V minulém díle jsme probrali činnosti, které je potřeba provést ještě před zahájením samotného vývoje elektronického zařízení. Definovali jsme funkční charakteristiky zařízení a vytvořili mechanickou, elektrickou a softwarovou koncepci. Také jsme zanalyzovali pracnost vývoje, výrobní náklady a rizika projektu. Nyní se podrobně zaměříme na vývoj jako takový. Ale pozor – řadu informací, které se dnes dozvíte, musíte znát a vyhodnocovat už ve fázi analýzy.
Jestliže jste se na základě výsledků analýzy rozhodli pro realizaci elektronického produktu, první etapou vývoje bude návrh elektrického schématu. Pro jeho zhotovení využijte některý
z ověřených ECAD systémů, mezi něž patří například Altium Designer, OrCAD PCB Designer, PADS, Xpedition, Fusion 360 (Eagle) nebo freewarový KiCAD.
Výběr ECAD systému závisí především na dostupných prostředcích a na četnosti, s jakou budete systém využívat. Volba vhodného systému závisí také na složitosti návrhů, které budete vytvářet.
Obecně platí, že vícevrstvou desku se signály do cca 100 Mhz zvládnete navrhnout
s různým úsilím v jakémkoliv dostupném profesionálním nebo poloprofesionálním systému. Prémiové systémy, jako jsou např. Altium, OrCAD nebo Xpedition, pak uživatelům přinášejí funkce, které v mnoha směrech návrh usnadňují a zpřehledňují. Pro návrh složitějších designů jsou jasnou volbou.
O jaké výhody u prémiových systémů vlastně jde? Výborným příkladem je podpora návrhu spojů s řízenou impedancí a diferenciálních párů. Pokud používaný systém takovou podporu nenabízí, bude návrh desky s diferenciálními páry jistě komplikovanější, a tedy dražší než v případě systému, který návrh diferenciálních párů podporuje.
O vlastnostech a výběru vhodného ECAD systému jsme v minulosti již mnohokrát psali (například zde), a tak se jim nyní nebudeme podrobněji zabývat.
Při návrhu schématu máme relativní návrhářskou volnost. Přesto musíme respektovat řadu omezení, která jsou dána funkčními charakteristikami definovanými v analýze, elektrickým a mechanickým konceptem, kalkulací výrobních nákladů a v neposlední řadě také krátkodobou a dlouhodobou dostupností součástek v distribuci.
Jestliže má zařízení dle funkčních charakteristik pracovat v širokém rozsahu pracovních teplot od -40 °C do +70 °C, pak je zapotřebí vybrat vhodné komponenty, které uvedenou podmínku splňují. Totéž se týká parametrů jako je pracovní napětí, výkonová ztráta, předpokládaná životnost atd. Tyto parametry je nezbytné splnit, tudíž zde není příliš prostoru pro kompromisy.
Pokud chceme při výběru součástek dosáhnout úspory výrobních nákladů, nebo jsme omezeni koncovou cenou výrobku, můžeme toho dosáhnout jedině vhodným výběrem výrobce a distributora jednotlivých součástek a případně vyjednáním množstevních nebo projektových slev. Nikdy bychom však neměli slevovat z požadavků zakotvených ve funkčních charakteristikách a v analýze projektu.
U každé jednotlivé součástky musíme kontrolovat aktuální dostupnost pro prototypování. Vybíráme jen součástky, u kterých lze předpokládat dostupnost i po ukončení vývoje produktu a zahájení sériové výroby.
Vzhledem k aktuálnímu nedostatku součástek na trhu a dlouhým dodacím lhůtám se pro opakovanou výrobu zajišťují součástky s dostatečným předstihem. Někdy se nakupují hned po ověření prototypu, jindy už v rámci nákupu součástek pro výrobu prototypu.
Jednou z účinných metod, jak snížit riziko nedostupnosti komponentů, je výběr součástek
s dostupnými náhradami. Jde o součástky, pro které existuje plně kompatibilní a funkční náhrada v podobě alternativní součástky od stejného (nebo i jiného) výrobce. Plně kompatibilní náhradou se rozumí taková součástka, která má nejen stejné elektrické parametry jako součástka nahrazovaná, ale která má také stejné pouzdro a může být bez úprav plošného spoje osazena na místě nahrazované součástky.
