Projekt PCB dla początkujących: przewodnik krok po kroku dotyczący budowy pierwszej płytki

Pierwsza płyta wysyłana przez początkującego zwykle wraca z jednym z trzech problemów: śladem złącza oddalonym o pół milimetra od podkładek, ścieżką zasilania nagrzewającą się pod obciążeniem lub pakietem Gerber, w sprawie którego producent musi wysłać Ci e-mail, zanim praca będzie mogła się rozpocząć. Żaden z nich nie jest błędem obwodu. Są to decyzje dotyczące układu i przekazania podjęte po tym, jak schemat został już opracowany na ekranie.

W przypadku pierwszego projektu niezawodna ścieżka jest wąska. Zachowaj płytkę jednostronną lub dwuwarstwową, umieść wszystkie złącza i otwory montażowe przed poprowadzeniem pojedynczej ścieżki, zwymiaruj ścieżki mocy na podstawie bieżącej tabeli, a nie na oko, i zakończ sprawdzeniem zasad projektowania, które odpowiadają temu, co faktycznie może wyprodukować twój producent. W poniższych sekcjach wyjaśniono, dlaczego każdy z tych kroków istnieje i ile kosztuje jego pominięcie.

Zacznij od schematu i śladów, które możesz zweryfikować

Schemat nie jest papierkową robotą, którą kończysz przed rozpoczęciem „prawdziwych” prac projektowych. To lista sieci określa układ, zestawienie materiałów i rysunek złożeniowy, a wszelkie niedopasowania w niej pozostawione stają się miedzianymi śladami, które trzeba później wyciąć.

Zamiast zajmować się układem, spędź dodatkową godzinę w bibliotece. Otwarte repozytoria i witryny dystrybutorów są pełne śladów pozostawionych przez innych użytkowników, a podkładka, która jest o 0,2 mm za wąska, nadal wygląda przekonująco na ekranie, a ręczne lutowanie jest prawie niemożliwe.

• Skopiuj zalecany wzór terenu z arkusza danych komponentu, zamiast rysować własny.
• Potwierdź orientację pinu 1 i sprawdź, czy część jest odzwierciedlona, ​​gdy znajduje się na dolnej stronie.
• Sprawdź, czy każdy dziedziniec nie nakłada się na sąsiadów.
• Dopasuj liczbę padów śladu do symbolu przed zaimportowaniem obu do układu.

Jeśli nadal budujesz mentalny model całego przepływu, warto przeczytać przewodnik po podstawach projektowania PCB, możliwościach układania stosów i wskazówkach dotyczących rozwiązywania problemów, zanim poświęcisz weekend na narzędzie do projektowania.

Zwykle wystarcza płyta jednostronna lub dwuwarstwowa

W przypadku pierwszego projektu obwód prawie zawsze będzie utrzymywany na jednej lub dwóch warstwach, a prostsza płytka jest tańsza w wykonaniu, szybsza w dostawie i znacznie łatwiejsza do przerobienia, gdy coś pójdzie nie tak.

Płytka jednostronna umieszcza każdy ślad na dolnej miedzi i każdą część na górze. Nie trzeba się martwić o platerowane przelotki, a jeśli jedna ścieżka musi przecinać się z inną, rozwiązuje się to za pomocą łącza przewodowego, zamiast przeprojektowywać. Dlatego tak wiele pierwszych projektów – timery, wyłączniki czujników, sterowniki jednotranzystorowe – pozostaje jednostronnych.

Wykończenie powierzchni ma większe znaczenie, niż oczekują początkujący. OSP, organiczny środek konserwujący lutowność, pozostawia płaską miedź, która dobrze się lutuje, ma rozsądny okres trwałości i kosztuje mniej niż złocenie. Jednostronna płytka OSP to rozsądny wybór na początek, bo jest na niej bardzo mało rzeczy, które niezdarna lutownica może uszkodzić.

Jednostronna płytka PCB OSP Jednostronne płytki PCB OSP wykorzystują obróbkę powierzchniową organicznej folii lutowniczej (OSP), która jest przyjazna dla środowiska i nietoksyczna. Oferują bardzo płaskie podkładki,... Zobacz produkt →

Dwie warstwy zapewniają ciągłą płaszczyznę uziemienia po jednej stronie, co zapewnia największą poprawę szumów i jakości sygnału dostępną za bardzo niewielkie pieniądze. Jeśli Twój projekt obejmuje regulator przełączający, magistralę SPI lub kryształ, zacznij od dwóch warstw.

