Проектирование для производства (DFM). Часть 3. Подготовка стратегии конструирования печатного узла. Продолжение

446
Рисунок 12 – Пример топологии в стиле Snake Routing
Рисунок 12 – Пример топологии в стиле Snake Routing

Данная статья продолжает цикл статей, посвященных проектированию печатных плат с учетом технологии производства и технологических требований или, другими словами, проектированию для производства (DFM).

В статье рассмотрены вопросы детальной проработки будущей печатной платы, которые позволят вам спланировать размещение элементов платы с учетом технологических требований производства.

Рассмотрена специфика установки переходных отверстий, нюансы размещения печатных проводников, варианты соединения печатного рисунка к контактным площадкам и вопросы установки тепловых барьеров. Рассмотрены возможности САПР Altium Designer, позволяющие учесть эти особенности.

Введение

DFM – это способ организации процесса проектирования изделий на основе печатных плат. Достижение корректного результата может вызвать проблемы, если не соблюдать все требования.

После того, как мы определились с выбором компонентов на печатной плате, определили структуру слоёв, размеры и типы переходных отверстий (ПО), определились с правилами проектирования на слоях шелкографии и паяльной маски, мы можем приступать к их размещению и трассировке. Далее будут даны рекомендации для более детальной проработки ограничений, связанных с размещением переходных отверстий. Будут рассмотрены ограничения и даны рекомендации, связанные с расположением печатных проводников и установкой тепловых барьеров с учетом их особенностей, а также будут рассмотрены другие вопросы, которые позволят спланировать подход к проектированию печатной платы и позволят избежать проблем на старте.

От того, как будет спроектирована печатная плата, напрямую зависит последующий процесс ее изготовления. Подход к проектированию печатной платы может отличаться от проекта к проекту, однако существует ряд основных конструктивных рекомендаций, которые позволяют учесть ряд требований DFM и позволят довести проект платы до завершения без проблем, связанных с производством.

Установка переходных отверстий

Если на печатной плате присутствуют компоненты с монтажом в отверстия, то рекомендуется максимально отдалять переходные отверстия от сквозных контактных площадок (КП) таких компонентов. Это связано с тем, что такие переходные отверстия в процессе монтажа могут привести к перетеканию припоя через них под корпус компонента (например, при пайке волной, припой через такие переходные отверстия может подниматься наверх к корпусу компонента) с последующим повреждением компонента. Если возможности отдалить переходные отверстия нет (например, в связи с высокой плотностью монтажа печатной платы), то необходимо применять технологии закрытия таких переходных отверстий, либо заполнением их непроводящим компаундом, либо формированием на поверхности таких отверстий масочных мостиков, которые будут препятствовать перетеканию припоя. Детали и доступные технологические возможности следует уточнять у производителя печатной платы.

Для автоматического закрытия отверстий паяльной маской в менеджере правил и ограничений Altium Designer в правиле SolderMaskExpansion имеется возможность установить соответствующий признак (Tented) для верхней и нижней монтажной стороны соответственно (См. Рисунок 1).

Рисунок 1 – Правило Solder Mask Expansion
Рисунок 1 – Правило Solder Mask Expansion

Если имеются компоненты в SIP корпусах, то расставлять переходные отверстия необходимо с отступом около 2,5мм от корпуса, так как есть риск неправильной установки в процессе монтажа.

Как было сказано ранее, припой может перетекать через переходные отверстия, поэтому крайне не рекомендуется размещать переходные отверстия под чип компонентами, поскольку это может привести к короткому замыканию или появлению эффекта «надгробный камень». Еще одна причина, по которой переходные отверстия нельзя устанавливать под чип-компонентами, может быть связана с необходимостью их приклейки специальным технологическим клеем. На рисунке 2 показаны зоны, непригодные для установки переходных отверстий под чип-компонентом.

Рисунок 2 – ПО под чип-компонентами
Рисунок 2 – ПО под чип-компонентами

Подключение переходных отверстий к контактным площадкам рекомендуется делать проводником длиной не менее 0,25 мм. Если на проектируемой печатной плате недостаточно места для создания таких отступов переходных отверстий, то необходимо покрыть их защитной паяльной маской. Более точные значения необходимых отступов переходных отверстий от контактных площадок рекомендуется уточнить у выбранного производителя печатных плат. На рисунке 3 показан пример рекомендуемого способа подключения переходных отверстий к контактным площадкам компонентов.

