Odborný výcvik ve 3. tisíciletí Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu

Odborný výcvik ve 3. tisíciletí Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky ME – 1.1 Návrh desek plošných spojů (DPS) Obor:Mechanik elektronik Ročník:2. Vypracoval:Jiří Kolář

Úvod do problematiky návrhu DPS ● Vytvoření kvalitního plošného spoje je zásadní pro funkci a spolehlivost celého zařízení. ● Určitě je velmi důležité také sestavení přehledného plošného spoje pro případný servis zařízení (technologii osazování, pájení, typu součástek, výrobci desky).

Základní zásady návrhu DPS Plošný spoj navrhnout tak, aby byl: ● Vyrobitelný a snáze osaditelný ● Jednostranný ● Bez drátových propojek ● Zaručena obvodová funkčnost, spolehlivost a snadná opravitelnost ● Estetika ● Nízká cena ● Ve shodě s platnou legislativou (EMC, bezpečností)

Základní pravidla návrhu a kresby plošných spojů ● Využívat katalog součástek. ● Ovládací prvky a konektory (potenciometry, přepínače), ale i výkonové tranzistory, I/O prvky by měly být na okraji DPS a tak, aby nemusely být propojovány drátovými přívody. ● Součástky by měly být rozmístěny správně s ohledem na znalost obvodové funkce a pracovního režimu součástky v zapojení a rovnoměrně po celé DPS ve směru od vstupu k výstupu. ● Respektovat maximální proudové a napěťové zatížení. ● Součástky citlivé na teplo (především elektrolyty a polovodiče bez chladičů) by měly být mimo dosah tepelného sálání rezistorů a dalších výkonových prvků.

Základní pravidla návrhu a kresby plošných spojů ● U číslicových obvodů je vhodné použít vícevrstvých plošných spojů, tím vodivé plochy GND a VCC, každá na samostatné vrstvě, vytvoří blokovací kondenzátor s vysokým rezonančním kmitočtem, malou parazitní indukčností přívodů signálových a napájecích cest včetně IO a jeho blokovacího kondenzátoru, tím se minimalizuje se plocha proudové napájecí smyčky. ● Signálové spoje musí být co nejkratší. ● Vedení spojů by mělo být pod úhlem 45 0 nebo 90 0, jinak hrozí podleptání rohu spoje a tím změna impedance a odrazy.

Pravidla pro zemnění ● Jednobodové: pro obvody do 1MHz, pro audio, zdroje pracující se síťovým kmitočtem, stejnosměrné aplikace. Podmínkou je znalost funkce celého obvodu včetně toku proudů. ● - sériové: signál, a tím i proudy procházející jednotlivými bloky mají stoupající charakter (např. budič  zesilovač  výkonový stupeň). ● - paralelní:proudy mají stejnou úroveň v jednotlivých blocích a bloky jsou propojeny signály stejné úrovně. ● Vícebodové: pro vysokofrekvenční a číslicové obvody, součástky se připojují co nejkratším přívodem k plošné zemi (GND) spojené s kostrou přístroje. Minimalizace proudových smyček.

Způsoby zemnění

Propojování analogové a číslicové části obvodu ● Zapojení a) nejpoužívanější filtrace napájení. Zapojení b) země galvanicky propojeny, c)pomocí filtracní tlumivky, d) zabraňuje vniknutí vyšší úrovně napětí, e) doporučené zapojení. ● Napětí VDD_A i VCC je nutné odebírat z místa co nejblíže svorkám kondenzátoru.

Pravidla pro blokování napájení ● Blokovací kondenzátory (filtrační, skupinové, lokální). ● Velikost filtračního kondenzátoru se musí vypočítat podle proudové zátěže, zvlnění a impedance obvodu (větší u nap. konektoru, menší uvnitř DPS). ● Skupinové kondenzátory – zdrojem energie pro určitý obvod. ● Lokální kondenzátory – místní zdroj energie pro součástky eliminující impulsní proudy (umistňují se do těsné blízkostí součástky a musí se dodržet minimální proudová smyčka. Doporučená velikost je dána provozním kmitočtem obvodu, výrobcem).

Zatížení, šířka, izolační mezery plošných vodičů ● Při návrhu plošného spoje, pokud jsme limitováni plochou plošného spoje, volíme spoje co nejmenší šířky a také co nejmenší izolační mezery. ● Minimální šířky se musí navrhnout s ohledem na technologické možnosti výrobce plošného spoje. ● Mezi dvěma souběžně vedenýma vodiči vzniká parazitní kapacita, která při šířce vodičů 0,5mm a izolační mezery 0,5mm je 0,4 pF/ cm, pro šířku mezery 5,0 mm je 0,15 pF/ cm. Se zvyšováním šířky vodiče se kapacita nepatrně zvyšuje. ● Velikost přípustného napětí mezi vodiči závisí na velikosti mezery mezi vodiči, druhu základního materiálu, ochranném povlaku, prostředí a na předepsaných bezpečnostních požadavcích jako je velikost průrazného napětí, maximální provozní napětí, které jsou předmětem zkoušení a norem.

