Pokyny pro umístění součástek na desce plošných spojů: Jak umístění ovlivňuje směrování, montáž a spolehlivost

Obsah

1. Co je to umístění součástek v návrhu desek plošných spojů?

2. Jak začít s osazováním součástek na desce plošných spojů

3. Elektrické a tepelné faktory při umístění součástek

4. Umístění součástek plošných spojů pro výrobu a montáž

5. Navrhování pro testování, inspekci a přístupnost

6. závěr

7. Časté dotazy

---

Umístění součástek na desce plošných spojů není jen o umístění všech součástek do rámu desky; je to klíčový krok v návrhu desky plošných spojů. Správné umístění součástek na desce plošných spojů přímo ovlivní délku vodivých drah, signálové cesty, rozložení napájení, tepelný výkon a vyrobitelnost. Pokud jsou související součástky umístěny příliš daleko od sebe, mohou být v budoucnu zapotřebí delší vodivé dráhy a více propojovacích otvorů; pokud jsou pozice vysokorychlostních zařízení, výkonových součástek nebo součástí generujících teplo uspořádány nesprávně, zvýší se tím také obtížnost signálu, tepelného managementu a výroby.

 

Proto je nutné při rozumném umístění součástek zohlednit elektrické, mechanické, tepelné a výrobní požadavky. Pravidla pro rozvržení desek plošných spojů by měla nejen zohledňovat rozteč mezi součástkami, ale také usnadňovat následné směrování a ponechat dostatek prostoru pro montáž, kontrolu, testování a opravy.

 

V tomto článku si představíme principy rozvržení, na které je třeba se zaměřit při návrhu desek plošných spojů, a to z několika hledisek: základní koncept umístění součástek na desce plošných spojů, počáteční kroky rozvržení, elektrický a tepelný návrh, požadavky na výrobu a montáž, jakož i testování a přístupnost.

 

Co je umístění součástek v návrhu desek plošných spojů?

 

Proces rozhodování o tom, kde a jak uspořádat elektronické součástky na desce plošných spojů, se nazývá umístění součástek na desce plošných spojů (PCB). Pro ty, kteří hledají odpověď na otázku „co je umístění na desce plošných spojů“, jej lze shrnout jako převod vztahů zapojení obvodů ve schématu do skutečného fyzického uspořádání na desce.

 

Správné umístění součástek na desce plošných spojů bere v úvahu tok signálu, odvod tepla, dostupný prostor na desce, směrování, montáž a mechanická konstrukční omezení. Související součástky se často umisťují co nejblíže k sobě, což vede ke kratším a přímějším trasám; součástky s vysokým šumem, vysokorychlostním provozem nebo vysokým generováním tepla však mohou vyžadovat zvláštní rozestupy nebo oddělení. Vhodné umístění součástek může snížit počet zbytečných propojení a složitých tras, zlepšit signálové a tepelné vlastnosti a zjednodušit výrobu a montáž desek plošných spojů.

 

Jak začít s osazováním součástek plošných spojů

 

Dobrý proces osazování součástek na desce plošných spojů by měl začít s těmi, které mají nejmenší flexibilitu v poloze. Místo umisťování součástek jednu po druhé je lepší nejprve určit celkovou mechanickou strukturu a funkční rozdělení desky plošných spojů. Praktické pořadí umisťování je následující:

 

1. Nejprve umístěte pevné mechanické součásti.

 

Nejprve určete obrys desky, montážní otvory, konektory, přepínače, antény, zakázané oblasti a další mechanická omezení. Tyto polohy jsou obvykle určeny krytem, ​​umístěním rozhraní nebo strukturou produktu, takže by měly být opraveny před uspořádáním dalších komponent.

 

2. Rozdělte desku plošných spojů do různých funkčních zón.

 

Můžete jej rozdělit podle funkcí, jako jsou napájecí, analogové, digitální, RF, senzory, komunikační nebo řídicí sekce. Toto je jedno z velmi praktických pravidel pro uspořádání desek plošných spojů, protože pomáhá udržovat hlučné obvody v dostatečné vzdálenosti od citlivých obvodů. Například pokud to podmínky dovolí, měly by být oblasti s vysokým proudem nebo vysokou frekvencí udržovány v určité vzdálenosti od nízkoúrovňových analogových obvodů a senzorových obvodů.

 

3. Umístěte kritické komponenty.

 

Procesory, FPGA, paměťová zařízení, regulátory, transformátory, napájecí zařízení a další významné integrované obvody mají obvykle největší vliv na následné směrování a výkon obvodu. Proto by polohy těchto komponent měly být určeny nejprve před menšími a flexibilnějšími součástkami.

