Projektowanie obwodów drukowanych. Dobre praktyki podczas prawidłowego przygotowania dokumentacji produkcyjnej.

Dokumentacja technologiczna to pierwszy i jeden z najważniejszych elementów całego procesu produkcji obwodów drukowanych. Sposób, w jaki obwody zostały zaprojektowane, przekłada się bezpośrednio na szybkość ich wytworzenia, finalną jakość oraz koszt. Już na etapie projektu konstruktorzy decydują o tym, czy proces produkcji PCB będzie przebiegał bez konieczności dodatkowych konsultacji i wyjaśnień z zespołem technicznym producenta. Na tym etapie także istnieje możliwość zminimalizowania ryzyka wystąpienia problemów jakościowych.

Poprzez drobne zmiany w projekcie usunąć można wiele potencjalnych błędów, zapewniając tym samym wyższą jakość produktu końcowego. Niejasności i nieprecyzyjne informacje w dokumentacji powodują bowiem często duże problemy we właściwej interpretacji oczekiwań klienta i mogą prowadzić do wyprodukowania obwodów niespełniających jego wymagań.

Rekomendacje producentów obwodów drukowanych

Podczas projektowania obwodów najważniejsze są właściwości elektryczne, które płytka musi posiadać. Warto jednak wcześniej zapoznać się z możliwościami produkcyjnymi dostawcy, u którego zleca się  realizację zlecenia. Producenci podają zasady, według których należy przygotować projekt. Rekomendowane są między innymi:

- minimalne odległości między częściami przewodzącymi,

- minimalne szerokości ścieżek,

- minimalne średnice otworów i wielkości pierścieni,

- minimalne odsłonięcia na masce,

- liczba zastosowanych warstw itd.

Prawidłowa dokumentacja produkcyjna

Prawidłowa dokumentacja produkcyjna powinna zawierać minimalną liczbę plików gwarantującą jej łatwą i jednoznaczną interpretację. Zasada ta dotyczy zarówno akceptowanych formatów plików, jak i dopuszczalnego przez producenta języka. Zazwyczaj pliki w języku angielskim czy niemieckim nie są ograniczeniem. Umieszczanie w dokumentacji plików nadmiarowych czy nieprzydatnych z punktu widzenia produkcji PCB utrudnia jej analizowanie. Dotyczy to głównie dużej grupy zbiorów dla automatycznego montażu (BOM, Pick & Place), not katalogowych elementów, instrukcji uruchamiania i testowania funkcjonalnego zmontowanych pakietów, a także dokumentów informujących o zmianach wprowadzonych w poszczególnych rewizjach projektu. Niedopuszczalne jest dostarczanie w jednej dokumentacji różnych rewizji projektu oraz kilku specyfikacji technologicznych, które mogą wzajemnie się wykluczać.

Dobrą praktyką jest załączenie wypełnionej karty technologicznej udostępnionej na stronie internetowej producenta. 

Formaty plików

Powszechnym standardem dokumentacji produkcyjnej obwodów drukowanych jest format Gerber, umożliwiający wektorowy zapis obrazu warstw projektu: mozaik, masek, opisów, itp. Występują trzy  wersje formatu: starsza Standard Gerber (RS-274D), najbardziej popularna Extended Gerber (RS-274X) oraz najnowsza wersja Gerber X2

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.

Najpopularniejsze oprogramowanie CAD PCB (Altium Designer, Eagle, KiCad) umożliwia eksport dokumentacji projektów do wymienionych wyżej formatów. Większość producentów PCB preferuje formaty Gerber RS-274X, X2 i Excellon2, ale akceptuje także inne formaty zbiorów, np.: RS-274D, Dynamic Process Format *.dpf, ODB++ oraz BRD (Eagle).

Nieprawidłowości w dokumentacji technologicznej

Dokumentacja produkcyjna powinna zawierać pojedynczą specyfikację technologiczną (tzw. kartę technologiczną), w której zapisy umożliwiają jednoznaczną interpretację informacji. Typowe uchybienia specyfikacji odnoszą się do nieprawidłowych zapisów dotyczących grubości warstw miedzi, laminatu oraz opisów budów obwodów wielowarstwowych.

• Grubości warstw miedzianych

Specyfikowana w karcie technologicznej grubość warstw miedzianych jest interpretowana przez producentów PCB jako docelowa (końcowa), o ile klient wyraźnie nie zapisał, że dotyczy ona miedzi bazowej, będącej grubością folii miedzianej surowego laminatu zastosowanego do produkcji.

Końcowa grubość warstw miedzianych jest ostateczną grubością mozaik w wyprodukowanym obwodzie i w przypadku obwodów z metalizacją (płyty dwustronne i wielowarstwowe) jest ona sumą grubości miedzi bazowej laminatu i nakładanej galwanicznie (rzędu 25-30 µm). Oznacza to, że do produkcji obwodów dwustronnych ze standardową grubością miedzi końcowej 35 µm stosowany jest laminat bazowy z miedzią 18 µm oraz że nie jest możliwe uzyskanie końcowej grubości miedzi 18 µm dla tego typu obwodów.

Przy opisywaniu grubości miedzi w karcie technologicznej najbezpieczniej posługiwać się grubością docelową, co pozwala dobrać optymalny laminat do oczekiwań klienta. Niestety czasami klienci błędnie posługują się bazową grubością miedzi, myśląc, że jest ona tożsama z końcową. Niekiedy takie uchybieniemoże zostać wykryte przez producenta PCB, jednakże w większości przypadków wyprodukowane zostaną obwody z miedzią o większej grubości, co podniesie ich koszt i może rzutować na funkcjonowanie układów elektronicznych z liniami transmisyjnymi o projektowanych impedancjach.

