Всесторонний анализ топологии печатной платы в Altair PollEx для Altium Designer.
Часть 1. Проверка топологии перед производством.
Внедрение моделирования в процесс разработки печатной платы позволяет инженерам-конструкторам выявлять потенциальные проблемы изготовления и монтажа печатных плат на ранних стадиях проектирования. Верификация топологии печатных плат является необходимым шагом для снижения производственных, финансовых и временных затрат. Комплексный подход включает проверку как электрических характеристик печатной платы (DFE, DFE+, LDFE), так и параметров для изготовления и монтажа печатной платы (DFM, DFA). В статье рассмотрены возможности Altair PollEx – программного решения компании Altair Engineering, предназначенного для анализа, проверки и верификации печатных плат на любой стадии проектирования.
Cовременные программные инструменты предоставляют мощные средства для быстрого и точного обнаружения широко распространенных дефектов печатных плат, которые в противном случае потребовали бы тщательного ручного анализа, лабораторного тестирования или натурных испытаний. Altair PollEx – это программное решение, которое значительно ускоряет разработку электронных устройств благодаря комплексному моделированию и верификации топологии печатной платы (рис. 1).
Altair PollEx включает в себя инструменты для анализа целостности сигналов (SI) и питания (PI), теплового анализа (Thermal), а также проведения более 1 500 проверок топологии на технологичность (DFM), сборку и монтаж (DFA), соответствие электрическим характеристикам (DFE) из единого интерфейса (рис. 2).
Инструменты для анализа целостности сигналов позволяют проанализировать и оптимизировать линии передачи сигналов, выполнить анализ глазковой диаграммы, перекрестных помех, памяти DDR. Эти инструменты предоставляют возможность провести анализ во временной и частотной области. Анализ целостности питания дает возможность проанализировать шумы (перекрестные помехи) при одновременном переключении сигналов, а также выполнить анализ падения напряжения по постоянному току, анализ распределения питания по переменному току, анализ питания по переменному току с применением развязывающих конденсаторов.
Тепловой анализ печатной платы осуществляется с использованием метода конечных элементов. Построение сетки происходит автоматически, температура рассчитывается на верхней и нижней стороне корпуса компонента с учетом температуры перехода. Пользователь может задать граничные условия и добавить радиаторы для улучшения характеристик печатной платы.
Верификация топологии печатной платы на соответствие электрическим характеристикам включает в себя более 400 проверок. Правила сгруппированы по категориям: правила для высокоскоростных сигналов, дифференциальных пар, цепей, питания, компонентов и топологии платы. Пользователь может найти нарушения, связанные с расположением переходных отверстий, экранированием, путями обратного тока, длиной и шириной дифференциальных пар и др. Для повышения эффективности работы можно настроить правила, экспортировать их в отдельный файл и использовать их в дальнейшем при верификации топологии.
Пользователям Altium Designer бесплатно доступна ограниченная версия Altair PollEx for Altium (подробнее), которая позволяет провести базовый анализ целостности сигналов, тепловой анализ, электрическую верификацию и анализ технологичности печатной платы. Для установки Altair PollEx необходимо перейти во вкладку Extensions and Updates и выбрать для установки Altair PollEx. После установки в меню Altium Designer появится отдельная вкладка Altair PollEx (рис. 3). Тесная интеграция Altium Designer и Altair PollEx позволяет разработчику экспортировать проекты и проводить всесторонний анализ и верификацию топологии печатной платы. Обнаруженные ошибки подсвечиваются в Altium Designer и могут быть сразу исправлены.
Рассмотрим верификационные инструменты Altair PollEx для анализа технологичности топологии печатной платы, которые позволяют обнаружить часто встречающиеся ошибки при производстве. В процессе производства может возникнуть такой дефект, как кислотные ловушки – места подтравов на печатной плате, которые чаще всего образуются в острых углах между проводниками (рис. 4). Проводники, соединенные под углом менее 90°, создают в процессе производства ловушки, где собирается остаточная кислота, особенно перед промывкой платы. Это может вызвать коррозию или обрыв цепи, что приводит к отказу.
