Od schematu do zmontowanego PCB: jak wykonać prototyp elektroniczny

1. Schemat i dobór komponentów: dostępność, obudowy, cykl życia.
2. Projekt ścieżek (routing): rozmieszczenie i prowadzenie ścieżek według zasad producenta.
3. Przegląd DFM: kontrola zasad produkcji i montażu.
4. Pliki produkcyjne: Gerber, wiercenie, obrys, lista materiałowa, pozycje komponentów.
5. Wykonanie gołej płytki (PCB).
6. Zaopatrzenie w komponenty.
7. Montaż: pasta lutownicza, układanie, rozpływ, komponenty przewlekane.
8. Inspekcja, testy, a następnie programowanie oprogramowania układowego.

Orientacyjnie goła płytka prototypowa powstaje w kilka dni roboczych, a o łącznym terminie często decydują komponenty, ich dostępność i terminy dostaw: kluczowe zakupy warto zlecić wcześnie. Całość łańcucha lub jego część można powierzyć wykonawcy: zob. podwykonawstwo w elektronice.

Cena prototypu składa się z gołej płytki (powierzchnia, liczba warstw, wykończenie, termin), komponentów i montażu. Producenci prototypów często łączą kilka zamówień na jednym panelu produkcyjnym, dzięki czemu małe ilości są dostępne. Przy montażu koszty uruchomienia (szablon do nakładania pasty, programowanie automatu montażowego, ustawienie linii) mocno obciążają pojedynczą płytkę: cena kilku dodatkowych płytek jest wobec tych kosztów często niewielka.

Dokumentację należy przekazać w spakowanym, wyraźnie nazwanym archiwum, w jednej wersji. ODB++ i IPC-2581 łączą te dane w jednym formacie: proszę zapytać producenta, co akceptuje. Przed wysłaniem warto otworzyć pliki Gerber w przeglądarce: to najszybszy sposób na wychwycenie brakującej warstwy. Zob. też formaty plików produkcyjnych.

• Warstwy: jedna lub dwie dla prostych płytek; cztery i więcej, gdy wymaga tego gęstość, integralność sygnałów lub płaszczyzny zasilania.
• Podłoże: FR-4 jest najpowszechniejsze; poliimid dla płytek giętkich, aluminium dla LED, specjalne laminaty dla wysokich częstotliwości.
• Grubość i miedź: 1,6 mm i 35 µm (1 oz) to wartości standardowe; duży prąd wymaga więcej miedzi.
• Wykończenie powierzchni: HASL, ekonomiczne, daje mniej płaską powierzchnię; ENIG (nikiel-złoto) nadaje się do drobnych rastrów i BGA.
• Możliwości technologiczne: szerokość ścieżki, izolacja, średnica wiercenia, przelotki zaślepione lub zakopane, impedancja kontrolowana. Orientacyjnie ścieżki i odstępy około 0,15 mm (6 mil) oraz wiercenie 0,3 mm mieszczą się w standardzie większości producentów; poniżej jest to droższa opcja.

Klasy IPC opisują poziom wymagań: IPC-6012 dla wytwarzania płytek sztywnych, IPC-A-610 dla akceptowalności płytek zmontowanych. Klasa 1 dotyczy produktów ogólnych, klasa 2 produktów, których działanie musi pozostać trwałe, klasa 3 wysokiej niezawodności (sprzęt krytyczny, medyczny, lotniczy). Klasa 2 jest punktem odniesienia dla większości produktów przemysłowych: wymaganie klasy 3 dla prototypu obciąża dokumentację, jeśli produkt końcowy tego nie wymaga.

Przy impedancji kontrolowanej warto przed routingiem poprosić producenta o jego standardowy układ warstw: określa on szerokości ścieżek, a zmiana po fakcie wymusza ponowny routing.

Lista materiałowa (BOM)

Użyteczny BOM podaje w każdej linii oznaczenia (R1, C3…), ilość, wartość, obudowę, producenta i jego numer oraz akceptowane zamienniki. Komponenty, których nie należy montować, trzeba oznaczyć. Dostępność warto sprawdzić przed zamrożeniem dokumentacji: komponent niedostępny lub wycofany opóźnia cały projekt, a przewidzenie kompatybilnego zamiennika dla ryzykownych pozycji pozwala uniknąć przerabiania dokumentacji. Należy ustalić, kto zaopatruje: Państwo, monter (pod klucz) lub obie strony po części. Zakład często przewiduje nadwyżkę drobnych komponentów na straty przy montażu, a rolki mają minimalne ilości.

Plik pick and place

Wyeksportowany z narzędzia CAD, wskazuje dla każdego komponentu oznaczenie, współrzędne X i Y, obrót i stronę. Konwencje obrotu różnią się między bibliotekami i maszynami: komponent spolaryzowany (dioda, kondensator elektrolityczny, układ scalony) może zostać zamontowany odwrotnie. Należy dołączyć rysunek montażowy wskazujący polaryzację i pin 1 oraz poprosić o weryfikację przed uruchomieniem.

