Термобарьеры, надгробные камни и прочие прелести печатных плат



    Пока крутые конструкторы проектируют правильные платы и заказывают производство на суперсовременных американо-европейских заводах, обратимся к опыту разработки печатных плат под возможности срочного производства одного из подмосковных (на самом деле Зеленоград – район Москвы) заводов с ручным подвальным монтажом (на самом деле ручные монтажники у них сидят аж на втором этаже, а в подвале стоит линия на 60,000 компонентов в час).

    Дальнейший текст – личное мнение автора. Это не истина в последней инстанции, а лишь один из возможных срезов того огромного пласта информации, который доступен в настоящее время обычному конструктору.



    Поговорим немного о САПР. Несмотря на то, что их достаточно много, почти все они предоставляют в распоряжение конструктора примерно одинаковый базовый функционал. Обладая необходимыми знаниями, можно и в Sprint-Layout (без обид!) сделать высокоскоростную диф.пару, которая будет нормально работать. Вопрос лишь в том, сколько времени займет трассировка этой пары.

    image

    При этом можно накосячить в том же PADS так («работаем с трассировкой» с электроникса пестрит примерами интересных дизайнов), что расхлебывать придется долго и нудно:



    К чему это? А к тому, что если конструктор — идиот, то никакой суперсовременный САПР не решит за него конструкторские задачи. Да, будет проверка всевозможных правил и много чего еще. Но учесть абсолютно всё невозможно. Особенно это касается вопросов пайки и монтажа (хотя с проверкой размещения в последнее время всё лучше и лучше).
    К сожалению, при проектировании ПП зачастую встречаются абсолютно взаимоисключающие параграфы. Типичный пример – блокировочные конденсаторы по питанию. С одной стороны, необходимо разместить их как можно ближе к выводу питания микросхемы.

    image

    С другой стороны, нельзя ставить компоненты впритык друг к другу, если планируется автоматический монтаж (мало ли, какие ограничения у конкретного автомата, который будет расставлять комплектующие) и пайка оплавлением (конденсатор может оказаться в так называемой «тени» от высокого компонента, и при нагреве паста на его контактных площадках не расплавится, как надо).
    А еще надо не забыть о частотах, на которых у нас всё работает, и как индуктивность трасс от\к конденсатору повлияет на его свойства в конкретной схеме (сильно рекомендую почитать это и вот это для лучшего понимания вопроса).

    Но вернемся к нашим камням и барьерам. Если не знаешь, что делать, то что нужно делать? Читать документацию, разумеется! И она есть, причем много!
    Не будем трогать наши ГОСТы, некоторые из которых не обновлялись уже более сорока лет. Обратим свой взор на стандарты IPC, которыми пользуется большая (ни чем не обоснованное личное мнение автора, поскольку не знаю точных цифр) часть конструкторов ПП во всем мире.



    В дереве стандартов видно, что прежде всего можно почитать что-то из 2220 и 7351.
    Из 2220 нас прежде всего интересует 2221 — Generic Standard on Printed Board Design. По ссылке прошлая версия стандарта, поскольку текущая только за деньги (ну мы то знаем, что всё при желании можно найти).
    В частности про термобарьеры написано в разделе 9.1.3. Если вкратце переводить то, что там написано, то всё сводится к тому, что если компонент выводной (а 2221 посвещен исключительно выводным компонентам), то желательно делать термобарьеры, поскольку их наличие облегчает пайку.

    Давайте теперь посмотрим, что такое термобарьер:

    imageimage

    И в чем же он помогает?
    Ну, во-первых, при пайке волной.

    image

    Такой вид пайки в основном используется в очень крупносерийном производстве. При этом для волны припоя есть ряд ограничений по размещению компонентов и куча рекомендаций по посадочным площадкам для компонентов.
    Дэйв, как всегда, просто и понятно объясняет, что к чему:



    Оптимизация, одним словом, с целью уменьшения количества брака.

    Занятный процесс:


    Проблема тут в том, что не во всех машинах есть зона преднагрева, да и она не всегда помогает, если полигоны большие. Получается, что если вести плату медленнее, чтобы большие полигоны прогревались, то велик шанс перегреть мелкие компоненты. Термобарьеры помогают решить эту проблему. Но дьявол в деталях, как всегда.

    Прежде, чем двинуться дальше, поговорим еще немного о ручной, а не машинной пайке.

    Представьте, что у вас многослойная плата, как на кдпв в начале статьи, и надо в неё запаять разъемы. Но некоторая проблема в том, что плата шестислойная, причем четыре слоя тупо земля на всю плату. А половина контактов в разъемах — именно земля. Можно, разумеется, воспользоваться преднагревом до 100-110 градусов и потом уже паять. Но это не всегда возможно. Да и танталы лишний раз греть не хочется (ведь сначала была напаяна вся мелочевка, а разъемы в последнюю очередь). Вот тут и помогают термобарьеры. Паяльник греет только вывод разъема, стакан металлизации и контактные пятачки, а не все полигоны во всех слоях.

