5 Návrh
5.5 Umiestňovanie súčiastok a plánovanie spojov

Umiestňovanie súčiastok je ďalším krokom procesu návrhu DPS. Toto je jeden z najdôležitejších a najkritickejších krokov návrhu. Hovorí sa, že návrh dosky plošných spojov je na 90% umiestňovanie súčiastok a 10% plánovanie spojov. To skutočne znamená, že po skončení umiestňovania súčiastok na doske sa rozhodne, koľko času bude potrebného na plánovanie spojov na doske.

Hovorí sa aj to, že návrh DPS je súčasne umením aj vedou. Existuje množstvo poznatkov a meraní, ktoré je nutné zvažovať, keď sa pracuje so šírkou spojov, naukladaním jednotlivých vrstiev, schémami, návrhom uzemňovacích plôch DPS, atď. Umelecká stránka návrhu DPS sa týka umiestňovania jednotlivých súčiastok. Je pravdou, že nie je jediná správna cesta, ako umiestňovať súčiastky a táto sloboda je tým, čo robí návrh usporiadania DPS tak kreatívnym. Ak dáte rovnakú schému 100 rôznym inžinierom, pravdepodobne dostanete 100 rôznych usporiadaní DPS. Toto je dôvod, prečo proces návrhu usporiadania DPS je považovaný za umelecký proces [12].

Jednou z prvých vecí, ktorú treba urobiť, je nastaviť plochu dosky na maximálne dovolenú veľkosť DPS. Počet vrstiev bude závisieť od výkonových úrovní a zložitosti.

Je niekoľko všeobecných pravidiel návrhu, ktoré by mal návrhár poznať a vziať do úvahy, keď bude navrhovať vyrobiteľnú, funkčnú a spoľahlivú DPS. Zoznam pravidiel návrhu DPS uvedený nižšie nereprezentuje úplný zoznam [13].

Pri umiestňovaní súčiastok sa uistite, aby funkcia pripnutia k mriežke (snap to grid) bola zapnutá. Začnite umiestňovať súčiastky v nasledovnom poradí: konektory, výkonové obvody, citlivé a presné obvody, súčiastky kritických obvodov (MCU, DSP, FPGA, pamäť a časové obvody) a potom zvyšok. Okrem toho by súčiastky mali byť umiestňované podľa ich prepojenia s ďalšími súčiastkami.

Podobné súčiastky musia byť orientované rovnakým smerom, pretože to napomôže efektívnemu a bezchybnému procesu spájkovania.

Vyhýbajte sa umiestňovaniu súčiastok na spájkovacej strane dosky, ktorá by tak ostala skrytá pod súčiastkami prispájkovanými cez pokovené diery.

Umiestňujte všetky súčiastky s povrchovou montážou (SMD) na rovnakej strane dosky a všetky súčiastky prispájkované cez pokovené diery na vrchnej strane dosky, aby sa minimalizoval počet montážnych krokov.

Umiestňujte oddeľovacie kondenzátory čo najbližšie k vývodu VCC na aktívnych súčiastkach.

Súčiastky absorbujúce viac ako 10 mW výkonu alebo vedúce prúd viac ako 10 mA by mali byť považované za dosť výkonné, aby boli zahrnuté do dodatočných tepelných a elektrických úvah. Citlivé signály by mali byť odtienené od zdrojov šumu plochami (rovinami) a zabezpečené riadenou impedanciou.

Súčiastky pre správu napájania by mali používať uzemňovacie plochy alebo napájacie plochy na odvod tepla. Vytvárajte spojenia (spoje) vedúce veľký prúd podľa dovoleného poklesu napätia v spojení. Prechody medzi vrstvami pre cesty s veľkým prúdom by mali byť robené dvomi až štyrmi dierami pre každý prechod medzi vrstvami. Umiestňujte niekoľko dier pre prechod medzi vrstvami, aby sa zvýšila spoľahlivosť, znížili odporové a indukčné straty a zlepšila tepelná vodivosť.

Vytvorte vždy uzemňovaciu plochu. Môže to byť veľká medená oblasť na jednej vrstve dosky alebo dokonca celá vrstva tvoriaca uzemňovaciu plochu pri viacvrstvových doskách. Akonáhle je pridaná uzemňovacia plocha, je už jednoduché popripájať všetky súčiastky k zemi (ktoré to potrebujú) pomocou dier.

Reálne medené spoje majú svoj odpor. To znamená, že spoj vykazuje pokles napätia, spotrebu výkonu a nárast teploty, keď nim preteká prúd. Šírka spojov by mala byť nastavená podľa odhadovaných prúdov, ktoré nimi potečú. Preto by napájacie spoje (cesty) mali byť širšie, pretože všetky prúdy sú dodávané týmito spojmi. Medené spoje na DPS majú obyčajne hrúbku 35 µm. Tab. 3 ukazuje závislosť maximálneho prúdu od šírky spoja.

Tab. 3 - Šírka spoja a maximálny podporovaný prúd
Šírka spoja | Maximálna hodnota prúdu
4 mm | 10 A
2 mm | 5 A
1,5 mm | 4 A
1 mm | 3 A
0,5 mm | 2 A
0,2 mm | 0,5 A

Keď umiestňujete súčiastky, minimalizujte dĺžky spojov a vyhýbajte sa uhlom rovným 90°. Používajte namiesto toho 45° ohyby spojov. Dôvody súvisia s procesom výroby dosky, kedy vonkajšie rohy môžu byť vyleptané o trochu užšie, čím sa zmení impedancia spoja. Použitím 45° uhlov sa skráti elektrická cesta (spoj) medzi súčiastkami. Okrem toho vysokorýchlostné logické signály sa môžu odraziť od konca ohybu a spôsobovať interferenciu.

Zabezpečte, aby digitálna zem a analógová zem boli oddelené, pretože napäťové a prúdové špičky z digitálnych obvodov môžu generovať rušenie (šum) v analógových obvodoch a tak ovplyvňovať ich výkonnosť.

Nie je dôležité poradie týchto pravidiel. Môžu byť aplikované na akýkoľvek projekt návrhu DPS a mali by slúžiť ako užitočná príručka pre návrhárov začiatočníkov.

Výsledkom procesov umiestňovania súčiastok a spojov je nakoniec nákres DPS, v ktorom sa elektronické súčiastky so svojimi puzdrami vyskytujú na pozíciách, ktoré obsadia na finálnej doske plošných spojov spolu s prepájajúcimi spojmi medzi vývodmi (pinmi).

Obr. 5 Nákres DPS: 2D (horná strana) a 3D (spodná strana).