Zaloguj się
Wszystkie
12 listopada 2024
129
Nie ulega wątpliwości, że nie można wyobrazić sobie współczesnej elektroniki bez płytek drukowanych. Nie jest to oczywiście jedyna technologia łączenia elementów elektronicznych, ale z pewnością pozostaje najpopularniejsza. Historia PCB sięga pierwszej połowy XX wieku, a dokładniej lat 30., gdy austriacki inżynier, Paul Eisler, użył cienkiej warstwy metalu do zastąpienia najpopularniejszych wtedy połączeń drutowych. Rozwiązanie to było stosowane głównie w urządzeniach radiowych. Jak łatwo zrozumieć, II wojna światowa znacznie przyspieszyła rozwój tej technologii, a co za tym idzie – przysporzyła popularności PCB.
Dzięki postępowi w technologii materiałowej PCB zaczęły pojawiać się po wojnie również w zastosowaniach komercyjnych. Rozwój tranzystorów, a następnie układów scalonych w kolejnych dekadach jeszcze wyraźniej przyspieszył popularyzację PCB, które stawały się coraz bardziej złożone, wielowarstwowe, ale także kompaktowe. Pozwoliły one na miniaturyzację urządzeń. Powstanie kolejnych wynalazków – takich jak soldermaska (maska przeciwlutowa) – i zastosowanie automatycznego montażu elementów, w połaczeniu z technololgią PCB umożliwiło również redukcję kosztów i uruchomienie produkcji przemysłowej urządzeń elektronicznych.
W artykule prześledzimy cały proces, pozwalający zaistnieć współczesnej płytce drukowanej – od projektowania, poprzez przygotowanie dokumentacji, aż po finalną produkcję.
Proces produkcji PCB
Projektowanie i przygotowanie plików (Design & Gerber Files)
Pierwszym krokiem do stworzenia płytki drukowanej jest oczywiście jej zaprojektowanie. Proces ten zaczyna się na ogół od stworzenia schematu ideowego. Inżynier, korzystając z oprogramowania EDA (ang. Electronic Design Automation), umieszcza na schemacie symbole reprezentujące komponenty elektroniczne i łączy je ścieżkami. Jednocześnie każdy z elementów na schemacie jest powiązany ze zdefiniowanym modelem obudowy, umieszczanym w projekcie PCB. Edytor schematów generuje listę połączeń (tzw. netlistę), która stanowi podstawę do projektowania PCB.
Początkowo płytki projektowało się analogowo – bez komputera. Jednak nawet gdy zdigitalizowano już rysowanie schematów, to skomplikowanie mozaiki PCB nie pozwalało na odejście od sprawdzonych metod – tworzenia projektu przy użyciu kalki lub folii mylarowej i specjalnych naklejanych taśm oraz szablonów. Taśmy te dostępne były w kształtach ścieżek o różnej grubości oraz w kształcie pól lutowniczych (należy pamiętać, że mowa o czasach przed wprowadzeniem technologii montażu SMD, jak i przed popularyzacją układów scalonych, więc układy pól były na ogół proste) – w kolorach (najczęściej) niebieskim i czerwonym (i dlatego we współczesnym oprogramowaniu EDA tych kolorów używa się do oznaczania ścieżek na warstwie dolnej i górnej płytki). Jeśli projekt PCB wymagał kilku warstw, składało się razem kilka warstw folii, po jednej dla każdej warstwy na PCB. Folie te na ogół projektowane były w skali, a następnie pomniejszane optycznie w celu naświetlania klisz do produkcji PCB.
Dopiero w latach 80. XX wieku, wraz z rozwojem komputerów, zaczęły powstawać pierwsze pakiety EDA. Jednym z pionierów był program Protel (później przekształcony w znany Altium Designer), który znacznie uprościł i zautomatyzował proces projektowania. Wprowadzenie nowoczesnych pakietów EDA pozwoliło na tworzenie coraz bardziej złożonych projektów, otwierając tym samym drogę do rewolucji w elektronice.
Obecnie na rynku dostępnych jest wiele programów do projektowania płytek drukowanych – Altium Designer, KiCad, Eagle, EasyEDA, OrCAD, PADS, CircuitMaker czy LibrePCB. Pakiety te różnią się możliwościami i ceną (niektóre są darmowe, niektóre bardzo kosztowne), ale niniejszy artykuł nie jest miejscem do ich omawiania. Wspólna dla większości systemów EDA jest możliwość zdefiniowania zasad projektowania i weryfikacji, czy nasz projekt je spełnia (DRC – Design Rule Check). Jest to istotne, gdyż upewnia nas na etapie cyfrowego projektu, że płytka jest produkowalna w założony przez nas sposób. Inny wspólny element to możliwość eksportu projektu w postaci plików produkcyjnych.
Podstawowym formatem plików produkcyjnych jest tzw. Gerber, zawierający informacje niezbędne do opisu PCB. Pliki Gerber są używane od lat 60. XX wieku. Ich nazwa pochodzi od nazwiska ich wynalazcy – H. Josepha Gerbera. Obecnie są one powszechnie akceptowanym standardem w całym przemyśle i praktycznie wszystkie programy EDA potrafią generować pliki wyjściowe w tym formacie, a właściwie całej rodzinie formatów. Obecnie używane są trzy jego rodzaje:
- Standardowy Gerber (znany jako RS-274-D) – najstarsza forma plików Gerber, obecnie generalnie niewspierana.
- Rozszerzony Gerber (znany jako RS-274X), który jest najbardziej popularny.
