Návrh desky plošných spojů pro začátečníky: Průvodce vytvořením první desky krok za krokem

První deska, kterou začátečník odešle, se obvykle vrátí s jedním ze tří problémů: stopa konektoru sedící půl milimetru od podložek, stopa napájení běžící při zátěži nebo balíček Gerber, o kterém vám výrobce musí poslat e-mail, než může vůbec začít práce. Žádná z nich nejsou chyby obvodu. Jsou to rozhodnutí o rozložení a předání, která byla učiněna poté, co bylo schéma již zpracováno na obrazovce.

U prvního návrhu je spolehlivá cesta úzká. Udržujte desku jednostrannou nebo dvouvrstvou, umístěte každý konektor a montážní otvor před nasměrováním jedné stopy, určete velikost napájecích tras z aktuální tabulky namísto podle oka a zakončete kontrolou pravidel návrhu, která odpovídá tomu, co váš výrobce skutečně dokáže vyrobit. Níže uvedené části vysvětlují, proč každý z těchto kroků existuje a kolik to stojí, když jej přeskočíte.

Začněte se schématem a stopami, které můžete ověřit

Schéma není papírování, které dokončíte dříve, než začne „skutečný“ návrh. Je to netlist, který řídí rozvržení, kusovník a výkres sestavy, a každý nesoulad v něm zanechaný se stane měděnou stopou, kterou budete muset později vyříznout.

Strávte hodinu navíc v knihovně místo rozvržení. Otevřená úložiště a stránky distributorů jsou plné stop nakreslených jinými uživateli a podložka, která je o 0,2 mm příliš úzká, stále vypadá na obrazovce přesvědčivě, zatímco ruční pájení je téměř nemožné.

• Zkopírujte doporučený vzor země z datového listu součásti a nekreslete svůj vlastní.
• Potvrďte orientaci kolíku 1 a zkontrolujte, zda je díl zrcadlený, když sedí na spodní straně.
• Ověřte, že každý půdorysný dvůr nepřekrývá jeho sousedy.
• Před importem obou do rozvržení srovnejte počet padů stopy se symbolem.

Pokud stále vytváříte mentální model celého toku, stojí za to si přečíst návod základů návrhu PCB, možností stohování a tipů pro odstraňování problémů, než se na víkend pustíte do nástroje pro rozvržení.

Obvykle stačí jednostranná nebo dvouvrstvá deska

U prvního projektu ponesou obvod téměř vždy jedna nebo dvě vrstvy a jednodušší deska je levnější na výrobu, rychlejší dodání a mnohem jednodušší přepracování, když se něco pokazí.

Jednostranná deska umístí každou stopu na spodní měď a každou část nahoře. Nemusíte se bát žádných pokovených prokovů, a pokud se jedna stopa musí křížit s druhou, vyřešíte to pomocí drátěného propojení namísto přepracování. To je důvod, proč tolik prvních projektů – časovače, přerušení senzorů, jednotranzistorové ovladače – zůstává jednostranných.

Na povrchové úpravě záleží více, než začátečníci očekávají. OSP, organický konzervační prostředek pro pájitelnost, zanechává plochou měď, která se dobře pájí, má přiměřenou životnost a stojí méně než pozlacení. Jednostranná deska OSP je rozumnou první objednávkou, protože je na ní velmi málo, co by nešikovná páječka mohla poškodit.

Jednostranná deska OSP PCB Jednostranné desky OSP PCB využívají povrchovou úpravu organickou pájitelností (OSP), která je šetrná k životnímu prostředí a netoxická. Nabízejí vysoce ploché podložky, maki... Zobrazit produkt →

Dvě vrstvy vám poskytnou souvislou zemní plochu na jedné straně, což je největší dostupný šum a zlepšení kvality signálu za velmi málo peněz. Pokud váš návrh obsahuje spínací regulátor, sběrnici SPI nebo krystal, začněte na dvou vrstvách.

