Проектирование для производства DFM в Altium Designer. Часть 4. Размещение компонентов

В статье рассмотрены вопросы детальной проработки будущей печатной платы, которые позволят спланировать размещение и ориентацию компонентов платы с учётом технологических требований производства. Рассмотрена специфика размещения компонентов в зависимости от технологии изготовления, типов корпусов и назначения разрабатываемого устройства. Также рассмотрены возможности САПР Altium Designer, позволяющие учесть эти особенности.

Введение

Это заключительная статья цикла, посвящённого проектированию печатных плат с учётом технологии производства и технологических требований. В статье рассматриваются вопросы проектирования для производства (DFM). DFM – это способ организации процесса проектирования изделий на основе печатных плат. Достижение корректного результата может вызвать проблемы, если не соблюдать все требования.

После того как выбраны материалы [1] и подходящая стратегия конструирования (подключение проводников, установка переходных отверстий, паяльная маска и финишные покрытия) печатной платы [2, 3], осталось определиться с тем, какие технологические требования необходимо учитывать при размещении ранее выбранных компонентов.

Процесс размещения компонентов окажет большое влияние на то, как в дальнейшем будет использовано полезное пространство платы. Этап размещения компонентов на плате может стать одним из самых сложных этапов в процессе проектирования. Тип компонентов и способ их установки очень сильно влияют на последующее размещение на плате. Далее будут даны рекомендации, как оптимизировать размещение компонентов с точки зрения технологичности и учёта требований разрабатываемого устройства.

От правильного подхода к проектированию печатной платы зависит процесс её последующего изготовления. Подход к проектированию печатной платы может отличаться от проекта к проекту, однако существует ряд конструктивных рекомендаций, которые позволяют учесть требования DFM и довести проект платы до завершения без проблем, связанных с производством.

Общие рекомендации по размещению

Прежде чем углубиться в нюансы размещения и ориентации компонентов, необходимо запомнить несколько базовых рекомендаций:

  • для эффективности процесса пайки рекомендуется выполнять одинаковое ориентирование компонентов в одинаковых корпусах;
  • при одновременном использовании технологии пайки волной и компонентов, монтируемых в отверстия, нежелательно располагать компоненты на стороне пайки за компонентами, монтируемыми в отверстия;
  • для ускорения производства и удешевления стоимости платы стоит разместить на одной стороне все компоненты поверхностного монтажа, монтируемые по технологии группового поверхностного монтажа, а остальные компоненты (которые предназначены для установки вручную) – на другой стороне;
  • при выборе типов корпусов компонентов старайтесь выбирать компоненты, устанавливаемые по одной технологии. Смешение технологий монтажа может потребовать дополнительных манипуляций, что увеличит время и стоимость изготовления;
  • для обеспечения качественной пайки компонентов уделите внимание слою паяльной маски;
  • для компонентов ручного монтажа укажите контактные площадки заземления и место для заземления на плате. Описанные рекомендации позволят избежать большинства проблем и задержек при изготовлении платы. Далее будут даны рекомендации в зависимости от конкретных корпусов и при использовании определённых технологий изготовления.

Размещение компонентов и расстояние между ними

Первый вопрос при размещении компонентов: какова величина минимально необходимого расстояния между компонентами? Именно это расстояние повлияет на процесс пайки, ремонтопригодность устройства, ограничения по тестированию, производительность изготовления и в конечном счёте – на надёжность устройства. Недостаточное расстояние между компонентами может привести к тому, что при размещении компонентов станок не сможет их установить, понадобится ручной труд. Максимальное расстояние между корпусами на плате ограничивается массогабаритными характеристиками платы, технологическим оборудованием и быстродействием работы схемы. В некоторых случаях необходимо располагать компоненты поверхностного монтажа как можно ближе друг к другу.

Рекомендуемые расстояния между компонентами (размеры указаны в мм)
Рекомендуемые расстояния между компонентами (размеры указаны в мм). *При уменьшении размера корпуса может быть и уменьшено расстояние между компонентами. Например,  для корпуса 0402 компоненты могут быть расположены на расстоянии 0,5 мм, а для корпуса 0603 – на расстоянии 0,64 мм

Больше всего ограничений по размещению компонентов имеет технология пайки волной припоя. Неправильное расположение компонентов относительно волны припоя может привести к дефектам пайки. Когда появляется необходимость в произвольном расположении чип-компонентов на нижней стороне (предназначенной для пайки волной), для предотвращения эффекта затенения следует соблюдать минимальное расстояние между компонентами (см. рис. 1).

