7Prípadová štúdia

V tejto kapitole bude ukázaný celý proces návrhu dosky plošných spojov na reálnom príklade dosky. Návrh bol uskutočnený softvérom Altium Designer. Návrh obsahuje nasledovné hlavné kroky:

- Vytvorenie knižnice: všetky symboly pre návrh schémy musia byť nachystané a všetky potrebné puzdra pre návrh dosky musia tiež byť vytvorené, aby bolo možné začať s nákresom DPS.
- Získanie všetkých potrebných informácií:
  - Informácie o mechanickom umiestnení vo formáte 3D STEP (Standard for Exchange of Product), DXF (mierka 1:1), PDF - obsahujúce zakázané oblasti na vrchnej a spodnej strane dosky pre umiestňovanie súčiastok.
  - Konečná schéma: obsahuje všetky spojenia medzi súčiastkami, niektoré pravidlá spojené s rôznymi časťami (obvodmi) schémy a návody, ako pracovať so špeciálnymi súčiastkami.
  - Odporúčania od výrobcov súčiastok, ako umiestňovať kľúčové súčiastky (toto sa týka mikroradičov, výkonových súčiastok, DDR pamätí a akýchkoľvek súčiastok vyžadujúcich špeciálne umiestnenie).
- Definovanie vrstvenia (vrstiev) dosky - závisí od potreby, hustoty, rozpočtu a času potrebného na návrh DPS.

Obr. 6 Definovanie vrstvenia (vrstiev) dosky plošných spojov.

- Importovanie technických/mechanických dát zo súboru DXF (Drawing Interchange Format) do špeciálnej (mechanickej) vrstvy v programe Altium.

Obr. 7 Mechanická vrstva.

- Definovanie tvaru dosky na základe DXF súboru v mechanickej vrstve 2 (budeme používať mechanickú vrstvu 1 pre výrobnú dosku (production panel) a mechanickú vrstvu 2 pre návrh jednoduchej dosky).
- Umiestnenie počiatku DPS. Toto je veľmi dôležité a potrebné, aby sme mali dobrý referenčný bod pre návrh, umiestnenie jednej DPS na výrobnej doske, 3D umiestnenie DPS vo výrobku, generovanie výrobných informácií (Gerber, vŕtanie) a montážnu dokumentáciu (spôsob uchyť a umiestni, súbory vo formáte ODB++).

Obr. 8 Počiatok (súradnicovej sústavy) DPS.

- Nakreslenie zakázaných oblastí pre umiestňovanie súčiastok, medené a rôzne veľkostné obmedzenia na vrchných a spodných stranách (vyberte akékoľvek mechanické vrstvy programu Altium).

Obr. 9 Vrchná a spodná strana.

- Nastavenie všetkých návrhových pravidiel v programe Altium Designer. Je možné nastaviť rôzne pravidlá, aby sa zjednodušil návrh. Pravidlá sa týkajú obmedzení elektrických ako aj prepájacích (plánovania spojov), ďalej sa týkajú topológie, vrstiev, ktoré sa majú použiť, umiestňovania súčiastok, výroby, signálovej integrity a mnohých ďalších. Zvolíme si zodpovedajúce a potrebné pravidlá, aby sme uspeli s návrhom.

Obr. 10 Editor pravidiel a obmedzení na DPS.

- Vykonanie aktualizácie DPS na základe schémy. Všetky puzdra zodpovedajúce schematickým symbolom sa objavia na doske plošných spojov.

Obr. 11 Puzdra a schematické symboly DPS.

- Umiestňovanie súčiastok. V tomto návrhu je cieľom minimalizovať vzor (sieť) spojov s použitím iba dvoch vrstiev, aby sa minimalizovali konečné náklady na výrobok. Rovnako je potrebné dosiahnuť minimálne straty výkonu, preto potrebujeme pripraviť maximálny voľný priestor pre široké medené spoje (prepojenia).

Obr. 12 3D pohľad na vrchnú stranu, 2D pohľad na vrchnú a spodnú stranu (TOP, BOTTOM).

