Проектирование для производства (DFM). Часть 4. Размещение компонентов

237
Рисунок 6б – Равномерное размещение крупных компонентов
Рисунок 6б – Равномерное размещение крупных компонентов

В статье рассмотрены вопросы детальной проработки будущей печатной платы, которые позволят спланировать размещение и ориентацию компонентов платы с учетом технологических требований производства. Рассмотрена специфика размещения компонентов в зависимости от технологии изготовления, типов корпусов и назначения разрабатываемого устройства. Рассмотрены возможности САПР Altium Designer, позволяющие учесть эти особенности.

Введение

Статья продолжает цикл, посвященный проектированию печатных плат с учетом технологии производства и технологических требований, и является заключительной в этом цикле. В статье рассматриваются вопросы проектирования для производства (DFM). DFM – это способ организации процесса проектирования изделий на основе печатных плат. Достижение корректного результата может вызвать проблемы, если не соблюдать все требования.

После того, выбраны материалы и подходящая стратегия конструирования (подключение проводников, установка переходных отверстий, паяльная маска и финишные покрытия) печатной платы, осталось определиться с тем, какие технологические требования необходимо учитывать при размещении ранее выбранных компонентов на печатной плате.

Процесс размещения компонентов окажет большое влияние на то, как в дальнейшем будет использовано полезное пространство платы. Этап размещения компонентов на плате может стать одним из самых сложных этапов в процессе проектирования. Тип компонентов и способ их установки очень сильно влияют на последующее их размещение на плате.  Далее будут даны рекомендации, как оптимизировать размещение компонентов с точки зрения технологичности и учета требований разрабатываемого устройства.

От правильного подхода к проектированию печатной платы зависит процесс ее последующего изготовления. Подход к проектированию печатной платы может отличаться от проекта к проекту, однако существует ряд конструктивных рекомендаций, которые позволяют учесть требования DFM и довести проект платы до завершения без проблем, связанных с производством.

Общие рекомендации по размещению 

Прежде чем детально углубиться в размещение и ориентацию компонентов, необходимо запомнить несколько базовых рекомендаций:

  • для эффективности процесса пайки рекомендуется выполнять одинаковое ориентирование компонентов в одинаковых корпусах;
  • при одновременном использовании технологии пайки волной и компонентов, монтируемых в отверстия, не желательно располагать компоненты на стороне пайки за компонентами, монтируемыми в отверстия; 
  • для ускорения производства и удешевления стоимости платы попытайтесь разместить на одной стороне все компоненты поверхностного монтажа, монтируемые по технологии группового поверхностного монтажа, а остальные компоненты (которые предназначены для ручного монтажа) – на другой стороне;
  • при выборе типов корпусов компонентов старайтесь выбирать компоненты, устанавливаемые по одинаковой технологии.  Смешанная технология монтажа компонентов может потребовать дополнительных технологических процессов, что увеличит время и стоимость изготовления; 
  • уделите внимание слою паяльной маски, для обеспечения качественной пайки компонентов;
  • для компонентов, предназначенных для ручного монтажа, укажите контактные площадки «заземления» и место на плате, где можно их «заземлить».

Описанные выше рекомендации позволят избежать большинства проблем и задержек при изготовлении платы. Далее будут даны рекомендации в зависимости от конкретных корпусов, и при использовании определенных технологий изготовления. 

Размещение компонентов и расстояние между ними

Первый вопрос при размещении компонентов – это минимально необходимое расстояние между компонентами, которое затем повлияет на процесс пайки, ремонтопригодность устройства, ограничения по его тестированию, производительность изготовления и, в конечном счете, на надежность устройства. Недостаточное расстояние между компонентами может привести к тому, что при размещении компонентов станок не сможет их установить, и для таких сложных мест понадобится ручной труд. Максимальное расстояние между корпусами на плате ограничивается массогабаритными характеристиками платы, технологическим оборудованием и быстродействием работы схемы. В некоторых случаях необходимо располагать компоненты поверхностного монтажа как можно ближе друг к другу.