Рисунок 3 - Рекомендуемый способ подключения ПО
Рисунок 3 — Рекомендуемый способ подключения ПО

Для контроля длины проводника от контактной площади до переходного отверстия в процессе проектирования печатной платы в менеджере правил и ограничений Altium Designer имеется правило SMDToPlane, которое позволяет указать длину проводника от центра контактной площадки до центра переходного отверстия (См. Рисунок 4).

Рисунок 4 – Правило SMD To Plane
Рисунок 4 – Правило SMD To Plane

Переходные отверстия, которые не подключены к контактным площадкам, рекомендуется располагать на расстоянии не менее 0,64 мм от контактных площадок. Если переходное отверстие расположено со стороны монтажа, то отступ рекомендуется увеличить до 1 мм.

На рисунке 5 показан пример расположения переходных отверстий относительно контактных площадок.

Рисунок 5 – Рекомендуемые отступы для ПО
Рисунок 5 – Рекомендуемые отступы для ПО

Переходные отверстия являются критически важной частью любого проекта, и от того, насколько качественно выполнена проработка стратегии их установки для печатной платы, зависит в дальнейшем и весь процесс проектирования, технологичность и экономическая эффективность.

 

Подключение проводников к контактным площадкам

Если вывод компонента является выводом питания/земли или служит теплоотводом, то к таким контактным площадкам требуется подведение широких проводников. Широкие проводники являются мощными переносчиками тепла, что может привести к нарушениям в процессе пайки компонента. Это особенно критично, если на вашей печатной плате отсутствует защитная паяльная маска или нанесено оловянно-свинцовое финишное покрытие на весь печатный рисунок. Ширину трассы для таких контактных площадок необходимо выполнять с небольшим сужением относительно ширины контактной площадки, это позволит соблюсти тепловой баланс, предотвратить утечку припоя и тепла по проводнику от контактной площадки.

На рисунке 6 показан пример подключения широкого проводника к силовой контактной площадке.

Рисунок 6 – Подключение широкого проводника к силовой КП
Рисунок 6 – Подключение широкого проводника к силовой КП

Для автоматического сужения ширины проводника в процессе трассировки проводников в менеджере правил и ограничений Altium Designer имеется правило SMDNeckDown, которое позволяет установить процентное соотношение ширины проводника относительно ширины КП (См. Рисунок 7).

Рисунок 7 – Правило SMD Neck Down
Рисунок 7 – Правило SMD Neck Down

Когда вам необходимо соединить силовую шину, которая чаще всего представляет собой полигон или широкий проводник, с силовой контактной площадкой компонента, необходимо делать заужения проводников для обеспечения теплового баланса и предотвращения попадания припоя на силовую шину. Идеально выполнять такое подключение проводниками не шире 0,25 мм, с минимальной длиной до силовой шины не менее 0,25 мм.

Если контактная площадка широкая, то подключение к силовой шине необходимо выполнять массивом проводников, которые должны иметь одинаковую ширину. На рисунке 8 показан хороший и плохой пример подключения силовой контактной площадки к силовой шине.

Рисунок 8 - Подключение силовой КП к силовой шине
Рисунок 8 — Подключение силовой КП к силовой шине

Такой способ подключения позволит избежать большинства возможных проблем, связанных с монтажом компонентов на печатную плату (как ручным, так и автоматизированным). Также значительно повышается ее ремонтопригодность, так как демонтаж компонента с таким способом подключения не составит проблем.

Подключение контактных площадок одной цепи у близкорасположенных компонентов необходимо выполнять следующим образом: необходимо выводить проводники перпендикулярно контактным площадкам из их торца (в сторону, направленную от корпуса) а затем выполнять соединение общей шиной; прямое соединение контактных площадок может привести к нарушению процесса пайки (появлению «надгробных камней», холодному паяному соединению (непропай) и смещению компонентов), усложнению оптического контроля и в процессе монтажа может восприниматься как случайное короткое замыкание, которое необходимо устранить.

На рисунке 9 показан хороший и плохой пример соединения контактных площадок одной цепи.

Рисунок 9 - Соединение КП одной цепи
Рисунок 9 — Соединение КП одной цепи

Каждая контактная площадка компонента должна быть подключена к своему собственному проводнику, при этом крайне важно сохранять симметричность трассировки (если один проводник выходит из внутренней стороны контактной площадки, то и второй должен выходить так же). Это является особенно критичным в зонах без паяльной маски, поскольку позволяет предотвратить смещение компонентов. Однако большинство производителей печатных плат рекомендуют делать сбалансированное количество меди, соединяющей контактные площадки.

На рисунке 10а показаны рекомендуемые способы подключения проводников к контактным площадкам чип-компонентов.