Zatížení, šířka, izolační mezery plošných vodičů ● Proudová zatížitelnost plošných vodičů je přibližně 5x větší než u klasických vodičů, pro nejčastěji používaný materiál FR4 s tloušťkou Cu fólie 35  m je oteplení vodiče při daném proudu přibližně podle následující tabulky: ● Při volbě šířky je třeba počítat s podleptáním vodiče, pro tloušťku měděné fólie 35  m je podleptání přibližně 10 až 20  m.

Vzdálenost mezi součástkami Klasické součástky s drátovými přívody Pokud jsou součástky chráněné pouze lakem (rezistory ) nesmí se dotýkat. Mezera mezi jednotlivými součástkami musí být minimálně stejná jak šířka izolační mezera plošného spoje. Součástky v plastových pouzdrech se mohou v případě nutnosti dotýkat. SMD součástky při pájení vlnou Doporučuje se umísťovat součástky tak, aby vzájemné vzdálenosti okrajů plošek součástek byly vzdáleny alespoň 2mm. Pokud jsou pouzdra vysoká, může dojít k tzv. zastínění (vlna nestačí vtéct mezi součástky), proto je třeba se vyvarovat zastínění součástek, velikost stínového efektu závisí také na typu pájecí vlny.

Vzdálenost mezi součástkami SMD součástky při pájení přetavením Vzájemná vzdálenost mezi součástkami není kritická, v případě nejčastěji používané (IR v kombinaci s horkým vzduchem) je třeba se vyvarovat zastínění malých součástek velkou součástkou, ideální je vzdálenost, která se rovná minimálně výšce rozměrné součástky.

Tvar pájecích plošek a vedení plošných vodičů ● Pro spolehlivou funkci zařízení je nutné vést spoje tak, aby připojení k jinému spoji bylo pod úhlem 90°, stejně tak, aby byl veden spoj mezi pájecími ploškami. Je nutné vytvořit dostatečnou plochu pájecí plošky kolem otvoru, protože při opravách se ploška přehřeje a může dojít k odlepení pájecí plošky od nosného substrátu, zvláště, když otvor není prokoven. ● Pájecí plošky se navrhují pro klasickou montáž standardně kruhové, pro SMD obdélníkové a jejich tvar a velikost je přesně definován v návrhovém programu pro návrh DPS. ● Průměr pájecí plošky by měl být alespoň 2,5 násobek průměru vrtaného otvoru.

Tvar pájecích plošek a vedení plošných vodičů ● Vedení vodivých cest ● Propojování SMD součástek

Tvar pájecích plošek a vedení plošných vodičů Každé vyráběné zařízení je jedinečné => ● Vedení vodivých cest se musí řešit individuálně s ohledem na rozložení spojů v jednotlivých vrstvách. ● Nepodceňovat napájení a zemnění. ● Dodržovat délku vodičů a jejich vzájemnou vzdálenost a nepodceňovat jejich parazitní vlastnosti. ● Velké plochy proudových smyček mají negativní vliv na EMC. ● Vytvořit na DPS rozlévanou měď. ● Maximální hustota spojů.

Požadavky na EMC při návrhu DPS ● Omezení vyzařování a zvýšení odolnosti vůči vyzařování je základním požadavkem navrhovaného zařízení. ● Rušení způsobují: všechny elektromotory, relé, stykače, měniče, zářivky, výkonové spínače, ale i vzájemné rušení elektronických zařízení mezi sebou. ● Rušení se projevuje: nežádoucími vazbami, rezonančními a přechodovými jevy, interferenčním šumem a může způsobit nesprávnou funkci elektronického zařízení, výpadek přenosu dat a v krajním případě i zničení citlivých elektronických obvodů. ● EMC je legislativně řešena zákonem 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky a navazujícími nařízeními vlády (výroba + prodej). ● Jednou z možností návrhu DPS v souladu s EMC a tím splnění limitů je: ● - výroba vícevrstvých DPS se samostatnými vrstvami pro signál, napájení a zem za cenu vyšších výrobních nákladů nevhodných pro sériovou výrobu. ● - provést důkladný návrh DPS s pravidly pro EMC s maximální pečlivostí při tažení signálových a napájecích cest s rozlévanou mědí společných GND spojů, ale za cenu velké časové a finanční náročnosti vývoje DPS nevhodné pro malosériovou výrobu.

