Проектирование печатной платы для начинающих: пошаговое руководство по созданию вашей первой платы

Первая плата, которую новичок отправляет, обычно возвращается с одной из трех проблем: след разъема, расположенный на полмиллиметра от ее контактных площадок, трасса питания, нагревающаяся под нагрузкой, или пакет Gerber, о котором производитель должен отправить вам электронное письмо еще до начала работы. Ничто из этого не является ошибкой схемы. Это решения по компоновке и передаче управления, принимаемые после того, как схема уже отработала на экране.

Для первого проекта надежный путь узок. Сохраняйте плату односторонней или двухслойной, размещайте каждый разъем и монтажное отверстие перед прокладкой одной дорожки, измеряйте размеры дорожек питания по текущей таблице, а не на глаз, и заканчивайте проверкой правил проектирования, которые соответствуют тому, что ваш производитель действительно может произвести. В разделах ниже объясняется, почему существует каждый из этих шагов и сколько будет стоить его пропуск.

Начните со схемы и посадочных мест, которые вы можете проверить

Схема — это не бумажная работа, которую вы завершаете до начала «настоящей» проектной работы. Именно список соединений определяет компоновку, спецификацию и сборочный чертеж, и каждое несоответствие, оставленное в нем, становится медной дорожкой, которую вам придется вырезать позже.

Проведите лишний час в библиотеке вместо верстки. Открытые репозитории и сайты дистрибьюторов полны следов, нарисованных другими пользователями, а площадка, узкая на 0,2 мм, по-прежнему выглядит убедительно на экране, но делает ручную пайку практически невозможной.

• Скопируйте рекомендуемый рисунок площадки из таблицы данных компонента, а не рисуйте свой собственный.
• Подтвердите ориентацию контакта 1 и проверьте, зеркально ли отображается деталь, когда она находится на нижней стороне.
• Убедитесь, что каждый двор не перекрывает соседние участки.
• Сопоставьте количество площадок посадочного места с символом перед импортом обоих в макет.

Если вы все еще строите мысленную модель всего процесса, стоит прочитать пошаговое руководство по основам проектирования печатных плат, выбору стека и советам по устранению неполадок, прежде чем посвятить выходные работе с инструментом компоновки.

Обычно достаточно односторонней или двухслойной платы.

В первом проекте схема почти всегда будет содержать один или два слоя, а более простую плату дешевле изготовить, ее быстрее доставить, и ее гораздо легче переделать, если что-то пойдет не так.

На односторонней плате каждая дорожка располагается на нижней медной пластине, а каждая деталь — наверху. Нет никаких металлических переходных отверстий, о которых стоит беспокоиться, и если одна дорожка должна пересечь другую, вы решаете эту проблему с помощью проводного соединения, а не перепроектирования. Вот почему так много первых проектов — таймеров, датчиков, однотранзисторных драйверов — остаются односторонними.

Обработка поверхности имеет большее значение, чем ожидают новички. OSP, органический консервант для пайки, оставляет плоскую медь, которая хорошо паяется, имеет разумный срок хранения и стоит дешевле, чем позолота. Односторонняя плата OSP — это разумный первый заказ, потому что на ней очень мало того, что неуклюжий паяльник может повредить.

Односторонняя печатная плата OSP В односторонних печатных платах OSP используется органическая паяемая пленка (OSP), которая является экологически чистой и нетоксичной. Они предлагают очень плоские подушечки, ... Посмотреть продукт →

Два слоя дают вам непрерывную плоскость заземления с одной стороны, что является самым большим улучшением шума и качества сигнала, доступным за очень небольшие деньги. Если ваша конструкция включает в себя импульсный стабилизатор, шину SPI или кристалл, начните с двух слоев.

Переходите к четырем слоям, когда этого требует маршрутизация или шум

Четыре слоя перестают быть роскошью, когда увеличивается плотность сигнала или тактовая частота. Стандартная схема, удобная для новичков, — сигнал, земля, питание, сигнал: каждая трасса получает непрерывную опорную плоскость непосредственно под ней, что устраняет большую часть догадок о обратном пути, которые мешают двухслойным схемам.

Переход от двух слоев к четырем реален, но обычно меньше, чем опасаются люди, и он позволяет получить более тихую плату с гораздо меньшим временем компоновки. Стандартная четырехслойная конструкция с зеленой паяльной маской и покрытием OSP — это то, на чем заканчиваются многие первые серьезные проекты.

4-слойная зеленая печатная плата OSP Четырехслойный double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Посмотреть продукт →

Размещайте компоненты перед тем, как что-либо трассировать

Размещение решает большую часть сложности вашей маршрутизации. Новички часто грубо размещают детали, начинают фрезеровать и только потом обнаруживают, что разъем должен двигаться.

1. Сначала разместите разъемы, переключатели, светодиоды и монтажные отверстия, поскольку корпус решает, где они будут располагаться.
2. Затем добавьте детали с механическими ограничениями: кристаллы, антенны, радиаторы и все, что имеет запретную зону.
3. Размещайте каждый развязывающий конденсатор как можно ближе к контакту питания, который он обслуживает, на той же стороне, если позволяет место.
4. Расположите оставшиеся компоненты так, чтобы соединения между ними оставались короткими, затем начните трассировку.

Оставляйте медь на расстоянии не менее 0,3 мм от контура платы, если производитель не указал иное, и помните, что кромки с V-образной насечкой или фрезерованные кромки удаляют материал после сборки. Не закапывайте контрольную точку под высокой частью и оставляйте место для измерения вокруг всего, что вам нужно будет измерить — вы сами это измерите.

