Návrh plošného spoje. Doc. Ing. Josef Šandera Ph.D. www.feec.vutbr.cz www.smtplus.cz

Návrh plošného spoje Doc. Ing. Josef Šandera Ph.D. www.feec.vutbr.cz www.smtplus.cz

Návrh plošného spoje Doporučená literatura: 1) Šandera, Starý, Bajer, Musil Mikroelektronické praktikum II, skriptum, vydala FEKT, UMEL 2003 2) Starý, Šandera, Kahle Plošné spoje a povrchová montáž, skriptum, vydalo VUT- FEKT, PC-DIR 1999 3) Web www.smtplus.cz 2

Na začátku knihy jsou přehledově zmíněny montážní a pájecí technologie, potom následuje podrobný popis používaných pouzder pro povrchovou montáž, včetně nově používaných pouzder a technologií pro pouzdření. Dále následuje přehledový popis používaných materiálů pro plošné spoje a popis jejich mechanických a elektrických vlastností a uvedeny moderní konstrukce. Další část knihy se věnuje metodice návrhu plošného spoje, jsou zde uvedeny elektrické vlastnosti kresby, zásady elektrického návrhu s důrazem na elektromagnetickou kompatibilitu. Je zde velice podrobně rozebrána problematika mechanických zásad návrhu s ohledem na technologii pájení, rozdíly návrhu desky plošného spoje pro prototyp a sériovou výrobu. Je zde rovněž zmíněna problematika návrhu s ohledem na spolehlivost. Na závěr jsou uvedeny nákresy pájecích plošek (footprinty) nejčastěji používaných SMD pouzder pro pájení vlnou a přetavením. Je čerpáno z platných technických norem a z doporučení výrobců součástek. 3

Plošný spoj v elektronice Funkce plošného spoje DPS (PCB) - vodivé propojení, mechanická fixace součástek, informace pro testování a montáž, ochrana součástek, chlazení součástek Technika výroby plošných spojů - subtraktivní - aditivní 5

Vzhled plošného spoje Ražený otvor Průchod (via) Nepájivá maska (zelená) Pájecí plošky (pads) Vodivá cesta (wire) Potisk (bílá) 6

Velikosti pouzder součástek 1206 0805 0603 0402 0201 7

Do návrhu DPS zahrnujeme volbu materiálu, v souladu s požadovanými elektrickými a mechanickým vlastnostmi kompletu určení velikosti desky plošného spoje volbu použité montážní technologie volbu počtu propojovacích vrstev vytvoření kresby jednotlivých vrstev a vzájemného propojení vrstev Návrh je třeba provádět v souladu s vyrobitelností DPS, ( DFM Design For Manufacturing ) 8

Cenu návrhu výrazně ovlivňuje počet pokusů o návrh do konečné podoby (bez chyb) způsob návrhu desky, typ návrhového systému složitost návrhu desky, použité součástky 9

Cenu DPS výrazně ovlivňuje počet použitých propojovacích vrstev použitý materiál základní desky použitá technologie povrchové úpravy tvar desky Cena seriově použité DPS může dosáhnout až 50% ceny zařízení 10

Návrh plošného spoje Návrh zapojení Odzkoušení funkce Simulace návrh bez počítače ruční realizace propojení Realizace propojení na počítači Digitalizace otvorù Výroba předlohy (M 2:1, 4:1) Výroba matrice (data pro fotoplotr) GERBER, nebo další. Soubory pro vrtání (GERBER) Výroba matrice (klišé) M 1:1 Výroba matrice (klišé) M 1:1 11

Návrh plošného spoje počítačem Návrh zapojení Simulace chování Praktické ověření funkce návrhový systém CAD Kreslení schématu a kontrola Návrh plošného spoje a kontrola Symboly Součástky Pouzdra Konstrukční podklady pro výrobu DPS Programy pro tisk Konstrukční podklady pro montáž DPS Převodní programy pro jiné systémy Osazení automatem Ostatní programy 12

Editor schémat slouží pro vytvoření schématu navrženého zapojení Schéma je možno sestavovat z pevně nadefinovaných prvků vybíraných z knihovny, nebo je vytvářet individuálně. Umožňuje vytvářet sběrnicovou strukturu zapojení, označit popisem jednotlivé součástky a části zapojení. Editory mohou pracovat v několika pracovních vrstvách, které jsou od sebe barevně odlišeny. Kreslí se pomocí myši. Program umožňuje vybírání prvků z knihovny, jejich rotaci a přemísťování po pracovní ploše, kreslení definovaných šířek čar a velikostí ploch, definici rastru ( palcová metrická míra), vkládání alfanumerických symbolů, mazání, rotaci, zrcadlení, změnu měřítka zobrazování, definovaných pracovních vrstev apod. součástí je i automatická kontrola chyb elektrického propojení dá se z něj většinou vytvořit rozpiska součástek 13

