Проектирование печатных плат

Печатные платы являются основой большинства современных электронных устройств. Основная задача платы — служить платформой для соединения различных электронных компонентов. Хорошо спроектированная плата обеспечивает оптимальную производительность, энергоэффективность, целостность сигнала и в конечном итоге — надёжность электронного устройства, в которое она установлена. Современные печатные платы становятся всё сложнее, меньше и требовательнее к качеству производства, и если не учесть все возможные подводные камни на этапе проектирования, есть вероятность получить на выходе проблемный или вовсе неработающий образец. Недостаточно просто разместить компоненты на плате и соединить их дорожками. Неправильная компоновка платы может привести к возникновению конфликтов компонентов с любой из сторон платы, электромагнитным помехам, ограничениям функциональности или полной неработоспособности. Проектировщики должны учитывать, что печатные схемы имеют сопротивление, индуктивность и емкость. Кроме того, дорожки и диэлектрики будут влиять на время нарастания сигнала и импеданс, ограничивая максимальную частоту.

Принципиальная схема или функциональная схема — это первый шаг в разработке. Она напоминает алгоритмическую блок-схему, узлы которой представлены компонентами, а связи между ними — будущими электрическими соединениями. Разные компоненты обозначаются разными абстрактными символами, а соединения — линиями. Уже на этом этапе продумывается компоновка, включающая расположение компонентов, трассы проводников и схемы соединений для каждого слоя.

Прежде всего — это грамотная компоновка. Она обеспечивается расчётом качества сигнала, тепловой нагрузки, ЭМС, проверкой DRC, DFM, соблюдением требований электрической безопасности. Чем лучше выполнена компоновка платы, тем проще она будет в сборке.

Основные требования к компоновке следующие:

• Общие проводники максимально короткие;
• Также должны быть максимально короткими ключевые сигнальные линии;
• Разделение высоковольтных и низковольтных линий;
• Разделение аналоговых и цифровых сигнальных линий;
• Разделение высоко- и низкочастотных сигналов;
• Достаточное расстояние для высокочастотных сигналов, особенно — в случае СВЧ.

Давным-давно проектировщики рисовали платы вручную, вырезая рисунок схемы из плёнки поворотным ножом (swivel knife). Вырезанные участки плёнки снимались, оставляя закрытые неснятой плёнкой будущие дорожки печатной платы. Так придумали резист и позитивный шаблон.

Потом платы травили в растворе FeCl₃ и, если что-то не получалось, всё приходилось переделывать. Специалисты тратили часы на вырезание и правку примитивных по сегодняшним меркам схем.

Потом появились компьютеры. И если принципиальную схему простого устройства и сегодня часто рисуют на листе в клеточку, то остальные процессы, особенно маршрутизацию (разведение цепей) делают при помощи систем автоматизированного проектирования САПР — (electronic design automation (EDA) или electronic computer-aided design (ECAD)) — программного обеспечения, специально предназначенного для разработки электроники. Современную многослойную плату, содержащую тысячи дорожек, выводов и компонентов невозможно ни вручную спроектировать, ни произвести без цифровых исходников.

На сегодняшний день существует большое количества софта для проектирования, как платного, так и бесплатного, работающего на локальных компьютерах под управлением Windows/Linux или Mac или «в облаке». Самые популярные из них — Sprint Layout, Cadence, Altium Designer (с бесплатной версией CircuitMaker), Eagle PCB от Cadsoft, KiCAD (бесплатный), новармовский DipTrace, EaseEDA (облачный) и другие. В нашей стране исторически популярен был PCAD, и хотя его продажа и поддержка прекращена более 15 лет назад, она на слуху до сих пор. Altium — «наследник» PCAD, именно Altium является владельцем последней версии программы.

Все ECAD программы делают примерно одно и то же — позволяют создавать компоновку и маршрутизацию плат, а также формировать выходные файлы для обмена данными или дальнейшего производства платы и её сборки. Единственное, на что стоит обратить внимание: не все программы умеют создавать принципиальные схемы и выполнять маршрутизацию в автоматическом режиме.

Также большая часть профессионального ПО умеет в DRC в автоматическом режиме, при этом проверка осуществляетсякак по «общим» предустановленным наборам правил, так и по алгоритмам, заданным, при необходимости, проектировщиком для конкретного проекта.

Любая работа выполняется быстрее и проще, если следовать установленным правилам. В проектировании печатных плат есть свои наборы стандартов, использование которых облегчает жизнь проектировщика.

Самый известный в мире набор стандартов — дерево стандартов IPC. Это разветвлённая система документации, из которой основным для разработчика плат является IPC-2221, «Основные стандарты проектирования печатных плат». Также полезными будут:

• IPC-600H — «Критерии приёмки печатных плат»;
• IPC-6012 — «Качество и производительность жёстких печатных плат»
• IPC-6011 — «Качество и производительность печатных плат» и другие.

На территории нашей страны документация IPC не имеет юридической силы и не несёт ни обязательного, ни рекомендательного характера, но в силу общей авторитетности в мире и глубины проработки поможет уменьшить время разработки, избежать ошибок проектирования и в целом позволит использовать наиболее передовые методы проектирования.

К печатным платам, которые производятся на территории РФ, применяются требования ГОСТ.

