Prawidłowe przygotowanie dokumentacji produkcyjnej, czyli co inżynier-projektant powinien wiedzieć o współpracy z producentem PCB
25.11.2015
Współpraca projektanta PCB z producentem obwodów jest bardzo istotna - im lepiej przygotowany jest pierwszy etap realizacji zamówienia, tym szybciej klient otrzymuje obwody odpowiadające jego potrzebom. Niejasna i mało precyzyjna dokumentacja produkcyjna powoduje wydłużenie czasu przygotowania produkcji, ponieważ wyjaśnianie wątpliwości wymaga dodatkowych kontaktów, zarówno po stronie wykonawcy, jak i klienta.
W dalszej części artykułu, na bazie doświadczenia inżynierów CAM firmy TS PCB, przedstawione zostaną standardy dostarczania dokumentacji do producenta PCB, zasady prawidłowego przygotowania projektów oraz opis najczęściej spotykanych błędów w dokumentacji. Wykorzystanie tych informacji przez inżynierów projektantów z pewnością będzie miało korzystny wpływ na jakość i niezawodność obwodów, a także niejednokrotnie obniży koszt ich wytworzenia.
Formaty plików
Powszechnym standardem dokumentacji produkcyjnej obwodów drukowanych jest format Gerber, umożliwiający wektorowy zapis obrazu warstw projektu: mozaik, masek, opisów, itp. Występują dwie wersje formatu: starsza Standard Gerber (RS-274D) oraz współczesna Extended Gerber (RS-274X).
Obecnie przestarzały format RS-274D jest rzadko spotykany. Pliki w tym formacie zawierają tylko współrzędne elementów obrazu warstw bez definicji użytych apertur. Do prawidłowego przetwarzania projektów w wersji RS-274D konieczne jest dostarczenie producentowi PCB listy zastosowanych apertur. Nowsza, najbardziej popularna wersja RS-274X pozbawiona jest wad formatu RS-274D. Pliki warstw w tym formacie zawierają pełny komplet danych do przetwarzania projektu - współrzędne i definicje apertur.
Do zapisu parametrów obróbki mechanicznej (wiercenie, frezowanie) najczęściej wykorzystuje się format Excellon, w wersji 2. Kompletny program dla operacji wiercenia lub frezowania CNC powinien zawierać w swoim nagłówku definicje średnic użytych narzędzi. Dodatkowo może on przechowywać także informacje o formacie zapisu współrzędnych i użytych jednostek miary, co może przyśpieszyć proces przetwarzania projektu u producenta PCB.
Najpopularniejsze oprogramowanie CAD PCB (Altium Designer, Eagle, Protel) umożliwia eksport dokumentacji projektów do wymienionych wyżej formatów. Większość producentów PCB preferuje formaty Gerber RS-274X i Excellon2, ale akceptuje także inne formaty zbiorów, np.: RS-274D, Dynamic Process Format *.dpf, GraphiCode GWK, ODB++ oraz BRD (Eagle).
Cechy poprawnie przygotowanej dokumentacji
Z punktu widzenia producenta prawidłowo przygotowane projekty to takie, w których zawarte informacje są jednoznaczne, nie budzą żadnych wątpliwości i są zgodne z jego możliwościami technologicznymi. Poniżej przedstawiono zalecenia dla projektantów PCB, które pogrupowano według pięciu zagadnień.
DRC
.JPG)
.JPG)
Rys. 1. Obszary niespełniające dopuszczalnych parametrów DRC
Sporadycznie spotykanym błędem projektowym, mogącym utrudnić lub nawet uniemożliwić wykonanie obwodu, jest przekroczenie dopuszczalnych parametrów DRC (Design Rule Check). Determinują one możliwości technologiczne producenta w zakresie minimalnych dopuszczalnych szerokości elementów mozaiki (ścieżek, napisów), odległości pomiędzy nimi oraz rozmiarów pierścieni otaczających otwory. Większość popularnych programów CAD PCB umożliwia konfigurowanie i przestrzeganie reguł DRC, tak by opracowywany projekt był w pełni zgodny z możliwościami producenta.
Podczas projektowania mozaiki należy pamiętać, że w procesie produkcyjnym szczególnie niebezpieczne są wszelkie wąskie wcięcia na powierzchni mozaik (rys. 1). Obszary takie powinny być wypełniane, ponieważ zasada minimalnych dopuszczalnych odległości dotyczy także elementów mozaiki należących do tej samej sieci. Parametry DRC dotyczą również napisów umieszczanych na warstwach miedzi. Zbyt małe znaki mogą zostać strawione i ostatecznie okazać się nieczytelne.
