СЕКРЕТЫ СОВРЕМЕННЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Печатные платы в буквальном смысле слова основа электронных устройств — они обеспечивают монтаж компонентов и их электрическое соединение. Платы должны быть спроектированы и изготовлены в соответствии с требованиями данного применения, выбирая расположения слоев, материалов и параметров линий таким образом, чтобы избежать неблагоприятных явлений (рост сопротивления, лишняя связь сигналов и чрезмерное излучение электромагнитных помех).

СЕКРЕТЫ СОВРЕМЕННЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Дизайн печатных плат должен также быть оптимизированным и с точки зрения производственных затрат, что достигается за счет уменьшения использования дорогостоящих производственных процессов. Поэтому требуется анализ не только расположения слоев печатной платы, а и производительность и ограничения процесса, такие как фольгирование, нанесение покрытия и травление, которые определяют дальнейшие ограничения конструкции. К ним относятся, помимо прочего, минимально допустимая ширина дорожки и предельно достижимые размеры зазоров, контактных площадок и переходных отверстий.

Сотрудничество между сборщиками печатных плат и подрядчиками, которые регулярно работают вместе по данному вопросу, начинается еще до того как они начнут соединять компоненты на схемах. Уже в начале определяют, исходя из первоначальных проектных требований и предполагаемой сложности, какие технологические линии на конкретном производственном предприятии могут быть учтены в качестве потенциального места выполнения данного заказа.

Затем анализируются детали конструкции: расположение слоев печатной платы, материалы для ее изготовления, общая толщина платы с учетом допусков, количество циклов фольгирования, детали слоев (их количество, толщина меди на каждом слое, плотность меди в сигнальных, заземляющих, смешанных плоскостях, требования к контролю сопротивления для отдельных слоев), минимальное расстояние между корпусами BGA и другими специальными компонентами, требования к глубине отверстий (заглубленные, штабелированные, глухие), требуемая ширина и зазоры дорожек, любые другие требования к размерам.

Результатом этих консультаций обычно является набор правил проектирования, касающихся минимально возможных деталей конструкции печатной платы. Это дает разработчикам отправную точку для включения рекомендаций в используемое ими программное обеспечение для проектирования печатных плат.

Проблема VIPPO

Но всё-равно не всегда удается избежать неудачных дизайнерских решений. Позже они имеют свои последствия уже на этапе реализации печатной платы.

СЕКРЕТЫ СОВРЕМЕННЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Пример неэффективной конструкции печатной платы с большим количеством переходных отверстий

Примером может служить дизайн VIPPO (через платы с покрытием). Для того чтобы печатные платы этого типа можно было паять традиционным методом, без риска затекания припоя в плату, гальванические переходные отверстия должны быть заполнены проводящей или непроводящей эпоксидной смолой и покрыты слоем меди. Поскольку сборка VIPPO требует этого дополнительного этапа – стоимость увеличивается.

Кроме того, необходимость добавления эпоксидной заливки увеличивает запас зазоров между деталями конструкции печатной платы. Это, в свою очередь, заставляет пересчитывать ширину линии, которая становится немного меньше с увеличением толщины меди. К сожалению, разработчики печатных плат не всегда осознают влияние включения структуры VIPPO в процесс травления и сборки.

Небрежное размещение микроотверстий также приводит к дополнительным затратам. Пример конструкции, реализация которой требует больших затрат, показан на рисунке выше.

Сквозь слои L1–12 можно различить сквозное отверстие. Другое — в виде скрытых переходных отверстий через слои L4-L8. Кроме того, микроотверстия должны быть выполнены в слоях L1-L4, сдвинутых друг к другу, а следующие, на этот раз уложенные, через слои L9-L12. Для завершения этого проекта требуется 4 цикла. В первом выполняются слои L4 – L8. За один цикл они фольгируются, сверлятся, гальванизируются и травятся. В следующем цикле эти процессы повторяются для слоев выше и ниже уже сделанных. Это происходит еще 2 раза. Каждый такой многоэтапный цикл увеличивает стоимость, поэтому конструкторы всегда должны стремиться ограничить их количество.

СЕКРЕТЫ СОВРЕМЕННЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Эффект увеличения толщины меди

Другая проблема показана на рисунке. При использовании более толстой меди требуются более широкие пути и расстояние. Обычно это проблема в готовых проектах, где количество меди нужно увеличить, а существующие размеры уже максимально возможны. Кроме того, в случае более тяжелых медных слоев требуется достаточно прочная подложка.