Návrh desek plošných spojů Dobrá znalost mechanických a topologických zásad má vliv na vyrobitelnost, spolehlivost a případnou opravitelnost DPS. Jsou velice důležité pro úspěšný návrh. Výsledná kvalita návrhu značně závisí na individuálním přístupu a zkušenostech každého návrháře. Návrh DPS lze provádět ručně, nebo na počítači v různých CAD (Computer Aided Design) programech určených pro návrh a kreslení plošných spojů, např. Eagle, Formica, OrCad a dalších. Aby byla výroba DPS levná a snadná musí se dodržet určité zásady: ● Použít co nejméně typů a hodnot součástek. ● Nepoužívat předimenzované součástky. ● Nejvíce součástek v provedení SMD. ● Nejmenší počet vrstev plošného spoje. ● Zvolit nejjednodušší tvar a vhodné rozměry desky. ● Vhodný základní materiál desky. ● Nejméně vrtat desky a nepoužívat hodně různých velikostí otvorů. ● Využívat jednodeskové koncepce a méně modulový systém na konektorech.

Metody návrhu DPS ● Metoda dělicích čar ● Metoda spojovacích čar

Ruční návrh DPS ● Pokud není předem stanovena velikost a tvar desky, volí se velikost desky co možná nejmenší. ● Při návrhu je dobré již mít konkrétní součástky, které se na plošný spoj budou pájet nebo fyzické rozměry, rozteče vývodů a tvar zjistit z katalogu výrobce součástek. ● Na papír, nejvhodnější je milimetrový nebo čverečkovaný, se nakreslí obrys budoucí desky plošného spoje. Vyznačí se montážní otvory pro přichycení desky a oblast pro rozmístění součástek. ● Součástky se na desku rozmístí nejprve podle schématu zapojení. ● Po rozmístění součástek dle schématu se dále snažíme součástky rozmístnit tak, aby rovnoměrně vyplnily celý prostor určený pro součástky (metoda podle schématu). Další metodou je metoda konektorů, kde se nejdříve na desku rozmístní I/O konektory a ostatními součástkami se snažíme vyplnit zbylý prostor. Metoda centrální součástky spočívá v tom, že se nejprve snažíme rozmístnit součástky kolem nejsložitějšího integrovaného obvodu a se zbylými součástkami pak vypnit prostor. Zároveň s využitím všech poznatků a pravidel o rozmístění součástek se snažit zásady rezpektovat a nepodceňovat je.

Ruční návrh DPS Schéma zapojení Ručně provedený návrh DPS

Počítačový návrh DPS ● Pro počítačový návrh DPS platí stejná pravidla jako pro ruční návrh DPS. ● Oproti ručnímu návrhu je počitačový návrh DPS (po zvládnutí obsluhy programu) mnohem rychlejší a efektivnější. Lidská chyba je při počítačovém návrhu značně omezena nebo zcela vyloučena. Důležitá je provázanost s dalšími programy pro osazovací automat nebo vrtačku. ● Návrhový software se skládá z editoru schémat, editoru spojů a autorouteru. ● Dále se bude výklad zabývat návrhem DPS v programu Eagle. ● Prosím, spustěte si Eagle 4.11 na svých počítačích.

Návrh DPS v Eaglu Před začátkem práce je zapotřebí zkontrolovat, jestli jsou všechny knihovny ze součástkami zapnuté, a to v Control panelu hlavního okna Eaglu rozklepnutím složky Libraries. Všechny musí svítit zeleně.

Návrh DPS v Eaglu ● Program se spustí a přes nabídku File → New→ Schematik se otevře editor schémat. ● GRID nastaví rastr vývodů součástek a měrné jednotky. ● Součástky se hledají v knihovnách součástek. Otevření knihovny se provede klepnutím na ikonu ADD v panelu nástrojů. ● Po rozprostření součástek se součástky začnou spojovat podle zapojení ve schématu a to pomocí nástroje NET. ● Nakreslené schéma se uloží v nabídce File → Save as. V názvu souboru ani ve složce nesmí být diakritika – háčky a čárky, např. C:\Sirena\sirena1.sch. Obraz desky plošného spoje se uloží pod stejným jménem s příponou.brd.

Návrh DPS v Eaglu – Editor schémat

Návrh DPS v Eaglu Editor schémat uloží i rozpisku součástek. Cesta začíná klepnutím na ikonu ULP, otevře se dialogové okno Run a ve složce soubor obsahující rozpisku součástek bom.ulp. Po otevření se zobrazí rozpiska součástek, která se musí uložit jako jméno.bom, ta se otevře jako textový soubor.

