Топ-5 распространенных ошибок прототипирования печатных плат и как их избежать

Предполагаемое время чтения: 12 минут

Разработка прототипов аппаратного обеспечения - важный этап в разработке аппаратного обеспечения, однако именно на этом этапе срывается большая часть сроков. По статистике, примерно треть прототипов печатных плат терпят неудачу после первой итерации, что приводит к дорогостоящим переделкам и неделям задержек.

В отличие от многих неудач, которые происходят из-за сложных конструктивных недостатков, эти типы неудач прототипов печатных плат часто происходят из-за простого недосмотра. В этом руководстве мы расскажем вам о пяти распространенных ошибках, допускаемых при проектировании печатных плат, которые подрывают успех прототипа. Мы также опишем причины возникновения этих ошибок и предложим вам практические решения, которые позволят убедиться, что ваш следующий проект печатной платы будет работать правильно с первой попытки.

Неправильная конструкция опорной поверхности компонентов

Невозможность точно спроектировать отпечаток печатной платы для используемых компонентов - одна из самых распространенных и досадных ошибок, допускаемых при создании прототипов печатных плат. Отпечаток - это двумерный контур, который представляет собой внешнюю форму компонента, включая расположение площадок для пайки и штырьков, если таковые имеются. Если ваш отпечаток не соответствует реальному контуру приобретенного компонента, вы никак не сможете правильно прикрепить компонент к печатной плате, и прототип окажется бесполезным.

Почему возникает эта ошибка

Три основных источника большинства ошибок, связанных с отпечатками, обусловлены тем, как работают дизайнеры. Дизайнеры часто используют одни и те же проекты печатных плат для своих следующих проектов, не внося никаких изменений в соответствующие библиотеки компонентов. Дизайн компонента в 2022 году может сильно отличаться от фактических размеров ножки или штырька (например, 0,1 дюйма) этого же компонента в 2024 году, поскольку компоненты меняются практически ежегодно. Кроме того, путаница возникает при смешении двух типов систем измерения - имперской и метрической (например, резистор с расстоянием между выводами 0,1″). Резистор не поместится на печатную плату, разработанную для детали с расстоянием между выводами 2,5 мм, даже если эти измерения кажутся очень близкими друг к другу. И наконец, многие разработчики не проверяют в технических паспортах производителя точные размеры печатной платы и поэтому полагаются на свои собственные предположения о том, какие размеры печатной платы им понадобятся, и не используют ресурс производителя.

Как избежать ошибок, связанных с размерами компонентов

К счастью, существует простой способ избежать ошибок, связанных с отпечатками, если следовать нескольким простым рекомендациям. Прежде всего, убедитесь, что вы используете самые современные библиотеки компонентов, доступные в вашей программе проектирования печатных плат; например: Altium, KiCad и Eagle! Большинство поставщиков часто обновляют свои библиотеки компонентов, когда появляются новые детали, поэтому не стоит полагаться на библиотеку, которая не обновлялась в течение последних шести месяцев или около того.

Сопоставив размеры опорной поверхности с техническим паспортом компонента, проверьте разделы технического паспорта, помеченные “Package Dimensions” или “Footprint Recommendations”, чтобы найти точные размеры расстояния между выводами, размера площадок и общей ширины компонента. Если в техническом описании компонента содержится его 3D-модель, вы можете импортировать ее в программное обеспечение для проектирования и посмотреть, как компонент разместится на печатной плате.

Прежде чем отправлять проект в производство, обязательно выполните предварительный 3D-просмотр конструкции. Большинство современных инструментов для проектирования печатных плат позволяют вращать и увеличивать масштаб печатной платы, что дает возможность поиска помех от других компонентов. Очень важно оценить все соседние компоненты; несмотря на то, что площадь основания может быть правильной, компонент с большим физическим размером, например конденсатор, может случайно затруднить доступ к площадкам для пайки соседнего компонента, например резистора, если эти два компонента расположены слишком близко друг к другу.

Наши услуги по созданию прототипов печатных плат предоставляет бесплатную проверку отпечатков всех компонентов для дополнительной гарантии. Инженеры изучают ваши проекты и подтверждают, что все компоненты подходят в соответствии с актуальными техническими паспортами, что исключает возможность дорогостоящих ошибок при производстве прототипа.

Плохая ширина и расстояние между трассами

Трассы печатной платы - это медные дорожки, которые соединяют все компоненты на печатной плате, передавая электрические сигналы и питание. Может показаться, что это незначительная деталь, но неправильная ширина трасс печатной платы и расстояние между ними приводят к примерно 25% всех отказов прототипов печатных плат. Когда вы создаете продукт и используете неправильную ширину или расстояние между трассами печатной платы, это может привести к короткому замыканию, перегреву или передаче слабого сигнала - все это не позволит продукту функционировать должным образом.