Стратегии DFM, DFS и DFP

Проектирование печатных плат с учетом осуществимости — это лишь одна из стратегий, которой следует следовать. DFM (Design for Manufacturing) дополняется следующими подходами: DFS (Design for Solvability) и DFP (Design for Performance).

Прежде всего решить проблему расположения компонентов и путей путем размещения сложных схем на печатной плате. Это связано с DFM, потому что оно должно учитывать возможности и ограничения доступных технологий производства.

Целью последней стратегии является обеспечение электромагнитной совместимости и целостности сигнала. Это, по мере увеличения плотности размещения печатных плат и частоты коммутации цифровых схем, становится все более затруднительным.

Далее представим стратегию DFS с практической стороны, на примере процедуры оценки количества слоев печатной платы.

Количество, размер и тип компонентов на печатной плате определяют оптимальное количество слоев, из которых она должна состоять. Стоит отметить, что когда речь идет о размере, следует учитывать не только физические размеры компонента. Важно и свободное пространство вокруг него, которое указано в документации (даташите).

Если планируем размещение компонентов с шагом контактов менее 0,5 мм, это означает проектирование печатных плат HDI (High Density Interconnections).

Количество контактов и размер платы

Еще одним параметром который потребуется в дальнейшем при оценке необходимого количества слоев платы, является количество выводов ее компонентов. Интересным параметром с точки зрения дальнейших расчетов будет количество сигнальных выводов. Чтобы его рассчитать, нужно от их общего количества вычесть количество контактов для подключения питания.

Далее нужно оценить полезный размер печатной платы которую планируем разработать. Исключите все зазоры, в том числе предназначенные для предотвращения излома краев и областей вокруг монтажных отверстий. Площади с обеих сторон должны суммироваться.

Здесь стоит добавить общее замечание — если печатная плата слишком большая или слишком маленькая, можно ожидать проблем с ее разводкой. В первом случае много ценного лишнего пространства, с учетом затрат на массовое производство, будет потрачено впустую. Слишком мало места означает проблему с расположением путей и компонентов.

Линии и переходы на плате

Пути также занимают место. Выполнение соединений между компонентами печатной платы с минимальным количеством слоев зависит от ширины этих сигнальных линий и расстояния между ними. Используйте среднее значение самых широких и самых узких запланированных путей и расстояния между ними в дальнейших расчетах. Более точный результат можно получить из среднего значения, рассчитанного как среднеквадратичное значение различных ожидаемых размеров.

Еще одним важным элементом дизайна, влияющим на количество слоев печатной платы, является количество переходных отверстий. Глухие и скрытые переходные отверстия обычно следует рассматривать отдельно. С другой стороны, обычные переходные отверстия должны быть добавлены в полезную область на всех слоях. Для этого следует рассчитать их общую площадь как произведение диаметра площадок направляющих на их количество. Это может дать немного избыточный результат, зато обеспечит запас поверхности, например, для контрольных точек.

Как посчитать количество слоев

Соотношения, представленные ниже, являются ориентировочными. Первая оценка количества необходимых слоев дает отношение площади, занимаемой размещаемыми на печатной плате компонентами, к полезной площади платы. В некоторых программах проектирования печатных плат этот коэффициент рассчитывается автоматически после импорта посадочных мест.

Если соотношение данных величин будет около 0,9:1, то обязательно нужно будет использовать чередования, чтобы иметь возможность реализовать все требуемые соединения. По мере приближения к соотношению 1:1 потребуется больше слоев. При превышении этого соотношения полезную площадь придется увеличивать или уменьшать по количеству составляющих. Если этот коэффициент равен или меньше 0,5, вероятно что от одного до максимум двух сигнальных слоев будет достаточно для выполнения всех соединений и размещения всех элементов.

В таком случае в одной из предложенных формул следует сначала вычислить произведение количества сигнальных отведений на площадь дорожек и зазоров. С этим результатом нужно сложить площади направляющих. В конечном итоге количество необходимых слоев будет отношением этой суммы к половине полезной площади печатной платы. Если компоненты предполагается размещать также на верхнем и нижнем слоях, то следует добавить двойное отношение предполагаемой общей площади поверхности компонентов к полезной площади печатной платы. К этому при необходимости добавляется плоскость заземления с учетом площади глухих и заглубленных переходных отверстий.

Конечно на практике может оказаться необходимым учитывать и другие факторы, в зависимости от сложности проекта, поэтому эти расчеты, хотя они и не на 100% верны, по крайней мере дадут представление о том, сколько слоев в итоге нужно.