Orcad PCB Designer návrh plošných spojů

Princip vrstev a jejich využití: Program pro návrh plošných spojů umožňuje pracovat v mnoha vrstvách, určených pro různé účely (například vrstvy spojů, nepájivých masek, servisního potisku atd.). Do vrstev se potom vkládají různé typy objektů (pájecí plošky, spoje, texty, obrysy součástek, obrysy plošného spoje…). Následuje výčet nejčasteji používaných vrstev, jejich názvu, případne zkratek: Vedení spojů - Top, Bottom, GND, PWR, Inner 1…(TOP, BOT…) Nepájivé masky - Solder Mask Top, Bottom (SMTop, SMBot) Pájecí pasta - Solder Paste Top, Bottom (SPTop, SPBot) Servisní potisk - Silkscreen Top, Bottom (SSTop, SSBot) Osazovací výkres - Assembly Top, Bottom (ASTop, ASBot) Vrtací výkres - Drill Drawing (DRD) Data pro NC vrtačku - Drill (NCD nebo DRL) Tento seznam není uzavřený, je možné definovat vrstvy nové, stejně jako způsob jejich využití. To závisí na technologii výroby DPS a způsobu osazování.

Typy objektů: Pouzdra součástek a plošný spoj se skládají z různých typů objektů. Mezi základní typy objektů patří: Pad – vývod pouzdra součástky v jedné vrstvě DPS Padstack – svazek vývodů pouzdra (padů) součástky definovaný pro všechny vrstvy včetně definice průměru vrtacího otvoru Route – spoj ve vrstvě mědi mezi dvěma pady Net – spoj ve vrstvě mědi mezi dvěma či více pady či padstacky Via – vodivý přechod mezi dvěma či více vrstvami DPS. Definován jako padstack, slouží však pouze k tomuto propojení a nemůže být přiřazen vývodu součástky Obstacle – oblast s definovanými vlastnostmi – obrys desky plošného spoje, obrys součástky, obecná čára nebo kružnice, rozlévaná měď, zákaz prokovů nebo zákaz spojů atd. Text – text na DPS (popis součástek, název desky plošného spoje atd.) Component – součástka na DPS Error marker – chybová značka

Nastavení technologických podmínek: Správné nastavení programu je velmi důležitým předpokladem pro celý další postup návrhu plošného spoje. Konkrétní způsob nastavení závisí na použitém návrhovém systému. Nechci zde zmiňovat nastavení barev zobrazení na monitoru, tvar kurzoru, strategie autorouteru a podobně. Z metodického hlediska návrhu plošného spoje je nutné provést nastavení nebo kontrolu především těchto položek: Rastr – jedná se o nastavení kvantování rozměrových jednotek pro různé typy operací při návrhu plošného spoje. Rozlišujeme například rastr pro rozmísťování součástek, pro vedení spojů atd. Samozřejmě návrhové programy umožnují pracovat takzvaně „bezrastrově“, což zpravidla šetří místo na plošném spoji. Doporučuji ovšem tuto eventualitu ponechat jako zálohu pro řešení konkrétních jinak nevyřešitelných situací na plošném spoji a většinu času pokud možno pracovat se zapnutým rastrem. Při jeho nastavování je nutné sledovat dva základní aspekty: 1.Použitá třída přesnosti z hlediska šířky spojů a izolačních vzdáleností. Z ekonomických důvodů je žádoucí pokládat spoje s co možná největší hustotou na hranici třídy přesnosti. 2.Rastr pro rozmístění součástek, respektive rastr umístění jejich pájecích plošek. Při manuálním návrhu spojů je velmi nepraktické a neefektivní, jestliže nebude rastr pro vedení spojů dělitelem rastru rozmístění pájecích plošek. V současné době se zpravidla používá rastr 25 milů (0,635 mm).

Rastr pro rozmísťování součástek tedy volíme 25 milů. Rastr pro vedení spojů musí respektovat šířku spojů a izolační vzdálenosti a zároveň se musíme „trefit“ do rastru pájecích plošek součástek. Splnit oba tyto požadavky celočíselným rastrem je někdy nemožné. Programy pro návrh plošných spojů proto umožnují zadávat rastr v podobě zlomku. Například ve 4. třídě přesnosti je minimální šířka spojů i izolační vzdálenost 12 milů. Při rastru pájecích plošek 25 milů tedy použijeme rastr pro vedení spojů 12 ½. V 5. třídě přesnosti je minimální šířka spojů a izolační vzdálenost 8 milů, vhodný rastr pro vedení spojů bude tedy 8 1/3. Na následujícím obrázku je rastr pro 4. a 5.třídu přesnosti (rozměry v milech).