Рисунок 10а – Рекомендуемый способ подключения КП чип-компонентов
Рисунок 10а – Рекомендуемый способ подключения КП чип-компонентов

На рисунке 10б показаны допустимые способы, а на рисунке 10в – нерекомендуемые.

Рисунок 10б - Допустимый способ подключения КП чип-компонентов
Рисунок 10б — Допустимый способ подключения КП чип-компонентов
Рисунок 10в - Недопустимый способ подключения КП чип-компонентов
Рисунок 10в — Недопустимый способ подключения КП чип-компонентов

При трассировке компонентов поверхностного монтажа (SMD) для стоящих рядом контактных площадок одной цепи рекомендуется прокладывать проводники U-образно, а не H-образно (См. рисунок 11).

Рисунок 11 - U-образный способ соединения КП одной цепи
Рисунок 11 — U-образный способ соединения КП одной цепи

Полигоны и проводники

Полигоны питания и земли рекомендуется располагать на внутренних слоях печатной платы, делать это симметрично и сцентрировано относительно стека печатной платы. Это позволит избежать коробление печатной платы, а также поможет выполнить точное позиционирование компонентов в процессе монтажа. Большинство производителей печатных плат допускают изгиб и кручение не более 0,7-0,75% для двухслойных плат или многослойных с толщиной около 1,5 мм.

Эта же рекомендация относится и к сигнальным слоям и проводникам. Печатный рисунок на печатной плате должен быть как можно более симметричный и равномерный по осям X и Y. Направление размещения проводников по слоям должно быть различным для избежание эффекта скручивания и деформации платы.

Идеальным вариантом прокладки проводников считается трассировка без приоритета направлений с максимально равномерным распределением печатного рисунка по печатной плате с увеличением зазоров между проводниками там, где это возможно. Увеличенные зазоры проводников на печатной плате значительно сократят процесс контроля печатного рисунка на этапе изготовления, отсутствие приоритетного направления трассировки позволит максимально снизить риски коробления печатной платы, а равномерное распределение проводников позволит производителю максимально снизить допуски на ширину проводников в процессе их травления.

Выполнить трассировку без приоритета направлений под произвольными углами с огибанием препятствий дугами (стиль трассировки – Snake Routing) можно в Altium Designer начиная с версии 20.0. Для выполнения трассировки в таком стиле доступна соответствующая настройка Corner Style, которую нужно перевести в значение AnyAngle в инструменте Interactive Routing. Пример трассировки, выполненной в стиле Snake Routing, можно увидеть на рисунке 12.

Рисунок 12 – Пример топологии в стиле Snake Routing
Рисунок 12 – Пример топологии в стиле Snake Routing

Финишные покрытия печатного рисунка

Внешние слои печатной платы после изготовления стека печатной платы необходимо дополнительно покрывать финишным покрытием, для обеспечения защиты меди от внешних воздействий, обеспечения качественной пайки, контактирования с внешними коммутационными устройствами и по другим причинам, зависящим от условий эксплуатации каждого конкретного проекта.

Первое покрытие, которое неизбежно появляется для большинства печатных плат, это дополнительная гальваническая медь, полученная в процессе металлизации переходных отверстий по технологии PTH (plated through-hole). Подробнее о технологии металлизации сквозных отверстий и нанесению дополнительных покрытий, как правило, можно узнать на сайте производителя печатных плат (Поэтапная технология изготовления многослойных печатных плат в картинках (метод сквозной металлизации) ООО «Резонит»).

Для обеспечения достаточной проводимости металлизированного переходного отверстия и получения толщины медных стенок отверстия порядка 20 мкм, на внешних слоях увеличение толщины проводника может составлять порядка 40 мкм. Необходимо учитывать увеличение толщины проводников при производстве печатных плат с металлизированным отверстиями и выполнять расчеты производственных допусков, импеданса и токовой нагрузки учитывая увеличение толщины проводника. Конкретные значения увеличения толщины внешних слоев зависят от требований к толщине стенок переходных отверстий, соотношения диаметра отверстий к толщине печатной платы и возможностей производства.

Следующее покрытие, которое применяется на печатных платах, это финишное покрытие, выбор которого зависит от различных факторов. В таблице ниже (источник таблицы здесь) показан список самых популярных финишных покрытий с их характеристиками, которые позволят выполнить их сравнение и сделать окончательный выбор.