Размер следов зависит от тока, а не от привычки

Ширина трассы — это прежде всего тепловое решение. След, который слишком узок для прохождения тока, нагревается, и это повышение температуры — не только ток — является тем, что в конечном итоге повреждает ламинат или паяное соединение.

Кривые IPC-2221 используются почти в каждом онлайн-калькуляторе ширины трассы, и закономерность проста: ширина растет быстрее, чем ток. Переход от 1 А к 2 А при той же толщине меди увеличивает требуемую ширину примерно в 2,6, а не в два раза. Дорожки внутреннего слоя также нагреваются сильнее, поскольку ламинат удерживает тепло, поэтому внутренняя дорожка должна быть примерно в 2,6 раза шире, чем ее эквивалент внешнего слоя.

Считайте эти цифры минимальными только для температуры. Падение напряжения, контролируемый импеданс и ток плавления — все это на большую ширину.

Когда дизайн действительно актуален, вес меди и качество поверхности становятся решениями по планировке, а не деталями покупки. Две унции меди примерно вдвое уменьшают каждую ширину таблицы, а бессвинцовую пайку, например, используемую на двусторонней бессвинцовой плате, предназначенной для силовой и автомобильной электроники, стоит указать заранее, поскольку она меняет как процесс, так и поверхность, к которой вы будете паять.

Двусторонняя зеленая бессвинцовая паяная печатная плата для силовой и автомобильной электроники Двусторонняя зеленая бессвинцовая луженая плата. Толстый металлический барьер, образованный оловянным покрытием, обладает превосходными характеристиками рассеивания тепла и способностью выдерживать ... Посмотреть продукт →

Геометрия тоже имеет значение. Прокладывайте трассу под углом 45 градусов, а не 90, сохраняйте физически небольшие размеры сильноточных контуров и прокладывайте трассировки сигналов по сплошной земле везде, где это позволяет стек.

Запустите DRC с учетом реальных ограничений производителя

Проверка правил проектирования — это не формальность, оставленная напоследок. Прежде чем приступить к работе, установите свои правила на основе опубликованных возможностей производителя, затем запустите проверку после размещения и снова после трассировки.

Многослойные фабрики могут поддерживать ширину и интервал линий 3/3 мила — 6-слойная позолоченная плата с такой геометрией является рутинным производством для многих из них — но проектирование с толщиной 6/6 мил не требует от медленной первой платы ничего с точки зрения производительности и оставляет запас на вариации травления и более дешевые цены.

Перед экспортом снимите эти проверки:

• Несвязанные и одноконтактные сети, что обычно означает, что схематический символ никогда не был подключен.
• Нарушения зазоров между дорожками, контактными площадками и медными заливками.
• Шелкография наносится на открытые площадки, что мешает паяльной пасте.
• Кольцевые кольца и размеры сверл ниже минимальных, установленных производителем.
• Перекрывающиеся или дублированные контактные площадки, которые часто остаются при редактировании посадочного места.

Затем экспортируйте Gerbers в формате RS-274X, по одному файлу на слой, а также файл сверления ЧПУ в соответствующих единицах измерения и короткую текстовую заметку с указанием количества слоев, толщины платы, веса меди, качества поверхности и любых требований к сопротивлению. Каждый вопрос, который вам задает производитель, добавляет к цене один день.

Что отправлять и что возвращается

Производство происходит быстро, если файлы верны. Стандартные сроки изготовления простой платы выглядят так:

• Односторонние и двусторонние крупные партии: от 6 до 7 дней.
• От 4 до 8 слоев: от 9 до 20 дней
• От 10 до 16 слоев: от 20 до 25 дней.
• От 16 до 32 слоев: от 25 до 45 дней.
• Советы HDI: в течение 25 дней
• Двусторонние прототипы: всего за 24 часа

Цена зависит от размера, количества слоев, веса меди, отделки, количества и того, насколько сильно вы увеличиваете допуск. Сертификаты показывают, какие рынки может обслуживать завод: ISO 9001, ISO 14001 и ISO 45001 охватывают общее управление качеством, окружающей средой и безопасностью, тогда как IATF 16949 имеет значение, когда плата попадает в транспортное средство, а UL имеет значение, когда готовая продукция продается в Северной Америке. Прочитав сервисную страницу потенциального поставщика перед тем, как заблокировать Gerbers, вы узнаете, какие допуски и отделки они используют каждый день, что более полезно, чем минимальные значения, напечатанные в таблице возможностей.

Если вы уберете одну последовательность из этой статьи, сделайте ее такой:

1. Нарисуйте схему и сверьте каждый след с таблицей данных.
2. Выберите наименьшее количество слоев, по которым передаются ваши сигналы, и добавьте плоскость заземления, как только вы перейдете к двум слоям.
3. Прежде чем что-либо прокладывать, разместите разъемы, монтажные отверстия и развязывающие конденсаторы.
4. Размер трасс питания следует выбирать из таблицы токов и делать токовые петли короткими.
5. Запустите DRC, экспортируйте RS-274X Gerbers с файлом сверления ЧПУ и отправьте пакет с письменной заметкой о стеке.

Затем закажите небольшое количество прототипов, медленно включите его и запишите, что бы вы хотели изменить. Вторая плата всегда лучше первой, и самый быстрый способ изучить проектирование печатных плат — закончить ее.