Рекомендации по проектированию печатных плат

Общеизвестно, что при выполнении любого проекта цена ошибки тем выше, чем раньше она допущена. В данной статье даны рекомендации, которые могут быть использованы при проектировании печатных плат с использованием SMD-компонентов еще на этапе разработки («разводки») платы.

Статья поможет избежать ошибок, существенно усложняющих или даже делающих невозможным изготовление и монтаж платы с использованием современного оборудования, что влечет за собой удорожание и увеличение длительности производства проекта.

Статья построена по принципу вопросов \ ответов, то есть дана попытка ответить на наиболее часто возникающие у заказчиков вопросы. В статье используются рекомендации стандарта IPC-SM-782 Surface Mount Design and Land Patterns ( Руководство по проектированию плат и контактных площадок для поверхностного монтажа  ).

Какое должно быть оптимальное расстояние между элементами на печатной плате?

Разумеется, с точки зрения людей осуществляющих монтаж вашей печатной платы, не существует максимального рекомендуемого расстояния между компонентами на печатной плате — чем больше, тем лучше. Однако некоторые проекты требуют как можно более плотного размещения компонентов на печатной плате, поэтому часто приходится находить какой-то компромис. Пример минимальных рекомендуемых расстояний представлен на Рис. 1.

Рис. 1. Примеры минимальных рекомендуемых расстояний между компонентами на печатной плате

Как следует размещать компоненты на печатной плате для монтажа ?

При использовании технологий пайки волной или пайки оплавлением в конвекционных печах SMD компоненты должны быть по возможности сориентированы в одном направлении. Для плат, у которых одна из сторон должна паяться волной припоя, предпочтительная ориентация компонентов показана на Рис. 2.

Рис. 2. Ориентация компонентов при использовании технологии пайки волной для компонентов поверхностного монтажа

Предпочтительное расположение компонентов поверхностного монтажа:

— все пассивные компоненты должны быть расположены параллельно друг другу

— все SOIC-компоненты должны размещаться перпендикулярно длинной оси пассивных компонентов

— длинная ось SOIC должна быть параллельна направлению движения платы при пайке волной припоя

Рис. 3. Пример расположения (ориентации) компонентов на печатной плате 

В какой сетке следует размещать компоненты на плате ?

Для проектов, использующих традиционные компоненты выводного монтажа, рекомендуется сетка 2,54 мм (100 mil), для более плотного размещения, при использовании поверхностного монтажа, сетку размещения можно уменьшить до 1,27 мм (50 mil) или даже до 0,63 мм (25 mil). Применение более мелкой сетки часто бывает неоправдано.

Какой монтаж печатных плат лучше: двусторонний или односторонний ?

Следует различать двусторонний монтаж компонентов на печатную плату и односторонний. Разработчики должны стараться разместить все компоненты на одной стороне ( "основной" стороне ) печатной платы. В противном случае это повлечет за собой удорожание монтажа печатных плат.

Что такое «Реперные знаки» (Fiducial Marks) и для чего они используется?

Данные знаки используются  как автономная система координат, имеющаяся в наличии на каждой печатной плате и необходимая для оборудования на всех этапах производства печатных плат и последующего монтажа. Они позволяют оборудованию скорректировать погрешности измерения текущих координат, накапливающиеся в процессе их монтажа. 

Существует два вида знаков: общие и локальные.

- Общие реперные знаки используются для всей печатной платы или в случае, если несколько печатных плат объединены в панель. 

-  Локальные реперные знаки используются для привязки конкретного компонента ( обычно с большим количеством выводов и маленьким шагом между ними ).

  Для корректного вычисления координат сдвигов по осям X.Y и поворота рисунка печатной требуется минимум два реперных знака на одной печатной плате, обычно расположенных в диагонально противоположных углах, на максимально возможном друг от друга расстоянии.

Для корректного вычисления координат сдвигов некоторых конкретных компонентов также требуются по два локальных знака, расположенные обычно по диагонали периметра области, занимаемой компонентом. В случае нехватки свободного места можно использовать один локальный знак, предпочтительно в центре занимаемой компонентом области. 

Рекомендуемый размер реперного знака — 1,5 мм (60 mil), как для общих, так и для локальных. Иногда используют общие реперные знаки большего размера, чем локальные, но это не всегда является удачным вариантом, так как не все оборудование по производству и монтажу печатных плат способно быстро перестраиваться на различные виды реперных знаков на одной и той же печатной плате. Различные виды реперных знаков изображены на Рис. 4.

