Проектирование для производства DFM в Altium Designer. Часть 2. Подготовка стратегии конструирования печатного узла

В статье рассмотрены нюансы детальной проработки будущей печатной платы, которые позволят спланировать размещение элементов платы с учётом технологических требований производства. Также внимание уделено специфике поверхностного и «врубного» монтажа, особенностям слоёв шелкографии, паяльной маски, переходных отверстий и элементов сглаживания (teardrops). В тексте продемонстрированы возможности САПР Altium Designer, позволяющие учесть эти требования и рекомендации.

Введение

Статья продолжает цикл материалов, посвящённых проектированию печатных плат с учётом технологии производства и технологических требований. Другими словами, в статье затрагиваются вопросы проектирования для производства (DFM). DFM – способ организации проектирования изделий на основе печатных плат. Достижение корректного результата может вызвать проблемы, если не соблюдать все требования.

После того, как выбор материалов завершён (подробнее в статье: Проектирование для производства (DFM) в Altium Designer. Часть 1. Выбор материалов), необходимо более детально проработать основные параметры печатной платы, влияющие на проектирование и изготовление. Подход к проектированию печатной платы может отличаться от проекта к проекту, однако существует ряд основных конструктивных рекомендаций, которые учитывают ряд требований DFM и позволяют довести проект платы до завершения без проблем, связанных с производством.

Необходимо учитывать вопросы проектирования печатных плат с компонентами поверхностного монтажа и монтируемых отверстий (так называемый «врубной» монтаж). Также следует принимать во внимание особенности работы со слоями паяльной маски и маркировки (шелкографии). Важны нюансы создания переходных отверстий и прочие вопросы, позволяющие спланировать подход к проектированию печатной платы и избежать проблем на старте.

Сквозные или поверхностные контактные площадки

В процессе проектирования печатной платы перед конструкторами стоит выбор между компонентами, монтируемыми по технологии поверхностного монтажа (surface mount technology – SMT) или устанавливаемыми в сквозные отверстия (through-hole).

Плата считается гибридной, если применяются сразу обе технологии. Согласно современным отраслевым тенденциям в области проектирования печатных плат, лучше стремиться к тому, чтобы на плате преобладали именно поверхностно-монтируемые компоненты (surface mounted devices – SMD). Компоненты, устанавливаемые в металлизированные сквозные отверстия (plated through-hole devices – PTH), требуют большего времени для изготовления и проектирования печатных плат.

Технология SMT доминирует на рынке проектирования печатных плат с 1990-х годов и имеет много преимуществ, например более высокую плотность размещения компонентов при более низкой стоимости. В процессе выбора между SMT и through-hole необходимо следовать перечню рекомендаций:

  • печатные платы с компонентами PTH чаще всего монтируются по технологии групповой пайки волной, в то время как печатные платы с компонентами типа SMD могут быть смонтированы как по технологии групповой пайки волной припоя, так и по технологии оплавления паяльной пасты. В отличие от компонентов типа PTH компоненты типа SMD в большинстве своём подходят для автоматизированного способа установки;
  • процесс изготовления гибридной печатной платы сложен: сроки и стоимость изготовления больше, чем у других видов плат;
  • ручной способ монтажа применим ко всем компонентам PTH и к части корпусов компонентов типа SMD.

Этот способ нецелесообразен с точки зрения использования человеческих ресурсов, сроков, стоимости изготовления. От выбранного способа установки компонентов напрямую зависят последующие затраты и время изготовления. Рекомендуется придерживаться именно технологии SMT при разработке профессиональных конструкций, так как SMT позволяет более эффективно использовать пространство платы, увеличивает скорость изготовления (особенно при серийном производстве) и минимизирует стоимость. Также платы с компонентами типа SMD отличаются более высокой надёжностью.

