из них есть сотни контактов, которые все необходимо маршрутизировать. Вот несколько советов, которые помогут упростить размещение и маршрутизацию вашей ИС:

Дайте им немного места

Для микросхем

с тоннами контактов или любой другой микросхемы, если на то пошло, необходимо предоставить достаточно места между другими микросхемами на вашей плате для упрощения трассировки.Многие начинающие дизайнеры совершают ошибку, упаковывая свои ИС слишком близко друг к другу, не оставляя места для разводки всех необходимых контактов. Как правило, старайтесь оставлять расстояние 0,350–0,500 дюйма между каждой из ваших ИС и даже больше места для более крупных деталей.

Эта микросхема потребует серьезного места для подключения всех этих контактных площадок!

Держите их в очереди

Чтобы ваши ИС были организованы, попробуйте расположить их вверх / вниз или влево / вправо.Сделав это, вы сможете выровнять первый вывод каждой микросхемы в одном направлении, что значительно упростит вашу работу с учетом времени трассировки и проверки конструкции.

Держите все свои ИС в одной ориентации, чтобы выровнять номера контактов и упростить разводку.

Электропитание с общими рельсами

Для правильного питания ваших ИС мы рекомендуем использовать общие шины для каждого источника питания. Кроме того, обязательно используйте сплошные и широкие дорожки, чтобы позволить этой энергии легко проходить через энергоемкие ИС, и избегайте гирляндного подключения линий питания между частями, чтобы предотвратить любые проблемы с падением напряжения.

Маршрут как босс

Сигнальные дорожки — это ваш путь к соединению всех компонентов на макете вашей печатной платы. И если вы похожи на любого другого инженера, трассировка ваших сигнальных дорожек также предлагает забавную возможность для некоторого организованного артистизма. Прежде чем вы погрузитесь в разводку разводки печатной платы, запомните следующие советы:

Снимите резкость с углов

Избегайте использования острых углов 90 ° на любых дорожках сигнала. Из-за этого очень сложно поддерживать одинаковую ширину следов, особенно по мере их сужения.Вместо этого выберите изгибы под 45 °, чтобы все текло плавно.

Отличный пример того, что , а не должны делать при трассировке вашей печатной платы, держите эти следы под углом 45 градусов! (Источник изображения)

Определите ширину этих дорожек

Перед нанесением любых следов обязательно воспользуйтесь калькулятором ширины следа (спасибо, Advanced Circuits). Использование этого калькулятора поможет вам легко определить, какой толщины и ширины должны быть все ваши дорожки, исходя из ваших конкретных требований к дизайну.А если в итоге у вас появится дополнительное место на доске, используйте дорожки большей ширины, так как это не требует дополнительных затрат от производителя.

Помните, куда уходит ваше тепло

Если вы планируете спроектировать многослойную печатную плату, помните, что все дорожки на внешних слоях лучше охлаждаются, чем дорожки на внутренних слоях. Эти внутренние следы должны пройти намного дальше через слои меди и других материалов, прежде чем они смогут отвести тепло, поэтому разместите их сверху и снизу, если это возможно.

Включите, выключите

После того, как все ваши сигнальные дорожки размещены, вам все равно придется беспокоиться о том, чтобы все было включено, с вашими трассами питания и заземления. Эти шины питания будут передавать ток, необходимый для питания всей магии печатной платы, и их можно легко завершить с помощью следующих советов:

Текущая мощность имеет значение

Трассы, по которым проходит большой ток, должны быть шире, чем ваши стандартные сигнальные трассы, чтобы выдерживать более тяжелую нагрузку. Вот некоторые значения, которые могут дать представление о ширине трассы для различных токов:

Ширина следа и токи Ссылка

0.010 ″ 0,3 А 0,015 ″ 0,4 А 0,020 ″ 0,7 А 0,025 ″ 1,0 А 0,050 ″ 2,0 А 0,100 ″ 4,0 А 0,150 ″ 6,0 А

Держите подальше от шума

При прокладке любых зашумленных следов заземления держите их как можно дальше от сигналов, требующих тишины и покоя. Вы также можете разместить заземляющий слой непосредственно под дорожками зашумленного сигнала, чтобы снизить импеданс для высокоскоростных схем.

Хьюстон, у нас стартовая площадка

После того, как макет вашей печатной платы будет полностью разработан, вы готовы перейти к еще более важному этапу — обзору дизайна! На этом этапе убедитесь, что вы дважды проверили, что маршрутизация каждой сигнальной дорожки правильно подключена.