    И вот тут начинаются проблемы.
    Вполне очевидно, что термобарьер уменьшает общую площадь меди, через которую происходит контакт компонента и полигона. То есть, увеличивается физическое сопротивление контакта. Также возрастает паразитная индуктивность соединения.

    Довольно беглый поиск показал, что есть как минимум три статьи, в которых изучается вопрос сопротивления, индуктивности и взаимосвязи всего этого.

    Вот они:

    Все статьи опубликованы IEEE, что позволяет полагать, что там не откровенный бред.
    Опять же, очень рекомендую ознакомиться.

    Выводы всех статей, если вкратце: да, термобарьеры — это круто и полезно, но использовать нужно с умом (кто бы сомневался, да?). Если есть сомнения, то надо как минимум просимулировать. В основном, это всё касается компонентов для поверхностного монтажа, поскольку выводные компоненты и так обладают достаточной паразитной индуктивностью выводов.
    Что же касается сопротивления, то да, оно немного возрастает в месте контакта. Примерно на единицы миллиом. Если это не критично, то можно использовать. И, разумеется, необходимо принимать во внимание ток, который будет протекать через это соединение. Если он такой, что будет нагрев, то следует смотреть, что важнее: некоторый локальный перегрев или удобство монтажа.

    Для себя я вывел такое правило. На макетах можно смело использовать термобарьеры, поскольку всё равно макеты в основном паяются вручную. На серийных изделиях следует посоветоваться с конкретным производством, где будут монтироваться платы (это вообще полезно делать, в смысле советоваться с производством), поскольку технолог лучше вас знает свою линию сборки и её возможности.

    Но это всё касалось выводных компонентов. А как же быть с поверхностным монтажом? А вот тут всё еще несколько сложнее. В стандарте 7351 — Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard вообще не упоминаются термобарьеры.
    Есть интересный документ, в котором автор советует не использовать термобарьеры из-за увеличения импеданса соединения. Действительно, в этом есть смысл: при проектировании источников питания и других силовых схем.

    Немного отвлечемся.
    Надеюсь, как выглядит плэйсер компонентов, многие представляют.
    Если же нет, то вот неплохая иллюстрация процесса:



    После набивки платы она по конвейеру уходит в печку для пайки оплавлением.
    Выглядит это примерно вот так:



    К сожалению, иногда возможен вот такой эффект:



    Причин его возникновения может быть несколько (можно ознакомиться с основными, например, тут).
    Одна из них — кривой термопрофиль пайки. Далее идут (не в порядке важности): просроченная (или неправильно хранившаяся) паста, неправильный трафарет для переноса пасты, криво запроектированные посадочные площадки компонентов, ошибки плэйсера.
    Если термопрофиль, паста, плэйсер и иногда трафарет — это головная боль производства, то кривые площадки — это непосредственный косяк конструктора.
    Главная идея в том, что площадки должны быть одинаковой геометрии, чтобы при растекании пасты возникали одинаковые силы поверхностного натяжения. Ведь подъем компонента возникает именно из-за различных сил поверхностного натяжения, которые действуют на планарный компонент. Также бывает, что площадка очень большого размера сама по себе (подключение к земляному полигону, например), термобарьера нет, и при кривом термопрофиле площадка прогреется медленнее, чем другой вывод. В итоге, паста быстрее расплавится на не полигональной площадке, и компонент может встать.

    Неплохая иллюстрация и сопутствующая статья:
    image

    Почему компонент встал? Потому что даже если вырез в трафарете под пасту был одинаковый на обеих площадках, то в процессе плавления пасты у того вывода, где большая открытая от паяльной маски площадь, не только нагрев идет медленнее, но и паста растекается по большей площади, что в общем случае сильно ухудшает характеристики паяного соединения (недостаточное количество припоя) и может привести к повороту компонента относительно посадочной площадки.
    Одна подмосковная, в смысле московская, контора предлагает в таком случае компромиссный вариант:


    Если есть необходимость в большом открытом от маски полигоне, чтобы не произошло растекания пасты по полигону, можно сделать стопорный мостик из маски небольшой ширины, который предотвратит растекание припоя при оплавлении.

    Всё сказанное выше в основном касается легких компонентов с типоразмерами меньше 0603 (в дюймах), хотя бывают и исключения.

    Что в сухом остатке?
    Термобарьеры, безусловно, нужны. Применять их везде, где нужно и не нужно — не стоит. Особенно это касается СВЧ-техники. В повседневном проектировании несложных микроконтроллерных проектов, на мой взгляд, они приносят больше пользы, чем вреда. Но многое зависит от технологии пайки и последующей необходимости в ремонтопригодности изделия.
    При пайке в печи следует помнить о возможности подъема компонентов из-за неправильного проектирования посадочных площадок и косяков технолога, обслуживающего линию.

