Проектирование печатных плат: компоненты

При разводке печатной платы всегда приходится решать задачу компоновки компонентов. В статье даются рекомендации по разработке печатных плат, которые облегчают решение этой задачи. Статья представляет собой перевод.

IPC-КЛАССЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИМ КРИТЕРИИ
При разводке печатных плат разработчик должен выполнять требования, предъявляемые к определенному классу IPC (IPC — Международная ассоциация производителей электронной продукции) электронных изделий, чтобы производителю было понятно, для какой категории конечного изделия предназначены конкретные платы. Описания этих трех классов представлены в большинстве сборников стандартов IPC. Давайте кратко их рассмотрим.

КЛАСС 1: ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
К этому классу относятся изделия для приложений, главным требованиям к которым является нормальное функционирование всей системы в целом.

КЛАСС 2: СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ
Включает в себя изделия, предназначенные для работы в непрерывном режиме в течение длительного срока службы. Условие их бесперебойной работы является желательным, но не обязательным. Типовые условия внешней среды в местах эксплуатации не должны приводить к выходу из строя изделий этого класса.

КЛАСС 3: ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ ВЫСОКОЙ НАДЕЖНОСТИ
К этому классу относятся изделия, для которых критичным условием является обеспечение непрерывной работы при сохранении высоких эксплуатационных или требуемых (заказных) характеристик. От изделий этого класса требуется бесперебойное функционирование (вынужденные отказы недопустимы). Среда эксплуатации может быть очень жесткой. Изделия должны работать в любое необходимое время. Такие жесткие требования связаны с тем, что изделия данного класса предназначены для медицинских систем поддержания жизнеобеспечения, для военных тактических систем и других критичных приложений.

Стандарт IPC-7351B регламентирует размеры контактных площадок для трех уровней плотности монтажа печатных плат, применяемых в различных электронных устройствах, включая минимальные, номинальные и максимальные требования к занимаемому пространству. К этому стандарту прилагается программа, позволяющая не только просматривать библиотеки посадочных мест под разные компоненты, но и рассчитывать соответствующие размеры контактных площадок.

Три эти группы типоразмеров контактных площадок не связаны напрямую с тремя классами IPC, но правильный выбор наиболее подходящего типа контактных площадок позволяет производителю повысить выпуск продукции в каждом IPC классе изделий.

Широко распространено мнение, что при проектировании схем, отвечающих требованиям для изделий IPC класса 3, необходимо использовать контактные площадки, соответствующие плотности монтажа уровня А. Это не всегда так, поскольку при проектировании плат для изделий класса 3 можно применять контактные площадки любой группы типоразмеров, регламентируемых стандартом IPC-7351B. Такое мнение связано с тем, что использование контактных площадок, предназначенных для плат с плотностью монтажа уровня А, позволяет производителям повысить выпуск своей продукции класса 3 наиболее простым путем. Однако стандарт IPC-7351B обеспечивает проектирование изделий класса 3 не только на основе плат с максимальными размерами контактных площадок, но и со средними и минимальными размерами. При этом следует учесть, что в последнем случае существенно увеличиваются производственные затраты, что неминуемо отражается на выпуске продукции.

ШЕЛКОГРАФИЧЕСКАЯ МАРКИРОВКА ПЛАТ
Проектирование печатных плат: компонентыНанесение маркировки на плату методом шелкографии увеличивает стоимость изготовления печатных плат и во многих случаях не является необходимой.

Однако при использовании шелкографической маркировки необходимо ознакомиться со следующими рекомендациями по созданию библиотеки элементов маркировки.

1. Маркировку на слое шелкографии не следует наносить в зонах под компонентами, поскольку в процессе монтажа она окажется закрытой, перестав выполнять возложенную на нее функцию.
При разработке маркировки на слое шелкографии следуйте рекомендациям раздела 9.2 стандарта J-STD-001E («Требования по проектированию печатных плат»): шелкографическая маркировка полярности/ ориентации компонентов, обозначений мест расположения компонентов, статуса изменений и серийных номеров должна быть видна по окончании процесса сборки.
Маркировка компонента на слое шелкографии должна соответствовать максимальному контуру его корпуса.
Правила компании-разработчика по соблюдению расстояний между контактными площадками и маркировкой контура компонента отменяют требования по маркировке компонента с учетом максимального контура его корпуса.
Шелкографическая маркировка используется для точного выравнивания положения компонентов в процессе сборки плат и проведения контроля качества по окончании сборки.
Как правило, ширина линий маркировки должна равняться зазору между контактной площадкой и самой линией.
Маркировка компонента всегда должна располагаться внутри отведенного под него контура. В противном случае ее могут закрыть другие компоненты, или она перекроет область маркировки соседних элементов.
В библиотеке проектов печатной платы должна применяться только одна ширина маркировочной линии.
ОЧИСТКА КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК ОТ МАРКИРОВКИ
Некоторые разработчики печатных плат допускают размещение маркировки поверх контактных площадок, предполагая, что на этапе изготовления плат маркировка с контактных площадок будет удалена. Но что произойдет, если маркировка останется на контактных площадках? Чернила маркировки на контактных площадках существенно ухудшат их способность к пайке. Таким образом, если после изготовления платы на контактах остались маркировочные чернила, их необходимо удалить через трафарет при сборке платы до нанесения паяльной пасты. Но и после этого на этапе сборки могут возникнуть проблемы с пайкой из-за загрязнения контактных площадок!