Obrys
.JPG)
.JPG)
Rys. 2. Widok warstw mozaiki: a) od strony elementów oraz b) lutowania
Obrys obwodu powinien być umieszczany na osobnej warstwie, w formie zamkniętego konturu oraz bez offsetów względem pozostałych warstw. Powinien on także zawierać kształty i położenie wszystkich wycięć oraz szczelin, które należy wykonać w obwodzie. Na warstwie obrysowej można umieszczać wymiarowanie obwodu łącznie z jego tolerancją, o ile różni się ona od typowej tolerancji producenta.
Niejednokrotnie obrys oraz wycięcia umieszczane są na warstwach opisu, masek lub mozaik. Istnieje wówczas duże ryzyko, że wycięcia te nie zostaną zauważone przez inżyniera CAM i w efekcie nie wykonane podczas produkcji. Problematyczna jest także sytuacja, kiedy kształty obwodu występują na kilku warstwach i wzajemnie się wykluczają.
Warstwy opisowe
.JPG)
.JPG)
.JPG)
Rys. 3. Grubość linii opisowej, a jakość opisu: a) opis linią 0,25 mm, b) 0,1-milsową, c) widok opisu przyciętego przez pad SMD
Często spotykanym błędem jest niewłaściwe przygotowanie warstwy opisowej, skutkujące brakiem czytelności i kompletności oznaczeń. Dla zapewnia dobrej czytelności opisów konieczne jest zachowanie odpowiedniej wysokości znaków oraz grubości linii opisowej. Optymalna wysokość znaków to co najmniej 1 mm. Minimalna grubość linii opisowej wynosi 0,1 mm. W przypadku opisów wykonanych nieproporcjonalnie grubą linią w stosunku do wysokości znaków, zmniejszenie grubości linii opisowej (rys. 3a-b) powoduje poprawę czytelności i przejrzystość napisów. Rozwiązanie to powiększa walory estetyczne obwodu oraz ułatwia montaż elementów. Przy projektowaniu warstw opisowych inżynier-projektant nie powinien umieszczać oznaczeń na punktach lutowniczych oraz otworach. Producenci PCB domyślnie usuwają opis z padów oraz innych obszarów obwodów niepokrytych maską (rys. 3c), ponieważ farba na elementach lutowanych uniemożliwia prawidłowy montaż obwodu. Aby zredukować ubytki opisu spowodowanego przycięciem, należy zachowywać minimum 0,1 mm odległości od padów odsłoniętych na masce antylutowniczej oraz otworów.
Obróbka mechaniczna
.JPG)
.JPG)
Rys. 4. Przygotowanie wycięć w obwodzie: a) przy standardowej średnicy frezu 2 mm, b) technika zmniejszania promienia wycięcia
Poprawne przygotowanie i oznaczenie otworowania oraz szczelin na płycie jest bardzo istotne. Dopuszcza się umieszczanie w jednym programie wierceń otworów i szczelin metalizowanych (PTH - Plated Through Hole) oraz niemetalizowanych (NPTH - Non Plated Through Hole). Istotne jest jednak jednoznaczne oznaczenie typu otworów, które można zrealizować przez opisanie ich za pomocą komentarzy w pojedynczym programie wiercenia lub w dodatkowym pliku informacyjnym. Można także podzielić otwory oraz szczeliny (PTH / NPTH) pomiędzy dwa osobne, odpowiednio nazwane programy wierceń. Często spotykaną praktyką jest także dostarczanie mapy wierceń na oddzielnej warstwie projektu. Przy braku dodatkowych informacji producent kieruje się nią w celu poprawnego określenia typu otworów (PTH / NPTH). W przypadku obwodów jednostronnych wszystkie otwory są traktowane jako NPTH.
Podane średnice są zawsze traktowane jako docelowe, o ile w zamówieniu nie została określona inna ich interpretacja. Oznacza to, że w gotowym obwodzie średnice otworów PTH oraz NPTH będą równe średnicom zdefiniowanym w nagłówku programu wiercenia.
W przypadku ślepych oraz zagrzebanych przelotek ich programy wierceń należy umieszczać w osobnych plikach, poza programami wierceń otworów przelotowych oraz odrębnie dla każdej głębokości. Niezbędne jest ponadto oznaczenie głębokości wiercenia przelotek ślepych, np. podając warstwy, które przelotki mają połączyć.
Dla frezowanych kształtów należy uwzględniać ograniczoną dokładność wykonywania wycięć, która jest uwarunkowana średnicą użytego frezu. Powoduje ona powstanie problemu zilustrowanego na rysunku 4, czyli zaokrąglenia w rogu frezowanego kształtu. Można je wyeliminować poprzez umieszczenie w narożnikach wycięć otworów technologicznych o małej średnicy. Otwory te nieco ingerują w powierzchnie obwodu, ale umożliwiają znaczne zmniejszenie średnicy zaokrągleń po przejściu frezu lub ich całkowitą redukcję (rys. 4b).
