Проектирование печатных плат и электронных модулей

Автор: Илья Лейтес, главный технолог ООО "РТС Инжиниринг"

Конструирование плат происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования, называемых САПР (Система Автоматического Проектирования) . Наиболее известны P-CAD, CAM 350, OrCAD, Altium Designer, TopoR, Specctra, Proteus, gEDA, KiCad и др. Сам процесс конструирования в русском языке часто именуют сленговым словом «разводка», подразумевая процесс прокладки проводников.

В России существуют нормативы на конструкторскую документацию печатных плат в рамках Единой системы конструкторской документации:

ГОСТ 2.123-93 «Единая система конструкторской документации. Комплектность конструкторской документации на печатные платы при автоматизированном проектировании.»
ГОСТ 2.417-91 «Единая система конструкторской документации. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.»

Другие стандарты на печатные платы:

ГОСТ Р 53386-2009 «Платы печатные. Термины и определения.»
ГОСТ Р 53429-2009 «Платы печатные. Основные параметры конструкции.» Этот ГОСТ задает классы точности печатных плат и соответствующие им геометрические параметры. В этом стандарте также нормируются основные электрические параметры проводников и диэлектриков. На практике все еще часто используется предшественник этого стандарта — ГОСТ 23751-86.
ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия.» и последующие его редакции 1986 – 95 гг. Стандарт регламентирует такие параметры как коробление печатных плат, условия и параметры нормоконтроля при производстве печатных плат, электрические параметры материалов, статус, объем и методики различных испытаний (приемосдаточных, периодических, конструкционных и пр.).

Часто при производстве ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ используются также:

ГОСТ 9.301-86 «Покрытия металлические и не металлические неорганические. Общие требования».
ГОСТ Р 53432-2009 «Платы печатные. Общие технические требования к производству».
ГОСТ Р 51039-97 «Платы печатные. Требования к восстановлению и ремонту».
ГОСТ РВ 15.301-2003 “Система разработки и постановки продукции на производство. Военная техника. Постановка на производство изделий. Основные положения» - и др.

Кроме того достаточно широко распространены международные стандарты IPC/ANSI, МЭК, национальные импортные стандарты, которые целесообразно использовать, как справочные в рамках их доступности, поскольку в них технологические проблемы рассматриваются гораздо более подробно, чем в отечественных НТД.

Наверняка мне не удалось здесь полностью отразить нормативную базу, касающуюся ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ. Разработка новых отечественных стандартов ведется непрерывно и идет в двух основных направлениях:

адаптация импортных стандартов к требованиям отечественной нормативной базы;
редакция старых стандартов с учетом появляющихся новых техпроцессов и новых требований к элементам ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ.

Итак процесс разработки платы начинается с рассмотрения принципиальной электрической схемы.

Первоначально производят импорт принципиальной электрической схемы в базу данных САПР конструирования печатной платы. Как правило, подготовка схемы выполняется в отдельной схемотехнической САПР. Некоторые пакеты САПР содержат компоненты как схемотехники, так и конструирования. Другие САПР печатных плат не имеют схемотехнического пакета в своем составе, только импортируя схемотехнику популярных форматов.

Затем делается ввод в САПР компонентов (чертежей каждого компонента, расположения и назначения выводов и т.д. ). Обычно при этом используются готовые библиотеки компонентов и их посадочных мест , поставляемые разработчиками САПР.

При использовании импортных компонентов, рекомендуемые посадочные места можно также найти в стандартах IPC 782 и IPC 7351. Посадочные места отечественных компонентов, как правило, приводятся в ТУ на них. Принципы формирования их конфигурации изложены также в ГОСТ-29137-91 и ГОСТ 50044-2009.

Необходимо произвести уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей [имеющиеся материалы, допустимое количество слоев, возможности по реализации класса точности (с учетом допустимых минимальных соотношений проводник/зазор, максимального H:d и т.п), допустимые диаметры отверстий, возможность нанесения различных покрытий и т. п.]. На основании этих данных производится предварительный выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и фольги, классf точности. Чаще всего, например, для печатных плат оптимален стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 18 или 35 мкм.

Конструирование платы обязательно включает следующие этапы:

Определение конструктива печатной платы и ЭМ (габаритов, точек крепления, допустимых высот компонентов).
Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и крепежных отверстий, областей запрета размещения компонентов.
Размещение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др.
Определение правил расположения критичных проводников: выделение областей прокладки сильноточных проводников и шин питания; компоновка высокочастотных и дифференциальных линий, определение методов прокладки и экранирования чувствительных к помехам цепей и цепей - источников помех.
Размещение компонентов может быть выполнено автоматически или вручную. Чаще стремятся разместить все компоненты на одной стороне платы, поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.
Запуск автоматического трассировщика. При неудовлетворительном результате — переразмещение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются несколько раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично (на отдельных сложных участках печатных плат). Увлечение некоторыми разработчиками чисто автоматизированными методами трассировки пока, увы, не дает обеспечения технологичности на должном уровне.
Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.

В некоторых случаях требуется расчет механических свойств полученной печатной платы: частоты собственного механического резонанса и ударной прочности. При необходимости для получения требуемого результата изменяют опорные точки платы в корпусе РЭА или размещение тяжелых компонентов.

