Projektowanie PCB - zasady i rozmieszczenie modułów - cz. 1

Obwody drukowane PCB są nieodłącznym elementem wszystkich urządzeń elektronicznych. Ich podstawową funkcją jest zapewnienie połączenia przewodzącego pomiędzy wtykami poszczególnych komponentów. Obwody drukowane PCB pojawiły się w późnych latach 60. ubiegłego wieku. Wtedy też opracowano zasady ich projektowania i produkcji, tworząc normy IPC. W dziedzinie obwodów drukowanych obwiązuje właśnie norma IPC-2221 "Ogólne standardy dotyczące płytek PCB". Od czego zaczyna się projektowanie płytek PCB? W elektronice stosuje się 3 typy komponentów i odpowiednie do nich metody lutowania:

• podzespoły z końcówkami do montażu przewlekanego "Through Hole" – TH (osiowo, promieniowo) do lutowania ręcznego lub na fali,
• podzespoły z końcówkami do montażu powierzchniowego – "Surface Mount Devices" – urządzenia SMD, które można poddawać lutowaniu rozpływowemu w piecu lub na fali,
• podzespoły bez końcówek do montażu powierzchniowego – "Surface Mount Devices" – urządzenia SMD urządzenia do montażu powierzchniowego, które można poddawać lutowaniu rozpływowemu w piecu.