Некоторые из них:

• ГОСТ 23752-79 Платы печатные. Общие технические условия.
• ГОСТ Р 55490-2013 Платы печатные. Общие технические требования к изготовлению и приемке.
• ГОСТ Р 53429-2009 Платы печатные. Основные параметры конструкции.
• ГОСТ Р 51040-97 Платы печатные. Шаги координатной сетки.
• ГОСТ 11284-75 Отверстия сквозные под крепежные детали. Размеры (с Изменением N 1).
• ГОСТ 25347-2013 (ISO 286-2:2010) Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Система допусков на линейные размеры. Ряды допусков, предельные отклонения отверстий и валов.

Многие ГОСТы — калька с документации МЭК (МЭК — Международная Электротехническая Комиссия) и IPC.

Также можно отметить, что ряд ГОСТов давно не обновлялся и некоторые требования и характеристики, содержащиеся в этих документах, серьёзно устарели, поэтому многие компании работают с использованием собственных ТУ (технических условий), разработанных их проектно-техническими отделами.

• Принципиальная схема (формат файлов .DSN и .SCH);
• Чертёж платы (обычно в формате DXF — это открытый CAD формат для обмена чертежами, придуманный AutoDesk);
• Спецификации компонентов;
• Специальные требования — всё, что повлияет на топологию платы и её дальнейшую сборку.

При стандартной практике рисования входные сигналы располагаются слева от входов, а выходные справа. Это помогает обеспечить простую и ясную структуру на всём пути, который проделает сигнал.

Убедитесь, что схемы являются точными и хорошо документированы, в них должно быть как можно больше информации о конструкции. Схема должна быть аккуратной, логичной и четко организованной по областям.

Распределите все электрически важные разделы по соответствующим областям на схеме и выделите их. Для этого необходимо учитывать взаимосвязь между различными компонентами и их функциями.

Чтобы облегчить последующий процесс проектирования печатной платы, расположите символы деталей в той же компоновке, которую будут использовать конечные компоненты печатной платы. Это позволит разработчику топологии (особенно если это сторонний специалист) более эффективно выполнить свою работу и избежать ошибок.

Добавьте полезные примечания к схеме, которые помогут вам или другому разработчику печатных плат понять, что является важным в этой части проекта. Примечания могут включать в себя:

• Специальные требования для сложных компонентов;
• Расположение шунтирующих конденсаторов рядом с компонентом, для которого они предназначены;
• Требования к расстоянию, которые помогут обеспечить безопасное и эффективное функционирование схемы.

Примерами примечаний могут быть:

«Этот вывод требует терморазрывной площадки для заземления питания». «Это компонент требует особого внимания при монтаже». «Вставить шунтирующий конденсатор рядом с этим компонентом, чтобы предотвратить накопление статического электричества».

Кроме того, эта информация поможет не только при проектировании, но и при сборке.

Постарайтесь найти коллегу, который сможет просмотреть результат свежим взглядом. Это поможет найти легко обнаруживаемые ошибки и обеспечит более точную проверку схемы.

В общем, тщательное проектирование схемы является важнейшим этапом в разработке электронного устройства.

В англоязычной литературе процедура носит название «stack-up» или наслаивание. Условно говоря, именно в процессе продумывания слоёв платы проектировщик определяется со структурой платы и выбирает технологию, по которой она будет произведена в физическом виде. Однослойная, двухслойная, двухсторонняя, потребуются ли отверстия, сквозные или межслойные, и так далее, потребуются ли навесные элементы или будет выполнен только SMT монтаж.

В общем случаем проработка слоёв движется сверху вниз. Проектировщик смотрит на плату как бы сверху и «сквозь» и видит все слои одновременно, как будто они прозрачны, при этом оборотную сторону платы он видит в зеркальном отражении. Стек — это «наслоение» соединений компонентов и их контактных площадок, которые в итоге образуют объёмную схему, лежащую в трёх плоскостях.

Строго говоря, примерное размещение компонентов уже сделано на этапе принципиальной схемы. Теперь мы уточняем их положение. Правильное размещение компонентов облегчит работу по маршрутизации и обеспечит хорошие электрические характеристики, а ошибки в стартовой компоновке, наоборот могут превратить маршрутизацию в серьёзное испытание для нервов.

Здесь нужно понимать, что одна и та же схема может быть скомпонована 1000 и одним способом, не существует единственно верного положения компонентов, задача проектировщика — достигнуть такого равновесного состояния, при котором электрические характеристики схемы являются наилучшими или близки к этому, а время, затраченное на проектирование, не превышает разумного.

Общий подход таков:

1. Используйте сетку и привязку, не располагайте компоненты в хаотическом порядке. Сразу задайте размеры дорожек, площадок и отступов по умолчанию (рассмотрим подробней далее).
2. Скомпонуйте все компоненты на плате. Если это не сделано в принципиальной схеме — объедините компоненты в функциональные блоки и разместите их на плате с оптимальным заполнением площади платы. Возможно, какие-то блоки нужно будет сделать шире, какие-то — уже и длиннее.
3. Разместите входы и выходы (разъёмы). Вспомните, что заказчик создаёт конкретное устройство, которое имеет определённые размеры, и коннекторы, возможно, должны находиться в строго определённых местах.
4. Располагайте компоненты по направлению прохождения сигнала. Обычным, как говорилось выше, является расположение слева направо, но это не обязательно.
5. Разместите аналоговые и цифровые цепи раздельно, в противном случае в аналоговых цепях возможно возникновение помех.