Что вызывает эту ошибку

Многие дизайнеры неточно определяют величину тока, который может пропускать трасса. Если трасса слишком узкая для протекающего по ней тока, она нагревается и может расплавить припой или повредить печатную плату. Например, трасса толщиной 0,5 мм выдерживает ток около 0,5 А; поэтому, если вы используете эту трассу для питания двигателя, который тянет 1 А, трасса станет слишком горячей. И наоборот, чрезмерно широкая трасса занимает больше места на плате, чем необходимо, и затрудняет размещение остальных компонентов на печатной плате.

Еще одним источником беспокойства являются ошибки в расположении трасс: когда трассы расположены близко друг к другу и на обеих присутствует значительное напряжение, существует вероятность того, что электрический ток будет “дугообразно” переходить с одной трассы на другую (что также приводит к нежелательному электрическому соединению) и создавать короткое замыкание. Чаще всего это происходит на густонаселенных печатных платах, где пространство между компонентами ограничено.

Как избежать ошибок ширины и интервала трассировки

Для начала необходимо рассчитать ширину трассы вашего проекта. Различные онлайн калькуляторы ширины трассы, Калькуляторы, в том числе предлагаемые компанией PCBINQ, дают рекомендации по ширине трассы в зависимости от различных факторов, таких как толщина печатной платы, напряжение и ток. Введите эти числа в калькулятор и получите конкретную рекомендацию по ширине трассы. В целом, следующие стандартные значения ширины трассы соответствуют:

• Трасса 0,5 мм = ток 0,5 А
• Трасса 1,0 мм = ток 1,0 А
• Трасса 2,0 мм = ток 2,0 А

При определении расстояния между трассами следует придерживаться следующих правил IPC-2221 В большинстве случаев минимальное расстояние между трассами составляет 0,1 мм. Если в вашей схеме используются высоковольтные сигналы (более 50 В), увеличьте расстояние между трассами до 0,2 мм или более, чтобы избежать образования дуги.

Также рекомендуется разделять силовые и сигнальные трассы проекта. Силовые трассы могут проводить большой ток и создавать шум, который может повлиять на работу сигнальных трасс. Соблюдая расстояние не менее 0,5 мм между двумя типами трасс, вы сведете к минимуму шумовые помехи, что приведет к улучшению качества сигнала.

Наши услуги по созданию прототипов печатных плат включают проверку DFM, которая проверяет ширину и расстояние между трассами. Мы также предлагаем варианты печатных плат высокой плотности с минимальным расстоянием между трассами до 0,075 мм для компактных конструкций - это гарантирует, что ваш прототип будет функциональным и компактным.

Термическое управление игнорируется

Тепло, выделяемое электроникой, - это реальность, которую нельзя игнорировать, поэтому отсутствие терморегулирования в конструкции прототипа печатной платы - это ошибка, которая может привести к перегреву, повреждению деталей и непредсказуемой работе, особенно если в прототипе есть устройства с высоким энергопотреблением, такие как микроконтроллеры, усилители или двигатели.

Что вызывает эту ошибку?

Часто разработчики сосредотачиваются на том, чтобы разместить как можно больше компонентов на свободном пространстве печатной платы, не задумываясь о том, как эти компоненты будут выделять тепло. Во время работы тепло, выделяемое этими компонентами, накапливается внутри печатной платы и приводит к повышению температуры как платы, так и самих компонентов. Большинство электронных компонентов имеют максимальную температуру для работы (обычно от 85 до 125 градусов Цельсия), превышение которой может вывести их из строя или даже привести к поломке.

Еще одна ошибка, которую допускают дизайнеры, - размещение теплогенерирующих компонентов в непосредственной близости друг от друга. Например, если рядом с датчиком разместить усилитель, датчик будет подвергаться чрезмерному нагреву и, как следствие, выдавать неточные показания.

Как избежать ошибок в управлении тепловым режимом

Начните с определения компонентов, выделяющих тепло в вашей конструкции. Как правило, это компоненты, потребляющие ток более 0,5 А, такие как стабилизаторы напряжения, усилители и двигатели. Как только вы их определите, выполните следующие действия:

• Добавлены термопрокладки - термопрокладка представляет собой участок меди на печатной плате, один конец которой прикреплен к “теплоотводящей площадке” электронного компонента, выделяющего тепло. Медь является отличным проводником тепла, поэтому термопрокладка перемещает тепло по всей печатной плате и помогает устранить горячие точки. Для силовых компонентов используйте термопрокладки, площадь поверхности которых как минимум в 2 раза больше площади основания компонента.
• Добавьте теплоотводы - для электроники, выделяющей тепло, например усилителей, полезно добавить небольшой теплоотвод. Теплоотводы - это металлические предметы, прикрепленные к электронному компоненту для отвода тепла в окружающий воздух. Они недороги, просты в установке и могут снизить температуру компонентов на 20-30 градусов C.
• Оптимизированная компоновка компонентов - располагайте тепловыделяющие компоненты подальше от чувствительной электроники (например, датчиков, микроконтроллеров, конденсаторов и т. д.). Оставляйте между компонентами не менее 1-2 сантиметров пустого пространства для достаточной вентиляции и не размещайте компоненты в узких местах или в углах печатной платы, так как это приведет к образованию “теплового кармана”.”
• Тепловые каналы - это крошечные отверстия в печатной плате, которые служат для передачи тепловой энергии между верхним и нижним медными слоями. Они позволяют отводить тепло, выделяемое на верхнем слое (где расположены компоненты), к нижнему слою, который имеет большую площадь для рассеивания тепла. Для адекватного отвода тепла, создаваемого мощными компонентами, рекомендуется установить 4 или более виа вокруг площадки, просверлив в печатной плате отверстия, соответствующие тепловым требованиям компонента.