Używając tych trzech typów podzespołów można zbudować urządzenie elektroniczne, w którym podzespoły umieszcza się na nośniku, tj. płytce obwodów drukowanych (PCB). Podzespoły można umieszczać na płytce PCB po jednej stronie (montaż SMD, TH lub obydwa) lub po obu stronach (montaż TH tylko na górze, SMT po obu stronach). Podczas projektowania płytek PCB należy rozważyć sposób rozmieszczenia podzespołów na płytce i dobrać metodę lutowania. Inne zasady obowiązują w przypadku lutowania na fali, a inne podczas lutowania w piecu rozpływowym. 1. Lutowanie na fali W przypadku lutowania podzespołów do spodu płytki PCB metodą na fali należy zabezpieczyć podzespoły przed wypadnięciem. Podzespoły montowane powierzchniowo na górnej stronie otrzymują warstwę pasty lutowniczej, a następnie są lutowane w technologii rozpływowej. Podzespoły montowane powierzchniowo na spodzie płytki są mocowane klejem. Następnie podzespoły montowane przez przewlekanie są umieszczane w otworach na płytce PCB. Podzespoły montowane powierzchniowo klejem i przez przewlekanie są lutowane na fali. Proces rozstawiania podzespołów z końcówkami po jednej stronie płytki PCB jest zadaniem prostym, ponieważ jedynie końcówki są zanurzane w fali lutowniczej, przez co powstaje połączenie przewodzące. Co ważne w przypadku podzespołów montowanych powierzchniowo, podczas ich zanurzania w fali lutowniczej muszą one być odpowiednio odporne na działanie temperatury sięgającej do 260 °C. Po stronie płytki PCB, która ma być lutowana na fali, należy umieszczać tylko odpowiednie pod tym względem podzespoły do montażu powierzchniowego, zgodnie z zaleceniami producenta (wytrzymałość temperaturowa: 260 °C przez 10 sekund). W odniesieniu do rezystorów ceramicznych, elementów MELF, MINIMELF, kondensatorów monolitycznych, podzespołów w pakietach SOT, SOD, SOP o minimalnym rozstawie 0,65 mm, chcąc uniknąć zwarcia układu scalonego, gdy fala lutownicza omywa każdy wtyk i może powodować powstanie mostków lub przycięć pojemnościowych, należy zwrócić uwagę na odpowiedni projekt, który nie pozwala na przenikanie spoiwa lutowniczego. Konieczne jest stosowanie podzespołów odpornych na działanie temperatury występującej podczas lutowania na fali i o odpowiednim rozstawie końcówek. Pod względem metody lutowania należy uwzględnić odległości pomiędzy podzespołami montowanymi powierzchniowo, ich ustawienie względem fali lutowniczej oraz wysokość określonych elementów. Podzespoły należy odpowiednio ustawiać, aby końcówki tworzyły kąt prosty z falą lutowniczą. W ten sposób końcówki zostaną w odpowiednim stopniu umyte przez falę. Wymóg taki można spełnić jedynie w przypadku podzespołów z końcówkami umieszczonymi po przeciwnych stronach (SO, SOP, SOIC itp.). W przypadku układów scalonych z końcówkami po wszystkich czterech stronach należy je ustawiać na górze płytki i mocować w piecu rozpływowym. Zalecane jest także przygotowanie gumowych podkładek za układem scalonym, aby zmniejszyć mostki lutownicze za ostatnią parą końcówek. Pozwoli to uniknąć zwarć, choć zmniejsza wymiary połączenia przewodzącego. 2. Lutowanie pastą Obecnie jest to najbardziej powszechna metoda lutowania. W tym przypadku podłączenie przewodzące powstaje przez umieszczenie podzespołów w paście lutowniczej, którą nakłada się przed rozstawieniem na płytce. W ten sposób powstaje także połączenie pod spodem. Zastosowanie pasty lutowniczej pozwala uniknąć problemów ze skręcaniem podzespołów. Ta metoda lutowania poprawia stopień scalenia podzespołów na płytce PCB. Nie ma też konieczności uwzględniania wysokości poszczególnych elementów względem siebie, w szczególności montowanych powierzchniowo (kondensatorów tantalowych, rezystorów mocy MELF, tranzystorów mocy). Metoda ta jest jedyną słuszną w przypadku podzespołów SMT wyposażonych w podkładki radiacyjne na spodniej stronie pakietu oraz podzespołów bezołowiowych. Lutowanie na fali podzespołów montowanych powierzchniowo może doprowadzić do tzw. efektu nagrobkowego (Tombstoning), który jest niepożądany. Pod wpływem niezrównoważonych sił działających na oba końce podzespołu może on zostać uniesiony, niczym nagrobek nad ziemią – stąd nazwa. Dotyczy to przede wszystkim elementów dwustykowych, takich jak rezystory, kondensatory itp. W konsekwencji, podczas procesu rozpływowego dochodzi do nieregularnego rozkładu temperatur na płytce PCB. Problemu można uniknąć przez prawidłowe nałożenie pasty lutowniczej za pomocą metalowego szablonu. Ogólne zasady projektowania płytek obwodów drukowanych w zakresie technologii produkcji W pierwszej kolejności należy ustalić, gdzie płytka została wyprodukowana. Do podstawowych parametrów technologicznych należą:

• minimalna szerokość ścieżki - W,
• minimalna odległość między ścieżkami - I,
• minimalna średnica przelotek (Via) - D.

Powyższe parametry określają gęstość zabudowy na płytkach PCB, które wyznacza tzw. klasę dokładności. Obecnie należy stosować standardową klasę dokładności 6 lub wyższą. Powyższe informacje należy uwzględnić podczas określania zasad projektowania. System nie pozwoli wtedy na wstawienie linii, która nie spełnia ustalonych kryteriów. Jak prawidłowo rozmieścić podzespoły? Sposób rozmieszczenia podzespołów jest ważnym krokiem w minimalizowaniu interferencji napięć, promieniowania, tj. w celu poprawy odporności na zakłócenia. Podstawowa zasada mówi, że bliżej złącza należy umieszczać elementy logiki szybkiej, i analogicznie, elementy logiki wolniejszej – dalej. Bywa, że spełnienie wszystkich wymagań jest niemożliwe. Zawsze należy jednak dążyć do kompromisowego rozwiązania i możliwie konsekwentnie trzymać się przynajmniej jednej zasady. Do najważniejszych zasad prawidłowego rozmieszczania podzespołów należą:

• umieszczanie podzespołów w kolejności od tych o najwyższej do najniższej szerokość pasma,
• wzajemna separacja fizyczna określonych bloków funkcjonalnych (analogowych, cyfrowych, wej/wyj., zasilania),
• minimalizowanie odległości, aby wyeliminować pętle prądowe.

