Orcad PCB Designer návrh plošných spojů – část 4

Návrh plošného spoje: Návrh desky plošného spoje s využitím programů Capture a PCB Editor (ruční kreslení desky plošného spoje) nebo s využitím exportu do programu PCB Router pro automatické kreslení desky plošného spoje.

Knihovny, soubory, adresáře a návrhová pravidla: Pro vlastní návrh plošného spoje potřebujeme znát následující informace pro každou použitou součástku: Schematické značky součástek pro kreslení elektrického schématu v programu Capture Elektrický model umožňující simulovat navržený obvod v programu Pspice Pouzdra součástek (Footprints) definující skutečné rozměry a tvary padů (kde piny jsou zapájeny do desky) a obrysů součástek. Tyto součástky jsou následně rozmístěny na desce plošného spoje v programu PCB Editor. K dispozici je spousta knihoven se schematickými značkami součástek, trošku horší je to s knihovnami pouzder součástek a spoustu si jich musíme vytvořit sami. Integrovaný obvod můžeme použít ve dvou verzích: Klasické pouzdro PDIP (Plastic Dual In-line Package) s roztečí pinů 0,1” = 2,54mm - je zapojení součástky dvěma řadami pinů. Ve tvaru DIPn je n celkový počet pinů. Menší, SMD (Surface Mount Device) s roztečí pinů pouze 0,05“ = 1,27mm - součástky pro povrchovou montáž.

Porovnání klasické a SMT montáže: Výhody a nevýhody klasických součástek: Výhodou klasických součástek, které se vyvíjely v podstatě od počátku století, je celkem jednoduché pájení na plošné spoje a to hlavně v amatérských podmínkách. Součástky jsou dost velké a tím je usnadněna manipulace s nimi a ručně i strojově se dobře osazují do desky plošného spoje. Hlavní nevýhodou klasických součástek je nutnost plošného spoje v provedení se speciálnímu pájecími ploškami ve kterých jsou vyvrtány díry. Z hlediska výroby PCB je vrtání plošného spoje operace navíc, kterou musí zákazník zaplatit. Z hlediska osazení je zde problém odstranění vývodů součástek po zapájení - měděné pájecí plošky jsou při následném odstřihování vývodů vystaveny tlakům z kleští a mohou se při neopatrné manipulaci s vývody součástek snadno odlepit od nosného materiálu. Odlepením kousku mědi mohou vznikat neviditelné vlasové trhliny a tím elektrické přerušení spojů. Aby se předešlo tomuto jevu, je třeba používat tlustší vrstvy mědi, a zbytečně velké plošky pro zapájení součástek. Pokud se pájí plošné spoje (PCB) pomocí cínové vlny vzniká problém, jak odstranit přebytečnou délku vývodů součástek ještě před pájením. Vlna horkého cínu, kterou se letují velkosériově plošné spoje má ve většině případů výšku cínové hráze 4-6mm a do této výšky musí být ostříhány všechny vývody součástek. Hlavní nevýhodou klasických součástek je nemožnost sériově osazovat součástky z obou stran PCB.

Výhody a nevýhody povrchové montáže - SMT: Výhoda SMD součástek pro povrchovou montáž spočívá hlavně v miniaturním provedení jejich pouzder a v jejich lehkosti. Díky zmenšení pouzder lze dosáhnout až 50% zhuštění osazení a tím i zmenšení výsledného PCB což se pozitivně projeví na skladovatelnosti a dopravě již hotových výrobků. Pro výrobce PCB odpadá nutnost vrtání velkého množství děr do PCB a tím se i celá výroba PCB zlevní (pro použití prokovů jsou však vyvrtané a prokovené díry nadále nutné). Pro samotné osazení již není potřeba žádných tvarovacích strojků a tak lze ušetřit i čas potřebný na přípravu součástek. Díky malým rozměrům součástek lze s daleko menším rizikem navrhovat obvody, které mohou být vystaveny i větším mechanický rázům a chvěním, popřípadě i vyrobit plošné spoje vytvořené na ohebných fóliích. Odpadají problémy s křehkostí cínových spojů. Nevýhodou SMD součástek je hlavně amatérské osazování. Bez základního vybavení je použití SMD v domácích podmínkách problematické. Další nevýhoda miniaturizace je už v samotném návrhu PCB. Tažení cest ve zhuštěném návrhu a s relativně velkými pájecími plochami součástek začíná dělat problémy i zkušenějšímu návrháři plošných spojů. Další negativní vlastnost takovýchto návrhů je i nadměrné namáhání cest velkými proudy. Zde již nelze vytvořit patřičně široké cesty pod součástkami (pouze na úkor výroby vícevrstvých PCB nebo zvětšení PCB a vedení širokých cest mimo součástky). Chlazení výkonových součástek v pouzdrech SMD začíná být poslední dobou také citelný problém. Je nutné vytvořit patřičně velké chladící plochy přímo v mědi.