Editor spojů Umožňuje po umístění pouzder součástek vybíraných z knihovny do pracovního rozměru desky ( pokud nepoužijeme autorouter ), ručně vytvářet kresbu desky plošného spoje vodiči definované šířky. Ruční tvorbě vodičů předchází tvorba tzv. "gumových " vodičů, které definují přímočaré propojení pouzder. Ruční návrh předpokládá mít připraven ruční nákres kresby plošného spoje (nemusí být ve skutečném měřítku) součástí je i automatická kontrola správnosti geometrie návrhu ( kontroly izolačních vzdáleností mezi spoji, použitých rozměrů pájecích ploch, vrtání, šířky spojů, kontrola umístění v rastru, úhlů, spojů, zkratů a další ) 14

Autorouter umožňuje automaticky navrhnout plošný spoj tak, aby se vodiče nekřížily za dodržení předem definovaných podmínek návrhu. Pracuje většinou ve více etapách ( průchodech).v prvních průchodech pokládá spoje a v dalších průchodech optimalizuje propojení ( kromě jiného redukuje počet průchodů mezi vrstvami, odstraňuje zlomy atd.). Téměř vždy je možno jeho činnost přerušit a ručně zasáhnout do návrhu. Předem ručně nadefinované spoje autorouter nemění ( např. zemnění, choulostivé spoje z hlediska rušení, vazeb apod). Příklady: autorouter SPECTRA americké firmy Cooper Chyan Technology, což je samostatný program pracující bezrastrově (gridless), nebo NEUROROUTE, který patří do skupiny samoučících se algoritmů. 15

Konstrukční podklady pro výrobu a osazení Pro výrobu soubory kresby spojů DPS (jednotlivé vrstvy) kresba nepájivé masky soubory kresby popisu soubory pro vrtání soubory pro ostřih ( pokud se nepoužívá technologie ražení ) Pro osazení pokládací výkres (horní a dolní strana) rozpiska materiálu program pro automat 16

Výhody počítačového návrhu podstatné zrychlení návrhu a to i v případě, že nepoužijeme autorouter možnost použití normalizovaných knihoven pro pouzdra součástek, schématické značky apod. zabezpečení stejných přesně definovaných podmínek v souladu s příslušnými normami, návrh není třeba dodatečně digitalizovat, snadno se dají utvořit soubory pro výrobu, osazování apod. snadná návaznost na ostatní programy (simulace, osazování automatem, testování apod.) při návrhu jsou omezeny, nebo úplně vyloučeny lidským faktorem snadná archivace podkladů chyby způsobené 17

Spolehlivost a odolnost DPS výrazně ovlivňuje počet použitých propojovacích vrstev počet prokovených otvorů použitý materiál základní desky použitá technologie povrchové úpravy technologie pájení technologie čistění 18

Ruční postup návrhu DPS 19

Metodika propojování metoda schématu, v tomto případě vycházíme při rozmísťování ze schématu, po zásadním rozmístění součástky vhodně posouváme tak, abychom vhodně vyplnili prostor metoda konektorů, v tom případě nejprve umístíme vstupní a výstupní konektory a snažíme se vyplnit prostor mezi nimi metoda centrální součástky, součástky jsou postupně kladeny kolem většinou nejsložitějšího IO 20

Návrh DPS (Eagle), 1.krok schéma zapojení 21

Návrh DPS (Eagle), 2.krok rozmísťování součástek 22

Návrh DPS (Eagle), 3.krok def. rozmístění 23

Návrh DPS (Eagle), 4.krok vytvořené spoje 24

Zásady návrhu DPS návrh DPS musí splňovat,. soubor elektrických a mechanických vlastností. technologii výroby ( vyrobitelnost ) desky. její přijatelnou cenu pro danou aplikaci současné normy, ĆSN EN 61188-5-1 Desky s plošnými spoji a osazené desky - návrh a použití Všeobecné požadavky ĆSN EN 61188-5-2 Desky s plošnými spoji a osazené desky - návrh a použití Diskrétní součástky ĆSN EN 61188-5-6 Desky s plošnými spoji a osazené desky-návrh a použití Nosiče čipů s vývody ve tvaru J na čtyřech stranách 25