Большая часть проблем при монтаже элементов на печатную плату зависит от качества создания посадочных мест. В редакторе посадочных мест, входящем в состав Altium Designer, можно создавать все типы посадочных мест для компонентов (резисторов, конденсаторов, микросхем): от простых стандартной формы для поверхностного и «врубного» монтажа до самых сложных и нестандартных. С помощью специальных мастеров в программе процесс создания посадочных мест компонентов можно автоматизировать (Руководство по созданию сложных посадочных мест в Altium Designer).

Для стандартизированных корпусов поверхностного монтажа (см. рис. 1) в Altium Designer есть мастер создания посадочных мест. Этот мастер, основанный на стандарте IPC-7351 (IPC Compliant Footprint Wizard), позволяет избежать многих ошибок. Мастер посадочных мест последовательно запрашивает исходные данные для построения посадочного места. Чтобы сформировать посадочное место с помощью этого мастера, потребуется ввести параметры корпуса. Расположение контактных площадок и формирование линий на слое шелкографии будет выполнено автоматически по заложенным в программу формулам.

Перечень корпусов по стандарту IPC-7351
Рис. 1. Перечень корпусов по стандарту IPC-7351

Если корпус элемента для разрабатываемого посадочного места основан на типовых принципах построения корпусов, таких как BGA, Capacitors, Diodes, DIP, Edge Connectors, LCC, PGA, QUAD, Resistors, SOP, SBGA, SPGA, можно воспользоваться мастером создания посадочных мест (Footprint Wizard). В этом случае будет нужно ввести все параметры контактных площадок (ширину, глубину, длину, диаметр отверстия), отступы от линий шелкографии, шаг расположения и количество. Используя возможности Footprint Wizard, создать посадочные места можно для большинства типов компонентов. Если нужно сделать посадочное место для нестандартного компонента, следует использовать соответствующий редактор (см. рис. 2).

Редактор посадочных мест для нестандартного компонента
Рис. 2. Редактор посадочных мест для нестандартного компонента

Такой редактор позволяет загрузить 3D-модель в посадочное место и проконтролировать совмещение выводов элемента с контактными площадками посадочного места. У некоторых компонентов контактные поверхности имеют нестандартную форму, однако в редакторе посадочных местcвозможно создавать контактные площадки любой формы (см. рис. 3).

Пример контактной площадки сложной формы
Рис. 3. Пример контактной площадки сложной формы

Шелкография и позиционные обозначения компонентов

Слой шелкографии (известный как слой маркировки) предназначен для облегчения монтажа печатного узла, ремонта и размещения дополнительной справочной информации, помогающей понять интерфейс. Все компоненты на плате обычно имеют контурные линии, обозначающие зоны, в которых они должны быть установлены. Контуры компонентов на слое шелкографии помечаются в соответствии с названием, имеют дополнительные указания по ориентации компонента на печатной плате (ключи) и индикаторы полярности. Нужно убедиться, что все элементы шелкографии читаемы и видимы даже после установки компонентов. Это упростит проверку после монтажа компонентов.

В таблице 1 приведены рекомендации по созданию слоя шелкографии для различных типов компонентов: размещение обозначений компонентов и их индикаторов-ключей, а также создание контуров и линий, позволяющих правильно определить место установки компонентов с учётом их габаритов.

Таблица 1. Рекомендации создания обозначений на слое шелкографии
Таблица 1. Рекомендации создания обозначений на слое шелкографии
Рекомендации создания обозначений на слое шелкографии
Таблица 1. Рекомендации создания обозначений на слое шелкографии

Для управления и контроля процессом создания маркировки на слое шелкографии в Altium Designer можно установить ряд правил и ограничений. Правило Silk to Solder Mask Clearance (см. рис. 4) контролирует наложение рисунка маркировки на контактные площадки.