Больше всего ограничений по размещению компонентов имеет технология пайки компонентов волной припоя. Неправильное расположение компонентов относительно волны припоя может привести к дефектам пайки. В случае, если вам необходимо произвольное расположение чип-компонентов на нижней стороне (предназначенной для пайки волной), следует соблюдать минимальное расстояние между компонентами, для предотвращения эффекта «затенения» (см. Рисунок 1). 

Рисунок 1 – Расстояние между компонентами при пайке волной
Рисунок 1 – Расстояние между компонентами при пайке волной

В общем случае рекомендуется, чтобы расстояние между компонентами равнялось высоте самого высокого компонента (минимум – ½ высоты). Зависимость минимального расстояния между КП чип-компонентов и сложностью изготовления платы показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Расстояние между КП чип-компонентов. Слева - изготовить легко, справа - изготовить сложно
Рисунок 2 – Расстояние между КП чип-компонентов. Слева — изготовить легко, справа — изготовить сложно

Рекомендуемые расстояния между компонентами, в зависимости от типа корпуса, можно найти в таблице ниже. Более подробно про расстояния между компонентами можно узнать из стандарта IPC-7351. Минимально допустимое расстояние между компонентами можно узнать у выбранного изготовителя печатных плат.

Таблица 1 – Рекомендуемые расстояния между компонентами (Размеры в мм)

          До

От

Чипы Танталовые SOIC QFP/QFN SOT23 PLCC BGA CSP DIP
Чипы 1* 1,27 1 2,54 1,27 1,27 3,17 3,17 1,5
Танталовые 1,27 1,27 1,4 2,54 1,9 2,54 3,17 2,54 1,5
SOIC 1 1,4 1,27 2,54 1,27 2,54 3,17 3,17 1,5
QFP/QFN 2,54 2,54 2,54 2,54 2,54 2,54 6,35 6,35 2,54
SOT23 1,27 1,9 1,27 2,54 0,89 2,54 3,17 3,17 1,5
PLCC 1,27 2,54 2,54 2,54 2,54 2,54 3,17 3,17 1,5
BGA 3,17 3,17 3,17 6,35 3,17 3,17 6,35 6,35 3,17
CSP 3,17 2,54 3,17 6,35 3,17 3,17 6,35 2,54 3,17
DIP 1,5 1,5 1,5 2,54 1,5 1,5 3,17 3,17 2,54

* При уменьшении размера корпуса может быть и уменьшено расстояние между компонентами, например:

  • Для корпуса 0402 компоненты могут быть расположены на расстоянии 0,5мм
  • Для корпуса 0603 компоненты могут быть расположены на расстоянии 0,64мм

Если печатная плата состоит из крупных компонентов высотой более 5 мм, рекомендуется сделать расстояние между компонентами равным высоте самого большого корпуса компонента. Этот подход позволит обеспечить достаточное место для визуального осмотра и возможных последующих доработок.

Для соблюдения теплового баланса платы во время оплавления припоя желательно распределить компоненты как можно более равномерно по всей плате. Это гарантирует равномерность прогрева платы (ни одна область на плате не будет горячей другой). Дополнительно рекомендуется избегать расположения крупных компонентов в одной области платы, с целью минимизации изгибов и перекосов, что обеспечит сбалансированное распределение тепла.

Неравномерное распределение тепла может привести к появлению эффекта «надгробного камня» для чип-компонентов (см. Рисунок 3).

Рисунок 3 – Контакт компонента оторван от КП (эффект «надгробного камня – Tombstoning»)
Рисунок 3 – Контакт компонента оторван от КП (эффект «надгробного камня – Tombstoning»)

Если для изготовления печатной платы применяется технология конвейерной сборки, необходимо оставлять зазор в 5 мм от края платы до компонентов в направлении движения платы, для фиксации платы на конвейере и ее транспортировки по ленте.

