Для чего необходимо 3D при проектировании печатных плат

0
222
Для чего необходимо 3D при проектировании печатных плат

Функциональные возможности использования трехмерного представления при конструировании печатных плат давно стали неотъемлемой частью современных ECAD-систем. Но являются ли они действительно полезным инструментом, способным ускорить процесс проектирования и избежать дорогостоящих ошибок, или это просто модный тренд, позволяющий лишь показать красивую картинку? Ответ вы найдете в данной статье.

Печатные платы являются по своей сути слоистыми структурами – соединения между компонентами определяет рисунок проводящих слоев, между которыми располагаются слои диэлектрика; также могут присутствовать дополнительные слои, такие как шелкография, паяльная маска, паяльная паста и другие, необходимые для изготовления платы.

В большинстве случаев, эти слои успешно определяются в плоскости – например, в 2D-режиме задаются пути трасс цепей на том или ином проводящем слое, положение позиционных обозначений компонентов на слое шелкографии и т.д. Так есть ли необходимость в использовании 3D при проектировании плат?

Зачастую современные изделия электроники представляют собой печатные платы, плотно упакованные компонентами, либо платы нестандартной формы, помещаемые в сложные корпуса или сборки более высокого уровня. Для таких конструкций критически важным является корректное определение всех геометрических аспектов, таких как размещение компонентов и задание правильной формы, чтобы печатный узел можно было впоследствии изготовить и поместить в сборку, ведь стоимость устранения ошибки конструкции возрастает в 10 раз при каждом следующем этапе: прототипирование, производство, эксплуатация.

Соответственно, необходимо обеспечить корректность конструкции еще на этапе проектирования, когда она существует лишь в виртуальном пространстве. В некоторых случаях может помочь изготовление макетов, где роль платы и корпуса играют картонные или пенопластовые модели, но такой подход зачастую просто не практичен, если, например, корпус имеет нестандартную форму.

Для таких случаев, необходима возможность видеть будущую конструкцию платы и взаимодействовать с ней в трехмерном пространстве. Кроме того, для тех задач, которые сложно или непрактично решать средствами ECAD, необходимы инструменты, обеспечивающие простое и эффективное взаимодействие с MCAD-системой.

Часть платы в 2D-представлении, где всё выглядит хорошо…
Часть платы в 2D-представлении, где всё выглядит хорошо…
… но при переключении в 3D становится очевидным, что разъем питания повернут неправильно.
… но при переключении в 3D становится очевидным, что разъем питания повернут неправильно.

Altium Designer является первой системой проектирования плат, в которой появился 3D-режим конструирования. Кроме того, активно развивается технология обмена данными с ведущими MCAD-системами непосредственно из Altium Designer. Давайте рассмотрим, какие возможности предлагает Altium Designer на сегодняшний день и как они помогают получить корректные конструкции печатных узлов с первого раза.

3D-модели компонентов

Основой практически всех устройств на базе печатных плат являются компоненты, монтируемые на поверхность платы или в сквозные отверстия. На печатной плате компоненты представляются посадочными местами (footprint), которые определяют области, занимаемые компонентами на различных слоях – как правило, это контактные площадки на проводящих слоях, рисунок на слое шелкографии и дополнительная информация на механических слоях, такая как контур компонента для сборочного чертежа и данные, необходимые для автоматизированного поверхностного монтажа. Посадочное место также может быть снабжено 3D-моделью для реалистичного отображения этого компонента на плате и выполнения различных проверок.

Для создания 3D-представления компонента, Altium Designer предлагает объект 3D Body, который можно определить различными путями в редакторе библиотек посадочных мест. В самом простом случае, это может быть параллелепипед, полученный путем вытягивания плоского контура на определенную высоту. Такой способ годится для представления компонентов простой формы, таких как SMD-резисторы и конденсаторы.

Простая модель SMD-конденсатора, полученная вытягиванием контура
Простая модель SMD-конденсатора, полученная вытягиванием контура

Контур, который будет вытягиваться, можно определить вручную либо, если контур был уже создан ранее (например, на слое шелкографии или на каком-либо механическом слое), можно воспользоваться диалоговым окном Component Body Manager (Tools » Manage 3D Bodies for Current Component), которое определяет замкнутые контуры в посадочном месте и позволяет создать вытянутые 3D-модели на их основе. Кроме того, вытянутую 3D-модель можно создать, выделив нужный контур и выбрав команду Tools » Convert » Create 3D Body From selected primitives.

Помимо вытянутых моделей, Altium Designer позволяет создавать цилиндры и сферы. Комбинируя в одном компоненте модели различных типов, можно добиться достаточно реалистичного представления.

Вытянутые модели + цилиндр + сфера = 3D-модель светодиода
Вытянутые модели + цилиндр + сфера = 3D-модель светодиода

В некоторых случаях, добиться максимально реалистичного представления компонентов в трехмерном пространстве довольно сложно, используя только эти примитивы. Поэтому Altium Designer позволяет использовать в качестве 3D-моделей файлы в сторонних форматах: STEP, Parasolid и детали SOLIDWORKS®. Такие модели могут быть созданы в сторонних MCAD-системах самостоятельно (форматы STEP и Parasolid являются нейтральными, и экспорт в них поддерживает подавляющее большинство MCAD-систем), либо их можно загрузить из сторонних источников, таких как порталы 3D Content Central, GrabCAD и Cad-Design. Также встроенный в редактор библиотек посадочных мест мастер IPC Compliant Footprint Wizard позволяет создавать посадочные места с реалистичной STEP-моделью.