Таблица 1 – Сравнительная таблица финишных покрытий

Свойство Материал
HASL

(SnPb)

HASL

Без свинца

Электролитический никель, иммерсионное золото — ENIG Иммерсионное серебро — IAg Органическое защитное покрытие — OSP Иммерсионное олово — ISn Электролитический никель, золото — NIAu
RoHS Нет Да Да Да Да Да Да
Затраты Низкие Низкие Средние Средние Низкие Средние Высокие
Срок годности 1 год 1 год 1 год 9-12 месяцев* 9-12 месяцев* 9-12 месяцев* 1 год
Возможность ремонта ограничена ограничена ограничена Да Нет Нет Нет
Смачиваемость припоем Превосходная Хорошая Хорошая Очень хорошая Хорошая Хорошая Хорошая
Плоскостность Плохая Хорошая Превосходная Превосходная Превосходная Превосходная Хорошая / плохая
Целостность припоя Превосходная Хорошая Хорошая Превосходная Хорошая Хорошая Плохая**
Низкое сопротивление /высокая скорость Нет Нет Нет Да N/A Нет Нет
Aluminium-wire bond Нет Нет Нет Нет Да Нет Да

* Требуются особые условия хранения

** Толстые слои золота могут привести к охрупчиванию паяного шва

Учет финишных покрытий возможно выполнять в менеджере слоев печатной платы, который входит в состав Altium Designer. Менеджер слоев поддерживает все основные типы финишных покрытий, которые существуют на сегодняшний день. Менеджер слоев автоматически выполнит корректировку толщины печатной платы и учтет их влияние на импеданс сигнальных проводников.

Тепловые барьеры

Наличие тепловых барьеров на печатной плате зачастую играет решающее значение при пайке волной, пайке в отверстия и ручной пайки (и, как следствие, влияет на ремонтопригодность), а также может оказывать значительное влияние при других технологиях пайки.

Тепловые барьеры особенно важны для печатных плат с большим количеством медных слоев и для слоев с высоким процентом заполнения меди, так как медь будет выступать в качестве радиатора и будет отводить существенную часть тепла из области пайки. А это, в свою очередь может, сильно затруднить выполнение контроля термопрофиля в процессе пайки.

Введение тепловых барьеров значительно облегчит пайку компонентов в сквозные отверстия, замедляя скорость оттока тепла через металлизированные отверстия. Отсутствие теплового барьера может привести к неполному заполнению отверстия припоем или к холодному контакту. Вот основные преимущества тепловых барьеров:

  • упрощенный контроль за размером отверстия;
  • больше равномерности толщины покрытия внешних слоев;
  • быстрая и простая проверка паяных соединений.

Общая рекомендация – использовать тепловой барьер для любого сквозного металлизированного отверстия, подключенного к слою земли или питания. Однако стоит учитывать, что тепловой барьер нельзя использовать на отверстиях для деталей, устанавливаемых прессованием и необходимо учитывать их наличие при расчете плотности тока и в высокоскоростных проектах. На рисунке 13 показан типовой тепловой барьер.

Рисунок 13 – Пример теплового барьера
Рисунок 13 – Пример теплового барьера

Для автоматической установки тепловых барьеров и контроля за их наличием в процессе проектирования печатной платы в менеджере правил и ограничений Altium Designer можно установить дополнительное правило PolygonConnect, которое определяет стиль подключения полигонов к монтажным отверстиям, поверхностным КП и переходным отверстиям. Имеется несколько вариантов способа задания теплового барьера (см. Рисунок 14).

Рисунок 14 – Правило Polygon Connect
Рисунок 14 – Правило Polygon Connect

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что в процессе подготовки стратегии для проектирования печатной платы, пригодной для производства, помимо информации, изложенной во второй части данного цикла статей, вам необходимо уделить особое внимание размещению переходных отверстий, расположению проводников и способам их соединения к контактным площадкам компонентов, учитывать покрытия внешних слоев печатной платы, следить за симметричностью проводящего рисунка и не забывать использовать тепловые барьеры там, где это необходимо.

Информация, изложенная во второй и этой, третьей, части цикла статей, является фундаментом процесса проектирования печатной платы и позволит вам выработать стратегические основы компоновки платы.

Выполнить корректное подключение проводников к контактным площадкам, установить тепловые барьеры, учесть дополнительные покрытия влияющих на последующее изготовление платы, поможет набор инструментов, входящих в состав САПР Altium Designer.

В следующей статье цикла будет рассмотрена тема размещения компонентов на печатной плате и даны конкретные рекомендации по их местоположению и ориентации для того, чтобы печатную плату можно было успешно изготовить. Будут рассмотрены особенности размещения компонентов для пайки волной, компонентов в корпусах типа BGA и PTH, даны рекомендации для установки конденсаторов и чип-компонентов.