Наиболее продвинутые системы проектирования предлагают автоматическое размещение компонентов. Иногда это происходит удачно, иногда — нет, но это существенная помощь проектировщику, которая позволяет значительно ускорить и упростить процесс проектирования.

Не всегда удаётся добиться удачной автоматической компоновки, особенно учитывая необходимость дальнейшей разводки дорожек, которая должна сочетаться с размещением компонентов, но, как минимум, это обычно хороший способ задать для элементов схемы начальное положение.

Поскольку исторически первые широко используемые разработки плат и софт для них были преимущественно американские, в ПО, и в мире разработки в целом, часто используется имперская система размеров параллельно с метрической. Метрическая используется всё чаще, но многие размеры можно встретить в футах, дюймах и милах. Мил — это «милидюйм», 0,001 дюйма или 24,5 микрометра (микрона). Вес же часто можно встретить в унциях и микронах. Унций много, но «печатная» унция меди 1 oz равна 1,39 мил или 35 микрон. Вес в микрометрах это нормально. В американской системе принято считать количество меди в унциях на квадратный фут, а у нас — ограничиваются толщиной, но называют её имея в виду как раз количество меди.

В принципе, шанс встретиться с имперскими размерами и весами при заказе в РФ или Китае невелик, метрическая система почти вытеснила её с этой стороны океана, в том числе в Европе, но при заказе производства обязательно убедитесь, что вы и производитель плат оперируете одинаковыми системами мер и весов.

С дорожками всё относительно просто. Дорожка — это проводник, который обладает проводимостью, сопротивлением и импедансом. Дорожка может быть или сигнальной или питающей/заземляющей. В первом случае — делайте её минимального размера, который допускает фабрика, где вы планируете изготовить плату.

Во втором случае желательно сделать некоторые расчёты для определения ширины. Если это питание — считайте ширину с добавлением запаса на перегрузку по току и уточняйте импеданс. Зная импеданс и диэлектрическую проницаемость, рассчитайте точную ширину дорожки. Убедитесь, что у вас есть достаточной запас пространства для дорожек такой ширины на самой плате, между контактными площадками платы и контактными площадками интегральных схем.

Вообще, старайтесь делать дорожки максимально широкими. Во-первых, это повысит надёжность платы, во-вторых, у большинства производителей чем тоньше дорожка, тем дороже её производство. При необходимости меняйте размер дорожек, они не обязаны быть одинаковой ширины. Это относится как к разным дорожкам, так и к одной: если для сохранения значения импеданса вам необходима определённая ширина меди, вы можете использовать локальное сужение, к примеру, для обхода контактной площадки.

Минимальная ширина дорожки и отступа зависит от фабрики и обычно указывается в рекомендациях к требуемым файлам или в описании возможностей производства. Например, производитель может указать соотношение дорожка-отступ как 75-75 — это означает, что минимальная ширина дорожки не может быть меньше 75 микрометров, расстояние между дорожками и/или площадками — аналогично. Расстояние до отверстий обычно такое же, минимальные отступы обычно относятся к расстояниям между любой медью на плате.

В общем случае, размер площадки (pad) зависит от размера компонента, который будет на ней распаян и от метода сборки платы. Ваша система ECAD/EDA, скорее всего, содержит библиотеку компонентов, которые вы будете использовать, поэтому вы всегда можете узнать их размеры и, при необходимости, изменить.

Здесь стоит обратить внимание на соотношение площадка/отверстие (гарантийный поясок). Это соотношение также необходимо уточнить у производителя. Как правило, площадка больше диаметра отверстия минимум на 0,5мм, а в виде пропорции — больше в 1,8 раза. Этот параметр имеет важное значение на этапе склеивания слоёв и сверления отверстий. У любого производителя есть допуски на выравнивание по базовым отверстиям для сверловки, увод сверла при самом сверлении и допуски на этапе сборки пакета.

Минимальный размер самого отверстия определяется соотношением сторон, для сквозных отверстий он составляет 10:1.

Итак, размер дорожек мы выбираем, исходя из дизайна проекта, возможностей производителя и значений тока. На практике необходимо дополнительно ввести такой параметр, как нагрев проводника, задав для него максимально допустимый уровень. Каждая дорожка имеет расчётное сопротивление на сантиметр, что определяет количество выделяемого тепла при протекании тока. Чем меньше сопротивление, тем меньше тепла выделяется и тем меньше его требуется отвести. Соответственно, чем толще и шире дорожка, тем она меньше нагревается. Самые широкие участки — площадки, поэтому они будут холоднее, а самый высокий нагрев будет в середине длинной дорожки, так как нагрев происходит нелинейно.

При расчёте учитывайте толщину меди. Данные можно найти в справочных таблицах, которые составлены как раз в соответствии со стандартами и посчитать итоговые размеры на специальном калькуляторе. В среднем, приемлемым и безопасным для работы платы считается нагрев на 20°С. Не забывайте, что нагрев считается с учётом температуры окружающей среды, учитывайте допустимые условия эксплуатации печатного узла.

Здесь всё достаточно просто. Для SMD компонентов (SMT монтаж) — квадратные/прямоугольные, для монтажа в отверстия (THT монтаж) — круглые (резисторы, конденсаторы, диоды), для интегральных схем и других двухрядных компонентов — овальные. Площадку первого контакта микросхемы стоит делать квадратной для использования в роли ключа установки, в том числе — для SMT монтажа.

