6 практических советов по проектированию печатных плат, чтобы избежать 90% производственных ошибок! Даже новички могут быстро начать работу

При проектировании схем многие сосредотачивают всю свою энергию на схемах и выборе компонентов, поспешно завершая этапы компоновки и трассировки печатной платы. Результат? Либо частые ошибки во время заводского производства, либо неисправность печатной платы после короткого периода использования — перегрев, помехи сигнала, плохая пайка — этих проблем на самом деле можно избежать заранее с помощью научного проектирования. Сегодня мы разберем основные методы проектирования печатных плат, чтобы помочь вам быстро создавать технологичные, функционально стабильные печатные платы!

I. Размещение компонентов: больше, чем просто аккуратность, простота пайки и удобство использования

Размещение компонентов является основой проектирования печатных плат, требующей как соблюдения логики схемы, так и совместимости с производственными процессами. Многие новички стремятся только к «аккуратному внешнему виду», пренебрегая фактическими требованиями к пайке и сборке.

Единая ориентация экономит время

Размещение аналогичных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы, в одном направлении уменьшает необходимость частой регулировки угла машиной во время пайки, повышая эффективность и снижая вероятность холодных паяных соединений и неправильной пайки. Компоненты разных размеров не должны мешать друг другу.

Избегайте размещения небольших компонентов непосредственно под или за большими компонентами. В противном случае, при пайке большого компонента, маленький компонент будет затенен, создавая «теневую область», которая препятствует пайке.

Упростите сборку, категоризируя компоненты.
Постарайтесь разместить компоненты для поверхностного монтажа (SMT) на одной стороне печатной платы и сконцентрировать компоненты со сквозными отверстиями (TH) в верхней части. Это позволяет избежать многократного переворачивания во время заводской сборки, снижая производственные затраты. Если необходимо использовать два типа компонентов вместе, заранее учтите дополнительные затраты на процесс сборки.

II. Проектирование трасс: питание, земля и сигнальные трассы должны быть тщательными.

После размещения компонентов спланируйте трассировку линий питания, земли и сигналов, так как это напрямую влияет на стабильность схемы. Многие проблемы с помехами сигнала и нестабильностью питания возникают из-за проблем с трассировкой.

Слои питания и земли на внутренних слоях.
Разместите слои питания и земли внутри печатной платы, сохраняя симметрию и центрирование. Это предотвращает изгиб печатной платы и обеспечивает более точное позиционирование компонентов. При питании микросхем используйте более толстые трассы и избегайте последовательных соединений (последовательное соединение компонентов), чтобы предотвратить нестабильность напряжения.

Сигнальные трассы должны быть «короткими и прямыми». Сигнальные трассы между компонентами должны проходить по кратчайшему возможному пути; прямые соединения предпочтительнее изгибов. Если компонент необходимо зафиксировать горизонтально, проложите трассу горизонтально на небольшое расстояние, прежде чем повернуть ее вертикально. Это предотвращает растекание припоя во время пайки, вызывающее смещение компонента; наоборот, прокладка трассы сначала вертикально может привести к наклону компонента.

Ширина трассы должна соответствовать току. Для обычных слаботочных сигналов (например, цифровых и аналоговых сигналов) достаточно трассы шириной 0,010 дюйма (10 мил). Если ток превышает 0,3 ампера, ширину трассы необходимо увеличить; чем выше ток, тем шире должна быть трасса, чтобы предотвратить перегрев и перегорание.

III. Изоляционный дизайн: цифровые, аналоговые и источники питания должны быть разделены.

Высоковольтные, сильноточные цепи питания могут легко создавать помехи для чувствительных управляющих или аналоговых цепей, что приводит к проблеме «дрожания сигнала», с которой сталкиваются многие. Правильная изоляция значительно снижает помехи.

