PCB: The Good, The Bad and The Ugly

Разводка печатных плат не тривиальный процесс. Нет чётких правил, есть рекомендации. Одни техники хороши, другие плохи, а какие-то уродливы, но при этом работают. При проектировании печатной платы нужно учитывать кучу факторов и это касается не только расположения компонентов, электромагнитной совместимости, но и оптимизации BOM, возможности автоматической сборки, ремонтопригодности и т.д. и т.д. и т.д.

Было бы не плохо собрать примеры хороших (the good), плохих (the bad) и уродливых (the ugly) решений из реальных устройств. Зачем, какой смысл? Так как разводка ПП это не «точная наука», учатся этому через эмпирику. Но зачем косячить косяками, которые допускают постоянно? Смысл этой странички в сжатой форме с примерами показать светлую и тёмную сторону силы. (:

Каждый пункт в этом списке — это либо фотография с кратким описанием что за устройство и примечанием почему это хорошо/плохо, либо история/описание какого-то удачного/неудачного решения, принятого при проектировании.

Список со временем будет пополняться, и вы можете принять в этом участие. Нашли что-то интересное? Или пример использования, уже описанного здесь? Отправляйте материалы мне на почту — alex [хаски] chrns.com — фотографии/скриншоты (и не скупитесь на качество) с описанием. Если решение\пример покажется мне интересным, я добавлю его сюда, а ваш ник попадёт в список ниже:

Контрибьюторы: @chrns, @MuratovAS

The GoodТест-купонШелкографияВскрытие маскиСкругление полигоновРеперные меткиКонтактная площадка с отводомЧетырёх проводное зондированиеСоставные посадочные местаВырез внутри платыДатчик температурыПлата расширенияПолигонСоединение с проводникомИндуктивностиThe BadПлотная компоновкаВажные и не важные датчикиThe UglyPCB fuseНаименованияМаска вместо шелкографииДобавления экрана компонентамРазрядникПЛИС как роутер


Добавить потом:

https://www.youtube.com/watch?v=jey8NmffhTo


The Good

Этот раздел о хороших практиках в проектировании, т.е. тех, которых стоит придерживаться. Что-то из перечисленного здесь не стоит применять в каждом проекте.

Тест-купон

Для контроля качества печатных плат, пришедших с производства, применяют тест-купон (англ. test coupon). Это небольшая область на заготовке, обычно за пределами печатной платы, где размещены проводники, контактные площадки, нанесена шелкография и т.д. Посмотрев на эту зону под микроскопом, можно быстро все проблемные места: проверить зазор, точность сверловки и нанесение шелкографии.

Пример тест-купона на плате Gigatron из видео Дейва Джонса: EEVblog #1193 - KiCAD PCB 4 Layer Swapping & Stackup.

(Найти картинку в видео!)

Вот другой пример: при отладке технологии нанесения и засветки паяльной маски мы сделали несколько областей с полосками. Цифры с боку -- длительность засветки в секундах. После экспозиции линии просматривались под микроскопом, оптимальное время в наших условиях было 35 секунд.

P.S. В блуре растворился МПХ.

Шелкография

Шелкография нужна не только тому, кто будет собирать устройство (если это делает машина, то ей все равно), но и тому, кто вероятно будет его чинить. В этой связи, в этом слое нужно разместить как можно больше полезной информации. Самое простое -- десигнаторы элементов. Если элементы достаточно мелкие (например 0402) и стоят рядом друг с другом, то размещение десигнатора непосредственно возле компонента сделает надпись не читаемой (надписи будут наезжать друг на друга). На фотографиях ниже несколько десигнаторов выделены в рамку и вынесены от своих компонентов, при этом их порядок и расположение повторяет положение компонентов на плате.

(Платы из 4k телевизора компании LG)

Если места не хватает, группу компонентов можно выделить в блок и дать им имя. На фото ниже таким образом выделены группы компонентов A и B.

(Платы из 4k телевизора компании LG)

Если позволяет место, можно указать необязательную информацию, такую как например номера ножек у многовыводной микросхемы.

(Платы из 4k телевизора компании LG)

Вскрытие маски

В силовой части, там где высокие напряжения, часто плату вскрывают от маски для увеличения напряжения пробоя (?). Пример представлен на фото ниже. В этой же плате применены вырезы, для уменьшения профиля (высоты) платы.