Podłączenie do masy jest bardzo ważne. Istnieją dwie zasady prowadzenia mas dla wyprowadzeń podzespołów do wspólnego potencjału:

• Zasada jednopunktowa – A
• Zasada jednopunktowa równoległa – B
• Zasada wielopunktowa – C

Uziemienie wielopunktowe jest odpowiednie w przypadku wysokiej częstotliwości, a tym samym zastosowania w układach cyfrowych. Należy stosować płytki wielowarstwowe. Kolejność i grubość poszczególnych warstw płytki PCB określa jej całkowita impedancja (zwykle Z = 50 Ω). Z założenia, przynajmniej w jednej oddzielnej warstwie płytki PCB, powinna istnieć ciągła warstwa przewodząca (GND). Zasada ta wynika z faktu, że każda nóżka podzespołu musi być podłączona do potencjałów masy przez warstwę przewodzącą najkrótszą możliwą drogą. Ta sama rada dotyczy podłączania wtyków zasilania podzespołów. Zastosowanie warstwy przewodzącej dla wspólnego sygnału (GND) oznacza zminimalizowanie problemu pętli prądowych i zmniejszenie pasożytniczej indukcyjności ścieżek. Filtrowanie zasilania w układach elektronicznych wraz z grupowaniem stanowi najważniejszą zasadę, której należy przestrzegać podczas projektowania obwodów drukowanych. Konieczność zastosowania kondensatorów odsprzęgających wynika z założenia, że każdy zasilacz jest umieszczony z dala od przypisanego odbioru. Przypuśćmy, że impulsowe zużycie energii bramki HCMOS wynosi 15 mA w ciągu 3,5 ns, a opóźnienie sygnału na płytce PCB (także prądu zasilania) przekracza 0,1 ns/cm. Wówczas czas reakcji regulatora na krokową zmianę zużycia energii to ok. 1 µs. W takim przypadku do bramki należy doprowadzić zasilanie z blisko położonego i szybkiego źródła napięcia, którym jest kondensator. Prawidłowe działanie kondensatorów odsprzęgających zależy od ich pojemności, zastępczej rezystancji szeregowej i rozmieszczenia na obwodzie drukowanym. Ze względu na sposób działania kondensatory odsprzęgające dzielą się na trzy grupy:

• Filtrujące (Bypassing) – służą jako filtr szerokopasmowy zasilania dla całego obwodu drukowanego lub jego części. Eliminują wpływ indukcyjności wyprowadzeń zasilacza. (C1, C2, C8; C1 i C8 ≈ od 10µF do 1000µF). Zawsze należy w miarę możliwości dobierać kondensator o największej pojemności
• Miejscowe (Decoupling) – służą jako miejscowe źródła energii dla podzespołów i zmniejszają prądy impulsowe, które w przeciwnym razie rozchodziłyby się po całym układzie drukowanym. Kondensatory te muszą posiadać doskonałe właściwości częstotliwościowe. Należy je umieszczać możliwe blisko wtyku danego podzespołu (C4, C5, C6, C7 ≈ od 100pF do 0,1µF)
• Blokujące (Bulk) – służą za źródło energii do jednoczesnego zasilania wielu odbiorów o charakterze pojemnościowym. Jednak w pobliżu mikroprocesora: pojemność C3 ≈ 10µF.