Правило контроля пересечения элементов маркировки контактных поверхностей (наложение рисунка маркировки на контактные площадки) в Altium Designer
Рис. 4. Правило контроля пересечения элементов маркировки контактных поверхностей (наложение рисунка маркировки на контактные площадки) в Altium Designer

Наличие маркировки на площадках иногда мешает процессу пайки и приводит к нарушению монтажа электрорадиоизделия (ЭРИ). Другое правило, Silk to Silk Clearance (см. рис. 5), контролирует зазоры между элементами маркировки, обеспечивает читаемость и корректное размещение.

Правило контроля зазоров между элементами маркировки в Altium Designer
Рис. 5. Правило контроля зазоров между элементами маркировки в Altium Designer

Обозначения компонентов

В таблице 2 приведён список стандартных обозначений по ГОСТ 2.710 [1] компонентов, использующихся при разработке электрических принципиальных схем. Этот список обозначений не является полным. Рекомендуется использовать эти обозначения для нанесения маркировки на все печатные платы с целью унификации обозначений и сокращения затрат на стандартизацию конструкторской документации. Использование стандартных обозначений также позволит повысить читаемость печатной платы при изготовлении, доработках или ремонтах.

Таблица 2. Буквенные коды наиболее распространённых видов элементов в соответствии с ГОСТ 2.710-81

Паяльная маска

Паяльная маска представляет собой тонкий лакоподобный слой, нанесённый в качестве окончательного покрытия на печатную плату, чтобы защитить проводящий рисунок, не предназначенный для пайки. Паяльная маска обладает рядом преимуществ:

  • защищает печатную плату от повреждений, вызванных протеканием окислительно-восстановительных реакций в паре медь – атмосферный кислород;
  • предотвращает образование мостиков из припоя между элементами проводящего рисунка. Паяльная маска выступает в роли барьера, так как не обладает смачиваемостью припоем;
  • нанесённая непосредственно на медные проводники без финишного покрытия маска позволит предотвратить отслаивание во время сборки.

Соблюдение зазоров – это одно из основных производственных требований, влияющих на нанесение защитной паяльной маски в проекте. Вскрытие защитной паяльной маски с отступами от элементов проводящего рисунка нужно везде, где требуется пайка или электрический контакт: вокруг контактных площадок SMD и PTH, контактных поверхностей-отверстий, для измерительных инструментов, реперных знаков и др. Указание зазоров паяльной маски позволит избежать попадания на контактные площадки в процессе изготовления. Нормальным значением отступа считается 0,05 мм. Для получения точных значений допустимых зазоров следует обращаться к изготовителю. Не стоит использовать минимальные значения зазоров на всей печатной плате. Минимальные значения целесообразно использовать только для элементов с малым шагом выводов.

Второе основное производственное требование, которое необходимо учитывать при проектировании, – минимальная ширина паяльной маски (масочный мостик).

Паяльная маска может выступать в роли барьера при пайке элементов и предотвращать образование мостиков из припоя. Стандартным значением ширины паяльной маски, устойчивой к внешним воздействиям, является 0,15 мм. Однако в элементах с малым шагом выводов, чтобы обеспечить качественную пайку, допускается локальное уменьшение ширины масочных мостиков с одновременным уменьшением отступов маски от контактных площадок. В некоторых случаях целесообразно уменьшить ширину контактных площадок для увеличения зазоров между ними. Предельные значения нужно узнавать у производителя.

Рис. 6. Правило контроля зазоров на слое паяльной маски в Altium Designer
Рис. 6. Правило контроля зазоров на слое паяльной маски

Управлять и контролировать процесс создания паяльной маски в Altium Designer можно с помощью правил в редакторе правил и ограничений. Правило Minimum Solder Mask Sliver (см. рис. 6) контролирует минимальные зазоры на слое паяльной маски, правило Solder Mask Expansion (см. рис. 7) позволяет установить и контролировать отступ для зоны вскрытия паяльной маски от края переходного отверстия или края контактной площадки.