(Плата 4k телевизора компании LG)

Скругление полигонов

Острые углы -- плохо. Это касается и печатных дорожек и проводников. Скругляйте углы, делайте их гладкими. Ток бежит по кратчайшему пути, следовательно большая часть электронов в плохо спроектированном полигоне будет проходить через угол. Ниже визуализация взятая с StackExchange: Electronics: https://electronics.stackexchange.com/questions/202103/pcb-trace-electron-flow

Пример скруглённых углов в реальном устройстве:

(Плата из 4k телевизора компании LG)

Реперные метки

Для калибровки расстановщика компонентов используют так называемые реперные точки (англ. fiducial markers или fiducials) -- медные пяточки вскрытые от маски (ø1/3 мм, рекомендация Резонита). Располагать их можно как на технических полях заготовки, так и на самой плате, но любом случае их должно быть минимум три. Лучше сделать это по краям платы.

Если места не хватает, то допустимо их спрятать под выводными компонентами. Пример из видео TIP #038: Place fiducials in the PCB corners and on the side where SMD components are fitted:

Кроме глобальных реперных точек, иногда добавляют локальные для повышения точности позиционирования сложных компонентов (многовыводных).

http://blog.optimumdesign.com/are-local-fiducials-necessary

https://electronics.stackexchange.com/questions/14743/when-do-i-use-fiducials-for-individual-components-on-a-pcb

Форма может быть отличной от круглой (промышленный плоттер Kyocera):

http://www.mvdmoosdijk.nl/Electronics/Art/Fiducials/fiducials.htm

Контактная площадка с отводом

В печатных платах есть такое понятие как «контактная площадка с отводом» (англ. teardrop). Основной смысл такого контакта убрать углы при входе дорожки в площадку. Используются по нескольким причинам:

 

Изображение из Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Teardrop_(electronics)

Инструкции:

Четырёх проводное зондирование

(НУЖЕН ПРИМЕР ИЗ РЕАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА)

Ток в цепи можно измерить по падению напряжения на шунте. Уменьшая потери, сопротивление шунта стараются сделать как можно меньше. Место спайки, т.е. контакта, так же имеет сопротивление и в цепях с большими токами2 оно может вносить существенное искажение в измерение. В таких случаях используют так называемое четырёх проводное зондирование (англ. four-terminal sensing), а само подключение называется Kelvin connection.

Пример рекомендаций по такому подключению в AppNote от MAXIM: Guidelines for the MAX5977’s Critical Component Placement and Routing.

P.S. Четырёх проводная схема подключения так же используется для более точного измерения небольших сопротивлений (менее 1 Ом) обычным мультиметром. Вот видео-инструкция: 4 wire kelvin resistance measurement tutorial.

Составные посадочные места

Не всегда можно купить нужные компоненты в нужном корпусе в заданные временные сроки. Можно подстраховаться и если позволяет место на печатной плате, сделать составное посадочное место. Не можешь достать компонент в SO-8, запаивай SOT-23-5.

multiple_packages

Скриншот из видео EEVblog (микрофон Samson C01U USB): EEVblog #1199 - Samson C01U USB Microphone Teardown.

(На фото система управления пром. оборудования Siemens)

Вырез внутри платы

Вырезы могут быть использованы для разных целей.

Датчик температуры

Скриншот из видео: EEVblog #1207 - ARM Dev Boards Falling From The Sky! -- Дейв разбирает метеозонд, в котором установлен датчик температуры. Вырез вокруг компонентов датчика нужен для предотвращения влияния температуры платы на измерение.

Плата расширения

Если на плате не хватает места, иногда прибегают к вставной плате. Ниже на фото плата управления некоторой аудио системы.

В некоторых случаях такие к такому подходу прибегают для формирования нужной формы.

Применяться они могут и для других целей, например устройство можно переконфигурировать.

(На фотографии предположительной фильтр, из какого устройства не известно)

Полигон

Соединение с проводником

При входе/выходе проводника в/из полигона, следует брать во внимание то, как побежит ток. На фото ниже, линия VCC входит/выходит не по кратчайшему пути, а делает изгиб так, чтобы конденсаторы стояли на пути тока.

(Плата из 4k телевизора компании LG)

Индуктивности

Во многих преобразователях используется индуктивность, которая запасает энергию в магнитном поле. Последнее в свою очередь может наводиться на проводники печатной платы. Если используется полигон, то его следует убирать под индуктивными компонентами. (Конденсаторам стало плохо от вскрытия)

(Плата спутникого ресивера)


The Bad

Этот раздел о плохих практиках. Так лучше не делать.

Плотная компоновка

Между компонентами должно быть расстояние, называемое клиренсом (англ. clearance). Когда плата собирается на автомате, то к ней предъявляются дополнительные требования. То что можно сделать на руками, не всегда можно сделать на автомате. Если компоненты будут лежать слишком близко друг к другу, то манипулятор просто смахнёт соседний компонент при установке следующего.