Altium Designer расстояние между компонентами при пайке волной
Рис. 1. Расстояние между компонентами при пайке волной

В общем случае рекомендуется соблюдать расстояние между компонентами, равное высоте самого высокого компонента (минимум – 1/2 высоты). Зависимость минимального расстояния между КП чип-компонентов от сложности изготовления платы показана на рисунке 2. Рекомендуемые расстояния между компонентами в зависимости от типа корпуса можно найти в таблице [4]. Более подробную информацию можно узнать из стандарта IPC-7351 [5]. Минимально допустимое расстояние между компонентами можно узнать у выбранного изготовителя печатных плат.

Altium Designer расстояние между КП чип-компонентов: а) изготовить легко; б) изготовление средней сложности; в) изготовить сложно
Рис. 2. Расстояние между КП чип-компонентов: а) изготовить легко; б) изготовление средней сложности; в) изготовить сложно

Если печатная плата состоит из крупных компонентов высотой более 5 мм, рекомендуется сделать расстояние между компонентами равным высоте корпуса самого большого компонента. Этот подход позволит обеспечить достаточное место для визуального осмотра и возможных последующих доработок.

Для соблюдения теплового баланса платы во время оплавления припоя желательно распределить компоненты как можно более равномерно по всей плате. Это гарантирует равномерность прогрева платы (ни одна область на плате не будет горячее другой). С целью минимизации изгибов и перекосов дополнительно рекомендуется избегать расположения крупных компонентов в одной области платы, что обеспечит сбалансированное распределение тепла.

Неравномерное распределение тепла может привести к появлению у чип- компонентов эффекта «надгробного камня»: неправильной пайки оплавлением, из-за которой образуется паяное соединение только с одной стороны компонента (см. рис. 3).

Контакт компонента оторван от КП (эффект «надгробного камня»)
Рис. 3. Контакт компонента оторван от КП (эффект «надгробного камня»)

Если при изготовлении печатного модуля применяется технология конвейерной сборки, необходимо оставлять зазор в 5 мм от края платы до компонентов в направлении движения платы. Это нужно для фиксации платы на конвейере и транспортировки по ленте.
Отдельно стоит остановиться на размещении компонентов в корпусе BGA. Рекомендуется располагать все BGA-компоненты с одной стороны печатной платы. Это позволит избежать дополнительных технологических операций при двустороннем монтаже. В случае двустороннего монтажа у изготовителя платы должна быть предусмотрена технология, обеспечивающая поддержку уже установленных в процессе монтажа компонентов со второй стороны, например использование термоотверждаемого клея. При использовании печатных плат стандартной толщины (1,5 мм) и площадью более 160 см2 компоненты в корпусах BGA и QFP не рекомендуется располагать в центре платы из-за деформации, вызванной большой массой компонентов (см. рис. 4).

Altium Designer Пример эффекта изгиба и скручивания платы с BGA-компонентами
Рис. 4. Пример эффекта изгиба и скручивания платы с BGA-компонентами

Если конструкция устройства предполагает наличие компонентов в корпусах BGA с двух сторон, необходимо смещать их относительно друг друга для облегчения монтажа, дальнейшего ремонта и контроля качества пайки (см. рис. 5).

Altium Designer Стратегия размещения BGA-компонентов
Рис. 5. Стратегия размещения BGA-компонентов

Размещать чип-компоненты под корпусами BGA или ZIF с противоположной стороны платы следует только при обоснованной необходимости, поскольку это тоже усложняет проверку и ремонт таких конструкций.

Для сохранения единообразия конструктивов и облегчения процесса сборки рекомендуется размещать все полярные конденсаторы, ориентируя положительный контакт вправо или вниз. Полярность конденсаторов обязательно необходимо указывать на слое шелкографии. Блокировочные конденсаторы всегда размещаются как можно ближе к выводам питания микросхем. При пайке волной припоя конденсаторы необходимо располагать перпендикулярно корпусам SOIC и потоку припоя.

Ориентация платы и компонентов при пайке волной

Большинство ограничений по размещению компонентов связаны именно с использованием технологии пайки волной припоя. Из-за этих ограничений данная технология монтажа компонентов постепенно заменяется более современными. Однако она имеет и ряд преимуществ: высокая производительность, отсутствие требований к высокой квалификации персонала, возможности одновременной пайки компонентов смешанного монтажа и пайки по бессвинцовой технологии. Если изготовитель печатных плат использует именно эту технологию, необходимо придерживаться некоторых дополнительных ограничений. Есть ряд технологических факторов, которые напрямую влияют на то, как плата будет проходить через сборочное оборудование производителя и какое расстояние должно быть от компонентов до края платы (в зависимости от контура платы).

При пайке волной, во избежание образования зон перегрева, рекомендуется выполнять равномерное распределение компонентов по печатной плате (см. рис. 6а). Расположение крупных компонентов в одной зоне может стать причиной повышения температуры пайки с риском перегрева чип-компонентов (см. рис. 6б).