Przejdź na cztery warstwy, gdy wymaga tego routing lub hałas

Cztery warstwy przestają być luksusem, gdy wzrasta gęstość sygnału lub częstotliwość taktowania. Standardowy, przyjazny dla początkujących układ to sygnał, masa, moc, sygnał: każdy ślad otrzymuje ciągłą płaszczyznę odniesienia bezpośrednio pod sobą, co eliminuje większość domysłów dotyczących ścieżki powrotnej, które są plagą w układach dwuwarstwowych.

Krok z dwóch warstw do czterech jest realny, ale zwykle mniejszy, niż ludzie się obawiają, i pozwala na zakup cichszej płyty przy znacznie krótszym czasie układania. Standardowa czterowarstwowa konstrukcja z zieloną maską lutowniczą i wykończeniem OSP to miejsce, w którym kończy się wiele pierwszych poważnych projektów.

4-warstwowa zielona płytka PCB OSP Czterowarstwowy double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Zobacz produkt →

Umieść komponenty przed wyznaczeniem trasy

Umiejscowienie decyduje o większości trudności związanych z trasowaniem. Początkujący często umieszczają części z grubsza, rozpoczynają trasowanie i dopiero wtedy odkrywają, że złącze musi się poruszyć.

1. Najpierw umieść złącza, przełączniki, diody LED i otwory montażowe, ponieważ to obudowa decyduje, gdzie zostaną umieszczone.
2. Następnie dodaj części z ograniczeniami mechanicznymi: kryształy, anteny, radiatory, wszystko, co ma obszar chroniony.
3. Umieść każdy kondensator odsprzęgający jak najbliżej obsługiwanego pinu zasilania, po tej samej stronie, jeśli pozwala na to miejsce.
4. Ułóż pozostałe komponenty tak, aby połączenia między nimi były krótkie, a następnie rozpocznij układanie.

Trzymaj miedź w odległości co najmniej 0,3 mm od obrysu płytki, chyba że producent określi inaczej i pamiętaj, że krawędzie z nacięciami w kształcie litery V lub frezowane usuwają materiał po montażu. Nie zakopuj punktu pomiarowego pod wysoką częścią i pozostaw miejsce na sondę wokół wszystkiego, co będziesz musiał zmierzyć – zmierzysz to.

Ślady rozmiaru z prądu, a nie z przyzwyczajenia

Szerokość śladu jest decyzją termiczną, zanim będzie cokolwiek innego. Ścieżka, która jest zbyt wąska dla prądu, nagrzewa się, a ten wzrost temperatury – nie sam prąd – ostatecznie powoduje uszkodzenie laminatu lub złącza lutowanego.

Krzywe IPC-2221 znajdują się w prawie każdym internetowym kalkulatorze szerokości śledzenia, a wzór jest prosty: szerokość rośnie szybciej niż prąd. Przejście z 1 A na 2 A przy tej samej grubości miedzi mnoży wymaganą szerokość przez około 2,6, a nie przez dwa. Ścieżki w warstwie wewnętrznej również nagrzewają się bardziej, ponieważ laminat zatrzymuje ciepło, dlatego ścieżka wewnętrzna wymaga około 2,6 razy większej szerokości niż jej odpowiednik w warstwie zewnętrznej.

Wartości te należy traktować jako wartości minimalne wyłącznie dla temperatury. Spadek napięcia, kontrolowana impedancja i prąd utrwalania są wyższe przy wszystkich szerokościach pchania.

Kiedy projekt rzeczywiście ma prąd, waga miedzi i wykończenie powierzchni stają się decyzjami dotyczącymi układu, a nie detalami dotyczącymi zakupu. Dwie uncje miedzi zajmują mniej więcej połowę każdej szerokości stołu, a bezołowiowe lutowanie, takie jak to stosowane na dwustronnej płycie bezołowiowej przeznaczonej do zasilania i elektroniki samochodowej, warto określić już wcześniej, ponieważ zmienia to zarówno proces, jak i powierzchnię, do której będziesz lutowany.