Návrh DPS v Eaglu

● Po nakreslení schématu se může přistoupit ke tvorbě kresby plošného spoje. Klepnutím na ikonu BOARD z nabídkového panelu se vyvolá editor návrhu DPS. ● Při návrhu hybridních DPS (s vývodovými a SMD součástkami) se musí všechny SMD součástky zrcadlově převrátit. ● Vlastní kresba plošného spoje se provádí buď ručně nástroji RIPUP a ROUTE. ● Někdy je nutné změnit velikost pouzdra součástky. K tomu slouží nástroj CHANGE/Package. Klepnutím nástrojem na křížek v pouzdru součástky, která vyžaduje změnu pouzdra, a ze zobrazeného dialogového okna se vybere pouzdro jiné. ● Nástroj SMASH slouží k oddělení typu od označení součástky, které lze pak libovolně přesouvat. ● Malé pájecí plošky součástek se zvětší pomocí nástroje VIA. Nastaví se tvar, vnitřní (drill) a vnější (diameter) průměr plošky. Pro drátové propoje se používá čtvercových pájecích plošek. ● U propojovacích spojů lze měnit zakřivení v ohybu čáry pomocí pravého tlačítka myši, šířku (widht) spoje, radius (miter) a izolační vzdálenost mezi spoji (isolate) přímo z hlavní nabídky nebo přes nástroj CHANGE.

Návrh DPS v Eaglu ● Autorouter se spustí nástrojem AUTO a v dialogovém okně se nastaví kolikavrstvý plošný spoj se má navrhnout a různá omezení v průchodech mezi součástkami a vrstvami.

Návrh DPS v Eaglu – Editor spojů - autoroutererm

Návrh DPS v Eaglu ● Rozlévaná měď se vytvoří pomocí nástroje POLYGON. Ve schématu musí být nadefinováno, pro který pól se má polygon vytvořit. Nejčastěji to bývá GND. Spoje ve schématu se přejmenují na GND. Schéma zapojení musí být shodné s deskou plošného spoje, jinak nedojde k vytvoření polygonu. ● Vybere se nástroj Polygon, do příkazového řádku se napíše GND, příkaz se potvrdí. Nastaví se vrstva, zakřivení a síla obrysové čáry polygonu, izolační bariéra, provedení polygonu – plocha (solid) nebo mříž (hatch), napojování pájecích plošek a jestli se mají jednotlivé ostrůvky měďi slít v jednolitou plochu, nebo ne. Počátek polygonu může být v kterémkoliv místě desky, může mít libovolný tvar nebo být přes celou plochu DPS. Po uzavření obrysové čáry polygonu se čára zvýrazní. Měď se rozlije klepnutím na nástroj RATSNEST.

Návrh DPS v Eaglu – Editor spojů - Polygon

Návrh DPS v Eaglu Pro výrobní dokumentaci se dají využít výstupy z Eaglu. Zapnutím vhodné vrstvy se získá schéma zapojení, rozpiska materiálu, osazovací plán, motiv plošného spoje, vrtací otvory, nepájivá maska a další. Data se dají přímo tisknout nebo použít v dalších programech k zpracování. Do protokolu o výrobku lze jednoduše vzít obraz schématu zapojení, osazovací plán nebo kresbu plošného spoje. Data se získají přes nabídku File → Export → Image. Získané obrazy se musí invertovat v některém grafickém programu.

Návrh DPS v Eaglu ● Tisk dokumentů se provede přes nabídku File → Print. V dialogovém okně Print se zaškrtnutím nastaví, zda se obraz při tisku zrcadlově otočí (mirror), stranově otočí (rotate), tisk černě (black) a měřítko (scale factor) – hodnota „1“ = 1:1. Pozor, předešlé nastavení zůstává v paměti. V záložkách Printer – nastavení parametrů tiskárny a Page - nastavení umístění obrazu na papíře. Při výrobě DPS fotocestou je vhodné, aby se strana tisku motivu DPS přikládala přímo na stranu desky s fotoemulzí pro lepší obtisk motivu na desku. Návrh DPS s klasickými součástkami se nemusí zrcadlově otáčet, návrhy DPS s SMD součástkami se musí zrcadlově otáčet.

Použitá literatura 1.ZÁHLAVA, V.: Metodika návrhu plošných spojů. ČVUT Praha, ŠANDERA, J. Skripta: Součástky pro SMT, návrh a spolehlivost DPS. Brno: FEKT. 3.DLOUHÝ, J., ARENDÁŠ, V.: Materiály a technologie Stručný návod na použití programu Eagle v4.0. CADware s.r.o, 2001.

Děkuji Vám za pozornost Jiří Kolář Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010