• SMD (komponenty montowane powierzchniowo): lutowane na powierzchni, bez wiercenia, po obu stronach. Pasta lutownicza jest nakładana przez szablon, komponenty układa automat, a następnie płytka przechodzi przez piec rozpływowy. Ta technologia odpowiada drobnym obudowom; ukryte połączenia BGA i częściowo QFN kontroluje się promieniami rentgenowskimi.
• THT (przewlekane): piny przechodzą przez metalizowane otwory. Jest mechanicznie solidniejsze, stąd zastosowanie do złączy, transformatorów, dużych kondensatorów i listw zaciskowych. Lutowanie odbywa się na fali, selektywnie lub ręcznie: więcej operacji, a więc wyższy koszt jednostkowy.

Najczęstsza jest płytka mieszana: najpierw SMD, potem komponenty przewlekane. Wszędzie, gdzie to możliwe, warto wybierać SMD, a THT zachować dla części poddawanych obciążeniom mechanicznym lub dużym prądom. Montaż po obu stronach podwaja przebiegi układania i rozpływu: dla ekonomicznego prototypu lepsza jest montowana jedna strona. Jeśli chcą Państwo samodzielnie przylutować pierwszy egzemplarz, obudowy w rozmiarze 0603 lub większe i raster 0,5 mm lub większy pozostają dostępne; BGA w praktyce lutuje się przez rozpływ. W Unii Europejskiej dyrektywa RoHS ogranicza użycie ołowiu: montaż wykonuje się zwykle spoiwem bezołowiowym, a każde szczególne wymaganie należy zgłosić. Zob. słownik: SMD i płytka drukowana.

Pięć kontroli DFM przed wysyłką

1. Uruchomić reguły projektowe (DRC) z parametrami możliwości producenta.
2. Sprawdzić każdy footprint w karcie katalogowej komponentu: błędny footprint wymusza wykonanie płytki od nowa.
3. Zostawić miejsce wokół komponentów na montaż i poprawki oraz wolną strefę kilku milimetrów przy krawędzi płytki na przenośnik i wycinanie.
4. Dodać znaczniki (fiducials) dla systemu wizyjnego maszyn oraz dostępne punkty testowe.
5. Zadbać o pady małych elementów pasywnych: asymetryczne pady sprzyjają efektowi „nagrobka”, w którym komponent podnosi się przy lutowaniu.

Inspekcja i testy

Goła płytka może przejść elektryczny test ciągłości i izolacji. Po lutowaniu automatyczna inspekcja optyczna (AOI) wykrywa brakujące, przesunięte i odwrócone komponenty oraz mostki lutownicze. Test w układzie (in-circuit) i test funkcjonalny wymagają punktów testowych i procedury: opłacają się głównie w serii. Przy prototypie zakład często ogranicza się do inspekcji, a pierwszą płytkę testują Państwo sami. Jeśli zakład ma wgrać oprogramowanie układowe, trzeba dostarczyć je wraz z procedurą programowania.

Po otrzymaniu pierwszej płytki

Najpierw należy ocenić wygląd (brakujące komponenty, polaryzacje, lutowanie), a następnie zmierzyć rezystancję między każdą szyną zasilania a masą przed jakimkolwiek włączeniem zasilania. Potem zasilać etapami, najlepiej zasilaczem laboratoryjnym z ograniczeniem prądu, i weryfikować bloki po kolei (zasilanie, zegar, komunikacja), zanim zacznie się testować resztę. Rozbieżności warto zapisywać: zasilają kolejną rewizję schematu.

• Liczba płytek, z progami (1, 5, 10) i przyszłym zapotrzebowaniem seryjnym.
• Pełna dokumentacja: Gerber, wiercenie, BOM, pozycje, rysunek montażowy.
• Parametry płytki: warstwy, grubość, miedź, wykończenie, kolor maski, ewentualna impedancja, docelowa klasa IPC.
• Zaopatrzenie: komponenty dostarczone przez Państwa lub kupione przez montera, akceptowane zamienniki.
• Montaż: strony do zmontowania, komponenty przewlekane, wymagania dotyczące lutowania.
• Oczekiwane testy i programowanie (inspekcja, test funkcjonalny, wgranie oprogramowania układowego), lakier ochronny, opakowanie antystatyczne.
• Termin, data, w której dysponują Państwo ewentualnie dostarczanymi komponentami, oraz miejsce dostawy.

W Meaflow dodanie zapytania jest bezpłatne i bez prowizji: kilku wykonawców może przesłać Państwu ofertę, którą porównacie, zanim zaczniecie rozmowę przez komunikator. Do uporządkowania dokumentacji przyda się generator specyfikacji. Na dalszym etapie projektu przeczytajcie od prototypu do serii oraz poznajcie sektor startupów hardware’owych i biura konstrukcyjne do prac projektowych.