• Grubości laminatów

Podobnie jak dla mozaik, także dla laminatów stosuje się pojęcia grubości bazowej i końcowej.

Grubość bazowa jest początkową grubością laminatu wykorzystywanego do produkcji, która dla obwodów jedno- i dwustronnych, za wyjątkiem rdzeni obwodów wielowarstwowych, zawiera grubości folii miedzianych. Końcowa grubość laminatu jest powiększona o grubości nakładanych podczas produkcji powłok: miedzi galwanicznej, pokrycia (cyny lub złota) oraz masek antylutowniczych.

W przypadku, kiedy grubość końcowa laminatu jest niekrytyczna, w karcie technologicznej najlepiej operować bazową grubością laminatu i jej tolerancją. Natomiast w projektach, gdzie grubość obwodu jest istotnym parametrem, klienci powinni uwzględniać grubości nakładanych powłok oraz zamieszczać w karcie technologicznej informacje o oczekiwanej końcowej grubości laminatu i jej tolerancji. Średnie grubości powłok są uzależnione od technologii projektu i dostępne w specyfikacji technologicznej producenta PCB. Niekiedy projekty są przez producenta wyjaśniane, ponieważ przyrost grubości laminatu wskutek nakładania kolejnych powłok może uniemożliwić uzyskanie końcowej grubości wyspecyfikowanej przez klienta.

• Budowy obwodów wielowarstwowych

Parametry budowy obwodu wielowarstwowego, czyli przekroju poprzecznego informującego o układzie i typie poszczególnych warstw, powinny już na etapie projektowania uwzględniać możliwości technologiczne oraz materiały, jakimi dysponuje producent PCB. Zastosowanie specyficznych rdzeni i prepregów (pre-impregnated materials - mieszanina włókna szklanego i żywicy) oraz ich nietypowego wzajemnego układu może uniemożliwić produkcję obwodu. W takich sytuacjach producent zwykle zaproponuje alternatywną budowę o parametrach najbardziej zbliżonych do pierwotnej, ale na bazie tych materiałów, którymi dysponuje.

W miarę możliwości warto projektować budowy symetryczne względem środka przekroju poprzecznego, co pozwoli uzyskać zbliżone napięcia powierzchniowe z obu stron laminatu. Niekiedy wykonanie symetrycznej budowy jest niemożliwe, np. ze względu na określone impedancje mozaik, co może przyczynić się do wichrowania się gotowych obwodów podczas lutowania na linii montażowej. Zjawisko to jest spowodowane występowaniem różnych naprężeń powierzchniowych laminatu wskutek niesymetrycznej struktury.

Innym zagadnieniem związanym z projektowaniem budowy jest liczba i typy użytych prepregów. Większość producentów obwodów, zaleca stosowanie co najmniej dwóch prepregów rozdzielających sąsiednie warstwy przewodzące, gdyż użycie pojedynczego znacznie podnosi ryzyko delaminacji. Z drugiej strony jedynym ograniczeniem maksymalnej liczby prepregów jest grubość laminatu po sprasowaniu.

Warto pamiętać, że ze wzrostem grubości warstw miedzianych konieczne jest zastosowanie większej liczby prepregów w celu zapewnienia optymalnego wypełnienia żywicą obszarów bez miedzi i zredukowania do minimum zjawiska delaminacji. Nie jest zatem możliwe uzyskanie obwodu wielowarstwowego o grubości 0,8 mm i mniejszej dla warstw miedzianych o grubości 105 µm. Aby jednocześnie uniknąć zbytniego przyrostu grubości zaleca się wówczas stosowanie najcieńszego prepregu 1080 (3,04 mils), który charakteryzuje się ponadto dużym nasyceniem żywicą. Dobrą praktyką jest także możliwie największe wypełnianie warstw wewnętrznych obszarami miedzi, co wpływa korzystnie na proces prasowania laminatu.

W przypadku obwodów ze ślepymi przelotkami występuje zależność ich średnicy od dopuszczalnej głębokości wiercenia i w efekcie możliwej liczby warstw do połączenia. Redukcji rozmiarów ślepych przelotek sprzyja jak najmniejsza odległość pomiędzy łączonymi warstwami. Jeżeli nie ma innych przeciwwskazań, to zaleca się ich stosowanie cienkich laminatów, o grubości poniżej 1 mm. Jeśli pożądana jest większa grubość materiału, to warto tak zaprojektować obwód, aby ślepe przelotki łączyły tylko warstwy zewnętrzne z najbliższymi wewnętrznymi, oddzielić te warstwy dwoma prepregami 1080, a zadaną grubość końcową laminatu uzyskać przez zastosowanie grubszych rdzeni.

Innym uchybieniem dokumentacji płyt wielowarstwowych jest brak informacji o kolejności warstw wewnętrznych. Taką informację można przekazać poprzez odpowiednie nazewnictwo plików mozaik, ponumerowanie warstw na mozaikach lub opis słowny w specyfikacji. Układ warstw może mieć kluczowe znaczenie, szczególnie dla szybkich układów cyfrowych pracujących z wysokimi częstotliwościami, w których występują linie transmisyjne o dopasowanych impedancjach. Projekt pozbawiony tej informacji na pewno będzie wyjaśniany przez producenta.

Dokładność projektanta obwodów drukowanych, znajomość zasad poprawnego przygotowania dokumentacji, a także świadomość ograniczeń technologicznych producenta obwodów przekładają się bezpośrednio na jakość, koszt i czas realizacji projektów. Odpowiednio skonfigurowane oprogramowanie CAD PCB oraz staranne projektowanie obwodów przynoszą efekty w postaci niezawodnych płyt drukowanych, spełniających zarówno wymagania klienta, jak i ich producenta.