Altium Designer равномерное размещение крупных компонентов
Рис. 6а. Равномерное размещение крупных компонентов: а) равномерное; б) в одной зоне
Altium Designer Размещение крупных компонентов в одной зоне
Рис. 6б. Размещение крупных компонентов в одной зоне

Для пайки волной рекомендуется печатную плату расположить так, чтобы волна припоя проходила по длинной стороне. Это минимизирует изгиб печатной платы и сложность настройки технологического оборудования.

Компоненты необходимо ориентировать относительно контура платы и предполагаемого будущего места пайки вдоль длинной стороны. Чип-компоненты и компоненты в корпусах SOIC ориентируются параллельно направлению потока припоя, как показано на рисунке 7а. Самая плохая ситуация – перпендикулярное расположение компонентов относительно друг друга (см. рис. 7б). При этом возникают эффекты затенения и неравномерности пайки, а иногда даже непропай. Необходимо контролировать расположение компонентов: маленькие не должны находиться в «тени» больших.

Altium Designer Хорошее ориентирование компонентов
Рис. 7а. Хорошее ориентирование компонентов
Altium Designer Плохое ориентирование компонентов
Рис. 7б. Плохое ориентирование компонентов

Контроль выполнения технологических требований в САПР Altium Designer

Для управления размещением компонентов и его контроля в процессе проектирования печатной платы в Altium Designer существует группа правил Placement, которая позволяет определять и контролировать различные технологические требования, связанные с размещением компонентов.

Для контроля зазора между компонентами существует специальное правило проектирования Component Clearance (см. рис. 8). Зазор можно контролировать как с учётом реальной трёхмерной модели, так и по специальному слою в посадочном месте компонента.
Для соблюдения ориентации компонента относительно длинной стороны плат предусмотрено правило проектирования Component Orientations (см. рис. 9), которое позволяет проконтролировать расположение компонентов параллельно направлению волны припоя, при этом можно ограничить правило только определённым типом корпуса. Для этого в области Where The Object Matches необходимо выбрать параметр Package и указать желаемый тип корпуса, например SOIC.

Altium Designer Правило Component Clearance
Рис. 8. Правило Component Clearance

Altium Designer правило Component Orientations
Рис. 9. Правило Component Orientations

Для назначения компонентов определённым слоям можно воспользоваться правилом Permitted Layers (см. рис. 10), которое позволит проконтролировать установку компонентов в корпусе BGA только с одной стороны или размещение всех компонентов, монтируемых по технологии группового монтажа, на одной стороне для ускорения и удешевления последующего производства.

Altium Designer правило Permitted Layers
Рис. 10. Правило Permitted Layers

Существуют и другие правила проектирования, позволяющие выполнить корректную установку компонентов и ограничить зону установки на определённом участке платы (Room Definition), указать максимальную высоту компонентов (Height). Также имеется правило, позволяющее не учитывать какую-либо цепь (NetsToIgnore) в процессе компоновки платы.

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 размещения компонентов на печатной плате крайне важно учитывать и технологию изготовления самой платы. От качества выполнений технологических требований и рекомендаций в значительной степени будет зависеть надёжность, ремонтопригодность, скорость и стоимость изготовления будущего устройства.

Информация, изложенная в четырёх частях цикла статей по DFM, позволит избежать проблем c последующим изготовлением спроектированной печатной платы. Однако есть и другие аспекты, влияющие на процесс изготовления устройства. В следующих статьях, посвящённых печатным платам (уже за пределами цикла DFM), будет рассмотрено оформление документации по ЕСКД, нюансы размещения тестовых контрольных точек для отладки и тестирования, а также многое другое.

Выполнить все требования, предъявляемые производителем печатных плат, поможет набор инструментов, входящих в состав САПР Altium Designer.

Авторы: Игорь Зырин, Дэвид Марракчи. Статья размещения в журнале Современная электроника №5 2020

Литература

  1. Зырин И., Марракчи Д. Проектирование для производства (DFM). Часть 1. Выбор материалов. Современная электроника. 2019. No 9.
  2. Зырин И., Марракчи Д. Проектирование для производства (DFM). Часть 2. Подготов- ка стратегии конструирования печатного узла. Современная электроника. 2020. No 3.
  3. Зырин И., Марракчи Д. Проектирование для производства (DFM). Часть 3. Подготов- ка стратегии конструирования печатного узла. Современная электроника. 2020. No 4.
  4. Spirent Communications. PCB CAD Design Guidelines. 2005.
  5. Общие требования к технологии поверхност- ного монтажа. IPC-7351 Generic Requirements for Surface Mount Design. URL: http://pcbget.ru/ Files/Standarts/IPC_7351.pdf.