Переходные металлизированные отверстия (Via) служат для перехода сигнала либо с одной стороны платы на другую (сквозное металлизированное отверстие), либо для связи слоёв между собой (глухое переходное отверстие или скрытое переходное отверстие). Отверстия могут быть заполнены медью или диэлектриком. Выбирайте нужный тип отверстия для перехода с одного слоя на другой. Вообще, физически это одни и те же металлизированные отверстия, но в программе стоит выбирать именно нужный вам тип, так как процедура их производства может различаться, а обработка — происходить на разных этапах изготовления. Не используйте контактную площадку сквозного отверстия вместо переходного и наоборот.

Медный регион или полигон — это большой участок медной фольги на плате. Он может быть выполнен как виде сплошного слоя меди, так и в виде «штриховки» из пересекающихся полосок меди. Для чего это может понадобиться?

Проектирование печатных плат требует тщательного рассмотрения вопросов электромагнитной совместимости (EMC) и защиты от помех. Одним из способов улучшить EMC является окружение аналоговых схем заземленной медью.

Залитые медью области могут проводить через себя большие токи, такие как токи питания, что может повышать помехозащищенность (улучшать ЭМС). Область цепи заземления, соединенная с медным регионом, также может улучшить помехозащищенность.

К примеру, в САПР Altium Designer существует три способа задавать области меди: Fills (заполнения), Solid Regions (сплошные регионы) и Polygon Pours (заливка полигонов).

• Fills (заполнения). Это метод, который позволяет создавать заполненные медью области на плате. Он не может обтекать медные объекты, принадлежащие другим цепям.
• Solid Regions (сплошные регионы): Этот метод также позволяет создавать сплошные области меди. Однако он также не может обтекать вокруг медных объектов, принадлежащих другим цепям.
• Polygon Pours (заливка полигонов): Этот метод является наиболее эффективным и автоматически обтекает медные объекты других цепей, в соответствии с настроенными правилами проектирования для электрических зазоров и Polygon Connect Style (стиль соединения полигона).

Стоит отметить, что платы с повышенными требованиями к надёжности не используют полигоны из-за того, что они, фактически, уменьшают зазоры между отдельными проводниками и цепями заземления.

Зазор (Clearance) — это отступ между проводниками, площадками компонентов и отверстий. Основная задача отступа — не допустить возникновения между двумя проводниками возникновения напряжения пробоя и электрической дуги через воздух между проводниками. С другой стороны, сегодня принято считать, что основная причина возможного пробоя — это грязь, повышенная влажность, коррозия и статическое электричество. Типовые размеры зазоров можно найти в стандартах, например IPC-2221.

Основные правила, которых надо придерживаться — разделять высоковольтные и сигнальные линии большим расстоянием или канавкой, соблюдать зазоры между линиями 120 и 240 Вольт (не меньше 8мм) и правильно применять конформное покрытие, которое серьёзно улучшает взаимную изоляцию линий.

Также всегда следует учитывать условия эксплуатации, к примеру, специальные требования к зазорам предъявляются в области разработки авионики, аэрокосмической и военной техники.

Одно из основных правил проектирования компоновки сложной печатной платы — размещать слои питания и заземления внутри платы. Питание и земля должны быть отцентрированы и симметричны, это уменьшит склонность платы к изгибу и скручиванию.

Изгиб (коробление) может привести к смещению компонентов и потенциальному повреждению платы. Ещё несколько полезных рекомендаций: используйте общие шины для каждого источника питания, сделайте трассы надежными и максимально широкими и избегайте создания последовательных цепей для соединения компонентов.

Трассировка, маршрутизация или роутинг (Routing) — это процесс прокладки электрических соединений (дорожек) для соединения компонентов на плате. Дорожки, связывающие два и более компонентов, образуют цепь. Старайтесь делать цепи как можно короче, если только по проекту не требуется другое (например, если вы не рисуете контур печатной антенны). Увеличение длины дорожек влечёт за собой увеличение сопротивления, индуктивности и ёмкости, энергопотребления и нагрева.

Дорожки желательно рисовать с углами 45°, избегать углов 90° и никогда не использовать острых углов, чтобы избежать подтравливания. При проектировании высокочастотных плат, особенно СВЧ, закругляйте углы дорожек. Это же касается высоковольтных цепей.

Если дорожка присоединяет контактную площадку, используйте привязку по центру, так как проводник, нарисованный встык, может образовать невидимый зазор и программа не внесёт ваш проводник в список цепей (netlist) при формировании выходных данных.

Всегда прокладывайте первыми самые важные дорожки. Дорожки питания и землю делайте как можно толще, прокладывайте по возможности ближе друг другу и старайтесь вести по плате в одном направлении, чтобы не увеличивать индуктивность. Не прокладывайте высокоскоростные дорожки в зазоре между линиями питания или заземления, это увеличит импеданс.

После завершения разводки удалите все неиспользуемые медные участки (dead copper), так как они только увеличивают ёмкость и индуктивность и способствуют возникновению коротких замыканий.