Тот же светодиод, в который импортирована 3D-модель в формате STEP
Тот же светодиод, в который импортирована 3D-модель в формате STEP

Следует отметить, что множество готовых к использованию компонентов, посадочные места которых уже снабжены 3D-моделями, доступны через панель Manufacturer Part Search непосредственно в Altium Designer.

3D-редактор плат

После передачи компонентов в редактор плат они также будут отображаться здесь со своими 3D-моделями. Кроме того, 3D-модели могут быть размещены непосредственно в редакторе плат. Как и в редакторе библиотек посадочных мест, это могут быть простые модели (вытянутые контуры, цилиндры, сферы) или импортированные из сторонних форматов. Так можно, например, добавить модель корпуса, чтобы увидеть конструкцию конечного изделия.

Плата в корпусе
Плата в корпусе

Другое полезное применение импорта 3D-моделей – возможность определения формы платы по грани импортированной модели. В частности, это может сэкономить время, если нестандартная форма платы была уже определена в MCAD-системе с учетом окружения этой платы в будущем устройстве – чтобы не воссоздавать контур платы в Altium Designer, можно просто импортировать 3D-модель и с помощью команды Design » Board Shape » Define from 3D Body указать, в соответствии с какой гранью этой модели следует обновить форму платы.

Таким образом, можно получить реалистичное представление конструкции печатного узла, со всеми компонентами и корпусом. Помимо того, что вы получаете красивую картинку своего устройства, которую можно использовать, например, на сайте или в рекламных брошюрах, такое реалистичное представление позволяет на ранних этапах выявить некоторые потенциальные проблемы. Например, в этой статье по практикам успешной совместной работы ECAD/MCAD автор приводит пример, где при просмотре разрабатываемой платы в 3D стало очевидно, что высокие конденсаторы располагаются слишком близко к USB-разъемам, что сделало бы сложным подключение кабелей к ним в готовом устройстве. Естественно, подобные ситуации было бы очень сложно выявить, если бы в распоряжении было только 2D-представление платы. Кроме того, редактор плат позволяет проводить измерения в 3D (в пределах одной модели: Tools » 3D Body Placement » Measure Distance; измерение расстояния между различными моделями: Reports » Measure 3D Objects).

Помимо чисто визуальной проверки, наличие 3D-моделей в редакторе плат позволяет проводить автоматизированные проверки на пересечения 3D-моделей компонентов и корпусов, за что отвечают правила Component Clearance, доступные в редакторе правил. Нарушения этих правил по умолчанию сразу подсвечиваются в редакторе, так что вы сможете быстро увидеть ошибку и устранить ее.

Обнаружение пересечений при перемещении компонента с 3D-моделью
Обнаружение пересечений при перемещении компонента с 3D-моделью

Редактор плат позволяет определить пересечения между 3D-моделями в одной плате. Для поиска пересечений между платами существует редактор сборок Multi-board, где также доступна проверка на пересечения.

3D-модель дрона в редакторе сборок Multi-board
3D-модель дрона в редакторе сборок Multi-board

Обмен данными с MCAD

Для последующей обработки модели печатного узла в MCAD-системе доступен экспорт из редактора плат в формат STEP или Parasolid. Это позволяет экспортировать печатный узел для его проверки в MCAD либо в качестве финального результата работы конструктора печатной платы.

Однако для совместной работы между инженером-электроником, работающем в ECAD, и инженером-механиком, работающим в MCAD, существует более продвинутый подход, позволяющий обмениваться данными о геометрии печатного узла между этими двумя областями проектирования для просмотра и принятия/отклонения изменений каждой из сторон.

Интерфейс, называемый Altium CoDesigner, позволяет передавать данные между Altium Designer и поддерживаемой MCAD-системой (на момент написания данной статьи, это Autodesk Inventor Professional®, Dassault Systemes SOLIDWORKS, PTC Creo Parametric® и Autodesk Fusion 360®). Отправка и получение данных при этом ведется непосредственно из панелей в системах проектирования, без экспорта в какие-либо файлы стороннего формата пользователем.

Интерфейс, называемый Altium CoDesigner, позволяет передавать данные между Altium Designer и поддерживаемой MCAD-системой
Интерфейс, называемый Altium CoDesigner, позволяет передавать данные между Altium Designer и поддерживаемой MCAD-системой

При использовании Altium CoDesigner, в качестве “моста” между системами ECAD и MCAD выступает сервер управляемых данных, такой как Altium Concord Pro или Altium 365 Workspace. Облачная платформа Altium 365 доступна при наличии активной подписки Altium Subscription – о других преимуществах подписки читайте в одной из наших предыдущих статей.

Выходные документы

Помимо экспорта 3D-модели печатного узла в формат STEP или Parasolid, доступно формирование различных выходных документов, таких как изображение платы в высоком разрешении, файл PDF3D и видео с облетом камерой платы. Видео ниже создано с использованием встроенных средств редактора плат Altium Designer.

Формирование этих выходных документов доступно как непосредственно из редактора плат, так и с помощью файлов OutputJob (и соответственно, с помощью средства Project Releaser).

Заключение

Таким образом, использование трехмерного представления играет важную роль при конструировании плат, поскольку оно позволяет на ранних стадиях разработки изделия выявить потенциальные проблемы сборки печатного узла и его размещения в изделии более высокого уровня, что особенно актуально для современных миниатюрных и плотно упакованных устройств.

Если вы заинтересованы в приобретении продуктов компании Altium, оставьте ваш запрос через форму обратной связи на сайте Представительством Altium в России или напишите на почту altium.ru@altium.com.