Недостаточное предпроизводственное тестирование: Проблема, затрагивающая многие производства.

Тестирование очень важно при создании прототипов печатных плат, но часто им пренебрегают или проводят его быстро, чтобы сэкономить время. Пренебрежение надлежащим тестированием может привести к сбоям в работе прототипа, задержкам в реализации проекта и потере средств. Многие дизайнеры считают, что если прототип может включаться и делать то, что от него требуется, то он готов к производству. Это предположение не учитывает такие моменты, как проблемы с сигналами, долговечность и совместимость с другими частями системы печатных плат.

Почему же дизайнеры игнорируют необходимость полного тестирования? Самая главная причина заключается в том, что они торопятся приступить к производству. Они проверяют, что их печатные платы могут включать питание и выполнять основные функции. Они не могут знать, возникнут ли проблемы при использовании печатной платы в реальных условиях, таких как перепады температуры, вибрация и т. д. Некоторые небольшие компании и любители не имеют надлежащего оборудования для проведения полного тестирования, включая сломанные осциллографы и испытательные камеры для окружающей среды.

Выбор неправильного материала печатной платы

Выбранный вами материал печатной платы оказывает огромное влияние на производительность и надежность вашего прототипа. Многие дизайнеры выбирают самый дешевый материал (обычно FR-4) без учета специфических потребностей проекта. Это приводит к тому, что прототипы выходят из строя в суровых условиях, не выдерживают высоких температур или имеют низкое качество сигнала.

При выборе материала учитывайте следующие факторы:

• Рабочая температура: Какой максимальной температуре будет подвергаться прототип?
• Частота сигнала: Использует ли прототип высокочастотные сигналы (выше 1 ГГц)?
• Механические требования: Должен ли прототип быть гибким или жестким?
• Условия окружающей среды: Будет ли прототип подвергаться воздействию влаги, химикатов или вибрации?

Наши услуги по созданию прототипов печатных плат предлагают широкий спектр материалов, включая FR-4, полиимид, тефлон и печатные платы с алюминиевой основой. Наши инженеры помогут вам выбрать подходящий материал для вашего проекта в соответствии с вашими требованиями - это гарантирует, что ваш прототип будет долговечным, надежным и экономически эффективным.

5 ошибок при создании прототипов печатных плат

Создание прототипов печатных плат не должно быть игрой в угадайку. Вы можете избежать этого, избежав 5 наиболее распространенных ошибок при создании прототипов печатных плат: неправильные размеры компонентов; неправильная ширина и расстояние между трассами; пренебрежение терморегулированием; недостаточное тестирование вашей конструкции; и выбор неправильного материала подложки печатной платы. Если вы избежите этих основных ошибок, ваш прототип будет работать так, как вы ожидаете, на его создание уйдет меньше времени и денег, и это поможет ускорить процесс разработки вашего проекта.

Обратите внимание на детали: Самый важный фактор

Если вы хотите добиться успеха в создании прототипов печатных плат, вы должны уделять самое пристальное внимание каждой детали, связанной с этим процессом. Это означает, что вам нужно будет перепроверить все отпечатки компонентов, точно рассчитать ширину трасс, предусмотреть в прототипе терморегулирование, провести тщательное тестирование своих конструкций и выбрать подходящие материалы подложки печатной платы для вашего конкретного проекта.

Если вам нужен надежный партнер для создания прототипов печатных плат, обратитесь к нам. У нас работает опытная команда, которая бесплатно проводит DFM-проверку, проверяет размеры компонентов, проектирует системы терморегулирования и проводит всестороннее тестирование. На наших производственных мощностях используются только самые качественные материалы и самое современное оборудование, что позволяет нам производить для наших клиентов высококачественные прототипы, которые соответствуют или превосходят самые высокие стандарты качества. Независимо от того, предназначен ли ваш прототип для личного хобби или для крупной корпорации, мы будем тесно сотрудничать с вами, чтобы ваш дизайн стал реальностью.

Не позволяйте распространенным ошибкам при создании прототипов печатных плат сорвать ваш проект. Свяжитесь с нами сегодня чтобы получить бесплатное предложение и начать создавать лучшие прототипы.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