Provedení spojů d) metoda dělících čar a) metoda spojových čar b) e) c) f) 26

Konstrukční třídy (stará TESLA NT 1030) 2,5 4 5.0 8 Konstrukční třída I. Rastr 5,08 mm, max.. průměr otvoru.. 1,6 mm max./min průměr plošky.... 4,3/ 3,5 mm min.šířka vodiče/mezery... 0,5/0,65 mm není povolen průchod mezi ploškami Konstrukční třída II. 2,5 4 2,54 Konstrukční třída IV. Rastr 2,54mm, max.. průměr otvoru.. 0,8 mm max. průměr plošky... 1,5mm min.šířka vodiče/mezery... 0,3/0,35 mm je povolen průchod mezi ploškami 2,5 4 Rastr 2,54mm, max.. průměr otvoru.. 1,0 mm max./min průměr plošky... 3,0/ 2,4 mm min.šířka vodiče/mezery... 0,4/0,45 mm není povolen průchod mezi ploškami Konstrukční třída III. Rastr 2,54mm, max.. průměr otvoru.. 0,8 mm max./min průměr plošky 2,1/1,85mm min.šířka vodiče/mezery.. 0,35/0,35 mm není povolen průchod mezi ploškami Konstrukční třída V Rastr 2,54mm, max.. průměr otvoru 0,8 mm max. průměr plošky..1,3 mm jsou povoleny dva průchody mezi ploškami Konstrukční třída VI. Rastr 2,54mm, max.. průměr otvoru 0,7 mm max. průměr plošky.. 1,2 mm jsou povoleny tři průchody mezi ploškami 27

Multipanely V případě, že velikost DPS je malá (do velikosti přibližně 100 x 100 mm), vytváří se multipanel, pro usnadnění manipulace a zrychlení osazování. Je třeba zajistit, aby po ukončení všech technologických operací bylo možno jednotlivé hotové DPS snadno rozdělit. drážkování frézování Možná provedení multipanelů 28

Doporučené umístění vodičů mezi ploškami vodiče spojovat pod úhlem menším jako 90 o. Ostré úhly způsobují "nedoleptání" spoje vodiče by měly být vedeny tak, aby vzdálenost mezi nimi byla co největší v případě průchodu několika vodičů mezi ploškami je třeba z dodržovat stejné vzdálenosti dělat široké mezikruží nedělat velké plochy, velká tepelná kapacita 29

Návrh přímých konektorů jednotlivé plošné kontakty se napojují na sběrný vodič šíře 2 mm, umístěný vně obrysu desky ve vzdálenosti 5 mm od její hrany. Plošné kontakty se na sběrný vodič napojují vodiči o šířce 0,3 mm. pro zajištění rovnoměrného pokovení plošných kontaktů je nutné, aby mimo obrys desky ve vzdálenosti cca 10 mm byly ještě technologické plošné kontakty. sběrný vodič by měl mít délku minimálně 80 mm. 30

Pájecí plošky pro SMT Pro návrh desek plošných spojů pro povrchovou montáž jsou charakteristické obdélníkové, případně čtvercové plošky (anglicky footprints ) nezakryté nepájivou maskou, na které se pájí vývody součástek 1. 2. 3. 4. 1. Hranice rozměru součástky 2. Hranice nepájivé masky 3. Pájecí ploška 4. Hranice nanešení pájecí pasty Typická pájecí ploška ( footprint ) pro součástku SMD. 31

Pájecí plošky pro pájení vlnou roztavená pájka Pájení SOT 23 vlnou lepidlo Slepá plocha pod čipovou součástkou 32

Záchytné plochy pro IO při pájení vlnou směr pohybu vlnou směr pohybu vlnou záchytné plošky a) pouzdra SO b) pouzdra Flat-Pack Záchytné plochy pro pájení vlnou 33

Vzdálenost mezi IO při pájení vlnou směr pohybu vlnou Doporučené vzdálenosti mezi IO při pájení vlnou Doporučené vzdálenosti mezi diskrétními součástkami SMD při pájení vlnou. 34

Správné propojení pájecích plošek propojení tenkým vodičem, nejlépe vedeným ve směru podélné osy a to i v případě realizace testovacího, nebo pájecího bodu. Zúžení vodiče omezuje nežádoucí odvod tepla z plošek a v případě, že na nich není nepájivá maska dochází při pájení přetavením k nežádoucímu roztékání pájky, které může způsobit posuv součástek. z pájecí plochy nevyvádět více vodičů 35

Tombstoning efekt Tombstoning ( hlavně čipové součástky ) je způsoben nerovnováhou silových momentů při přetavení a ovlivňuje jej hlavně, 1) Množství a vlastnosti pájecí pasty 2) Pájitelnost vývodů a pájecích plošek 3) Velikost a geometrie pájecích plošek (footprint) 4) Teplotní profil při pájení Vliv footprintu na tombstoning a jeho vznik 37

