Проектирование печатных плат и электронных модулей

Проектирование печатных плат и электронных модулей очень тесно взаимосвязаны, поэтому буду стараться рассматривать их совместно.

Конструирование печатных плат и электронных модулей происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования, называемых САПР. 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.

Повторю еще раз: процессы проектирования печатных плат и электронных модулей тесно взаимосвязаны и многие проблемы возникающие при монтаже электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и формирования паяных соединений закладываются еще на стадии проектирования и изготовления печатных плат. При этом производители печатных плат и электронных модулей часто сталкиваются с неочевидными ошибками конструирования (особенно начинающими инженерам).

Наиболее типичные ошибки влияющие в последствии на качество электронных модулей:

- 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, - 0.3 мм. Требования к диаметру и металлизации отверстий под запрессовку (pressfit) должны быть указаны отдельно в КД и соответствовать НТД на запрессовку (для запрессовываемого компонента).

- Неравномерное распределение дорожек, полигонов и точек пайки на крупногабаритных печатных платах может приводить к короблению плат после групповой пайки в печах (как правило поверхностного монтажа) – неоптимальный «баланс меди» - и, как результат, приводить к разрушению паяных соединений ЭРЭ большой площади (в основном BGA).

- Отсутствие термозазора вокруг точек монтажа компонентов при подключении к значительным по площади поверхностям фольги (полигонам или широким дорожкам) приводит к затруднениям и браку при пайке, особенно групповой: медь является эффективным теплоотводом и затрудняет прогрев места пайки.

- Для плат, подлежащих покрытием влагозащитным лаком, 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 печатной платы (проектирования для производства) 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, печатная плата была изготовлена быстро, с малыми затратами трудоемкости и с высоким процентом выхода годных, в том числе и на сборочно-монтажных операциях. Таким документом может быть, например,

«Инструкция по проектированию печатных плат. Д23».

Ниже, в качестве примера, приводятся выдержки «Инструкций по проектированию» реальных производств, относящиеся к монтажу электронных модулей.

ВАРИАНТ 1

Инструкция по проектированию.

1. Требования к проектированию посадочных мест компонентов (элементы проводящего рисунка наружных слоев).

1.1.Компоненты поверхностного монтажа могут устанавливаться с двух сторон многослойных печатных плат.

1.2. Корпуса со штыревыми выводами рекомендуется устанавливать только со стороны одного слоя.

1.3. КП посадочных мест проектируются под технологию автоматизированного поверхностного монтажа компонентов (ТПМК) и не рассчитаны на ручную пайку.

Рекомендуется: КП проектировать с учетом методов пайки (ИК или волна); они должны быть различными для резисторов и конденсаторов одного типо-размера – в соответствии с рекомендациями IPC/ANSI – SM – 782, а также учитывать направление движения узла в процессе пайки и теневые эффекты. Для волны все чип-компоненты должны быть установлены параллельно одной стороне.

1.4.При проектировании не допускается:

1.4.1.Проектировать переходные отверстия в ламелях (КП) под установку элементов поверхностного монтажа, либо касательно их. Переходное отверстие должно быть отделено от ламелей под установку элементов поверхностного монтажа перемычкой паяльной маски шириной 0,5 мм min.

1.4.2.Объединять в одну соседние ламели микросхем, а также ламели рядом стоящих чип-компонентов.

1.4.3.Проектировать перемычки, соединяющие две ламели, в промежутках между ламелями микросхем поверхностного монтажа.

1.5. Для КП (ламелей)элементов, монтируемых в отверстия или на поверхность и присоединенных к слоям земли, питания или большим полигонам, необходимо предусматривать в этих слоях тепловые барьеры (утонения, рассечки).

1.6. Минимальное расстояние до ближайшего корпуса должно быть не менее высоты наивысшего из двух соседних корпусов.

2. Дополнительные требования (рекомендации) по проектированию посадочного места под корпуса, имеющие в качестве выводов матрицу шариковых выводов на дне корпуса-Ball Grid Array (BGA).

2.1. Конфигурация элементов посадочного места компонентов BGA приведены на рисунке 3.

2.2. Размеры элементов посадочного места компонентов BGA приведены в таблице 1 (мм).