- Umiestnenie súčiastok s pevnou polohou (podľa mechanického návrhu) ako je LED a konektor.
- Kontrola, že súčiastky sú naplánované iba v dovolených oblastiach na doske.
- Umiestnenie všetkých súčiastok vo vnútri každého bloku obvodu čo najbližšie k sebe.
- Vymedzenie dostatku miesta pre tranzistor, aby sa zabezpečilo maximálne rozloženie/šírenie (výkonu).
- Umiestnenie deličov napätia blízko seba.
- Kontrola finálneho rozmiestnenia dosky s reálnym mechanickým umiestnením dosky vo výrobku na základe 3D STEP náhľadu.

Obr. 13 3D náhľady (vrchná a spodná strana).

- Plánovanie spojov na DPS:
  - Niekedy, keď sa začnú plánovať spoje na doske, sa zistia niektoré možné vylepšenia umiestnenia (súčiastok), to znamená, že sa musí vykonať dodatočná 3D kontrola, aby sa zabezpečilo, že nevzniknú žiadne problémy s finálnym výrobkom.
  - Veľa dier sa pridá, aby sa zlepšil rozptyl tepla (toto je špeciálna doska, na ktorej je správne šírenie výkonu veľmi dôležité).

Obr. 14 Plánovanie spojov na doske plošných spojov.

- Návrh výrobnej dosky. Tento návrh musí byť urobený, aby sa urýchlil a zlacnil proces montáže dosky. Výrobná doska obsahuje veľa samostatných navrhnutých DPS (kópií) spolu s niektorými dierami a značkami. Rozmery výrobnej dosky sa určujú na základe požiadaviek výrobného podniku (linky) a najvyššej výnosnosti (zisku) spojenej s výrobou holých pracovných dosiek. Pracovná doska obsahuje veľa výrobných dosiek.

Obr. 15 Návrh výrobnej dosky.

- Kontrola dosky podľa návrhových pravidiel (DRC, Design Rule Check) a výrobných požiadaviek (DFM, Design For Manufacturing).
- DRC umožňuje návrhárovi DPS nájsť akékoľvek možné chyby a zabezpečiť konečnú kvalitu DPS. Kontroly sa robia automaticky podľa stanovených návrhových pravidiel. Niektoré z týchto kontrol sa týkajú nasledovných pravidiel:
  - Elektrické: nepripojená časť obvodu (siete), nepripojený pin (vývod), skrat, vzdialenosti, ....
  - Plánovanie spojov: šírka medeného spoja, typ diery, vrstvy spojov, diferenčné páry, ....
  - SMT: vzdialenosť SMD súčiastky od medenej plochy, rohov (spojov), ....
  - Výrobné: potlač na nespájkovacej maske, potlač na potlači, diera na diere, veľkosť diery, ....
  - Vysokorýchlostné (frekvenčné): diery pod SMD, paralelné segmenty, počet dier, prispôsobené dĺžky (spojov), .....
  - Umiestnenie: maximálna výška, vzdialenosť súčiastok, dovolené vrstvy, ...
  - Ďalšie špecifické používateľom definované návrhové pravidlá.
- DFM kontrola sa robí výrobným podnikom montujúcim dosku a hlási návrhárovi DPS každý problém, ktorý ovplyvňuje kvalitu procesu montáže DPS.
- Vygenerovanie dokumentácie pre výrobnú dosku pre výrobu holých pracovných dosiek a montáž:
- Nasledovné údaje sú potrebné pre výrobu holých pracovných dosiek pre DPS:
  - údaje vo formáte Gerber,
  - údaje pre vŕtanie,
  - technická špecifikácia DPS.
- Nasledovné údaje sú potrebné pre montáž DPS:
  - údaje vo formáte Gerber a pre vŕtanie,
  - súbory pre SMD výrobnú šablónu spájkovacej masky,
  - technická špecifikácia DPS,
  - montážna informácia pre DPS (pre každú vrstvu vo formáte PDF),
  - údaje vo formáte ODB++ (univerzálny formát),
  - správa o testovacích bodoch: pre ICT (In Circuit Test) a funkčný test,
  - súbor (Pick & Place) pre stroje na automatické vkladanie súčiastok na DPS.