Kondensatory odsprzęgające muszą być zawsze umieszczone na drodze pomiędzy źródłem a odbiorem. Wszystkie połączenia należy projektować w sposób minimalizujący powierzchnię pętli prądowych. Należy minimalizować impedancję ścieżek (przede wszystkim indukcyjność pasożytniczą od L1 do L4) przez projektowanie możliwie najkrótszych ścieżek i wykorzystanie powierzchni przewodzących. Indukcyjność pasożytnicza L5 i L6 jest eliminowana automatycznie. A co z układami cyfrowymi? Warunki wstępne pozwalające zapewnić odpowiednią jakość projektu obwodu drukowanego do zastosowań cyfrowych obowiązują już na etapie projektowania układu (schematu). Koniecznie należy zminimalizować prądy impulsowe ze względu na szybkie przełączanie bramek logicznych przez układy cyfrowe. Należy dążyć do możliwe najmniejszej liczby jednocześnie przełączanych bramek w układach cyfrowych. Większe znaczenie odgrywa oprogramowanie. Ponadto należy wybrać właściwy sposób realizacji logiki odpowiednio do możliwości wejściowych i wymagań dotyczących prądów impulsowych, wykonać obliczenia dla kondensatorów odsprzęgających (zużycie impulsów, odporność na zakłócenia, obciążenie wyjść) i zabezpieczyć nieużywane wejścia, aby uniknąć nieokreślonych stanów. Opracowując projekt obwodu drukowanego należy minimalizować powierzchnie pętli prądowych przez odpowiednie zaplanowanie szyn i linii zasilających lub rozmieszczenie ich zacisków, stosowanie podzespołów montowanych powierzchniowo (mniejszych niż podzespoły montowane przelotowo), dobór podzespołów z nóżkami zasilania po przeciwnych stronach – możliwość odsprzęgania przez kondensator montowany powierzchniowo, bezpośrednio w miejscu wyprowadzeń zasilacza danego układu scalonego. W bardzo szybkich układach nie należy używać gniazd wtykowych. Jakie aspekty należy uwzględnić podczas projektowania płytek PCB, aby uniknąć zakłóceń? Obwody drukowane należy projektować z zachowaniem zasad kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Kompatybilność elektromagnetyczna urządzeń elektronicznych opiera się na zasadzie, która mówi, że urządzenie elektroniczne nie może zakłócać pracy innych pobliskich urządzeń i być odporne na zakłócenia środowiskowe. Z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej odpowiednie zasady należy przyjąć już na etapie projektowania schematów elektrycznych. W dużym uproszczeniu można przyjąć, że urządzenie elektroniczne, które "nie promieniuje" jest także odporne na zakłócenia. Poniżej podano podstawowe zasady projektowania obwodów drukowanych w kontekście kompatybilności elektromagnetycznej:

• Minimalizowanie prądów w układów elektronicznych – dobór odpowiednich podzespołów i obwodów względem impedancji wejściowej itp.
• Minimalizowanie widma częstotliwości - unikanie szybkich podzespołów, które są zbędne (ze zboczem narastającym lub opadającym). Unikanie zbędnych, szybkich podzespołów komunikacyjnych.
• Filtracja i ochrona zacisków wejściowych/wyjściowych – zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), wykorzystywanie efektu przejścia, ograniczanie promieniowania z wyprowadzeń.
• Minimalizowanie pętli prądowych i długości ścieżek – minimalizowanie pętli prądowych przez stosowanie zasad prawidłowego rozmieszczenia podzespołów, ścieżek, prowadzenia masy, ścieżek zasilających, prawidłowe stosowanie kondensatorów filtrujących.
• Ekranowanie – jednoczesne tłumienie promieniowania i poprawa odporności na zakłócenia.

Z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej projektowanie obwodów drukowanych jest stosunkowo złożoną operacją. Ogólnie rzecz biorąc, postępując zgodnie z określonymi zaleceniami można mieć pewność, że wszystkie niezbędne kroki zostały podjęte. Część druga artykułu już wkrótce, a w niej:

• Jak zapewnić możliwość przeprowadzenia badania obwodów drukowanych?
• Jak wygląda technologia produkcji obwodów drukowanych?

Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © SOS Electronic