Vrstvy – jedná se především o určení počtu elektrických vrstev a určení jejich významu. Rozlišujeme vrstvy pro vedení signálových spojů (Routing Layer) a vrstvy s rozlévanou mědí jako napájecí a zemní zóny (Plane Layer). Izolační vzdálenosti – u uzlů, kterým nebyla nastavena izolační vzdálenost již ve schématu, je tuto nutné stanovit nyní. Přitom se musejí respektovat jak minimální vzdálenosti vyplývající z použité třídy přesnosti, tak i vzdálenosti vyplývající z elektrické pevnosti. Šírka spojů – nastavení šířek spojů je opět možné již ve schématu, nicméně zpravidla se tak činí pouze u kritických spojů a u ostatních běžných spojů se šířka nastavuje právě v rámci vlastního návrhu plošného spoje. Přitom je nutné respektovat hledisko použité třídy přesnosti a zároveň podmínky maximální povolené proudové hustoty. Další nastavení uzlu – uzlům můžeme přiradit některé další vlastnosti, jako například barvu spojových vektorů neboli takzvaných „gumiček“ (=grafické znázornění odkud a kam má být navržen spoj), metody vedení spojů (90º, 45º, libovolný úhel…), použité prokovy, pravidla pro autorouter atd. Prokovy – jsou to vodivé průchody z jedné spojové vrstvy do druhé. Je nutné nastavit jejich parametry v souladu s použitou třídou přesnosti, jmenovitě průměr průchozího otvoru a velikost plošky. Termální plošky – pájecí plošky, které mají být připojené k měděné ploše (rozlité zóně), se připojují pomocí takzvaných termálních plošek, které zabraňují nadměrnému odvodu tepla při pájení. U termálních plošek se definuje šířka a délka jejich paprsku. Šírka by měla korespondovat s minimální šířkou spoje a délka s izolační vzdáleností dle použité třídy přesnosti.

Definice termální plošky

Třídy přesnosti: Hned na počátku návrhu DPS je nutné si ujasnit v jaké třídě přesnosti budeme DPS vytvářet. Třídy přesnosti definují vlastnosti základních objektů na DPS a úzce souvisí s technologií výroby. Původně byly určené normami, v současné době si je však jednotliví výrobci korigují podle svých technologických možností. Proto je před zahájením práce na návrhu vhodné, obrátit se přímo na konkrétního výrobce a nastavovací soubory přizpůsobit jeho požadavkům. Mezi základní položky pro specifikaci třidy přesnosti patří: minimální šířka spojů minimální izolační vzdálenost minimální velikost padů (závisí na průměru vrtacího otvoru) minimální odstup nepájivé masky

Po spuštění programu OrCAD PCB Designer se objeví základní okno, ve kterém je možné provádět obecné nastavování programu, stejně jako veškeré úkony související s vlastním návrhem plošného spoje a pracovat s knihovnami pouzder součástek.

Nastavení jednotek a rastru: Příkazem Setup→Design Parameters… vyvoláme dialogové okno Design Parameter Editor umožňující základní nastavení aktuálního projektu včetně nastavení jednotek a rastrů. V záložce Design volíme jednotky (User Units) pro zobrazování rastru a velikost pracovní plochy (Size). Na výběr jednotek máme Mils (= tisíciny palce), palce, mikrony, milimetry a centimetry. Ve většině návrhů budeme používat kombinaci voleb Mils nebo Milimeter. Pokud by rozměry pracovní plochy byly zbytečně velké v porovnání se skutečnou potřebnou pracovní plochou je možné její rozměry upravit v Extents. Nyní je zapotřebí kliknout na tlačítku Apply, ale ještě než opustíme dialogové okno pomocí tlačítka OK přepneme se na záložku Display.

Pro zobrazení rastru na pracovní ploše je nutné zatrhnout volbu Grids On. Po kliknutí na tlačítku Setup Grids je možné v okně Define Grid nastavit vzdálenost mezi jednotlivými body rastru. Jsou zde dvě možnosti a to nastavení rastru pro vrstvy, ve kterých navrhujeme vlastní plošné spoje (TOP a BOTTOM) a pro všechny ostatní Non-Etch. Pro vrstvy TOP nebo BOTTOM můžeme rastr nastavit zvlášť nebo pro obě stejný v All Etch.

Vytváření obrysů plošného spoje, výřezů a montážních otvorů: Před rozmísťováním součástek je nutné obecně řečeno vymezit plochu, na které se smí vyskytovat součástky a spoje, to znamená stanovit obrysy plošného spoje, výřezy, případně do plošného spoje umístit montážní otvory. Takto definovaný obrys ještě neznamená, že bude použitý jako údaj pro výrobce pro oříznutí finálního výrobku. Při finálních úpravách je samozřejmě možné vytvořit speciální ořezové značky dle požadavku výrobce nebo vygenerovat obrysy ve speciální vrstvě za účelem jejich zpracování pro automatické frézování. Při umísťování montážních otvorů se nesmí zapomenout na vymezení prostoru pro hlavičku šroubku, podložku či matičku. Je-li deska určena k zasunutí do drážek, musíme při rozmísťování součástek zohlednit i hloubku těchto drážek. Při stanovení obrysů plošného spoje můžeme využít jeden ze tří následujících způsobů:

1) Využití Wizardu (průvodce) Příkazem File→New vyvoláme dialogové okno New Drawing, kde zadáme název desky plošného spoje pro stanovení jeho obrysů a vybereme Board(wizard).