Следует обратить внимание, что к появлению кислотных ловушек могут также привести проводники, соединенные с переходными или сквозными отверстиями без каплевидных соединений. С помощью Altair PollEx инженер может проверить трассировку на наличие острых углов. Эта проверка обнаруживает проводники, подключенные к контактным площадкам под углом 90°, что позволит исправить трассировку, которая может вызвать проблемы при травлении. В результате этой проверки будут также помечены цепи, у которых угол трассировки отличается от 45 или 90°. Использование проверки Teardrops позволяет выявить контактные площадки без каплевидных соединений, в частности для компонентов в корпусе типа DIP, где возможна вероятность пробоя отверстия (рис. 5).
Микросхемы в корпусах типа BGA являются наиболее часто используемым компонентом в сложных высокоскоростных платах с высокой плотностью компоновки. Необходимо учитывать ряд факторов для обеспечения надежной работы BGA-микросхем. Исправление некоторых из возможных проблем после изготовления печатной платы может повлечь за собой дополнительные затраты с точки зрения времени и ресурсов. Большинство проблем при использовании BGA-микросхем связано с контактными площадками для «массива шариковых выводов», расположенного с обратной стороны микросхемы. Корректные величины зазоров вокруг каждой контактной площадки обеспечивает правильный монтаж BGA-микросхем. С помощью Altair PollEx разработчик может проверить зазормежду контактными площадками микросхемы и переходными отверстиями (рис. 6). При трассировке BGA-микросхемы переходные отверстия между контактными площадками должны в идеальном случае располагаться в центре четырех контактных площадок BGA-корпуса. В противном случае припой, образованный на контактных площадках, может проникнуть в переходные отверстия, поскольку площадь маски для нанесения припоя больше площади металлизированной контактной площадки.
В процессе производства может возникнуть также эффект «надгробного камня» (Tombstone) из-за неправильного смачивания припоем контактной площадки или вывода компонента. При плавлении паяльной пасты неравномерная сила натяжения на концах выводов компонента приводит к тому, что компонент приподнимается с одной стороны. С помощью Altair PollEx инженер может контролировать соотношение ширины подключенных проводников к контактной площадке, используя проверку Connected Pattern Direction (рис. 7). Из-за несоответствия теплоотдачи двух контактных площадок одну из них нужно сильнее нагревать, чтобы обеспечить правильное соединение. Следовательно, разница температур создаст дисбаланс силы натяжения при смачивании припоем, что приведет к эффекту «надгробного камня». Чтобы предотвратить проблему необходимо убедиться в том, что соотношение ширины подключенного проводника и контактной площадки находится в допустимых пределах.
После изготовления плату обычно тестируют, чтобы удостовериться в отсутствии коротких замыканий и обрывов в цепях. После монтажа компонентов плату часто тестируют повторно, чтобы проверить целостность сигналов и работоспособность платы. Для проведения тестирования на плате, как правило, предусматривают так называемые контрольные точки (Testpoints), на которых с помощью испытательного оборудования можно снять показания и выполнить необходимые тесты. Обычно контрольные точки включают в топологию печатной платы для тестирования критических цепей и компонентов, связанных с питанием или находящихся в труднодоступных местах, но некоторые из них можно пропустить при разработке платы. Altair PollEx проверяет наличие контрольных точек для указанных компонентов и цепей (рис. 8).