Шаг выводов корпуса ВGA, мм	Диаметр КП под пайку шариков (соmр),мм	Диаметр КП сквозных трассировочных отверстий, мм			Диаметр сверла, мм	В/ (∆) min Мин. ширина линий – зазор, мм			Диаметр освобождений в паяльной маске, мм	Зазор КП-ПМ по контуру, мм
		comp	sold	внут		comp	sold	внут
1,5	0,6	0,7	0,8	0,8	0,4	0,4	0,4	0,2	+0,2	0,100
1,27	0,6	0,7	0,8	0,8	0,4	0,4	0,4	0,15	+0,1	0,05
1,27	0,6	0,7	0,8	0,8	0,3/0,35	0,2	0,2	0,15	+0,1	0,05
1,0	0,5	0,7	0,8	0,65	0,3/0,35	0,2	0,2	0,125	+0,1	0,05
1,0	0,45	0,65	0,7	0,7	0,3	0,15	0,175	0,125/0,15	+0,1	0,05
0,8	0,35	0,6	0,7	0,65	0,3/0,25	0,15	0,15	0,100/0,125	+0,1	0,05

2.3. Для шагов между шариковыми выводами 1,0 и 0,8 мм разводку экранных слоев в зоне посадочного места BGA проводить отдельными проводниками, в окне освобождения в экранном слое в размер корпуса BGA.

2.4. Разводку по наружным слоям (comp, sold) рекомендуется проводить только от внешних рядов КП. Выбор конкретного варианта проводить по согласованию с изготовителем

2.5. Не допускается выполнять переходные отверстия в КП для распайки шариков BGA-компонентов. (за исключением случаев заполнения отверстий).

2.6. Для компонентов BGA в рисунке наружного слоя рекомендуется уголками (угловыми реперами) обозначить габариты корпуса: ширина линии 0,2 мм, длина полок уголка – 1,5 мм.

2.7. Не рекомендуется расположение компонентов BGA с двух сторон печатных плат напротив друг друга.

2.8. Для обеспечения автоматизированного рентгеновского контроля качества пайки BGA-компонентов рядом с КП для пайки шариков, вводится дополнительная КП касательная основной под углом 45° диаметром равная половине диаметра (0,5 D) основной КП.

Освобождение в паяльной маске 0,05 по сложному контуру составной КП (основная и дополнительная должны быть освобождены от паяльной маски).Рис. 5

3. Дополнительные требования к технологической адаптации, обеспечивающие автоматизированный монтаж.

3.1. Для обеспечения возможности автоматизированной сборки необходимо внесение дополнительных реперных знаков.

3.2. Рекомендуемая форма реперных знаков – ромб с углом 90° (квадрат, повернутый на 45°) или «бабочка» - 2 квадрата, касающиеся одним углом.

3.3.Размер стороны ромба 1,5 мм. Размер стороны квадратов в «бабочке» 1,3 мм.

3.4.Размер освобождения в паяльной маске круг диаметром на 0,5 мм больше размера репера ( его диагонали).

3.5.Выбор места расположения репера в поле платы произвольный – участок, где нет рисунка. Допускается расположение реперов внутри посадочных мест компонентов. Расположение реперов не ближе 5 мм к краю платы.

3.6. Количество реперов – 2 шт. на фрагмент (плату). Желательно расположить реперы по диагонали фрагмента (платы). При сборке на групповую многофрагментную заготовку необходимо ввести дополнительно 2 репера на заготовку вне рабочего поля фрагментов.

3.7. При расположении монтажных элементов с 2-х сторон реперы также должны быть расположены с обеих сторон фрагмента (платы).

3.8. Для одного типа плат реперы должны быть всегда в одинаковых координатах. Координаты реперов нижней и верхней стороны независимы.

3.9. Для элементов QFP, TSOP с шагом выводов 0,5 мм и менее ( а также BGA), рекомендуется по диагонали каждого посадочного места вводить 2 индивидуальных репера микросхемы (ромб 1,5 х 1,5 мм) с освобождением в паяльной маске. Расположение реперов должно быть таким, чтобы они не перекрывались корпусом микросхемы.

Примечание. Для оборудования с инновационными системами видео распознавания образов возможно использование в качестве реперов и иных элементов рисунка слоев печатных плат.