- Gerber X2 – najnowszy format plików Gerber.
Niezależnie od wersji formatu, plik ten zawiera wektorową reprezentację obrazu na PCB. Zasadniczo jest to zbiór dwuwymiarowych współrzędnych, który opisuje każdą warstwę płytki. Oprócz ścieżek czy warstw napisów, pliki Gerber zawierają również informacje o warstwach soldermaski, a także pasty lutowniczej czy kleju. Jeśli korzystamy z innych, dodatkowych operacji, informacje o nich także można opisać za pomocą pliku Gerber. Producenci płytek opierają się na tych plikach, aby sterować urządzeniami produkcyjnymi, dlatego nawet drobne błędy mogą prowadzić do poważnych wad w gotowym produkcie. Projektanci muszą zatem zadbać o to, aby generowane pliki Gerber precyzyjnie odwzorowywały zamierzony projekt i były zgodne ze specyfikacją producenta.
Do najczęściej spotykanych błędów w pracy z plikami Gerber należą m.in.:
1. Brakujące lub nieprawidłowe warstwy
Brakujące lub niepoprawnie zdefiniowane warstwy stanowią jeden z najczęstszych i najpoważniejszych błędów w plikach Gerber. Może on wynikać z błędów podczas generowania plików lub niekompletnego eksportu danych z pakietu EDA. Brak tych warstw potencjalnie prowadzi do wyprodukowania wadliwych płytek.
W większości pakietów EDA wybieramy, z których warstw generowane są pliki Gerber. Należy dołożyć wszelkich starań, aby odpowiednie warstwy znalazły się w odpowiednim pliku: w osobnych plikach umieszczamy ścieżki każdej warstwy, soldermaskę, opisy na górnej i dolnej stronie PCB itd. Dodatkowe warstwy mogą obejmować m.in. złocenie selektywne czy miejsce nakładania innych pokryć (np. konformalnego – specjalnego lakieru, który zabezpiecza płytkę i elementy na niej przed wpływem czynników atmosferycznych) na PCB.
2. Niewłaściwie wyrównane lub rozmieszczone warstwy
Nawet jeśli mamy już wszystkie warstwy, to mogą być one nieprawidłowo wyrównane względem siebie. Częstym błędem jest ich niewłaściwe rozmieszczenie, co wiąże się np. z błędami w trakcie projektowania, ale też ze złym wyrównaniem punktu zerowego dla różnych warstw, co z kolei może wynikać z nieprawidłowości przy generowaniu bądź konwersji plików. W efekcie może dojść do zwarć czy wręcz przeciwnie – przerw w ścieżkach. Taka PCB z pewnością nie będzie nadawała się do użytku.
3. Niepoprawna definicja apertur
Apertury określają rozmiary i kształty elementów na PCB, takich jak pola lutownicze, przelotki czy ścieżki. Nieprawidłowe definicje apertur potencjalnie mogą skutkować niewłaściwymi rozmiarami lub kształtami tych elementów – a w konsekwencji przysporzyć problemów z montażem komponentów, lutowaniem lub integralnością sygnału.
4. Niezgodność jednostek miary
Pliki Gerber mogą używać różnych jednostek miary, na ogół milimetrów lub milsów. Niezgodność jednostek w zestawie plików może powodować problemy z wymiarami, co prowadzi do niewłaściwego przeskalowania PCB. Należy dopilnować, aby skala i jednostki wpisane w naszym pakiecie EDA przy generowaniu plików Gerber były takie, jakich spodziewa się producent PCB.
5. Nakładające się lub zduplikowane obiekty
Ostatnia uwaga związana jest częściowo z pierwszą. Jeśli w wybranych warstwach w oprogramowaniu EDA znajdować się będą niepoprawne obiekty – lub wybrane zostaną omyłkowo np. dodatkowe warstwy – spowodować może to nałożenie dodatkowych obiektów na PCB, co przyczyni się do powstania np. zwarć.
Oprócz plików Gerber do produkcji płytki drukowanej potrzebne są jeszcze pliki definiujące otwory w PCB oraz, opcjonalnie, miejsca frezowania w płytce.
Najczęściej używanym formatem plików owiertu PCB jest Excellon, nazwany tak na cześć maszyny, która była jedną z pierwszych automatycznych wiertarek stosowanych w produkcji płytek drukowanych. Excellon to standardowy format używany przez większość producentów – zasadniczo jest on plikiem tekstowym zawierającym zestaw współrzędnych (x, y), które wskazują dokładne położenie otworów, a także specyfikacje narzędzi (rozmiary wierteł). Format Excellon obsługuje ponadto dodatkowe parametry, m.in. głębokość wiercenia (choć w większości PCB otwory wierci się na standardową głębokość – przelotowo). Pliki te mogą również definiować różne typy owiertów, np. zwykłe przelotki (vias) czy przelotki ślepe (blind vias) lub zagrzebane (buried vias), które łączą tylko wybrane warstwy płytki.
Pliki owiertu korzystają z tego samego układu współrzędnych i systemu jednostek miary (milimetry lub cale), co pliki Gerber, aby uniknąć problemów z niezgodnością rozmiarów. Niewłaściwe skalowanie lub format pliku owiertu może prowadzić do błędów (np. nieprawidłowego umiejscowienia otworów), co może skutkować problemami w montażu komponentów czy w ogóle powstaniem płytki niezdatnej do użycia.
Również pliki frezowania dostarczane mogą być w formacie Excelon lub w formacie Gerber. Wszystkie opisane powyżej uwagi dotyczą także pliku frezowania.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