    В любом случае, при трассировке печатной платы, в первую очередь, включайте головной мозг и анализируйте!

    Спасибо, что дочитали!

    Обо всех замеченных ошибках прошу сообщать в личку.

    Only registered users can participate in poll. Log in, please.

    Автору продолжать писать про разработку железа?

    • 96.6%Определенно, да1294
    • 0.8%Определенно, нет11
    • 2.6%Глаза б мои тебя не видели35
    Ads
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More

    Comments 36

      +3
      Мне было бы интересно почитать про требования к панелизации, понятно, что у разных заводов будут разные требования, но даже в общих чертах, думаю, многое можно рассказать. Кстати, у Дэйва с EEVBlog есть несколько видео по этому вопросу.
      Еще про автоматическую трассировку диф. пар, выравнивание их по длине (например, линии к памяти DDR), а если еще и с примерами, то вообще было бы шикарно!
      С удовольствием бы почитал статьи про разводку ВЧ плат, расчет геометрии дорожек под конкретное волновое сопротивление с учетом толщины и типа материала платы и т.д.
        +1
        Поддерживаю!
        Добавил бы темы о токоизмерительных шунтах, ёмкостных сенсорах и антеннах.
          0
          Я всё же больше конструктор, чем схемотехник. Поэтому навряд ли могу что-то дельное рассказать по указанным вопросам.
          +2
          Зашел в комментарии увидеть упоминание про EEVBlog :) Моя золотая находка в этом году.
          P.S. Спасибо за статью! Побольше бы такого на хабре.
            +1
            А еще я читаю теги ;)
              0
              На здоровье! Дэйва смотрю с первых серий. Он молодец. Популярно и интересно :)
              +4
              Могу написать статью про расчёт геометрии трассы под волновое сопротивления, с учётом влияния геометрии, частотной зависимости параметров диэлектрика и технологии производства. Для этого пользовался софтом, который разрабатываем у нас лаборатории.
                +2
                Напишите, было бы интересно сравнить его с сатурном и поларом.
                0
                Про панелизацию попробую как-нибудь написать.

                А что Вы понимаете под автоматической трассировкой? Именно автоматическую, когда задаются правила и автотрассировщик всё за Вас делает? Честно признаюсь, ни одним автотрассировщиком я пользоваться не умею. Всё только вручную. Так лучше получается. Про ручную трассировку тоже могу написать.
                А вот ВЧ это не ко мне. Пока что не приходилось.
                  0
                  Если точнее, то про трассировку у меня вопросы конкретно о выравнивании линий по длине. Имею ввиду как раз те «петли», которые видны на примерах в Вашей статье. Вручную идеально просчитать длину при сложной геометрии, думаю, почти нереально или слишком долго.

                  Я сам просто любитель, «развожу» платы для своих любительских проектов, все вручную, автоматом не пользуюсь, хотя, возможно, просто не умею его правильно настраивать. Хотя, считаю, что силовые схемы и вообще все, что связано с питанием, лучше трассировать вручную.
                0
                Отличная статья, и новичкам будет интересно, в какую сторону копать, если что…
                  +3
                  С удовольствием почитал бы про разводку плат под быстродействующие цифровые схемы, с дифпарами и т.д.
                    +1
                    А что именно интересует? Общие принципы или что-то конкретное?
                      0
                      Общие принципы.
                    +3
                    Зацепившись за вступление прочитал статью не отрываясь. Теперь знаю про термобарьеры, термопрофили и какие могут быть неочевидные косяки при проектировки платы. Только зачем мне это, если никогда не занимался разработкой железа? Автор молодец — умеет заинтересовать!
                      +2
                      Автор очень интересно пишет. Лично для себя нового ничего не узнал, но читал с огромным удовольствием. Все эти знания с опытом приходят, но вот так доступно их изложить не всякому дано!

                      И да, я хочу дальше читать такие статьи :)
                        0
                        Я рад, что мой стиль изложения оказался доступным :)
                        Постараюсь еще что-нибудь написать в тему.
                        0
                        Дык, попробуйте! Это не так сложно, как представляется в начале. И весьма увлекательно.
                        0
                        Не поверю что мелкие партии все паяют на производстве.

                        Было бы интересно узнать кто использует какие бюджетные варианты небольших печей для пайки оплавлением, opensource вариант контроллера печи.

                        И про тестирование по jtag / варианты тестовых стендов. Есть ли доступные адаптеры для граничного сканирования по jtag?
                          +3
                          Было бы интересно узнать кто использует какие бюджетные варианты небольших печей для пайки оплавлением, opensource вариант контроллера печи.