Правило контроля отступов паяльной маски в Altium Designer
Рис. 7. Правило контроля отступов паяльной маски

Переходные отверстия

Переходные отверстия – важная часть любой печатной платы, так как эти отверстия позволяют осуществить электрическую связь между слоями. Однако при проектировании переходных отверстий необходимо учитывать ряд особенностей, которые могут повлиять на дальнейшее изготовление печатной платы. Обычно переходные отверстия имеют отступ от соседних проводников. На зазор в значительной степени влияет то, каким образом нанесена паяльная маска: будет ли это закрытое переходное отверстие или отверстие с открытой маской. Для открытых переходных отверстий требуются увеличенные отступы от проводников. Не любое переходное отверстие можно металлизировать. Следует обратить внимание на допустимое соотношение сторон, которое способно обеспечить производство. Многие современные производители способны изготовить печатную плату с переходными отверстиями в соотношении 1:5 между диаметром и толщиной.

При толщине печатной платы 1,5 мм можно использовать переходные отверстия диаметром 0,3 мм. Большинство производителей способны изготовить переходные отверстия и с большим соотношением, но в этом случае могут возникнуть дополнительные ограничения на итоговую толщину печатной платы. При выборе размера отверстия следует помнить, что готовое сквозное металлизированное отверстие получится меньше внутреннего диаметра, так как на него будет нанесён проводящий слой меди (среднее значение этого слоя составляет 15...20 мкм).

В менеджере слоёв Layer Stack Manager, входящем в состав Altium Designer, имеется возможность создавать все существующие типы переходных отверстий (см. рис. 8).

Возможности создания переходных отверстий
Рис. 8. Возможности создания переходных отверстий

Гарантийный поясок переходных отверстий

Поясок металлизации переходного отверстия – это разница между диаметром контактной площадки отверстия и соответствующим диаметром сверла или областью на площадке, которая окружает переходное отверстие (см. рис. 9). Размер пояска металлизации переходного отверстия закладывается на этапе проектирования печатной платы. Гарантийный поясок (annular ring) переходного отверстия – это минимально допустимое расстояние между краем отверстия и краем соответствующей контактной площадки в самом узком месте, оставшееся после травления печатного рисунка.

Рекомендуемая ширина гарантийного пояска
Рис. 9. Рекомендуемая ширина гарантийного пояска

В процессе изготовления выявляется ряд факторов, которые могут приводить к смещению центра отверстия относительно площадки. В зависимости от класса разрабатываемой печатной платы отверстие может выступать за границы площадки, касаться её или иметь минимальное значение ширины (см. рис. 10). С учётом предъявляемых требований к гарантийному пояску после изготовления производитель печатной платы может потребовать увеличения размеров контактной площадки.

Правило контроля размеров переходных отверстий при смещении
Рис. 10. Правило контроля размеров переходных отверстий при смещении

Открытые переходные отверстия представляют собой открытые межслойные переходы, которые не покрыты паяльной маской. Между такими элементами на плате минимальная ширина паяльной маски должна составлять: 0,5 мм – рекомендуемое значение, 0,4 мм – минимальное (см. рис. 11). Покрытие паяльной маской сквозных переходных отверстий вместе с контактной площадкой должно быть установлено в проекте печатной платы как значение по умолчанию. Производитель печатных плат не будет это делать самостоятельно. Закрытие переходных отверстий паяльной маской особенно важно в конструкциях с элементами типа BGA, где контактные площадки расположены близко друг к другу (см. рис. 11).

Рис. 11. Правила размещения открытых переходных отверстий в Altium Designer
Рис. 11. Правила размещения открытых переходных отверстий

Управление и контроль выбора диаметра переходного отверстия и толщины гарантийного пояска в Altium Designer устанавливается с помощью редактора правил и ограничений. Правило Minimum Annular Ring контролирует минимальную ширину гарантийного пояска, правило Hole Size позволяет установить и контролировать диапазон допустимых диаметров переходных отверстий.

