Стоит ли добавлять слезы при проектировании печатных плат?

Этот вопрос может вызвать долгие дебаты среди новых и опытных инженеров в электронной промышленности: одни настаивают на том, что слезы необходимо добавлять на всю плату, называя это «операцией спасения жизни» для повышения надежности; другие категорически против, жалуясь, что добавление их на высокочастотные платы напрямую приводит к сбою сигнала. Еще больше путает то, что у опытных инженеров совершенно противоположные подходы.

На самом деле, не существует стандартного ответа «обязательно добавлять» или «категорически не добавлять» для слез. Ключ в том, чтобы понять их истинную функцию и найти правильные сценарии применения. Сегодня мы объясним основную логику слез на печатных платах простыми словами, чтобы вам больше никогда не пришлось об этом беспокоиться!

Во-первых, поймите это: слезы — это не «декорация», а совокупность 5 практических функций.

Слезы — это каплевидные или дугообразные переходные медные области между дорожками и контактными площадками или переходными отверстиями печатной платы. Они могут показаться незначительными, но скрывают пять ключевых функций:

1. Укрепление соединения:
Как усилительные полосы на швах одежды, слезы увеличивают площадь контакта между дорожкой и контактной площадкой, рассеивая внешние силы. Будь то вибрация во время транспортировки продукта, подключение и отключение во время использования или последующее обслуживание и удаление разъема, это предотвращает отрыв контактной площадки и дорожки, непосредственно удваивая механическую прочность.

2. Защита контактных площадок от «сбоев»:
Во время многократных циклов пайки контактные площадки неоднократно подвергаются термическому расширению и сжатию, что легко приводит к деформации и отслаиванию; неравномерное травление во время производства и несовпадение переходных отверстий также могут привести к растрескиванию контактных площадок. Слезы действуют как буфер, поглощая термическое напряжение и снижая эти риски сбоев.

3. Обеспечение плавной передачи сигнала:
Когда ширина дорожки и контактной площадки резко меняется, сигналы склонны к отражению и затуханию. Плавный переход слезы уменьшает изменения импеданса, обеспечивая более плавную передачу сигнала и предотвращая «пробки».

4. Улучшение «выхода» производства:
Сверла неизбежно имеют небольшие отклонения при сверлении. Дополнительный запас меди слезы «смягчает» это, предотвращая обрыв дорожки из-за отклонений при сверлении; это также уменьшает проблемы с перетравливанием во время процесса травления, давая фабрикам более высокую толерантность к ошибкам во время производства.

5. Эстетический «бонус»:
По сравнению с жесткими прямоугольными соединениями, слезы делают переход между дорожками и контактными площадками более естественным, улучшая общий вид печатной платы. Плата выглядит более организованной и профессиональной, а визуальный эффект напрямую улучшается.

В этих сценариях слезы — это «обязательно», и их пропуск неизбежно приведет к проблемам.

Основываясь на реальных сценариях применения, рекомендуется в первую очередь добавлять слезы в следующих 4 ситуациях, чтобы значительно снизить риск сбоя продукта:

1. Среды с высоким механическим напряжением: Обязательное добавление
Продукты, такие как автомобильная электроника, промышленные контроллеры и часто подключаемые/отключаемые интерфейсы разъемов, подвержены вибрации, столкновениям или частому подключению/отключению. Соединение между дорожками и контактными площадками является «слабым местом», где концентрируется напряжение. Рекомендуется выбирать слезы округлой или «снеговиковой» формы, которые могут эффективно рассеивать напряжение и предотвращать разрушение при использовании.

2. Высокочастотные/высокоскоростные сценарии сигнала: Добавлять с осторожностью
Высокочастотные и высокоскоростные схемы, такие как модули связи 5G и высокоскоростные интерфейсы памяти, предъявляют чрезвычайно высокие требования к целостности сигнала. Слезы не следует добавлять слепо; следует отдавать предпочтение плавным, изогнутым слезам, и согласование импеданса должно быть проверено путем моделирования, чтобы избежать искажения сигнала, вызванного слезами.

3. Печатные платы высокой плотности: Выборочное добавление
Плата высокой плотности, такая как материнские платы мобильных телефонов и носимые устройства, имеют чрезвычайно ограниченное пространство для трассировки. Добавление слез на всю плату займет дополнительное пространство и повлияет на плотность трассировки. Рекомендуется добавлять их только к критическим контактным площадкам и переходным отверстиям и опускать их в некритических областях, чтобы сбалансировать надежность и эффективность трассировки.

4. Сценарии оптимизации массового производства: Настраивать по мере необходимости
Для недорогих потребительских электронных продуктов, если производственные возможности производителя печатных плат средние (например, низкая точность сверления), площадь покрытия слез может быть соответствующим образом увеличена для компенсации недостатков процесса и улучшения выхода массового производства; если процесс производителя отлажен, можно использовать обычный размер, чтобы избежать траты места.

Добавление слез в этих 3 местах эквивалентно... Добавлению слез: Действуйте с осторожностью!

Не все сценарии подходят для добавления слез. Слепое добавление их в следующих ситуациях будет только контрпродуктивным:

1. Области, чувствительные к импедансу:
Для областей с чрезвычайно высокими требованиями к импедансу, таких как антенны и дифференциальные пары, проверка импеданса должна быть выполнена перед добавлением слез. Если слезы вызывают несоответствие импеданса, это напрямую повлияет на производительность продукта, делая его хуже, чем если бы они вообще не были добавлены.

2. Платы сверхвысокой плотности:
Для таких продуктов, как миниатюрные датчики и чрезвычайно компактные материнские платы мобильных телефонов, где плотность проводки уже максимальна, слезы еще больше сжимают пространство для трассировки, потенциально приводя к трудностям с трассировкой или даже риску короткого замыкания. Перед принятием решения о добавлении необходимо тщательно оценить.

3. Малосложные схемы:
Для простых плат управления и обычных потребительских электронных устройств, которые имеют более низкие требования к механической прочности и целостности сигнала, преимущества добавления слез ограничены, и это только увеличит время проектирования. Чтобы упростить процесс и повысить эффективность, дизайн слез можно опустить.

Резюме: Основной принцип слез — «адаптировать по мере необходимости».

Слезы на печатных платах по сути являются дизайном оптимизации «вишенкой на торте», а не основным элементом, определяющим функцию схемы. Они не являются ни «панацеей», ни «излишним предметом»:

• При стремлении к надежности и работе со сложными средами они являются «защитным экраном» для снижения рисков;
• При работе с трассировкой высокой плотности и высокочастотными/высокоскоростными сигналами они являются «деталью», которая требует тщательного контроля;
• В простых схемах и массово выпускаемых продуктах с отлаженными процессами они являются «опцией оптимизации», которую можно гибко выбирать.

Отличный дизайн печатной платы никогда не заключается в слепом нагромождении функций, а скорее в точной адаптации к потребностям продукта. Овладение применимыми сценариями и методами проектирования слез необходимо для нахождения наилучшего баланса между надежностью, производительностью и эффективностью.