Важную роль при производстве и монтаже печатной платы играет слой шелкографии (слой маркировки), который предназначен для облегчения процесса монтажа компонентов и размещения дополнительной справочной информации. Слой шелкографии содержит следующую информацию: контуры компонентов, обозначающие зоны, в которых они должны быть установлены; индикатор первого вывода (для сложных многовыводных микросхем индикатор первого вывода помогает правильно разместить компонент на печатной плате); позиционные обозначения (они не должны размещаться под компонентом, поверх контактных площадок и переходных отверстий, чтобы не усложнять процесс пайки). Важно убедиться, что информация, расположенная на слое шелкографии, представлена точно, чтобы избежать каких-либо несоответствий в топологии.
При использовании Altair Pollex разработчик может выполнить проверку Reference Name Checking, которая контролирует позиционные обозначения компонентов и наличие индикатора первого вывода для сложных многовыводных компонентов (рис. 9). С помощью проверки Check for reference names overlapping with other objects (components, pads and holes) пользователь может убедиться, что в топологии нет пересечений позиционных обозначений с другими объектами (компонентами, контактными площадками, отверстиями). Следует избегать размещения позиционного обозначения на определенных объектах на плате, чтобы предотвратить ряд проблем: шелкография в отверстиях и шелкография на проводнике могут создать проблемы целостности сигналов и питания, а шелкография на паяемых поверхностях может ухудшить надежность паяных соединений.
Эффективная передача результатов верификации топологии печатной платы так же важна, как и проведение самой верификации. В PollEx DFx реализована функция экспорта, с помощью которой можно передавать информацию о проведенных проверках в формате Excel.
Кроме разработчиков печатных плат, PollEx обеспечивает эффективную рабочую среду для технологов SMT-процессов, которые могут быстро получить данные для трафаретов, сборки, монтажа и тестирования печатных плат. Рассмотрим несколько инструментов PollEx, которые повышают эффективность работы инженеров-технологов.
Менеджер трафаретов. После изготовления печатной платы с помощью трафарета на нее наносят слой паяльной пасты для пайки компонентов поверхностного монтажа. После того, как наносят пасту, плата помещается в автомат для установки компонентов. В это время флюс, содержащийся в паяльной пасте, удерживает все детали на месте до тех пор, пока не завершится весь процесс установки компонентов. Altair PollEx содержит базу данных стандартных трафаретов, управляет историей изменений трафаретов и контролирует отличия топологии печатной платы от стандартных трафаретов из базы данных (рис. 10). Пользователь может управлять несколькими базами данных трафаретов или изменять трафарет печатной платы в соответствии с унифицированными стандартами.
Создание JIG-блоков. Создание JIG-блоков в Altair PollEx используется для проверки технологичности печатных плат с точки зрения оборудования для трафаретной печати (рис. 11). Устойчивое положение печатной платы обеспечивает равномерное нанесение припоя в процессе поверхностного монтажа. При изменении формы печатной платы необходимо также корректировать JIG-блоки. Быстрое создание проектного чертежа с JIG-блоками возможно с использованием проектных данных печатной платы, Gerber-файлов или мультиплицирования печатной платы (объединения нескольких рисунков печатной платы на одной заготовке для сокращения затрат на производство).
Эмулятор монтажа. Altair PollEx включает в себя набор инструментов для проверки монтажа на основе библиотек 3D-компонентов, созданных с помощью UPE (PollEx Unified Part Library Editor). Разработчик может проверить корректность расположения компонентов, а также проанализировать координаты и углы размещения компонента (рис. 12). Полученные результаты можно экспортировать в Microsoft Excel.
Программные решения компании Altair Engineering предоставляют возможность инженерам совместно работать над всеми аспектами разработки печатных плат, включая комплексное и междисциплинарное моделирование. Использование Altair PollEx позволяет оптимизировать процесс проектирования и сократить время выхода на рынок, обеспечивая при этом высокую производительность, надежность и соответствие требованиям стандартов.
Автор статьи: Александр Евграфов (ae@elm-c.ru)
Статья опубликована в журнале No3 (00214) 2022 ЭЛЕКТРОНИКА наука | технология | бизнес
ЛИТЕРАТУРА