Переходные отверстия на контактных площадках и микропереходы

Ещё один тип переходных отверстий, которые можно применять в проектах, – переходные отверстия на контактных площадках и микропереходы. Использование технологии сквозных переходных отверстий позволит упростить процессы трассировки элементов в корпусах типа BGA и размещение фильтрующих конденсаторов. Также эта технология упростит решение вопросов теплопередачи и заземления. Для проектирования печатных плат с такими отверстиями рекомендуется:

  • переходные отверстия, расположенные внутри контактных площадок, закрыть медным слоем. Обратная сторона таких отверстий должна быть закрыта медным слоем или паяльной маской, чтобы не допустить попадания химических растворов внутрь отверстия;
  • следует закрыть переходные отверстия, иначе в процессе монтажа могут возникнуть проблемы, связанные с перераспределением припоя от места соединения через переходное отверстие. Это может привести к недостатку припоя и образованию пустот в паяном соединении.

Процесс создания закрытых сквозных переходных отверстий, расположенных на контактных площадках, может сделать далеко не каждый производитель печатных плат. Чтобы исключить проблемы, связанные с производством, стоит использовать в качестве переходных отверстий микропереходы.

Микропереходы (microVia) выполняются по технологии сверления на заданную глубину с помощью фрезеровки или лазера, после чего металлизируются на этапе металлизации всей многослойной печатной платы. Использование таких переходных отверстий имеет ряд особенностей. Например, создавать микропереходы на большую глубину нецелесообразно, так как соотношение глубины такого перехода к диаметру обычно составляет 0,7 мм. При диаметре отверстия 0,2 мм углубиться можно на 0,14 мм, а это значение обычно соответствует второму слою с края. Ещё одной немаловажной особенностью печатных плат с микропереходами является большая толщина осаждённой меди на верхних слоях. Как следствие, для толстого слоя меди производитель может потребовать увеличения ширины и зазоров между проводниками.

Глухие и скрытые переходные отверстия

Так же, как и обычные сквозные переходные отверстия, глухие и скрытые переходные отверстия (blind and/ or buried vias – BBV) представляют собой отверстия, которые соединяют один или несколько слоёв. Глухие переходные отверстия соединяют один из внешних слоёв с одним или нескольким внутренними слоями. Скрытые переходные отверстия соединяют внутренние слои между собой. Пример переходных отверстий показан на рисунке 12. Для создания каждого отверстия производитель печатных плат должен выполнить дополнительную металлизацию отверстий, что увеличит толщину проводников на крайних слоях таких отверстий.

Примеры глухих и скрытых переходных отверстий
Рис. 12. Примеры глухих и скрытых переходных отверстий

Переходные отверстия и компоненты поверхностного монтажа

В процессе оплавления паяльной пасты при пайке компонентов в корпусах для поверхностного монтажа (наиболее критично для BGA-корпусов) компоненты могут смещаться или перекашиваться. Может возникнуть ситуация возникновения короткого замыкания вывода компонента с близкорасположенным переходным отверстием. Поэтому нужно стараться использовать именно закрытые маской переходные отверстия, располагая их под корпусом или рядом с контактными площадками корпусов SMD. При необходимости использования именно открытых переходных отверстий следует придерживаться следующих правил:

  • если переходное отверстие расположено в одной плоскости с контактной площадкой SMD-компонента (необязательно BGA), то расстояние между переходным отверстием и контактной площадкой должно составлять не менее 50% от ширины контактной площадки;
  • если переходное отверстие расположено со стороны торца контактной площадки, то оно должно располагаться с отступом от него. Обычно требуется отступ порядка 0,4 мм.

В таблице 3 приведены примеры того, как рекомендуется располагать переходные отверстия относительно SMD-компонентов и чего следует избегать.