Ниже приведён пример размещения SOT-23-5 между ногами D2Pak. Резистор и конденсатор так же находится слишком близко.

Скриншот из видео: EEVblog #1170 - TRUE Mystery Teardown! (not even Dave knows).

Важные и не важные датчики

В видео What franchise can't fix in two months Louis solves in 20 minutes. Franchise = :'( на канале Louis Rossmann рассказывается про починку Macbook. Проблема заключалась в том, что некоторые датчики температуры выдавали странные значения (-124 градуса), что приводило к замедлению частоты процессора, а кулеры крутились с максимальной скоростью. Это логично, так как внутренняя система защиты пытается предотвратить повреждения центрального процессора/графической карты. Однако, в ходе исследования неисправности выяснилось, что датчики работали по I2C на один из них коротил линию на землю. Выяснилось, что на линии с критически важными датчиками (температура CPU и GPU чипов) находился датчик освещённости с модуля веб-камеры, который и вызывал проблему. Очевидно, что неисправность датчика освещённости не должна приводить к замедлению работы всей системы.

Цитата из видео:

So, how does this fail? Well, you'll have to ask Apple. Also, why is it that Apple makes a computer where the webcam having an issue will make the entire computer to slow to work properly?... (giggling) Think different! ... The webcam is not working properly? Oh, yeah! Your computer's gonna run at 800 MHz and the fans are gonna spin in 6000 rpm... that's just magic and beauty of Apple engineering... // YouTube


The Ugly

Этот раздел об «уродливых» (спорных) практиках и решениях. Некоторые из них стоило бы перенести в раздел The Bad, но они работают (не всегда). В любом случае использование таких техник не рекомендуется в серьёзных устройствах.

PCB fuse

(НУЖЕН ПРИМЕР ИЗ РЕАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА)

Когда хочется сэкономить на предохранителе вместо него можно использовать дорожку на печатной плате. Чем она шире, тем больший ток она может пропустить. Заузив проводник на входе клеммы питания можно заставить её работать как предохранитель. Минусы очевидны: не понятно что сгорит первым -- дорожка или защищаемый компонент; остатки дорожки могут продолжать сквозить током.

Обсуждение на стеке: https://electronics.stackexchange.com/questions/200350/can-thin-sections-of-copper-traces-be-used-as-fuses, там же можно найти ссылку на документ с расчётом таких предохранителей.

Пример из какой-то старой аудио-системы:

Источник изображения: http://www.bcae1.com/images/rca/temporaryrcashieldrepair.html

(В одном немецкой помпе встречал печатный предохранитель, для ускорения его нагрева дорожка шла змейкой. Добавлю, если найду.)

Наименования

Если пишите по английский, делайте это грамотно, проверяйте терминологию.

Во многих китайских устройствах можно найти вместо надписи GND/Ground имя планеты Земля (Earth).

Маска вместо шелкографии

Стоимость платы складывается из множества факторов. Один из которых -- шелкография. В целях экономии необходимую информацию можно вынести на слой паяльной маски.

(На фото система управления пром. оборудования Siemens)

Обычно таким образом помечают какую-то служебную информацию. Например, дата изготовления, внутренний номер заказа (на заводе) и т.д.

Добавления экрана компонентам

Некоторые корпуса компонентов не подразумевают вывод от корпуса к земле. Но вам никто не мешает его добавить самостоятельно.

(На фото система управления пром. оборудования Siemens)

Разрядник

Один из способов защиты устройств от перенапряжения -- использование разрядников (spark gap). Их часто можно встретить в силовой части блоков питания. По сути, это вскрытые от маски дорожки (противоположных полярностей) с заострениями. Маска убирается для возможности воздушного пробоя между линиями, таким образом энергия уходит не в компоненты, а высвобождается через пробой.

Они могут быть и другой формы.

(Некое устройство из видео EEVblog #678 - What is a PCB Spark Gap?)

Напряжение пробоя можно рассчитать исходя из формулы ниже (см. AppNote от NXP AN10897):

где P -- давление в атмосферах; D -- расстояние в мм.

Лучше использовать специальный компонент -- Gas Discharge Tube (GDT). // Bonus

ПЛИС как роутер

Для упрощения разводки печатной платы (например уменьшения количества слоёв или переходных отверстий) в некоторых устройствах ПЛИС используются как хабы-роутеры.

В живую устройство не встречал, узнал из рассказов других инженеров.


1 С современным уровнем технологий производства они скорее часть эстетики, нежели реальной необходимости.
2 Обсуждение сопротивления контакта бананов в источнике питания: https://electronics.stackexchange.com/questions/281198/typical-value-of-contact-resistance-1-banana-connector-2-solder-joint