Výrazně negativní je absence ucelené normy pro pouzdra SMD součástek. Ne všechny součástky existují v provedení SMD, protože výrobci do SMD samozřejmě nepřevedli okamžitě veškerou výrobu. S tím souvisí problém se značením součástek. Na klasické součástce je dostatek místa pro označení typu součástky i pro značku výrobce a datum výroby popř. další pomocné kódy výrobce. Na SMD součástkách lze jen stěží napsat kód součástky. To vyžaduje aby výrobce aplikací jakožto uživatel SMD technologie používal převodní tabulky kódů na klasické značení (např. tranzistory a diody se vyrábějí v pouzdru SOT23, rezistory a kondenzátory v pouzdru 1206 a 0805 apod. Jako nedořešenou specialitu lze uvést neznačení keramických kondenzátorů. Pokud se vám totiž sesype několik druhů takovýchto kondenzátorů pak už zbývá jen buď kus po kusu proměřovat, nebo je prostě sesypat a strčit někam do šuplíku na horší časy). Největší zápor Povrchové montáže SMT je v osazování. Prvním předpokladem kvalitního osazení je výborná pájitelnost PCB. Doporučuje se mít na ploškách nanesen HAL (pocínování mědi – usnadňuje pájení), nebo alespoň pasivaci (chemické zdrsnění povrchy mědi) určenou pro SMT. Proti vzniku zkratů pod součástkami je doporučené mít na PCB také nepájivou masku. Pro samotné osazení je nutno mít alespoň lupu, jemnou pinzetu a mikropájku s úzkým hrotem. Pro přenášení součástek ze zásobníků na PCB je dobré si pořídit vakuovou pinzetu. Cena takovéto pinzety se pohybuje kolem 1500,- Kč bez DPH.

Plošný spoj navrhujeme zpravidla: Jednostranný (součástky jsou umístěné na straně Top a plošné spoje jsou vedeny na straně Bottom). Oboustranný (má obvykle součástky pouze na straně Top a plošné spoje jsou vedeny na obou stranách Top i Bottom). Návrhová pravidla potřebujeme znát pro vlastní rozmístění součástek na desce plošného spoje. Detaily návrhových pravidel jsou komplexnější, ale základní pravidla se vztahují na minimální šířku plošného spoje (width of track) a minimální mezeru mezi dvěmi spoji (gap between track). Výrobci často vyjadřují tyto hodnoty ve formátu 10/8, což znamená minimální šířku plošného spoje 10 a minimální mezeru mezi jednotlivými plošnými spoji 8 (samozřejmě hodnoty jsou v milech). Běžně se používá 25/25. Použití těchto hodnot umožňuje vyrobit plošné spoje, které jsou snadno osaditelné i pro nezkušené studenty. Mezi další důležitá návrhová pravidla samozřejmě patří např. mezera mezi spojem a padem, místa, kde můžeme použít prokovy (via) a také samozřejmě impedance vlastního spoje (pokud je delší). Všechny tyto věci je možné si nastavit v programu před vlastním začátkem kreslení plošného spoje.

Non-plated hole Plated hole Termální ploška

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