4. Перечень документов и форма поставки компонентов для реализации заказа на изготовление узла на печатных плат (монтаж), изготовленной «на стороне».

4.1. Чертеж в АСАD с техническими требованиями и указанием габаритно присоединительных размеров (учтенный экземпляр КД, положенный в архив).

4.2. Допускается использовать упрощенный вариант чертежа представляющий собой совмещенный рисунок КП под пайку и слоя маркировки со схемными обозначениями.

4.3. Спецификация содержащая позиционный номер, название и маркировку компонента, тип корпуса, схемное обозначение в примечании, дополнительные требования по монтажу нестандартных элементов. Компоненты должны быть сгруппированы по номиналам.

Примечание . Документация должна быть изготовлена в четком виде, однозначно понимаема, легко читаема без дополнительных оптических средств, пригодная к размножению на стандартной множительной технике.

4.4. Накладная с перечнем и количеством передаваемых компонентов.

Примечание. Входной контроль компонентов и их пересчет не производится. Заказчик несет ответственность за качество и правильный подбор комплектации.

4.5. Компоненты должны поставляться в заводской упаковке.

Чип компоненты желательно поставлять на катушках или обрезках ленты максимальной длины микросхемы в вакуумной упаковке. Излишки будут возвращены после монтажа, заказанных узлов. При нарушении вакуумной упаковки изготовитель не отвечает за внутренние повреждения микросхем при пайке.

4.6. Для составления программ автоматизированного монтажа и контроля необходимо передать полные САD-данные в текстовом файле (импортированные из системы САD) содержащие:

• - схемные обозначения (Refds)
• - наименования компонентов и номиналы (Devname)
• - тип корпуса (Type)
• - координаты центров компонентов (Centroid)(или координаты I вывода)
• - угол поворота (Angle)
• - на какой стороне стоит компонент (Side)

4.7. Корпуса используемых компонентов должны соответствовать всем требованиям к компонентам, предназначенным для поверхностного монтажа. В частности, выдерживать воздействие всех технологических сред и термоудар при нахождении в печи (Т = 240÷260 ° С в течении 1,5 минут). В ином случае необходимо в технических требованиях указать особые условия по монтажу.

4.8. Входной контроль печатных плат заказчика не производится. Заказчик отвечает за обеспечение качества печатных плат, в т.ч. в отношении пригодности к монтажу и тепературостойкости.

4.9. Дополнительно к требованиям п.4 необходимо предоставить виртуальную информацию по конструкции печатных плат (рсв или gerber-файлы) для изготовления трафаретов припойной пасты

Приложение 2 к инструкции.

Необходимые данные из cad-программ для монтажа п/п

Х-координата - центр координат компонента по оси Х

Y-координата - центр координат компонента по оси Y.

Поворот - поворот компонента на плате при монтаже.

ип - название оболочки компонента (1206, QFP160 и т.д.).

Значение - значение компонента ( 1.1k, 100nF, BC123A и т.д.).

Ссылки - ссылки компонента на плату ( R1, C33, IC5, D11 и т.д.).

Сторона - сторона на которой монтируется компонент ( TOP, BOTTOM ).

Важно , чтобы вся информация для одного компонента из CAD размещалась на одной строке.

Если CAD-файл включает избыточную информацию, нет необходимости её удалять.

Если Ваша CAD-программа не в состоянии создать один информационный список для всех данных, можно использовать два отдельных файла, сгруппированных по ссылкам компонентов на плату.

Например :

CAD-файл1 -- C1 1206 100Nf

CAD-файл2 -- C1 X-коорд. Y-коорд.

Координаты центров компонентов выражаются в миллиметрах и через (.), например:123.25, допускается вывод этой информации в mils и через запятую.

Также допускается вместо значения угла поворота (90., 180., и т.д.) использовать коды.

Пример информационного файла импортированного из CAD-программы.

RefDesignator	PartLabel	PinCount	Side	MountTYPE	Rot	X	Y
C1	0805_X7R_25V_5%_100nF	2	BOTTOM	SMD	180	17,78	138,113
HL1	AL307BM	2	TOP	THROUGH	180	207,01	2,54
D1	XC4006E-4PQ160	160	TOP	SMD	0	17,78	127