                          У меня вот такой: olegart.ru/wordpress/reflow-soldering/

                          Там же про пасту, компрессор, дозатор — в применении к домашнему наколенному, когда паяльником тыкать уже надоело, а в московской конторе заказывать производство всех трёх нужных экземпляров как-то рановато.
                            0
                            Респект!!! Отличная работа) Учту ваш опыт, если готовую не куплю.
                            Год назад колхозил на нихромовых спиралях и готовой микросхеме для термопар k-типа, с коммутацией на симисторе но застрял на написании прошивки для stm32
                            0
                            Что в Вашем понимании мелкая партия? 100 штук? 1000?
                            Я как-то раз полтинник односторонних плат паял наполовину феном, наполовину в ростере без регулятора. Все работают.

                            Про jtag ведь тут было несколько статей. Читали их?
                              0
                              Мелкая партия — до 100шт плат меньше 100х100мм
                              Что-то читал давно, но так и не видел доступного адаптера для граничного тестирования. Поэтому и спросил. Можете поделиться ссылками?
                            0
                            Статья интересная, написана хорошо. Про необходимость одинаковых контактных площадок не знал, не смотря на то, что недавно защитил диссер в этой области www.tusur.ru/export/sites/ru.tusur.new/ru/science/education/diss/2014/14new.pdf
                              0
                              Про надгробные камни (и откуда они берутся) это первое, о чём нам рассказал препод по технологии производства, а вот про термобарьеры он не упоминал, хотя это и так приходит с опытом…
                                0
                                А где Вы учились и на кого, если не секрет?
                                  0
                                  Вроде как это базовые знания. На любом предмете по технологии производства РЭА должны рассказывать, также как про непропаи, шарики, пустоты, капиллярные затекания и т.д.
                                    0
                                    Конкретно технологии производства РЭА мне читала кафедра 307 МАИ, она вообщем так и называется «Технология приборостроения». На данный момент на ней есть линейка по производству ПП, до 4-х слоев… и курсовые будут: развести плату и изготовить… До этого у племяннице был курсач делали всё тоже самое, но изготавливали кустарно… Сам учился на кафедре 304 — Вычислительные машины, комплексы системы и сети.
                                0
                                Интерестная статья, спасибо автору.
                                  0
                                  На здоровье! Рад, что понравилось :)
                                  0
                                  Печатные платы и электронные блоки от разных устройств в детстве были чем-то вроде таинственных артефактов: большие желтые платы с кучей прямоугольных микросхем логики, миниатюрные аккуратные с разноцветными диодами и транзисторами, компьютерные с тончайшими дорожками и бескорпусными деталями. Так вот и получаются технофетишисты.
                                    0
                                    Очень интересная статья, спасибо Вам!
                                      0
                                      На здоровье!
                                      +5
                                      Хорошо пишешь! Давай еще, инфы такого плана мало, в удобоваримой форме надо собирать по крупицам :)
                                        +1
                                        Статья не плоха, но стиль изложения несколько сумбурный, на мой субъективный взгляд.
                                        При проектировании печатных плат приходится искать компромисс между удобством монтажа и требованиям к качеству и надёжности работы изделия. Каюсь, я обычно приношу первое в жертву остального, возможно потому что в основном занимаюсь проектированием эксклюзива, где зачастую куда важнее чтобы был хороший тепловой контакт или малая индуктивность контакта. Мне проще перепаять деталь в ручную или добавить подогрев у паяльника в случае ручного монтажа. Проектирование для массового производства конечно другое дело совсем.
                                        Однако меня несколько удивили рекомендации к выводному монтажу. Настолько, что я не поленился вытащить из своего могильника плату компьютерного модуля питания. Изделие более чем массовое, но тем не менее не обнаружил на нём ни одного термобарьера!!!
                                        Дело однако в том, что сегодня выводные компоненты в большинстве случаев применяются именно в силовых цепях. Лично я не готов ставить термобарьеры на варисторах, токоограничительных резисторах, плёночных высокодобротных конденсаторах или электролитах и другим не советую.
                                        Так что мой совет ну по крайней мере начинающим разработчикам обратный — не злоупотребляйте термобарьерами на макете, особенно в случае выводных компонентов, ну а в случае если ваше изделие выходит на партию проводите редизайн платы, желательно совместно со специалистом от организации, которая будет заниматься монтажом. Наверняка придётся искать компромиссы между характеристиками цепей и пожеланиями монтажника.
                                          0
                                          Так я же не говорю, что термобарьеры нужно пихать везде. Просто иногда с ними проще. Разумеется, любая трассировка, это в первую очередь поиск компромиссов :)

                                          Да, а что именно в стиле изложения показалось сумбурным? Некоторое отскакивание в сторону от основного вопроса? На мой взгляд, без некоторых отступлений статья была бы более сухая и скучная.

                                        Only users with full accounts can post comments. Log in, please.