Современные САПР в ряде случаев позволяют проводить трассировку в автоматическом режиме. Функция автомаршрутизации обычно недоступна в бесплатных версиях ПО, но в старших версиях, скорее всего, она есть. Технологии, на основе которых работают алгоритмы могут быть простыми, но могут решать и сложные задачи, особенно современные, с использованием ИИ и нейронных сетей. При грамотном использовании процесс автотрассировки превосходит ручной труд по скорости на порядки. Это особенно заметно на больших многослойных проектах и платах с высокой плотностью монтажа, когда прокладывание дорожек вручную становится нетривиальной задачей. Настройки EDA обычно позволяют создавать правила, по которым происходит трассировка, и при грамотном использовании автотрассировка показывает превосходные результаты.

Если вы устанавливаете SMD компонент на медную поверхность большой площади, то можете столкнуться с сухой пайкой и другими проблемами, которые связаны с тем, что медь работает как теплоотвод и площадка при пайке не будет прогреваться до нужной температуры. В этом случае используйте тепловые развязки — отсечку, которая вместо сплошной поверхности соединит площадку с основным массивом меди несколькими тонкими дорожками. Термобарьеры также могут разводиться автоматически.

В идеале, вы должны скомпоновать плату так, чтобы она нагревалась равномерно. Но иногда встречаются компоненты, которые нагреваются при работе существенно сильнее остальных. Это могут быть мощные резисторы, транзисторы или интегральные схемы (например, ЦПУ). В этом случае необходимо продумать теплоотвод. Чем больше нагревается компонент, тем больше ему нужно пространства для рассеивания тепла. Используйте медные теплопроводные регионы. С другой стороны, у вас могут иметься компоненты, чувствительные к нагреву. Не размещайте их близко к нагревающимся элементам. Если возможностей самой платы для отведения тепла недостаточно, используйте термопасту, радиаторы (heatsink) и вентиляторы.

После завершения разводки доведите плату до состояния «готовности».

1. Если это требуется и не сделано на этапе задания размеров платы, создайте или проверьте монтажные отверстия. Не забудьте, что вокруг отверстия должно быть пространство для шляпки винта, болта или шайбы и место для размещения инструмента для их установки.
2. Проверьте диаметр отверстий для PTH, сравнив их с размерами выводов компонентов, которые в них будут вставляться. Отверстия должны быть больше размера выводов на расстояние достаточное для монтажа и затекания припоя.
3. Проверьте размеры гарантийных поясков и сравните с возможностями производства, где будут заказаны изготовление и монтаж. Также не забудьте сравнить размещение отверстий/площадок с допусками на выравнивание. Отверстие при выравнивании может оказаться за пределами площадки.
4. Убедитесь, что зазоры достаточны не только для размещения дорожек и площадок, но и для компонентов на них. Проверьте зазоры между компонентами.
5. Проверьте всё ещё раз. Инженеры на фабрике, конечно, пропустят ваш проект через DRC при проверках DFM/DFA, но не везде выявленные ошибки исправляют, даже за деньги, и вы можете потерять много времени, когда проект вернут без объяснения причин.

Паяльная маска — тонкое покрытие на печатной плате, которое защищает дорожки и другие медные поверхности от прилипания припоя и от образования мостиков припоя. Паяльная маска необходима при автоматизированном монтаже (SMT), пайке волной припоя (THT), а также при сборке по технологии монтажа компонентов с мелким шагом (FPT — Fine-Pitch Technology). САПР обычно удаляет ненужные части маски с площадок и выводов автоматически, необходимо только указать отступы и зазоры. Вручную это можно сделать, скопировав и вставив дорожки и площадки на слой маски.

Заранее определите способ нанесения маски если вам необходимо закрыть или заполнить переходные отверстия (тентинг). Маленькие отверстия заполняются при помощи популярного сегодня способа струйной печати маски, но если вам нужно заполнить отверстия отдельно, например для предотвращения протекания припоя, то понадобится шелкография.

Маркировочный слой (Silkscreen) наносится на печатную плату с помощью шелкографии или специального струйного принтера. Для этого используется чаще всего белая эпоксидная краска.

На слое шелкографии отображаются обозначения компонентов (R1, R2, C1 и т.д.), контуры компонентов и любой важный текст. При этом не следует выводить номиналы компонентов и их названия.

В процессе проектирования полезно держать этот слой включенным, так вы сможете понять, насколько близко расположены компоненты на плате, поскольку размера площадок для этого может быть недостаточно. Однако, не стоит полагаться на этот слой при позиционировании элементов: в процессе производства печать маркировки имеет самые большие допуски по выравниванию.

При проверке убедитесь, что печать не заходит на контактные площадки, а также сравните минимальные и максимальные размеры знаков для запечатки с возможностями производства, где будет заказана плата. Шёлкографический слой может иметь различные размеры в зависимости от производителя печатной платы. Однако согласно стандарту IPC-7351B, минимальная ширина текста шелкографии составляет 10 мил.

Проверьте, все ли элементы с полярностью обозначены маркировкой, а также, что для интегральных схем промаркирован ключевой контакт.

Слой инструкций для механической обработки будет содержать контур платы и любые другие инструкции по обработке платы. Для групповой заготовки здесь необходимо указать глубину V-Cut, v-образных насечек для разделения панели на отдельные платы. Если вы планируете использовать автоматический поверхностный монтаж — всегда используйте групповую панелизацию и объединяйте платы в групповую заготовку. Не забудьте уточнить на производстве максимальный размер групповой панели, которую физически можно разместить на производственной линии.

Помимо v-образных насечек, платы можно разделять при помощи фрезерования, либо линии просверленных отверстий. Это также стоит уточнить у производителя.