V některých případech budete ovšem potřebovat použít součástky, které plně kompatibilní náhradu nemají. Typicky se jedná o spínané zdroje, mikroprocesory, řadiče ethernetu, speciální analogové obvody či speciální digitální periferie. V takovém případě nezbývá než řešit dostupnost včasným nákupem požadovaného množství součástek na sklad.
Dalším aspektem při výběru elektronických součástek je způsob jejich montáže. V současné době se používají nejčastěji součástky pro povrchovou montáž plošného spoje (SMD). Jejich výhodou je především možnost automatického strojového osazení, které je ve srovnání s ruční montáží levnější, rychlejší a spolehlivější.
Tam, kde to je možné a vhodné, doporučujeme vždy upřednostnit součástky typu SMD. Pouze v případech, kdy neexistuje vhodná SMD alternativa, nebo tam, kde není možné použít SMD součástku z mechanických důvodů, je nutné použít součástky vývodové (THT).
I u vývodových součástek se můžete vyhnout ručnímu osazení, a to v případě, že použijete automatické selektivní pájení vývodových součástek. Podmínkou selektivního pájení je ovšem vhodný návrh plošného spoje, kdy je okolo THT padů nutné na pájené straně dodržet ochranné pásmo bez SMD součástek. Používání SMD a THT součástek má obecně svá specifika z hlediska vyrobitelnosti, která je třeba při návrhu respektovat. Nedodržení návrhových pravidel nebo nerespektování technických podmínek osazovací firmy pak může mít za následek vyšší cenu za osazení plošného spoje.
Vhodné elektronické komponenty jsme vybrali, a tak můžeme přesunout svou pozornost k samotnému plošnému spoji. V první řadě nás čeká výběr základního materiálu a stanovení počtu vrstev a jejich složení.
Pro účely našeho článku se budeme zabývat pevnými plošnými spoji, jejichž základním materiálem je ve většině případů kompozit na bázi skleněných vláken spojených epoxidovým resinem. V praxi se však můžete setkat také s méně často užívanými materiály, jako jsou např. VF materiály s keramickou výplní, výkonové substráty s kovovým jádrem (IMS) nebo flexibilní plošné spoje.
Obecně platí, že plošný spoj se vyrábí laminací několika vrstev základního (nevodivého) materiálu a měděných plátů. Při výběru základního materiálu vycházíme z funkčních charakteristik a zajímají nás především následující parametry:
V dnešní době se u výrobců plošných spojů setkáváme výhradně s vysoce kvalitními materiály, které mají stabilní dielektrickou konstantu DK (tj. můžeme na nich realizovat spoje s řízenou impedancí do kmitočtů cca 100 MHz), vysoko posazený bod delaminace (Tg > 120 °C) a které jsou samozhášivé, což vyhoví ve většině aplikací.
V případě, že budeme vyvíjet jednoduché nízkofrekvenční zařízení, můžeme sáhnout po standardním skladovém materiálu pro oboustranné či vícevrstvé plošné spoje. Naopak v případě, kdy budeme potřebovat realizovat spoje s řízenou impedanci pro kmitočty nad 500 MHz, musíme zvolit dražší vysokofrekvenční materiál. Vysokofrekvenční materiály se od těch nízkofrekvenčních liší především ve vyšší hustotě vláken, díky čemuž mají v celé ploše stabilnější dielektrickou konstantu DK.
Další z parametrů, které ovlivňují cenu plošného spoje, jsou např. počet vrstev, třída návrhu nebo použití nadstandardních technologií. Zde se nejčastěji setkáváme se snahou cenové optimalizace, která ale ve výsledku může mít jednak negativní vliv na vlastnosti zařízení, jednak může mít výrazné dopady na celkovou ekonomiku projektu.