Dwustronna, zielona, bezołowiowa, lutowana płytka drukowana do elektroniki energetycznej i samochodowej Tablica dwustronna, bezołowiowa, ocynowana w kolorze zielonym. Gruba metalowa bariera utworzona przez powłokę cynową ma doskonałe właściwości rozpraszania ciepła i zdolność radzenia sobie z... Zobacz produkt →

Geometria też ma znaczenie. Prowadź pod kątem 45 stopni, a nie 90, dbaj o to, aby pętle wysokoprądowe były fizycznie małe i prowadź ścieżki sygnałowe po nieprzerwanym podłożu, gdziekolwiek pozwala na to stos.

Uruchom DRC wbrew rzeczywistym ograniczeniom producenta

Sprawdzenie zasad projektowania nie jest formalnością zachowaną na koniec. Przed rozpoczęciem ustaw reguły na podstawie opublikowanych możliwości producenta, a następnie przeprowadź kontrolę po umieszczeniu i ponownie po trasowaniu.

Fabryki wielowarstwowe mogą utrzymywać szerokość linii i odstępy 3/3 mil — 6-warstwowa pozłacana płyta o tej geometrii jest dla wielu z nich rutynową produkcją — ale projektowanie przy 6/6 mil nie kosztuje pierwszej płytki nic pod względem wydajności i pozostawia margines w przypadku różnic w trawieniu i tańszych ofert.

Przed eksportem usuń te kontrole:

• Niepołączone i pojedyncze sieci, co zwykle oznacza, że symbol schematu nigdy nie był okablowany.
• Naruszenia luzu między ścieżkami, podkładkami i wylewami miedzi.
• Sitodruk nadrukowany na odsłoniętych podkładkach, który koliduje z pastą lutowniczą.
• Pierścienie pierścieniowe i rozmiary wierteł poniżej minimum producenta.
• Nakładające się lub zduplikowane podkładki, często pozostające po edycji śladu.

Następnie wyeksportuj pliki Gerbers w formacie RS-274X, po jednym pliku na warstwę, a także plik wierceń NC w pasujących jednostkach i krótką notatkę tekstową zawierającą listę warstw, grubość płytki, masę miedzi, wykończenie powierzchni i wszelkie wymagania dotyczące impedancji. Każde pytanie, które producent musi zadać, dodaje do wyceny jeden dzień.

Co wysłać i co wróci

Produkcja jest szybka, jeśli pliki są prawidłowe. Standardowe czasy realizacji prostej płyty wyglądają następująco:

• Jednostronne i dwustronne duże partie: 6 do 7 dni
• 4 do 8 warstw: 9 do 20 dni
• 10 do 16 warstw: 20 do 25 dni
• 16 do 32 warstw: 25 do 45 dni
• Płyty HDI: w ciągu 25 dni
• Prototypy dwustronne: już w 24 godziny

Cena zależy od rozmiaru, liczby warstw, masy miedzi, wykończenia, ilości i tego, jak mocno naciskasz na tolerancję. Certyfikaty pokazują, jakie rynki może obsługiwać fabryka: ISO 9001, ISO 14001 i ISO 45001 obejmują ogólne zarządzanie jakością, środowiskiem i bezpieczeństwem, podczas gdy IATF 16949 ma znaczenie, gdy płytka trafia do pojazdu, a UL ma znaczenie, gdy gotowy produkt jest sprzedawany w Ameryce Północnej. Czytając stronę serwisową potencjalnego dostawcy przed zablokowaniem Gerberów, dowiesz się, jakie tolerancje i wykończenia wykonują każdego dnia, co jest bardziej przydatne niż minimalne wartości wydrukowane w tabeli wydajności.

Jeśli usuniesz jedną sekwencję z tego artykułu, zrób to:

1. Narysuj schemat i sprawdź każdy ślad w arkuszu danych.
2. Wybierz najniższą liczbę warstw, która przenosi twoje sygnały i dodaj płaszczyznę uziemienia, gdy tylko przejdziesz do dwóch warstw.
3. Przed poprowadzeniem czegokolwiek umieść złącza, otwory montażowe i kondensatory odsprzęgające.
4. Rozmiar śladów mocy z tabeli prądów i utrzymuj krótkie pętle prądowe.
5. Uruchom DRC, wyeksportuj RS-274X Gerbers z plikiem ćwiczeń NC i wyślij paczkę z pisemną notatką dotyczącą stosu.

Następnie zamów niewielką ilość prototypu, powoli go włącz i zapisz, co byś zmienił. Druga płytka jest zawsze lepsza od pierwszej, a najszybszym sposobem nauczenia się projektowania płytek PCB jest ukończenie jednej.