Земля питания и земля управления должны быть разделены. Земля питания и земля управления каждого источника питания должны быть проложены отдельно, а не смешиваться. Если соединение необходимо, оно должно выполняться только в конце пути питания, чтобы избежать проведения помех. Строгая изоляция цифровых и аналоговых цепей

Если печатная плата содержит цифровые схемы (например, микроконтроллеры) и аналоговые схемы (например, датчики), они должны быть расположены отдельно, и для плоскости земли промежуточного слоя должны быть предусмотрены соответствующие пути импеданса. Аналоговые сигналы должны проходить только по аналоговой земле и не должны пересекаться с цифровой землей, чтобы уменьшить емкостную связь.

IV. Рассеивание тепла: не позволяйте теплу разрушить вашу печатную плату

Многие печатные платы испытывают снижение производительности или даже выгорают после определенного периода использования, скорее всего, из-за недостаточного рассеивания тепла. Это особенно актуально для силовых компонентов, где накопление тепла может серьезно повлиять на срок их службы.

Определите «гигантов тепла»

Проверьте в паспорте компонента параметр теплового сопротивления (TRT). Более низкий TRT приводит к лучшему рассеиванию тепла. Держите мощные компоненты (например, транзисторы и силовые микросхемы) подальше от чувствительных компонентов и при необходимости добавьте радиаторы или небольшие вентиляторы.

Термоплощадки — это ключ

Компоненты со сквозными отверстиями должны использовать термоплощадки. Они замедляют рассеивание тепла от выводов, обеспечивая достаточную температуру во время пайки и предотвращая холодные паяные соединения. Кроме того, добавление «слезных» площадок в точках соединения между площадками и трассами усиливает поддержку медной фольги и снижает тепловое и механическое напряжение.

Типичный метод подключения термоплощадки

V. Термоплощадки: «Волшебный инструмент» для дефектов пайки

Многие новички не знают о функции термоплощадок, что приводит к обрывам цепей, холодным паяным соединениям и плохим паяным соединениям, которые невозможно исправить, многократно регулируя температуру печи. Основная причина проблемы заключается в конструкции проводки.

Большие участки медной фольги питания или земли нагреваются медленно и быстро рассеивают тепло. Если выводы припоя небольших компонентов (например, резисторов и конденсаторов в корпусе 0402) напрямую подключены к большой медной фольге, температура не достигнет точки плавления припоя во время пайки, что приведет к холодному паяному соединению. Во время ручной пайки тепло быстро отводится, что также препятствует успешной пайке.

Принцип работы термоплощадок прост: соединение площадок с большой площадью медной фольги с помощью нескольких тонких медных полосок обеспечивает электропроводность, уменьшая при этом площадь рассеивания тепла. Это позволяет площадкам поддерживать достаточную температуру во время пайки, обеспечивая прочное прилипание припоя к площадкам.

VI. Проверка конструкции: не скупитесь на заключительном этапе

После завершения проектирования всегда выполняйте двойную проверку; в противном случае даже небольшие ошибки могут сделать всю печатную плату непригодной для использования.

Во-первых, запустите «проверки правил»: используйте функции проверки электрических правил (ERC) и проверки правил проектирования (DRC) в программном обеспечении для проектирования, чтобы проверить ширину трасс, расстояние между ними, короткие замыкания, непроложенные сети и т. д., чтобы обеспечить соответствие производственным требованиям.

Во-вторых, проверьте сигнал за сигналом: от схемы до печатной платы проверьте соединение каждой сигнальной линии, чтобы избежать пропусков или ошибок. Используйте функцию экранирования программного обеспечения, чтобы убедиться, что компоновка соответствует схеме.

Заключение

Проектирование печатных плат может показаться сложным, но его суть вращается вокруг «технологичности» и «стабильности». Правильное размещение компонентов, обеспечение коротких и широких трасс, реализация хорошей изоляции и рассеивания тепла, эффективное использование термоплощадок и, наконец, проведение тщательной проверки — эти шесть шагов помогут вам избежать большинства ошибок.

Новичкам не нужно стремиться к совершенству с самого начала. Сначала освойте эти основные навыки, а затем оптимизируйте их в сочетании с реальными проектами. Вы быстро сможете разрабатывать высококачественные печатные платы. Помните, что хорошее проектирование печатных плат не только снижает производственные затраты, но и делает производительность схемы более стабильной и продлевает срок ее службы.