První okno je čistě informační (tento průvodce Vám ulehčí začátek práce s návrhovým systémem.

Ve druhém okně máme možnost zadat šablonu desky plošného spoje (ponecháme volbu No), ve třetím okně máme možnost zadat technologický soubor, který specifikuje návrhová pravidla (i zde ponecháme volbu No) a ve čtvrtém okně soubor s parametry symbolů (i zde ponecháme volbu No).

V pátém okně máme možnost nastavit parametry – jednotky a velikost pracovní plochy.

V šestém okně máme možnost nastavit rozteč bodů mřížky a počet vrstev, ve kterých budeme vést plošné spoje (pokud nastavíme 2 znamená to, že budeme používat pouze jednu vrstvu pro vedené plošných spojů) a ponecháme zatrhnout volbu pro generování technologických dat pro výrobu vlastního plošného spoje.

V dalším okně můžeme definovat názvy vrstev, které budeme používat pro vedení plošných spojů (doporučuji ponechat názvy TOP a BOTTOM).

V dalším okně můžeme nastavit minimální šířku plošného spoje, minimální vzdálenost mezi dvěma sousedními plošnými spoji, minimální vzdálenost mezi plošným spojem a padem a minimální vzdálenost mezi dvěma pady. Poslední volbou je definování základního prokovu při průchodu z jedné vrstvy do druhé (doporučuji zvolit via26).

V dalším okně můžeme definovat typ obrysu plošného spoje (kruh nebo obdélník). Pro náš příklad zvolíme obdélník.

V dalším okně definujeme šířku a výšku obrysu plošného spoje, máme možnost definovat minimální vzdálenost plošného spoje od okraje desky a minimální vzdálenost umístění součástek od okraje desky.

V posledním okně jsme upozorněni, že bude vytvořen soubor s daným názvem a po kliknutí na tlačítku Finish se objeví námi zadaný obrys plošného spoje včetně ohraničení ploch pro vedení plošných spojů a pro možné umístění součástek.

2) Vlastní návrh obrysů plošného spoje 1 Příkazem File→New vyvoláme opět dialogové okno New Drawing, kde zadáme název desky plošného spoje pro stanovení jeho obrysů a vybereme Board.

Nyní je zapotřebí nastavit si používané jednotky a rastr mřížky a dostatečně si zvětšit viditelnou část pracovní plochy.

Příkazem Setup→Outlines →Board Outline… máme následně možnost v okně Board Outline nastavit, jestli budeme kreslit stejně jako v předchozím příkladu obdélník nebo obecný polygon. Zkusíme nakreslit polygin zatrhnutím volby Draw Polygon. Umístíme kurzor do výchozího bodu (0,0) a můžete kreslit. Po uzavření obrysu desky plošného klikneme na tlačítko OK a vykreslí se celý obrys plošného spoje včetně oblasti pro vedení plošných spojů (nastaveno ve volbě Board Edge Clearance).

Příkazem Add→Line máme následně možnost v záložce Options nastavit, že budeme kreslit obrys desky plošného spoje (Outline) ve vrstvě Board Geometry. Dále máme možnost definovat, pod jakým úhlem bude možné kreslit vlastní obrys DPS (Line lock), jeho šířku (Line width) a typ použité čáry (Line font) a můžeme kreslit vlastní obrys DPS. 3) Vlastní návrh obrysů plošného spoje 2

Přidání montážních otvorů na DPS: Příkazem Place→Manually se nám otevře okno Placement, kde nejdříve v záložce Advanced Settings je nutné zatrhnout volbu Library a následně zvolíme v záložce Placement List Mechanical symbols a objeví se seznam možných montážních otvorů.

Vlastní montážní otvor zaškrtneme a následně umístíme do DPS

V okně Placement můžeme současně prohlížet knihovnu dostupných pouzder volbou Package symbols v záložce Placement List.

Přidání kót s rozměry k obrysům DPS: Příkazem Manufacture→Dimension Enviroment se aktivuje vkládání kót s rozměry. Po stisku pravého tlačítka myši vybereme Linear dimension a po volbě Parametrs se nám otevře další okno Dimensioning Parameters. V tomto okně můžeme volit základní parametry kót.

Následně je nutné postupně kliknout levým tlačítkem myši na začátku kóty, na konci kóty a na místě, kde se objeví vlastní kótovaný rozměr.

Literatura: 1.Ing. Vít Záhlava, CSc. – Metodika návrhu plošných spojů, skriptum 2.Vít Záhlava – OrCAD 10, Grada Publishing, a.s., Ing. Vítězslav Novák, Ph.D., Ing. Petr Bača, Ph.D. - Počítačové návrhové systémy, VUT Brno, Professor John H. Davies - A basic introduction to Cadence OrCAD PCB Designer Version Kraig Mitzner – Complete PCB Design Using OrCAD® Capture and PCB Editor