НАНОСИТЬ МАРКИРОВКУ ПОЛЯРНОСТИ/ОРИЕНТАЦИИ ИЛИ НЕТ?
Для элементов, которые могут быть перевернуты в процессе сборки (например, для резисторов) наносить маркировку полярности/ориентации необязательно. Для всех компонентов, которые должны быть установлены строго в определенном положении, необходимо формировать маркер, указывающий либо на полярность компонента, либо на его первый вывод. Рекомендуется для маркировки полярности/ориентации компонента продлевать маркировочную линию в месте расположения первого вывода на его полную длину.

Для компонентов с выводами на нижней стороне корпуса наносят маркировку, обозначающую его внутренние границы или границы контактных площадок. В таких случаях отсутствие маркировки на одной стороне маркировочного угла, как видно из рисунка 5 для корпусов QFN, является лучшим маркером полярности/ориентации компонента.

Проектирование печатных плат: компонентыМАРКИРОВКА КОНТУРОВ И ОРИЕНТАЦИИ КОМПОНЕНТОВ
При использовании контурной маркировки сложных компонентов скошенный угол или углубление в простом прямоугольном контуре могут стать хорошим маркером первого вывода.

ПРИПУСКИ НА ПОСАДОЧНОЕ МЕСТО
Припуски на посадочное место используются как руководство по размещению компонентов. Каждый цех по сборке печатных плат имеет собственные допуски, и даже если припуски на посадочные места позволят размещать компоненты очень близко друг другу, этого нельзя будет сделать, поскольку именно допуски определяют необходимый зазор между корпусами.

Если цех по сборке печатных плат не устанавливает собственных допусков, разработчики печатных плат могут размещать компоненты так, чтобы их зоны припусков на посадочные места касались друг друга, но не пересекались. Нарушение этого правила и более тесное размещение компонентов могут привести к образованию перемычек при пайке в процессе сборки.

РАЗМЕЩЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ И ВЫРАВНИВАНИЕ
В 1980-х гг. при сборке печатных плат все компоненты ориентировались в одном направлении. После внедрения современных технологий это требование перестало быть обязательным, но выравнивание компонентов в ряды придает собранным печатным платам эстетичный вид. Таким образом, при продаже изделий на открытом рынке покупатели, естественно, выберут самые красивые платы. К тому же, хорошо упорядоченные компоненты позволяют лучше прокладывать тракты прохождения сигналов и рациональнее использовать пространство платы.

ТОЧКИ ПРИВЯЗКИ ДЛЯ ПОСАДОЧНЫХ МЕСТ
Компоненты поступают в цех сборки упакованными в ленты и катушки, пеналы и палетты. Установщик компонентов захватывает компоненты в зоне их центра тяжести. Разработчики, устанавливающие в центр печатных плат точки привязки для посадочных мест библиотечных элементов, упрощают работу цеха. Однако корпуса некоторых компонентов имеют неправильную форму, что затрудняет четкое определение их центров. Следовательно, для оптимизации трассировки при проектировании топологической схемы платы может понадобиться размещать сквозные отверстия под штыревые выводы разъемов строго по координатной сетке, а в качестве точек привязки для посадочных мест компонентов задавать их первый вывод. Центрированный маркер помогает разработчикам печатных плат идентифицировать точку привязки для посадочных мест компонентов. Однако если САПР автоматически генерирует маркер точки привязки, то нет необходимости устанавливать дополнительный маркер при описании соответствующего библиотечного элемента.

ТЕХНЮЛОГИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И РАМКИ
Края плат фиксируются в процессе сборки плат, пока с ними работает установщик компонентов и они проходят через печь для пайки оплавлением припоя. Если разработчик печатных плат из-за высокой плотности монтажа располагает компоненты близко к краю платы, для упрощения работы сборочной линии к плате добавляются технологические поля, удаляемые по окончании сборки. На этих полях размещаются глобальные реперные метки и технологические отверстия.

После сборки технологические поля необходимо удалить. Существуют два способа их удаления. Первый и наиболее распространенный заключается в формировании перемычек с помощью направляющих пазов вдоль границы печатной платы, по краям которых делается ряд маленьких отверстий, облегчающих последующее отделение технологических полей от платы.

Проектирование печатных плат: компоненты

Дорожки на плате не должны располагаться ближе 1 мм от чистого края платы и небольших вспомогательных отверстий вдоль перемычек, а компоненты не должны размещаться ближе 2 мм от направляющих пазов и вспомогательных отверстий.

Второй способ разделения платы и технологического поля заключается в V-образном скрайбировании (в формировании V-образных вертикальных надрезов вдоль линии раздела, которые образуют перемычку, удаляемую по окончании процесса сборки платы).

Некоторые разработчики печатных плат повышают надежность крепления плат (чтобы они не отделились до окончания сборки) с помощью технологических полей, формируя вокруг плат рамки с такими же направляющими пазами и вспомогательными отверстиями. При этом сокращается количество плат, которое можно разместить вдоль одного технологического поля, но повышается прочность отдельной платы, и исключается преждевременное отделение технологического поля в процессе сборки.

ГЛОБАЛЬНЫЕ И ЛОКАЛЬНЫЕ РЕПЕРНЫЕ МЕТКИ
Глобальные реперные метки необходимы для организации работы установщиков компонентов. Расположение глобальных реперных меток определяется оптическими методами. Эти метки обеспечивают точность размещения платы относительно установщика.

Локальные реперные метки используются для установки компонентов в QFP-корпусах с шагом между выводами меньше 0,625 мм, и в BGA-корпусах с шагом между выводами меньше 0,8 мм.

Современное оборудование не всегда требует применения локальных реперных меток, но они могут оказаться полезными при ремонтных работах по замене компонентов.

TRIAL NEWS