Рекомендации по размещению вскрытых переходных отверстий рядом с чип-компонентами
Таблица 3. Рекомендации по размещению вскрытых переходных отверстий рядом с чип-компонентами

Каплеобразное сглаживание (teardrop)

Дополнительные каплеобразные элементы (teardrop), призванные сгладить переходы между широким медным участком и узким, плавно снижают термическое и механическое напряжения. В этом случае проводник при соединении с контактной площадкой имеет дополнительную медную опору. Добавление teardrop также позволит облегчить обеспечение минимального гарантийного пояска при сверлении отверстия через контактную площадку переходного отверстия.

Добавление teardrop - элементов особенно актуально при применении тонких проводников. Для проводников шире 0,5 мм добавление сглаживаний обычно не требуется. Если разрабатываемая печатная плата не является частью высокоскоростного или радиочастотного устройства, лучше всегда добавлять элементы сглаживания на завершающих этапах разработки печатной платы. На рисунке 13 показаны примеры таких элементов сглаживания.

Примеры teardrop-элементов
Рис. 13. Примеры teardrop-элементов

В Altium Designer имеется специальный инструмент, который позволяет создавать и удалять элементы сглаживания на печатной плате (см. рис. 14). Создавать «капли» можно и только для выделенных элементов проводящего рисунка, и для всех элементов сразу. Доступен выбор стиля формирования «капли». Выбор осуществляется в зависимости от предпочтений проектировщика либо в зависимости от рекомендаций производителя. Также доступен выбор объектов, для которых будет осуществляться сглаживание: переходные контактные отверстия, поверхностные контактные площадки, разноширинные или Т-образные проводники.

Инструмент для создания teardrops в САПР Altium Designer
Рис. 14. Инструмент для создания teardrops в САПР Altium Designer

Печатную плату также можно проверить на наличие технологических ошибок при помощи программного решени Altair PollEx. Это программное решение для разработчиков электронных устройств, предназначенное для анализа, проверки и верификации печатных плат на любой стадии проектирования. Использование PollEx позволяет значительно уменьшить количество ошибок до этапа производства. Altair PollEx работает непосредственно с проектом Altium Designer, позволяет провести анализ целостности сигнала, анализ целостности питания, тепловой анализ и проверку на наличие ошибок DFM (500+), DFE (300+), DFA (50+) и DFE+ (50+). Подробнее >>

Заключение

В процессе подготовки стратегии для проектирования печатной платы, пригодной для производства, необходимо определиться с типами компонентов, которые будут применяться в проекте – будут ли это компоненты поверхностного / «врубного» монтажа или же это будет гибридная печатная плата.

Необходимо учитывать все особенности доступных типов переходных отверстий, знать их достоинства и недостатки, применять их в соответствии с рекомендациями. Особое внимание важно уделять созданию слоя с маркировкой / шелкографией. Это может повлиять на дальнейший процесс изготовления печатной платы и работы с ней. Необходимо учитывать ряд требований по работе со слоем паяльной маски.

Используя информацию, изложенную в статье, можно избежать проблем при изготовлении печатной платы. Спроектировать посадочные места с корректным слоем шелкографии, выполнить настройку типов переходных отверстий, определить правила и контролировать слой паяльной маски, добавлять элементы сглаживания (teardrop), влияющие на изготовление платы – всё это поможет сделать набор инструментов, входящих в состав САПР Altium Designer.

В следующей статье цикла продолжится тема подготовки стратегии конструирования печатного узла и размещения переходных отверстий. Будут даны рекомендации по расположению проводников на печатной плате и рассмотрены вопросы установки термобарьеров, а также различные варианты размещения переходных отверстий, соединения проводников и полигонов с контактными площадками посадочных мест компонентов.

Авторы: Игорь Зырин, Дэвид Марракчи. Статья размещения в журнале Современная электроника №3 2020

Литература
1. ГОСТ 2.710-81. Обозначения буквенно- цифровые в электрических схемах. Стан- дартинформ. 2008.