Отдельно стоит остановиться на размещении компонентов в корпусе BGA. Рекомендуется располагать все BGA-компоненты с одной стороны. Это позволит избежать дополнительных технологических операций при двустороннем монтаже BGA. В случае двустороннего монтажа у изготовителя платы должна быть предусмотрена технология, обеспечивающая поддержку уже установленных компонентов в процессе монтажа компонентов со второй стороны (например, поддержка термоотверждаемым клеем). При использовании печатных плат стандартной толщины (1,5 мм) и площадью более 160 кв. см. компоненты в корпусе BGA и QFP не рекомендуется располагать в центре платы, из-за деформации платы, вызванной большой массой компонентов (см. Рисунок 4). 

Рисунок 4 – Пример эффекта изгиба и скручивания платы с BGA-компонентами
Рисунок 4 – Пример эффекта изгиба и скручивания платы с BGA-компонентами

Если конструкция устройства предполагает наличие компонентов в корпусах BGA с двух сторон платы, необходимо их смещать относительно друг друга для облегчения монтажа, дальнейшего ремонта и контроля качества пайки (см. Рисунок 5). 

Рисунок 5 – Стратегия размещения BGA-компонентов
Рисунок 5 – Стратегия размещения BGA-компонентов

Размещать чип-компоненты под корпусами BGA или ZIF с противоположной стороны платы следует только при обоснованной необходимости, поскольку это так же усложняет проверку, тестирование и ремонт таких конструкций. 

Для сохранения единообразия ваших конструктивов и облегчения процесса сборки рекомендуется размещать все полярные конденсаторы, ориентируя положительный контакт направо или вниз. Полярность конденсаторов обязательно необходимо указывать на слое шелкографии. Блокировочные конденсаторы всегда следует размещать как можно ближе к выводам питания микросхем. При пайке волной припоя их необходимо располагать перпендикулярно корпусам SOIC и потоку припоя. 

Ориентация платы и компонентов при пайке волной

Большинство ограничений по размещению компонентов связаны именно с использованием технологии пайки волной припоя. Именно из-за этих ограничений данная технология постепенно заменяется более современными технологиями монтажа компонентов. Однако, она имеет и ряд преимуществ (высокая производительность, возможность одновременной пайки компонентов смешанного монтажа, возможность пайки по бессвинцовой технологии, отсутствие требования к высокой квалификации персонала). Если выбранный вами изготовитель печатных плат использует именно эту технологию, то вам необходимо придерживаться некоторых дополнительных ограничений. Есть ряд технологических факторов, которые напрямую влияют на то, как плата будет проходить через сборочное оборудование производителя, какое расстояние должно быть от компонентов до края платы, в зависимости от контура платы. 

Расположение крупных компонентов в одной зоне может потребовать выполнять пайку при более высокой температуре, с риском перегрева чип-компонентов (см. Рисунок 6а).

Рисунок 6а – Размещение крупных компонентов в одной зоне
Рисунок 6а – Размещение крупных компонентов в одной зоне

При пайке волной, для избегания зон перегрева, рекомендуется выполнять равномерное распределение компонентов по печатной плате (Рисунок 6б).

Рисунок 6б – Равномерное размещение крупных компонентов
Рисунок 6б – Равномерное размещение крупных компонентов

Для пайки волной рекомендуется, чтобы печатная плата проходила через волну припоя по длинной ее стороне. Это минимизирует ее изгиб и сложность настройки технологического оборудования.

Компоненты необходимо ориентировать относительно контура платы и предполагаемого будущего процесса пайки вдоль длинной стороны. Чип-компоненты и компоненты в корпусах SOIC ориентируются параллельно направлению потока припоя, как показано на рисунке 7а.