Obecně platí, že oboustranný plošný spoj je vhodný pro nejjednodušší nízkofrekvenční zařízení. U těchto zařízení lze na dvou vrstvách realizovat nejen signálové spoje, ale také dostatečně kompaktní rozvod napájecích napětí a zemí.
V případě, že zařízení obsahuje spínaný zdroj nebo procesor či spoje s řízenou impedancí, nebo se jedná o smíšený digitální a analogový design, jednoznačně doporučujeme použití 4vrstvého plošného spoje.
Vnější vrstvy můžete využít pro spoje a vnitřní vrstvy pro plošný rozvod napájecích napětí a zemí. Tato konfigurace plošného spoje zajišťuje zvýšenou kvalitu VF signálů, snižuje emise a rovněž zvyšuje odolnost vůči elektromagnetickému rušení. Nezanedbatelná je také úspora návrhového času, kdy designer nemusí složitě vytvářet napájecí a zemní spoje mezi ostatními signály. Naopak při snaze navrhnout takové zařízení na oboustranný plošný spoj se může stát, že i při výrazně delším návrhovém čase zařízení nesplní funkční požadavky, nebo nebude fungovat spolehlivě. Čím je pak elektrické zapojení složitější, tím roste požadavek na počet vrstev a jejich složení.
Se složitostí návrhu souvisí také volba návrhové třídy. Třída návrhu určuje minimální šířku spoje a mezery pro danou tloušťku měděného plátu a také minimální šířku mezikruží vrtané díry. Čím více komponent s vysokou integrací a čím více spojů se na desce nachází, tím vyšší třídu návrhu, a tedy tenčí spoje, je třeba použít.
Opět platí, že cenová optimalizace v podobě použití nižší třídy návrhu (širší spoje a mezery), než jakou projekt vyžaduje, se může projevit větší obtížností návrhu, či případně nemožností dodržet izolační vzdálenosti mezi skupinami vysokofrekvenčních signálů apod. Naopak použití vyšší třídy návrhu, než je nezbytně nutné, může vést ke zbytečnému prodražení plošného spoje.
Mezi další vlastnosti plošného spoje, které musíme brát v úvahu, patří provedení prokovených děr (standardní, vyplněné, přeplátované, pohřbené, použití microvia), masky, potisků, povrchových úprav apod. Vždy platí, že použití standardních nebo nadstandardních technologií musíme pečlivě zvážit s ohledem nejen na cenu, ale také na funkční charakteristiky výrobku a na následné výrobní procesy.
Pokud například v designu používáme komponenty s nízkou roztečí mezi pady, nebo používáme pouzdra typu BGA, tak je vhodné zajistit co nejrovnější výsledný povrch plošného spoje. To platí zejména v případě, že provádíme pájení přetavením. Standardní povrchová úprava HAL, která vzniká ponořením plošného spoje do lázně roztavené cínové pájky, v tomto případě nevytváří dostatečně rovný povrch. Pro zajištění maximální rovinnosti povrchu tedy zvolíme příplatkovou službu imersního nebo galvanického zlacení.
Ovšem v případě, že používáme pájení v parách, se jako nejvhodnější povrchová úprava plošného spoje jeví povrch typu HAL. Imersní zlacení se u této technologie pájení jeví naopak jako nejméně vhodné. Pokud například potřebujeme používat chladící prokovy umístěné přímo v padech výkonových součástek, musíme zvážit vyplnění a přeplátování prokovů, kterými jinak může odtékat cín. Spoj pak nemusí být dostatečně kvalitní.
Výše uvedené příklady parametrů a vlastností plošných spojů nejsou zdaleka kompletní. Plošné spoje jsou natolik komplexním prvkem, že podrobný popis jejich vlastností by vydal na celou knihu. Ve článku jsme chtěli zejména upozornit na hlediska, která musíme při návrhu plošných spojů zohledňovat.
V článku jsme shrnuli obecná pravidla při výběru komponentů a při volbě parametrů plošného spoje, která mají jednoznačný vliv na ekonomiku projektu. V závěrečném díle článku o ekonomice vývoje a výroby elektronických zařízení se zaměříme na výrobu prototypu, jeho testování a konečně i na uvedení výrobku na trh.