Přesuňte se do čtyř vrstev, když to vyžaduje směrování nebo hluk

Čtyři vrstvy přestanou být luxusem, když se zvýší hustota signálu nebo frekvence hodin. Standardní uspořádání vhodné pro začátečníky je signál, zem, napájení, signál: každá stopa má přímo pod sebou souvislou referenční rovinu, což odstraňuje většinu dohadů zpětné cesty, které sužují dvouvrstvá uspořádání.

Krok ze dvou vrstev na čtyři je skutečný, ale obvykle menší, než se lidé obávají, a kupuje tišší desku s mnohem kratší dobou rozvržení. Standardní čtyřvrstvá konstrukce se zelenou pájecí maskou a povrchovou úpravou OSP je místem, kde mnoho prvních seriózních návrhů končí.

4 vrstvy zelené OSP PCB Čtyřvrstvý double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Zobrazit produkt →

Umístěte komponenty předtím, než cokoli nasměrujete

Umístění rozhoduje o většině obtížnosti vašeho směrování. Začátečníci často umístí díly nahrubo, začnou směrovat a teprve potom zjistí, že se konektor musí posunout.

1. Konektory, spínače, LED diody a montážní otvory umístěte jako první, protože o jejich umístění rozhoduje skříň.
2. Dále přidejte části s mechanickými omezeními: krystaly, antény, chladiče, cokoli, co má zadržovací oblast.
3. Umístěte každý oddělovací kondenzátor co nejblíže k napájecímu kolíku, kterému slouží, na stejnou stranu, pokud to prostor dovolí.
4. Uspořádejte zbývající součásti tak, aby spojení mezi nimi zůstala krátká, a poté začněte směrovat.

Udržujte měď alespoň 0,3 mm od obrysu desky, pokud výrobce nestanoví jinak, a pamatujte, že hrany s drážkou ve tvaru V nebo frézované hrany odstraňují materiál po sestavení. Nezakopávejte testovací bod pod vysokou část a ponechejte prostor pro sondování kolem čehokoli, co budete potřebovat změřit – změříte to.

Stopy velikosti z proudu, ne ze zvyku

Šířka stopy je tepelným rozhodnutím, než čímkoli jiným. Stopa, která je příliš úzká pro svůj proud, se zahřívá a tento nárůst teploty – nikoli samotný proud – je to, co nakonec poškodí laminát nebo pájený spoj.

Křivky IPC-2221 jsou umístěny téměř za každým online kalkulátorem šířky stopy a vzorec je jednoduchý: šířka roste rychleji než aktuální. Přesun z 1 A na 2 A na stejné tloušťce mědi vynásobí požadovanou šířku zhruba 2,6, nikoli dvěma. Stopy na vnitřní vrstvě jsou také teplejší, protože laminát zachycuje teplo, takže vnitřní stopa potřebuje asi 2,6násobek šířky ekvivalentu vnější vrstvy.

Považujte tyto údaje za minimální pouze pro teplotu. Pokles napětí, řízená impedance a tavný proud jsou všechny šířky tlaku vyšší.

Když design skutečně nese proud, hmotnost mědi a povrchová úprava se stávají rozhodnutími o uspořádání spíše než nákupem detailů. Dvě unce mědi zhruba polovinu každé šířky v tabulce a bezolovnatý pájený povrch, jako je ten, který se používá na oboustranné bezolovnaté desce vyrobené pro výkonovou a automobilovou elektroniku, stojí za to specifikovat brzy, protože mění jak proces, tak povrch, na který budete pájet.

Oboustranná zelená bezolovnatá pájená deska plošných spojů pro výkonovou a automobilovou elektroniku Oboustranná zelená bezolovnatá pocínovaná deska. Silná kovová bariéra tvořená cínovým povlakem má vynikající odvod tepla a schopnost manipulovat s... Zobrazit produkt →

Na geometrii také záleží. Směrujte pod úhlem 45 stupňů spíše než 90, udržujte vysokoproudé smyčky fyzicky malé a spouštějte stopy signálu po nepřerušené zemi, kdekoli to stohování umožňuje.