 

4. Přidejte podpůrné komponenty.

 

V závislosti na skutečné elektrické funkci umístěte kritické kondenzátory, rezistory, filtry a další podpůrné komponenty do blízkosti zařízení, která obsluhují.

 

5. Obecné pasivní součástky umístěte jako poslední.

 

Obecné rezistory, kondenzátory a další pasivní součástky s relativně flexibilními polohami lze uspořádat po určení hlavní struktury rozvržení desky plošných spojů.

 

Dodržením této posloupnosti pro umístění součástek na desce plošných spojů lze celé rozvržení od samého začátku zpřehlednit a také to pomáhá omezit následné konflikty směrování, vazbu šumu a zbytečné úpravy rozvržení později v návrhu.

 

Elektrické a tepelné faktory při umisťování součástek

 

Při rozmisťování součástek je obvykle nutné společně zvažovat elektrický výkon a tepelný management. Je obtížné zaměřit se pouze na jeden aspekt, protože umístění součástek často současně ovlivňuje směrování, kvalitu signálu a odvod tepla.

 

Pokud je vzdálenost mezi kritickými součástmi příliš velká, může návrh později vyžadovat delší trasování, více propojek a složitější signálové cesty; pokud jsou součástky generující teplo soustředěny ve stejné oblasti, mohou se tvořit lokální aktivní zóny. Řešení těchto problémů ve fázi návrhu je proto obvykle efektivnější než pozdější spoléhání se na trasování nebo tepelná opatření pro nápravu.

 

Elektrické a signální aspekty

 

Při práci na umístění součástek na desce plošných spojů souvisejících se signálem se můžeme nejprve podívat na vztahy mezi součástkami podél toku signálu. Například signál vstupuje do desky plošných spojů z konektoru, prochází ochrannými a filtračními obvody, poté vstupuje do integrovaného obvodu rozhraní a nakonec dosáhne procesoru. Nejlepší je uspořádat i rozvržení v tomto pořadí. Výhody jsou zřejmé: kratší trasování, žádná potřeba opakovaných smyček a snazší manipulace s následným trasováním.

 

Při skutečném návrhu desek plošných spojů se můžete zaměřit na kontrolu těchto pravidel pro rozvržení desek plošných spojů:

 

• Umístěte vysokorychlostní zařízení, jako jsou procesory, paměti, oscilátory a další zařízení, blízko komponent, ke kterým jsou přímo připojeny.

 

• Hodinové vodiče, diferenciální páry a další kritická spojení by měla být krátká a přímá.

 

• Snažte se minimalizovat zbytečné zpětné sledování signálu, křížení a nadměrné propojení.

 

• Citlivé analogové signály a signály s nízkou úrovní by měly být uchovávány mimo oblasti s vysokým proudem a vysokou rychlostí spínání.

 

• Udržujte vysokorychlostní signály pod spojitou referenční rovinou, abyste zabránili jejímu libovolnému křížení nebo rozdělení.

 

• Oddělovací kondenzátory by měly být umístěny co nejblíže k odpovídajícím napájecím pinům, spíše než náhodně po ponechání zbývajícího prázdného místa.

 

Pokud si všimnete, že kritická síť musí být trasována na dlouhou vzdálenost nebo vyžaduje neustálé zvyšování počtu prostupů během počátečního trasování, nemusíte nutně spěchat s „optimalizací trasování“. V mnoha případech je lepší nejprve zkontrolovat umístění součástek na desce plošných spojů a rozumněji upravit polohy příslušných součástek, což usnadní řešení problému.

 

Tepelné aspekty

 

Tepelný management je také součástí umístění součástek, která je často podceňována. Zařízení, jako jsou procesory, MOSFETy, regulátory napětí a výkonové rezistory, generují při provozu teplo. Pokud jsou soustředěna v malé oblasti, i když se teplota jednoho zařízení zdá být přijatelná, může se celá oblast postupně vytvořit jako horké místo.

 

Při plánování umístění součástek na desce plošných spojů obvykle zvažujeme také následující aspekty:

 

• Jsou zařízení s vysokým výkonem příliš koncentrovaná a je nutné je vhodně rozptýlit?

 

• Je umístění zařízení generujících teplo vhodné pro použití proudění vzduchu, chladičů, tepelných prostupů nebo velkých měděných fólií?

 

• Jsou teplotně citlivé součástky, jako jsou senzory a přesná analogová zařízení, příliš blízko hlavního zdroje tepla?