Рисунок 7а – Хорошее ориентирование компонентов
Рисунок 7а – Хорошее ориентирование компонентов

Самой плохой ситуацией в этом случае может быть перпендикулярное расположение компонентов относительно друг друга (см. рисунок 7б), при котором возникают эффекты «затенения» и последующие неравномерности пайки, или даже «непропай». Контролируйте, чтобы маленькие компоненты не находились в «тени» больших компонентов.

Рисунок 7б – Плохое ориентирование компонентов
Рисунок 7б – Плохое ориентирование компонентов

Контроль выполнения технологических требований в САПР Altium Designer

Для управления размещением компонентов и его контроля в процессе проектирования печатной платы, в Altium Desginer существует группа правил Placement, которая позволяет определять и контролировать различные технологические требования, связанные с размещением компонентов.

Для контроля зазора между компонентами существует специальное правило проектирования Component Clearance (см. Рисунок 8). Зазор можно контролировать как с учетом реальной трехмерной модели, так и по специальному слою в посадочном месте компонента.

Рисунок 8 – Правило Component Clearance
Рисунок 8 – Правило Component Clearance

Для соблюдения ориентации компонента относительно длинной стороны платы имеется правило проектирования Component Orientations (см. Рисунок 9), которое позволяет проконтролировать расположение компонентов параллельно направлению волны припоя, при этом можно ограничить правило только определенным типом корпуса. Для этого в области Where The Object Matches необходимо выбрать параметр Package и указать желаемый тип корпуса (например, SOIC).

Рисунок 9 – Правило Component Orientations
Рисунок 9 – Правило Component Orientations

Для назначения компонентов определенным слоям можно воспользоваться правилом Permitted Layers (см. Рисунок 10), которое позволит проконтролировать установку компонентов в корпусе BGA только с одной стороны или разместить все компоненты, монтируемые по технологии группового монтажа, на одной стороне для ускорения и удешевления последующего производства. 

Рисунок 10 – Правило Permitted Layers
Рисунок 10 – Правило Permitted Layers

Существуют и другие правила проектирования, позволяющие выполнить корректную установку компонентов, ограничить зону установки компонентов на определенном участке платы (Room Definition), указать максимальную высоту компонентов (Height), а также правило, позволяющее не учитывать какую-либо цепь (NetsToIgnore) в процессе компоновки платы. 

Заключение

В процессе размещения компонентов на печатной плате крайне важно учитывать и технологию будущего изготовления печатной платы. От качества выполнений технологических требований и рекомендаций в значительной степени будет зависеть надежность, ремонтопригодность, скорость и стоимость изготовления будущего устройства. 

Информация, изложенная в этих четырех частях цикла статей по DFM, позволит вам избежать проблем с последующим изготовлением спроектированной печатной платы. Однако, есть и другие аспекты, влияющие на процесс изготовления устройства. В следующих статьях, посвященных печатным платам (уже за пределами цикла DFM), будет рассмотрено как оформить документацию по ЕСКД, как разместить тестовые контрольные точки для отладки и тестирования, и многое другое.

Выполнить все требования, предъявляемые производителем печатных плат, поможет набор инструментов, входящих в состав САПР Altium Designer.

Предыдущая статьяПроектирование для производства (DFM). Часть 3. Подготовка стратегии конструирования печатного узла. Продолжение
Следующая статьяИстория развития освещения
Кандидат технических наук. Профессиональный инженер России. Лауреат конкурса Инженер Года 2016 по направлению «Приборостроение и диагностика».

Более 30 публикаций в различных научно-технических изданиях в том числе из перечня ВАК.

На данный момент являюсь техническим специалистом компании Altium.

Получил обширное техническое образование в Томском ТУСУР.

Практический опыт получен во время работы Инженером-Конструктором в АО «ИСС» при проектировании печатных плат, блоков и приборов космической техники.

Опыт научных исследований охватывает темы в области электромагнитной совместимости, влияния шероховатости поверхности на характеристики линий передач, физики поведения твердых тел, использования инструментов моделирования в процессе разработки радиоэлектронных приборов.