Список цепей или нетлист (netlist) — это перечень всех участков электрической схемы, которые имеют отдельный вход и выход. Он включает в себя компоненты, их обозначения, контактные площадки, посадочные места элементов и другую информацию электрической схемы. После создания списка САПР может автоматически загружать компоненты на пустую плату, группировать их, выполнять автоматическую трассировку и пропускать данные через DRC (проверку правил проектирования). Файл списка цепей потребуется при запуске платы в производство. В обычном порядке список цепей формируется или после создания принципиальной схемы, или после окончания трассировки.

Первый вариант (с составлением принципиальной схемы) гораздо удобнее, так как если вы составляете принципиальную схему сразу в САПР, с учётом всех соединений, то большая часть ПО умеет делать на её основе граф соединений (в зарубежных источниках — «крысиное гнездо»), на котором каждый компонент соединён с другими компонентами прямыми линиями. По мере прокладывания трасс линии пропадают. Инструмент удобен для ручной трассировки и необходим для автоматической, так как на его основе можно составить нетлист и BOM.

Реперные знаки (Fiducial Marks) используются для выравнивания платы на различных технологических этапах изготовления и сборки. Как правило, это метки для оптических систем распознавания с помощью камер.

Для точного позиционирования требуется не менее трёх знаков на плате, размещённых в углах. Обычно это верхний левый угол и оба нижних в случае прямоугольной платы. Если ваша плата имеет другую форму, к примеру, круглую, вы можете использовать прямоугольные технологические поля или уточнить на фабрике, какого рода реперные метки стоит использовать.

Сам реперный знак диаметром 1,5 мм формируется на слое медной фольги и располагается на расстоянии 5мм и больше от края платы. В проекте реперные знаки находятся вместе с дорожками, поэтому не покрываются паяльной маской. Нельзя выводить метки выравнивания с помощью слоя маркировки, поскольку, как говорилось выше, она печатается с высокими допусками и не может служить ориентиром для выравнивания.

Также реперными знаками необходимо снабдить каждый большой компонент SMT для поверхностного монтажа, наприvер, схемы BGA. Для таких элементов следует разметить по две метки диагонально.

Технологическое поле требуется не только для реперных знаков. Если вы планируете использовать для вашей плате автоматизированный поверхностный монтаж, то на каждую панель нужно добавить 4 технологических отверстия (стандартный размер — 2,4 и 3,2 мм), по одному на угол, одно из которых со смещением. Смещение гарантирует, что оператор линии монтажа установит плату в сборочный автомат в правильной ориентации. Поля будут убраны после изготовления по контурам платы в слое мехобработки.

Пайка — это важнейший этап в сборке печатной платы, который требует тщательного планирования и подготовки.

Существует три основных метода пайки:

1. Ручная пайка. Ручная пайка — традиционный метод, обычно используемый для прототипов и небольших производственных партий и сложных элементов. Требует особого внимания и аккуратности, чтобы обеспечить правильную температуру и время пайки.
2. Пайка волной. Пайка волной — старый процесс, используемый для монтажа и пайки через сквозные отверстия. Включает в себя прохождение всей платы над расплавленной ванной с припоем. Здесь требуются жесткие паяльные маски для предотвращения образования мостиков припоя.
3. Пайка оплавлением. Пайка ИК-оплавлением — это новейший и лучший метод пайки, подходящий для всех компонентов для поверхностного монтажа (за исключением не моющихся). Включает в себя нанесение паяльной пасты на контактные площадки с помощью трафарета с отверстиями, а затем проход через инфракрасную печь для нагрева и пайки компонентов.

При проектировании плоскости важно учитывать особенности каждого метода пайки. Например:

• Ручная пайка. При ручной пайке необходимо обеспечить подходящий доступ для наконечника паяльника и термического барьера для контактных площадок.
• Пайка волной. При пайке волной необходимо предотвратить образование мостиков, используя жесткие паяльные маски. Кроме того, мелкие выводы компонентов должны быть расположены так, чтобы они не находились позади более крупных компонентов — на них может не попасть припой.
• Пайка ИК-оплавлением. При пайке ИК-оплавлением необходимо нанести паяльную пасту на контактные площадки с помощью трафарета с отверстиями, а затем пройти через инфракрасную печь для нагрева и пайки компонентов. Здесь хитрости заключаются преимущественно в подготовке трафарета, который создаётся на производстве.

Финишные покрытия подробно описаны в процессе производства.

В стандартном варианте вам подойдёт покрытие из паяльной маски на дорожках (SMOBC) и бессвинцовое покрытие на площадках и переходных отверстиях с выравниванием горячим воздухом (HAL/HASL).

После того, как вы проверили проект, выгрузите его в формате, который принимает производитель. Обычно это Gerber или ODB++, иногда PCAD, Orcad и другие. Убедитесь, что вы отправляете файл в том виде, в каком видите его перед собой на экране, это гарантирует, что и производитель увидит его так же.