Рис. 4. Виды реперных знаков

Минимальный рекомендуемый размер реперного знака — 1,0 мм (40 mil), максимальный — 3,0 мм (120 mil). Между знаком и остальными  частями печатной платы должен быть зазор (см. Рис. 5).

Рис. 5. Зазор между реперным знаком и остальными элементами печатной платы

Рис. 6. Размещение реперных знаков панели печатных плат

- Размещайте все реперные знаки и технологические отверстия в привязке к узлам соответствующей сетки

- Размещайте реперные знаки на обеих сторонах платы.

- Стандартные диаметры технологических отверстий - 2,4мм, 2,8мм, 3,2мм.

- Общий реперный знак нужно располагать минимум в 5 мм от края платы.

Координаты точки привязки — (0,0), два остальных знака расположены по осям X и Y. Общие реперные знаки должны располагаться на всех слоях, содержащих компоненты как для поверхностного, так и для выводного монтажа печатных плат.

Как правильно подводить проводники к контактным площадкам, для того чтобы получить впоследствии хорошее качество пайки печатных плат?

Широкие проводники, подходящие к контактным площадкам, могут помешать  хорошему пропаиванию элементов, так как тепло будет «уходить» с площадки по широкому проводнику - в результате пайка получится «холодной». Поэтому часто используются узкие проводники, соединяющие непосредственно контактную площадку и широкий проводник, как показано на Рис. 7.

Рис. 7. Соединение контактной площадки и широкого проводника на печатной плате

Ширина подводящего «узкого» проводника может варьироваться в пределах от 0,25 до 0,125 мм (зависит от технологических возможностей производителя печатных плат).

2.   Проводить дорожки между соседними площадками рекомендуется, как показано на Рис. 8 (при условии отсутствия жестких требований к длине проводника).

Рис. 8. Проведение проводников между соседними площадками на печатной плате

3. Вокруг  контактной  площадки со всех сторон наносят паяльную маску, которая препятствует перемещению расплавленного припоя вдоль проводника. Этот способ может успешно применяться,  когда игнорируются лервые из двух вышеперечисленных.

Каким должно быть взаимное расположение переходных отверстий и контактных площадок для обеспечения хорошего качества пайки элементов на печатной плате?

Чрезмерно близкое размещение контактных площадок и переходных отверстий препятствует уходу тепла и припоя с контактной площадки, и как следствие — «холодная» пайка. В этом случае справедливы те же рекомендации, что и для широких проводников. На Рис. 9 представлено рекомендуемое расположение переходных отверстий и контактных площадок на печатной плате.

Рис. 9. Рекомендуемое расположение переходных отверстий и контактных площадок на печатной плате

Что такое панелирование печатных плат и для чего оно применяется?

Монтаж элементов можно производить как на отдельной печатной плате, так и одновременно на нескольких платах, объединенных в панель. Печатные платы или панели  с ними, для которых выполняется автоматический монтаж, имеют некоторые особенности:

- обычно на краях панели ( или одиночной печатной платы) оставляют с двух сторон свободную от компонентов полоску шириной от 3,8 (150 mil) до 10 (400 mil) мм. Конкретная ширина полоски зависит от требований конкретного производителя (рекомендуется 10 мм).

- для точной фиксации печатной платы при монтаже и пайке требуется 4 (минимум 2) отверстия, расположенных по углам панели ( одиночной печатной платы ). Эти отверстия (обычно диаметром 3,2 мм) можно также располагать в свободных областях печатной платы.

Примерное построение панели показано на Рис. 10.

Рис. 10. Вид законченной печатной платы для автоматизированного поверхностного монтажа

Каким образом разделить печатные платы, объединенные в панель?

Несколько небольших печатных плат, объединенных в одну панель, после завершения монтажа требуют разделения. Существует два основных метода разделения и их различные модификации (см. Рис. 11 и 12):

1) Фрезерование с последующим выламыванием плат из панели.

Рис. 11. Метод фрезерования с последующим выламыванием плат из панели

 2) Скрайбирование ( при этом линии скрайбирования должны быть прямыми и проходить от одного края панели к другому через всю панель )

Рис. 12. Разделение плат, объединенных в одну панель, методом скрайбирования ( фрезерование на 1/3 глубины )

Окончательный выбор между этими способами зависит от технологических возможностей вашего производителя печатных плат.

Журнал "Компоненты и технологии"

№45 от 5 мая 2002 года