 

• Neblokují vysoké komponenty ventilátory nebo hlavní cesty proudění vzduchu?

 

Důležité zde není jen oddělit všechna zařízení generující teplo. Důležité je, kam teplo nakonec směřuje. Rozumné umístění součástek pro tepelný management by mělo ponechat volnou cestu pro odvod tepla od hlavního zdroje tepla a udržet teplotně citlivá zařízení mimo oblasti viditelně ovlivněné teplem.

 

Umístění součástek plošných spojů pro výrobu a montáž

 

I když deska plošných spojů nemá žádné problémy s elektrickým návrhem, pokud umístění součástek neodpovídá skutečnému výrobnímu procesu, mohou se během fáze montáže stále vyskytnout problémy. Proto před dokončením rozvržení obvykle musíme desku znovu zkontrolovat z hlediska výroby: jak bude deska pájena, kontrolována a demontována a zda je v případě problémů vhodná pro další úpravy.

 

Mezi praktická pravidla pro rozvržení desek plošných spojů patří:

 

• Ujistěte se, že mezi komponenty je dostatečná vzdálenost.

 

Pokud jsou umístěny příliš blízko sebe, i když to může ušetřit místo na desce, bude pájení, kontrola AOI a pozdější opravy obtížnější. Přesné množství potřebného prostoru závisí na velikosti pouzdra, způsobu montáže, způsobu detekce a výrobních možnostech továrny na montáž desek plošných spojů.

 

• Věnujte pozornost okrajům desky a oblasti demontáže.

 

Pokud jsou součástky příliš blízko frézované hrany, V-řezu nebo odlamovacích oblastí, může mechanické namáhání vznikající během demontáže a manipulace ovlivnit pájené spoje nebo samotné součástky. Proto je obvykle nutné tyto oblasti předem rezervovat s bezpečnostním prostorem.

 

• Rozmístění a orientaci součástí uspořádejte rozumně.

 

Součástky citlivé na směr, jako jsou diody, LED diody, polarizované kondenzátory a integrované obvody, by měly mít pro snadnou identifikaci jasně označenou polaritu nebo pin 1. U stejných typů součástek lze, pokud to podmínky dovolí, ponechat stejnou orientaci. Pokud to však ovlivní směrování nebo tepelný výkon, není nutné je kvůli „úhlednému vzhledu“ násilně sjednocovat.

 

• Rozvržení by mělo být koordinováno se skutečným procesem pájení.

 

Požadavky na umístění a rozteče součástek se liší u různých metod montáže, jako je SMT pájení reflow, vlnové pájení, selektivní pájení a ruční montáž. Například při použití vlnového pájení musíme také věnovat pozornost orientaci součástek, výšce a tomu, zda velké součástky nebudou blokovat následnou oblast svařování.

 

• Nezapomeňte nechat prostor pro opravu.

 

Během skutečné opravy mohou technici potřebovat sondy, pinzety, páječky nebo horkovzdušné pistole. Pokud jsou součástky blokovány velkými součástkami nebo pokud v okolí není téměř žádný provozní prostor, následná údržba a opravy se stanou velmi problematickými.

 

Ve skutečnosti neexistuje žádná pevná sada pravidel pro rozestupy nebo umístění a orientaci součástek, která by fungovala pro všechny desky plošných spojů. Spolehlivějším přístupem je zkontrolovat umístění součástek na desce plošných spojů před výrobou kombinací skutečných požadavků na DFM a montáž. To může pomoci dříve odhalit problémy při pájení, testování a přepracování a snížit potřebu opětovné úpravy rozvržení pro výrobní účely později.

 

Navrhování pro testování, inspekci a přístupnost

 

Umístění součástek na desce plošných spojů nemůže zohledňovat pouze to, zda lze desku plošných spojů sestavit. Po výrobě a opuštění výrobní linky je obvykle nutné provést elektrické testování, kontrolu, programování, ladění a někdy i přepracování. Všechny tyto procesy vyžadují skutečné operace na příslušných pozicích na desce plošných spojů.

 

Zajistěte snadný přístup k testovacím bodům

 

Pro testování ICT nebo testování sond s nulovým dosahem musí být testovací body umístěny v místech, kde se upínací přípravky nebo sondy mohou skutečně dotknout. I když je testovací bod v souboru CAD správně připojen, pokud je umístěn pod velkým zařízením nebo příliš blízko vysokého konektoru, může být jeho použití během skutečného testování stále obtížné.