Spusťte DRC proti skutečným limitům zpracovatele

Kontrola pravidel návrhu není formalita, která by se dala na konec. Před zahájením nastavte svá pravidla z publikované schopnosti výrobce, poté spusťte kontrolu po umístění a znovu po směrování.

Vícevrstvé továrny mohou pojmout šířku čáry a rozestupy 3/3 mil – šestivrstvá pozlacená deska s touto geometrií je pro mnohé z nich rutinní výrobou – ale návrh na 6/6 mil nestojí pomalou první desku nic na výkonu a ponechává rezervu proti variacím leptání a levnějším cenám.

Před exportem zrušte tyto kontroly:

• Nezapojené sítě a sítě s jednou podložkou, což obvykle znamená, že schematický symbol nebyl nikdy zapojen.
• Porušení vůle mezi stopami, polštářky a měděnými litinami.
• Sítotisk potištěný přes exponované polštářky, které narušují pájecí pastu.
• Mezikruží a velikosti vrtáků pod minimem výrobce.
• Překrývající se nebo duplicitní podložky, které často zůstávají při úpravě stopy.

Poté exportujte Gerbery ve formátu RS-274X, jeden soubor na vrstvu, plus soubor NC vrtáku v odpovídajících jednotkách a krátkou textovou poznámku s počtem vrstev, tloušťkou desky, hmotností mědi, povrchovou úpravou a požadavky na impedanci. Každá otázka, kterou vám výrobce položí, přidá den do nabídky.

Co poslat a co se vrátí

Výroba je rychlá, jakmile jsou soubory správné. Standardní dodací lhůty pro přímou desku vypadají takto:

• Jednostranné a oboustranné velké šarže: 6 až 7 dní
• 4 až 8 vrstev: 9 až 20 dní
• 10 až 16 vrstev: 20 až 25 dní
• 16 až 32 vrstev: 25 až 45 dní
• HDI desky: do 25 dnů
• Oboustranné prototypy: již za 24 hodin

Cena je řízena velikostí, počtem vrstev, hmotností mědi, povrchovou úpravou, množstvím a tím, jak moc tlačíte na toleranci. Certifikace ukazují, na jakých trzích může továrna sloužit: ISO 9001, ISO 14001 a ISO 45001 pokrývají obecné řízení kvality, ochrany životního prostředí a bezpečnosti, zatímco IATF 16949 záleží na tom, když deska skončí ve vozidle, a na UL, když se hotový výrobek prodává v Severní Americe. Když si přečtete servisní stránku potenciálního dodavatele, než zamknete Gerbery, zjistíte, jaké tolerance a povrchové úpravy provádějí každý den, což je užitečnější než minima vytištěná v tabulce schopností.

Pokud z tohoto článku odeberete jednu sekvenci, udělejte z ní tuto:

1. Nakreslete schéma a ověřte každou stopu podle datového listu.
2. Vyberte nejnižší počet vrstev, které přenášejí vaše signály, a jakmile přejdete do dvou vrstev, přidejte základní rovinu.
3. Před směrováním čehokoli umístěte konektory, montážní otvory a oddělovací kondenzátory.
4. Dimenzujte výkonové křivky z aktuální tabulky a udržujte proudové smyčky krátké.
5. Spusťte DRC, exportujte RS-274X Gerbers pomocí NC vrtacího souboru a odešlete balíček s písemnou poznámkou o stohování.

Pak si objednejte malé množství prototypu, pomalu jej zapněte a zapište si, co byste změnili. Druhá deska je vždy lepší než první a nejrychlejší způsob, jak se naučit návrh PCB, je dokončit jednu.