Návrh nepájivé masky a) Kombinovaná metoda přístupu b) Proužková metoda přístupu c) Individuální metoda přístupu nezbytně nutné individuální přístupové okno, pokud je mezi ploškami veden vodič Doporučené provedení Doporučené provedení nepájivé masky nanášenéfotoprocesem okraj 0,1 až 0,6mm nepájivé masky nanášené sítotiskem Přijatelné provedení Přijatelné provedení okraj 0,4 až 1,0mm průchody (vias) zakryté, nezakryté, má význam při pájení vlnou Provedení pro SMT Provedení pro SMT * Provedení nepájivé masky [*] 38

Umístění testovacích jehel jako testovací bod se nesmí použít meniskus pájky, nebo v případě konstrukce SMD, přívody vývodů typu L. a) jehla na samostatné plošce b) jehla v prokoveném otvoru Správné umístění testovací jehly 39

Návrh propojení vodičů pro BGA a CSP téměř vždy je třeba vícevrstvý plošný spoj kvůli vyvedení vnitřních kontaktů používá se normovaná propojka do vnitřních vrstev (tzv. dog bone) pro pouzdra CSP se dostáváme již do oblasti mikrovia technologií často již nestačí povrchová úprava HAL je a je třeba použít jinou technologii povrchové úpravy pájecích plošek. 40

Propojení a tvary pájecích plošek BGA a) b) c) Tvar pájecích plošek pro BGA [*] Geometrie vedení vodičů pro BGA a CSP [*] [*] přesah nepájivé masky - zvyšuje mechanickou pevnost plošky průměr plošky- 60% průměru kuličky BGA pouzdro je silně samocentrovací-po přetavení se srovná až 50%ní nepřesnost 41

Testovací pole pro BGA Daisy Chain [*] a) Kresba na pouzdře b) kresba na desce kresba seriového spojení Slouží k nastavení teplotního profilu při pájení 1) zapájení zkušebního pouzdra s testovacím motivem na odpovídající zkušební desku 2) ohmická kontrola sériového propojení kontaktní pole může být rozděleno do sektorů [ * ] Katalog TopLine March 1998 42

Tvar propojky pro návrh BGA v provedení NSMD (Non Solder Mask Defined), (Dog Bone) A b c a b řez A-A [mm] Rozteč 1,27 Rozteč 1,00 d 0.3mm A h a 0,851 0,80 b 0,749 0,69 e f c 0,720 0,67 d 0,483 0,38 e 0,305 0,20 f 0,560 0,46 g g 0,635 0,50 h 0,635 0,50 43

Testovací pole pro BGA Daisy Chain [*] a) Kresba na pouzdře b) kresba na desce kresba seriového spojení Slouží k nastavení teplotního profilu při pájení 1) zapájení zkušebního pouzdra s testovacím motivem na odpovídající zkušební desku 2) ohmická kontrola sériového propojení kontaktní pole může být rozděleno do sektorů [ * ] Katalog TopLine March 1998

Zásady návrhu prototypu - pro propojení použijeme co největší šířku vodiče (plošky lépe drží) - pájecí plošky je třeba dělat co největší vzhledem k vrtanému otvoru - plošky pro SMD součástky mají být co největší (hlavně pouzdra SON, lépe se pájí) - BGA pouzdra vyžadují vždy vícevrstvý spoj

DFM (Design for Manufacture) Výběr součástek Zásady DFM při návrhu DPS Montáž DPS Výroba DPS 46

DFM (zásady výběru součástek) 1. Použít vyhovující součástky (nepředimenzované) 2. Používat co nejméně dodavatelů 3. Používat co nejméně typů součástek, to ovlivňuje následně, jednodušší manipulace ve skladu jednodušší administrativa větší množstevní slevy jednodušší přestavení automatů co nejvíce SMD součástek oproti klasickým 47

DFM (výroba DPS - návrh) 1.Únosné rozměry DPS, to ovlivňuje problémy s pájením problémy s osazováním množství konektorů (cena, spolehlivost) 2. Optimální geometrie plošek a spojů, to ovlivňuje následně, chyby při pájení snadná testovatelnost 3. Vzdálenosti mezi součástkami, to ovlivňuje následně snadné opravy, testování 4.Vhodné technologické značky, to ovlivňuje následně slučitelnost s technologickými zařízeními 48

DFM (výroba DPS - návrh) 1. Minimální počet vrstev a otvorů v DPS ovlivňuje cenu DPS spolehlivost DPS 2. Tvar desky ovlivňuje náklady na dělení multipanelu 3. Optimální geometrie vodičů a plošek ovlivňuje problémy při výrobě DPS 49

DFM (montáž součástek na DPS) 1. Je třeba zvolit optimální montážní postupy osazování desky, téměř vždy jsou ekonomické montážní postupy SMD takové, aby se minimalizoval počet pájecích cyklů na DPS, toto nabývá velkého významu při bezolovnatém pájení pájkami LF, kdy je teplotní namáhání desky větší. 2. Minimalizovat, nebo zcela vyloučit šroubové spoje na DPS 50