Inżynier projektant powinien również zachować odpowiednią odległość mozaik od krawędzi obwodu oraz wycięć na płycie, ponieważ obróbka mechaniczna wykonywana jest z określoną tolerancją. Podczas frezowania i rylcowania możliwe jest uszkodzenie elementów mozaik, które znajdują się zbyt blisko krawędzi obwodu. Powstała w ten sposób poszarpana miedź nie tylko obniża walory estetyczne obwodu, ale w zmontowanym urządzeniu może powodować zwarcia przez kontakt z metalową obudową.
.JPG)
.JPG)
Rys. 5. Szczelina oznaczona: a) niepoprawnie, b) prawidłowo oznaczona na warstwie obrysu
Nieprzelotowe wycięcia w płycie, które wykonywane są operacją frezowania na głębokość, należy jasno zilustrować na odrębnym rysunku lub na warstwie z obrysem bądź osobnej warstwie. Wymagana jest również informacja, po której stronie obwodu oraz na jaką głębokości mają zostać wykonane. W podobny sposób należy określić występowanie metalizowanych krawędzi. Często spotykanym, prawidłowym sposobem informowania producenta o występowaniu w projekcie metalizowanych krawędzi jest umieszczenie na warstwach mozaik obszarów miedzi wykraczających poza obrys płytki.
Wątpliwości podczas przygotowania dokumentacji produkcyjnej mogą budzić także szczeliny PTH przedstawione jako dwa sąsiadujące otwory (rys. 5). Projektant powinien zdawać sobie sprawę, że inżynierowie CAM przygotowujący projekt do produkcji najczęściej nie dysponują wiedzą, jakie elementy są montowane na danym obwodzie. Trudno zatem oczekiwać, że występujące obok siebie 2 otwory widoczne na rysunku 5a zostaną zinterpretowane jako szczelina PTH. W tym przypadku właściwe oznaczenie szczeliny powinno znajdować się na warstwie obrysu (rys. 5b).
Przygotowanie i nazewnictwo plików warstw
Obrazy poszczególnych warstw powinny być wygenerowane w tej samej skali oraz bez wzajemnych przesunięć. Dopuszczalny jest offset warstwy otworowania względem pozostałych warstw, jednakże nie zawsze istnieje możliwość prawidłowego zgrania tej warstwy z pozostałymi. Upowszechnionym standardem jest ułożenie warstw w widoku od górnej strony obwodu. Oznacza to, że po wczytaniu projektu do programu CAM PCB wszelkie napisy na warstwach od strony elementów są czytelne (rys. 2a), natomiast tekst na mozaikach, maskach lub opisie od strony lutowania będzie widoczny w lustrzanym odbiciu (rys. 2b).
Zalecane jest używanie takich nazw plików warstw i/lub ich rozszerzeń, aby łatwo można było je zinterpretować. Nomenklatura plików zwykle jest zdefiniowana w oprogramowaniu CAD PCB. Większość tego typu aplikacji, poza plikami w formatach Gerber i Excellon, generuje dodatkowy plik tekstowy (raport) z listą wyeksportowanych plików i opisem zastosowanego formatu zapisu współrzędnych i jednostek.
W przypadku obwodów wielowarstwowych niezbędne jest podanie informacji o kolejności ułożenia warstw wewnętrznych. Ich kolejność może być określona przez numerację bezpośrednio na warstwach lub odpowiednie nazewnictwo plików (np.: *.L1, *.L2, *.L3, *.L4, itd.). Informacja taka może być także zawarta w karcie technologicznej obwodu.
Dużym utrudnieniem w interpretacji dokumentacji jest umieszczanie kilku elementów technologii na pojedynczej warstwie. Najczęściej spotykanym uchybieniem tego typu jest osadzanie maski zrywalnej na warstwie masek antylutowniczych. Każda z masek nakładana jest na innym etapie produkcji i do każdej niezbędna jest odrębna dokumentacja produkcyjna.
Podsumowanie
Skrupulatność projektanta, jego znajomość zasad poprawnego przygotowania dokumentacji, a także świadomość ograniczeń technologicznych producenta obwodów przekładają się bezpośrednio na jakość i czasochłonność realizacji projektów. Czas poświęcony na odpowiednie skonfigurowane oprogramowania CAD PCB oraz staranne i dokładne projektowanie obwodu przynoszą efekty w postaci niezawodnych płyt drukowanych spełniających oczekiwania projektantów, a także krótkiego czasu realizacji zamówienia po stronie ich producenta.
.jpg)
.jpg)