В сопроводительной документации укажите следующие данные:

Для платы:

1. Количество плат для изготовления.
2. Желаемый срок изготовления. Помните, что чем быстрее — тем дороже, возможно платы не требуются вам в максимально сжатый срок.
3. Код и ревизию платы для идентификации вашего проекта.
4. Размер платы в мм.
5. Толщина платы в мм. Узнайте, какие стандартные толщины у производителя, нестандартные также окажутся дороже.
6. Количество слоёв платы.
7. Тип базового материала (FR4, FR4 High TG, CEM1, Rogers, другой).
8. Минимальный размер проводника.
9. Минимальный размер зазора.
10. Минимальное металлизированное отверстие.
11. Маскирующее покрытие и цвет маски. По умолчанию обычно зелёный.
12. Маркировка, количество сторон для маркировки и её цвет. По умолчанию обычно белый.
13. Закрывать ли переходные отверстия маской?
14. Есть ли несквозные отверстия?
15. Требуется ли золочение на разъёмах?
16. Требуются ли фаски на разъёмах?
17. Нужен ли контроль волнового сопротивления? Электроконтроль?
18. Требуется ли дополнительная маркировка, лазерная гравировка и т.п.
19. Класс изделия, обычно по IPC.

20. Добавьте перечень технологических слоёв:

    1. Контур и вырезы;
    2. Маркировка стороны (или сторон) компонентов;
    3. Паяльная маска стороны компонентов;
    4. Топология стороны компонентов;
    5. Топология всех внутренних слоёв;
    6. Топология стороны пайки (медь нижнего слоя);
    7. Маркировка стороны пайки;
    8. Токопроводящее покрытие стороны компонентов;
    9. Токопроводящее покрытие стороны пайки;
    10. Сверловка металлизированных отверстий;
    11. Сверловка неметаллизированных отверстий;
    12. Сверловка не сквозных отверстий (переходных).

Данные для монтажа:

1. Количество сборок.
2. Технология монтажа — свинцовый, бессвинцовый, смешанный.
3. Тип монтажа — поверхностный SMD, DIP — выводной, смешанный.
4. Дополнительно потребуется описание меток на плате — меток полярности для полярных компонентов, маркеров микросхем и т.д. Например «метка для всех диодов обозначает катод, для танталовых конденсаторов +, для электролитических -, начало обмотки катушек значения не имеет».
5. Требуются ли отдельные виды монтажа — запрессовка разъёмов PressFit, развальцовка втулок, лепестков и т.д.
6. Отмывка после монтажа — требуется или нет, не забудьте указать SMT и PTH компоненты, которые нельзя отмывать.
7. Требуемые виды контроля — AOI/Рентген и т.д.
8. Тип влагозащитного покрытия.
9. Нужен ли функциональный контроль, ICT, периферийное сканирование.
10. Испытания.
11. Маркировка готового блока — какая, что указывать и т.д.
12. Нужна ли маркировка для системы прослеживания.
13. Нужна ли допобработка для групповых заготовок после разделения — обработка кромок, шлифовка и т.д.
14. Требуется ли корпусирование, сборка и другие механические работы.

В принципе, для изготовления печатных плат достаточно Gerber файлов, файлов сверловки и описания характеристик ПП.

Однако, Gerber файлы не содержат в себе информации о позиционных обозначениях компонентов, типах корпусов, координатах установки компонентов. Для проведения DFM анализа (автоматизированного контроля правильности посадочных мест компонентов, соблюдения правил размещения компонентов и т. д.) необходимы исходные файлы из системы проектирования (PCB файлы). Также данные файлы существенно ускоряют создание программ для установщиков SMD компонентов, а также  систем оптического и электрического контроля.

Для полного использования возможностей системы электрического контроля (летающие пробники (летающие зонды), ложе гвоздей) производителю понадобится принципиальная электрическая схема.

1. Проектирование схемы. Создайте принципиальную схему вашего устройства, чтобы спланировать соединения между компонентами и понять общую компоновку вашей печатной платы.
2. Выбор программного обеспечения для проектирования печатных плат. Выберите программное обеспечение для проектирования печатных плат — САПР, которое соответствует вашим потребностям и уровню знаний.
3. Размещение компонентов. Импортируйте компоненты из вашей схемы в программное обеспечение для проектирования печатных плат и расположите их на плате с учётом оптимизации прохождения сигнала и наименьшей длины дорожек.
4. Трассировка. Соедините компоненты с помощью дорожек (медных линий) на печатной плате, учитывая токопроводящую способность, целостность сигнала и помехоустойчивость.
5. Силовые и заземляющие линии. Выделите отдельные силовые и заземляющие линии для лучшего шумоподавления и качественного распределения питания.
6. Целостность сигнала. Проверьте наличие проблем с целостностью сигнала, таких как отражения и перекрестные помехи, и используйте трассы с контролируемым сопротивлением для высокоскоростных сигналов.
7. Проверка правил проектирования (DRC). Выполните проверку правил проектирования, чтобы убедиться, что ваша схема соответствует общим стандартам и производственным возможностям того завода, где планируется изготовление печатной платы.
8. Теплоотвод. Если ваша схема выделяет значительное количество тепла, проектируйте схему печатной платы с учетом надлежащего рассеивания тепла.
9. Маркировка и документация. Добавьте обозначения компонентов, справочные метки и любую другую важную информацию на слой шелкографии для упрощения сборки и отладки.
10. Проверка проекта. Выполните тщательную проверку проекта перед отправкой его на производство.
11. Генерация файлов Gerber. Сгенерируйте файлы Gerber (или другие), которые являются стандартным форматом, используемым производителями печатных плат для изготовления печатной платы.
12. Производство. Выберите надежного производителя печатных плат и отправьте свои файлы Gerber вместе с другой необходимой документацией. Закажите прототипирование! Это не бесплатно, но, если всё пройдёт с ожидаемым вами результатом, созданные трафареты и собранная оснастка, в любом случае, будут использованы для производства всей серии и не увеличат её соимость.