Создание выходной документации заключается в следующем:

Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber RS272 или CAD2002 или CAD350 или иной. ( При этом необходимо иметь ввиду, что при трансформации из одного формата в другой может происходить частичная потеря информации. То есть, после трансформации, если таковой этап имеет место, необходима, как минимум, визуальная проверка результата.).
Подготовка сопроводительной записки, в которой, как правило, указывают тип фольгированного материала, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые паяльной маской или открытые, луженые или нет), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски, необходимость маркировки и технология ее формирования, способ разделения фрагментов на технологической заготовке (фрезеровка, фрезеровка с перемычками, просверленными или нет, или скрайбирование) и т. п. Сопроводительная записка в последствии трансформируется в технические требования, сопровождающие КД в форме, принятой на предприятии разработчике или изготовителе.

При этом производители печатных плат часто сталкиваются с неочевидными ошибками конструирования (особенно начинающими инженерам).

Наиболее типичные ошибки:

Неверный выбор диаметра сверления отверстий для монтажа компонентов. В процессе изготовления платы часть просвета отверстия уйдет на металлизацию, что может приводить к невозможности нормального монтажа компонента. Для нормальной установки вывода в отверстие, с обеспечением технологичного заполнения его припоем с последующим качественным и надежным формированием паяного соединения, необходим зазор между диаметром вывода и металлизированным отверстием, в самой узкой его части, - не менее 0,3 мм. Требования к диаметру и металлизации отверстий под запрессовку (pressfit) lдолжны быть указаны отдельно в КД и соответствовать НТД на запрессовку (для запрессовываемого компонента).
Ошибки в согласовании требуемого размера контура печатной платы с методом его обработки. Разные методы обработки контура в разной степени повреждают обрабатываемый край и требуют разного соответствующего припуска: отступа от края рабочего проводящего рисунка.
Ошибки при выборе отдельных размеров проводников, зазоров, отверстий, окантовки отверстий и т.п. Эти размеры определяют класс точности, а, значит, цену и сроки изготовления плат. Даже один элемент с не оптимально выбранным, слишком малым размером, может переквалифицировать класс точности всей платы, увеличить цену и уменьшить процент выхода годных.
Неравномерное распределение дорожек, полигонов и точек пайки на крупногабаритных печатных платах может приводить к увеличенной неравномерности травления элементов проводящего рисунка, а также короблению плат после групповой пайки (как правило, поверхностного монтажа) в печах – неоптимальный «баланс меди».
Отсутствие термозазора вокруг точек монтажа компонентов при подключении к значительным по площади поверхностям фольги (полигонам или широким дорожкам) приводит к технологическим затруднениям и браку при пайке, особенно групповой: медь является эффективным теплоотводом и контакт с большими массами меди затрудняет прогрев места пайки.
Для плат, подлежащих лакированию, следует учитывать требования к расположению разъемов и других , не подлежащих лакированию компонентов (обеспечение соответствующих зазоров). В противном случае растет процент брака при попадании лака на контакты разъемов и другие контактные поверхности.

Для оказания помощи конструктору в проектировании технологичной печатных плат (проектирование для производства, DFM – Design For Manufacturing) необходимо на производстве печатных плат иметь документ подробно описывающий технические возможности производства (конструктивно-технологические нормы), с тем чтобы сконструированная по правилам изложенным в этом документе печатных плат была изготовлена быстро, с малыми затратами трудоемкости и с высоким процентом выхода годных. Таким документом может быть например «Инструкция по проектированию печатных плат. Д23».

Рекомендуется, чтобы этот документ содержал следующие разделы.

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ. - В котором содержатся сведения о том, чему соответствует, и на что распространяется информация указанного документа.

2. КОНЦЕПЦИЯ ДОКУМЕНТА - В котором сдержатся основные принципы конструирования и приемо-сдаточных испытаний печатных плат.

3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (технологические возможности) ПРОИЗВОДСТВА печатных плат И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ БАЗОВЫХ МАТЕРИАЛОВ. - В котором излагаются основные технические характеристики печатных плат и узлов на печатных плат, которые могут быть реализованы на данном производстве с разумным процентом выхода и условием безусловного соблюдения требований по надежности.

4. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НОРМЫ (КТН) - ТРЕБОВАНИЯ К НОМИНАЛЬНЫМ РАЗМЕРАМ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ многослойных печатных плат. - В котором указываются рекомендуемые КТН к проводящему рисунку слоев, к структуре многослойных печатных плат, требования, обеспечивающие выполнение норм по короблению многослойных печатных плат, требования к отверстиям, требования к слою паяльной маски, требования к проектированию слоя сеткографической или, наносимой струйным принтером, маркировки и пр.

5. ПЕРЕЧЕНЬ ДОКУМЕНТОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАКАЗА ИЗГОТОВЛЕНИЯ печатных плат

6. ПЕРЕЧЕНЬ ДОКУМЕНТОВ И ФОРМА ПОСТАВКИ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАКАЗА НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ УЗЛА НА печатных плат (МОНТАЖ), ИЗГОТОВЛЕННОЙ «НА СТОРОНЕ».

7. РЕКОМЕНДУЕМОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ В КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ НА ПЕЧАТНУЮ ПЛАТУ.

Перечень и содержание разделов может быть различным и по разному адаптирован к условиям реального производства. Ниже, в качестве примера, приводятся 2 варианта «Инструкций по проектированию» реальных производств.