 

Vhodná vzdálenost mezi testovacími body, mezi testovacími body a součástkami a mezi testovacími body a okrajem desky se bude lišit v závislosti na testovací metodě a zařízení použitém výrobcem. Proto by měla být dostupnost testovacích bodů zvážena předem během fáze umisťování součástek na desce plošných spojů, spíše než aby byla přidávána až po dokončení trasování.

 

Zvažte kontrolu a přepracování

 

Uspořádání součástek také ovlivňuje výsledky kontroly. Pokud jsou součástky umístěny příliš blízko sebe, ať už pomocí AOI nebo ruční kontroly, bude obtížnost mnohem větší. U pouzder BGA, kde jsou pájené spoje skryty ve spodní části součástek, může být nutná také rentgenová kontrola.

 

Přepracování je stejné. Pokud některé komponenty v budoucnu budou potřebovat výměnu, odladění nebo technické úpravy, je nejlepší ponechat kolem nich dostatečný prostor, aby sondy, pinzety, páječky nebo horkovzdušné nástroje mohly normálně fungovat. To je obzvláště důležité pro prototypy a neinstalované instalace, protože takové projekty jsou náchylnější k požadavkům na úpravy.

 

Zkontrolujte přístupnost po konečné montáži

 

Posouzení přístupnosti se nemůže spoléhat pouze na holou desku plošných spojů. Mělo by se to zvážit i ve spojení s konečným stavem sestavení produktu. Například součásti, jako jsou programovací rozhraní a konektory, které se v softwaru pro návrh desek plošných spojů zdají mít dostatek operačního prostoru, mohou být po instalaci blokovány chladiči, kryty, kabely nebo jinou deskou plošných spojů, což znemožňuje normální provoz.

 

Panelizační uspořádání ovlivňuje také umístění součástek. Pokud jsou součástky příliš blízko V-výřezů, zlomených spojů nebo frézovaných hran, jsou náchylné k mechanickému namáhání během dělení. Ponechání dostatečných mezer v těchto oblastech předem může lépe ochránit součástky a pájené spoje.

 

Jednoduše řečeno, umístění součástek na desce plošných spojů musí nejen usnadnit montáž desky plošných spojů, ale také usnadnit následné testování, kontrolu, ladění a údržbu.

 

Závěr

 

Správné umístění součástek na desce plošných spojů (PCB) nemá za cíl vylepšit vzhled rozvržení, ale usnadnit hladký postup návrhu až do fáze výroby, montáže a testování. Mnoho problémů, které se objeví až později, lze ve skutečnosti identifikovat a opravit již během fáze osazování.

 

Proto by se v reálných projektech pravidla pro rozvržení desek plošných spojů neměla omezovat pouze na úroveň návrhu CAD, ale měla by být také kontrolována ve spojení se skutečnou výrobní kapacitou. PCBasic může provádět DFM kontroly roztečí součástek, ploch hran desky, metod svařování, testovacích bodů a vyrobitelnosti v souladu s požadavky na výrobu desek plošných spojů a montáž desek plošných spojů ještě před uvedením projektu do výroby a poskytovat služby, jako je výroba desek plošných spojů, nákup součástek, SMT/DIP montáž, AOI, rentgenové testování, testování pomocí sondy a funkční testování.

 

Pokud je váš návrh hotový, můžete odeslat soubory Gerber, kusovník a soubory sestavy do PCBasic, což umožní technickému týmu PCBasic pomoci s kontrolou potenciálních problémů s výrobou a montáží před zahájením výroby.

 

Nejčastější dotazy

 

Q1: Co znamená umístění plošných spojů?

 

A1: Hledaný výraz „co je umístění PCB“ se obecně vztahuje k tomu, co je umístění PCB. V návrhu PCB znamená umístění uspořádání opěrných ploch součástek na desce před detailním směrováním trasy tak, aby byly splněny elektrické, mechanické a výrobní požadavky.

 

Q2: Které součástky by měly být na desce plošných spojů umístěny jako první?

 

A2: Začněte s osazováním součástek desky plošných spojů (PCB) s mechanicky omezenými součástkami, jako jsou konektory, spínače, montážní otvory, antény a externí rozhraní. Poté stanovte funkční zóny a umístěte hlavní integrované obvody, napájecí zařízení a další kritické součástky před obecnými pasivními součástkami.

 

Q3: Jak umístění součástek ovlivňuje směrování desky plošných spojů?

 

A3: Správné umístění součástek může zkrátit kritická spojení, omezit křížení tras a zbytečné propojky, zjednodušit směrování diferenciálních párů a napájení a poskytnout přímější signálové cesty. Špatné umístění často nutí trasy tras probíhat delšími a složitějšími způsoby.