Следуя этим шагам, вы сможете разработать качественную и эффективную печатную плату для вашего проекта.

В мире существуют десятки программ для проектирования, в том числе — специализированные. Перечислим некоторые популярные САПР.

Зарубежные ECAD/EDA САПР:

• Altium Designer / Altium 365. Широко используемое программное обеспечение для проектирования печатных плат, известное своим интуитивно понятным пользовательским интерфейсом и мощными функциями. Наследник PCAD. Для начинающих есть бесплатный вариант, работающий на технологиях Altium — CircuitMaker.
• Cadence Allegro PCB Designer. Профессиональный инструмент для проектирования печатных плат, предлагающий расширенные функции для высокоскоростного проектирования печатных плат и совместной работы между членами команды. Cadence предлагает много продуктов для проектирования электроники, в том числе — на базе AI.
• Eagle PCB. Удобное программное обеспечение для проектирования печатных плат, подходящее для любителей и небольших проектов, с бесплатной версией и платной версией с расширенными функциями.
• KiCad. Программное обеспечение для проектирования печатных плат с открытым исходным кодом, которое завоевало популярность среди любителей и малого бизнеса, предлагающее набор инструментов для создания принципиальных схем, компоновки печатных плат и 3D-визуализации. Рекомендуется начинающим.
• OrCAD PCB Designer. Комплексный инструмент для компоновки печатных плат с функциями маршрутизации с настраиваемыми ограничениями, мощным анализом целостности сигналов и питания и бесшовной интеграцией с другими инструментами в пакете OrCAD. Приандлежит Cadence.
• PADS (Mentor Graphics). Мощное программное обеспечение для проектирования печатных плат, предназначенное для средних и крупных проектов, которое предлагает масштабируемую платформу с различными уровнями функциональности. Сейчас находится во влодении Siemens.
• Proteus PCB Design. Удобное программное обеспечение, объединяющее создание схем, моделирование и компоновку печатных плат в одном пакете, часто выбираемое любителями и начинающими за простоту использования.
• DipTrace. Универсальный инструмент для проектирования печатных плат, подходящий для проектов разных размеров, с интуитивно понятным интерфейсом, 3D-моделированием и обширной поддержкой производственных файлов.
• EasyEDA. Онлайн-инструмент для проектирования печатных плат, позволяющий пользователям проектировать и обмениваться макетами печатных плат непосредственно в веб-браузере, с функциями создания схемы, макета печатной платы и совместной работы в облаке.
• DesignSpark PCB. Бесплатное программное обеспечение для проектирования печатных плат начального уровня, разработанное RS Components, которое обеспечивает удобный интерфейс и базовые возможности проектирования печатных плат. Есть платные версии.

Отечественное ПО:

• Delta Design от Эремекс. Первая современная отечественная САПР, реализующая сквозной цикл проектирования печатных плат. Отстаёт по возможностям от зарубежных САПР, из плюсов — входит в Реестр отечественного ПО. Бесплатной версии нет.
• Lithium ECAD. Стартап небольшой команды разработчиков. Бесплатной версии нет.

При создании печатной платы вы будете разрабатывать множество документов, которые включают в себя:

1. Чертёж (Dimensional Drawings). Описывает размеры и форму базовой панели.
2. Принципиальная Схема (Schematic). Карта электрических схем и характеристик платы.
3. Спецификация материалов (Bill of Materials). Описывает компоненты, необходимые для проекта.
4. Файл макета (Layout File). Основная компоновка ПП.
5. Файл расположения компонентов (Component Placement File). Описывает месторасположение индивидуальных компонентов, их количество, спецификацию.
6. Схемы и инструкции по сборке (Assembly Drawings and Instructions). Описывают, как собрать плату.
7. Пользовательские руководства (User Guides). Хотя они не обязательны, руководства полезны для предоставления дополнительной информации пользователю.

8. Набор файлов Gerber (Gerber File Set). Сборник выходных файлов проекта, которые производитель платы будет использовать для создания платы, фотошаблонов, трафаретов SMT и т.д.:

   1. TOP — Верхний слой меди (расширение: .gtl).
      Показывает медные дорожки верхнего слоя печатной платы.
   2. SMT — Верхний слой паяльной маски (расширение: .gts).
      Паяльная маска используется для предотвращения окисления и образования перемычек припоя во время процесса пайки.
   3. SPT — Верхний слой паяльной пасты (расширение: .gtp).
      Паяльная паста используется для приклеивания компонентов поверхностного монтажа к площадкам на печатных платах. Паста наносится с помощью сопла, трафаретной печати или шприца.
   4. SST — Верхнее покрытие шелкографии (расширение: .gto).
      Шелкография — это слой краски, используемый для маркировки компонентов, торговых марок, логотипов и т. д.
   5. BOT — Нижний слой меди (расширение: .gbl).
      Маркирует медные дорожки на нижней стороне платы.
   6. SMB — Нижний слой паяльной маски (расширение: .gbs).
   7. SPB — Нижний слой паяльной пасты (расширение: .gbp).
   8. SSB — Нижний слой шелкографии (расширение: .ghbo).
   9. Внутренний слой для сигналов, питания и заземления.