7Případová studie

V této části je ukázán na skutečného případu DPS celý proces návrhu DPS. Návrh byl proveden pomocí Altium Designer Software. Hlavní kroky zahrnují následující:

- Vytvoření knihovny: Před zahájením rozvržení DPS (layout) musí být vytvořeny všechny značky pro návrh schématu a všechna nezbytná pouzdra s vývody (footprint) pro návrh desek plošných spojů.
- Získejte všechny potřebné informace
  - Informace o mechanickém krytu ve 3D STEP formátu, DXF (Drawing Exchange Format) (měřítko 1: 1), PDF ....... obsahující vymezené oblasti pro součástky na horní a dolní straně desky.
  - Konečné schéma: obsahuje všechna spojení mezi součástkami, pravidla týkající se různých sítí propojů a vysvětlení, jak zacházet se speciálními součástmi.
  - Doporučení pro rozložení klíčových součástek od výrobce součástek (platí pro mikroprocesory, napájecí součástky, DDR (paměti) a všechny součástky vyžadující speciální uspořádání)
- Popis rozvržení vrstev: podle potřeby DPS určete hustotu osazení součástek, rozpočet a dobu návrhu.

Obr. 6. Určení rozvržení DPS.

- Import mechanického DXF (Drawing Exchange Format – formát pro výměnu dat mezi CAD a jinými programy) do speciální vrstvy Altium (mechanická vrstva).

Obr. 7. Mechanická vrstva.

- Definujte tvar desky z DXF v mechanické vrstvě 2 (budeme používat mechanickou vrstvu 1 pro výrobu a mechanickou vrstvu 2 pro návrh jednoduché desky)
- Stanovte pozici výchozí desky plošných spojů. To je velmi důležité a nezbytné k tomu, aby bylo možné vytvořit dobrý referenční bod pro návrh, umístění samostatné desky plošných spojů do výrobního panelu, umístění 3D krytu a generování výrobních informací (Gerber, vrtačka) a osazovací dokumentace (pick and place – vezmi a usaď, soubory ODB ++ (formát pro přenos dat mezi návrhovým systémem a výrobou).

Obr. 8. Výchozí DPS.

- Nakreslete vymezené oblasti pro umístění součástek, měď a různé omezení výšky na horní a spodní straně (vyberte jakékoliv mechanické vrstvy Altia).

Obr. 9. Vrchní a spodní strana.

- Nastavte všechna návrhová pravidla v Altium Designer. Je možné nastavit různá pravidla, která nám pomohou při návrhu. Pravidla se týkají elektrických omezení a omezení ve vedení drah (mezery), topologie, použitých vrstev, umístění, výroby, integrity signálu a mnoha dalších. Vybíráme odpovídající a nezbytné položky pro úspěšný návrh.

Obr. 10. Editor pro úpravu pravidel a omezení DPS.

- Proveďte aktualizaci DPS podle schématu. Všechna pouzdra s vývody (footprints) na DPS přiřazená schématickým značkám se objeví na DPS.

Obr. 11. Pouzdra s vývody (footprints) na DPS se schématickými značkami.

- Umístěte součástky. Cílem návrhu je získat minimální délku obrazce pouze s použitím dvou vrstev, aby se minimalizovaly náklady na konečný výrobek. Také je nutno co nejlépe zajistit odvod tepla, takže musíme připravit maximální volný prostor pro vytváření tlustých měděných spojů.

Obr. 12. 3D vrchní strana, horní a spodní strana.

- Umístěte součástky s pevnou pozicí (z mechanického návrhu) jako jsou LED a konektor.
- Ohlídejte si definované vymezené oblasti pro umístění součástek
- Umístěte všechny součástky uvnitř každého bloku obvodu co možná nejblíže k sobě.
- Ponechte dostatek prostoru pro tranzistory k řízení proudu LED diodami, aby bylo dosaženo maximálního rozptylu (vysoký výkon).
- Umístěte napěťové děliče blízko sebe.
- Zkontrolujte konečné umístění skutečného mechanického krytu ve 3D STEP.

Obr. 13. 3D (vrchní strana), 2D vrchní a spodní strana.

- Vytvořte na DPS vodivé cesty
  - Někdy, když začnete vést vodivé dráhy, napadnou Vás nějaká možná vylepšení umístění, takže je po změně třeba provést další kontroly ve 3D, aby se předešlo problémům s hotovým výrobkem.
  - Pro zlepšení odvodu tepla se přidává hodně prokovů (jde o speciální desku, kde je odvod energie velmi důležitý).

Obr. 14. Vedení drah na DPS (routing).

- Návrh výrobního panelu. Osazovací proces má být rychlejší a levnější. Panel obsahuje mnoho jednoduchých desek s určitými otvory a značkami. Rozměry panelu jsou určeny podle požadavků výrobních zařízení a nejvyšší rentability pracovního panelu výrobce prázdné desky. Pracovní panel obsahuje mnoho výrobních panelů.

Obr. 15. Návrh výrobního panelu s deskami.

- Kontrola DRC (Design Rule Check – kontrola podle návrhových pravidel) DFM (Design For Manufacturing – kontrola pro výrobu).
- DRC umožňuje návrháři DPS zjistit případné chyby a zajistit konečnou kvalitu DPS. Kontroly se provádějí automaticky podle pravidel návrhu. Některé kontroly DRC se vztahují k těmto pravidlům:
  - Elektrické: nepropojená vodivá síť, nespojený vývod, zkrat, mezery, …
  - Vedení drah (routing): šířka mědi, tvar prokovů, propojovací vrstvy, diferenciální páry, …
  - SMT (povrchová montáž): vzdálenost součástek pro povrchovou montáž (SMD) od měděné roviny, rohy (fiduše), …
  - Výroba: tisk na nepájivou masku, soutisk, sesazení otvorů, velikost otvorů, …
  - Vysoká rychlost: prokovy pod součástkami pro povrchovou montáž, rovnoběžné sekce, počet prokovů, přizpůsobené délky, …
  - Rozmístění: Maximální výška, rozměrové vůle součástek, vymezené oblasti vrstvy, ...
  - Jiná specifická uživatelská návrhová pravidla
- Kontrolu pro výrobu (DFM) provádí výrobní závod kompletující panel a informuje návrháře DPS o jakémkoli problému, který ovlivňuje kvalitu procesu.
- Vytváření dokumentace výrobního panelu DPS pro výrobu a osazení prázdné desky.
- Nezbytnosti pro výrobu prázdné desky plošných spojů:
  - Gerber data
  - Údaje pro vrtání
  - Technické podmínky (seznam specifikací)
- Nezbytnosti pro osazování DPS:
  - Gerber data a údaje pro vrtání
  - Soubory pro zhotovení šablony pro tisk pájecí pasty
  - Technické podmínky (seznam specifikací)
  - Informace k osazování DPS (PDF pro každou vrstvu)
  - Formát ODB++ (univerzální formát)
  - Zpráva k testovacím bodům: pro in Circuit test (testování jednotlivých součástek v obvodu) a pro funkční test
  - Soubory pro Pick & place (vezmi a usaď): pro osazovací automaty