Создание печатной платы (PCB) - непростая задача, и в процессе разработки есть много возможностей допустить ошибку. Если не учитывать тонкости производства плат PCB на заводе, то в результате может получиться совсем не то, что Вы ожидали. Таким образом, очень полезно проектировать PCB так, чтобы она получилась "технологичной", т. е. простой в производстве. Это руководство покажет, как уменьшить вероятность того, что завод "испортит" Вашу печатную плату (перевод статьи [1]).

За все годы мы испортили горы печатных плат, пока не выработали некий набор правил DFM (design for manufacture, разработка с учетом производства). Этими правилами мы хотим поделиться с Вами, чтобы платы всегда получались надежные и качественные. Если Вы создаете свою PCB для прототипирования, мы очень рекомендуем использовать эти правила чтобы увеличить шансы на работоспособность Вашей разработки.

[Важные файлы, которые рекомендуется использовать]

• SparkFun Eagle Rules (файл правил дизайна PCB [2]). Это список правил, которые мы наработали за все годы. Если хотите, то можете их использовать. Некоторые из них применяют непосредственно инженеры SparkFun, большинство правил используются везде.
• SparkFun DRC Eagle (файл для правил проверки дизайна, Design Rules Check [2]). Сделайте правый клик на ссылке, выберите 'Save Link As' (сохранить ссылку как...) и сохраните архив и распакуйте из него файл DRC в папку Eagle/dru.
• SparkFun CAM Eagle (файл правил для получения выходных файлов [2]). Сохраните этот файл в папку Eagle/cam.

[Ширина дорожек и расстояние между ними]

Если завод обеспечивает ширину проводников до 5 mil и позволяет делать зазоры между ними до 6 mil, то это вовсе не означает, что разработку платы нужно делать именно с такими размерами. Если Вы можете трассировать плату дорожками 10 mil и сделать зазоры 10 mil, то сделайте это! Тогда Вы уменьшите вероятность получения поврежденных дорожек, и/или получения случайного замыкания между дорожками.

Даже весьма сложные платы с корпусами микросхем, имеющих плотную компоновку выводов, можно развести дорожками толщиной 10 mil с зазорами 8 mil. В следующий раз, когда будете разводить плату, попробуйте сделать это толщиной дорожек 10 mil и удивитесь, как далеко Вы можете зайти. Если разводка становится действительно сложной, то можно выбрать толщину проводника 8 mil. Цель этого приема - ограничить места, где могут произойти отказы в производстве.

[Изоляционный зазор полигона]

Заливка медью для шины земли (ground plane или power plane) - хорошая идея для некоторых проектов. Однако такая заливка (её еще иногда называют заливка полигоном, polygon plane) увеличивает вероятность замыкания, когда медь по ошибке "прольется" на соседнюю, прилегающую к заливке дорожку. На фотографии виден пример такого дефекта:

Рекомендуем Вам увеличить изоляционный 10 mil зазор по умолчанию в Eagle до 12 mil. Это отодвинет заливку от сигнальных проводников, и уменьшит вероятность производственных отказов. Однако это также может разорвать соединения по шине земли, так что будьте внимательны, и проверьте отсутствие неразведенных цепей земли!

Чтобы увеличить изоляционный зазор для существующего полигона, кликните кнопку 'i' (информация), затем кликните на линию края полигона.

Поменяйте параметр Isolate с значения по умолчанию 0.010 на значение 0.012 (12 mil).

[Annular Ring (минимальное кольцо меди вокруг переходного отверстия)]

Еще одна потенциальная проблема кроется в неточности позиционирования сверла на заводе, где будет изготовлена печатная плата. Для соединения проводников друг с другом на разных сторонах печатной платы мы используем переходные отверстия (via). Via состоит из просверленного отверстия, двух колечек меди диаметром больше диаметра отверстия (по колечку на каждую сторону платы), и соединяющее покрытие медью, которое электрически замыкает эти колечки друг с другом (эти переходные отверстия называют еще plated through holes). Via позволяют печатной плате выполнять свою работу, через них течет электричество. Проблема заключается в размере кружков меди. Если сверло попадет не точно по центру кружка, то отверстие может потенциально разорвать внутреннее соединение via и/или соединение via с дорожкой проводника.

Все via на фото выше вполне работоспособные, однако точность сверления на них находится на пределе допустимого. Это только одна плата из многих, другие могли оказаться хуже. Если сверло окажется слишком далеко от центра, то оно может перерубить трассу проводника, проходящего через via. Чтобы защититься от таких случаев, мы увеличиваем поясок меди (annular ring) вокруг via. Чтобы сделать это, нужно отредактировать Eagle DRC rules (правила проверки Design Rules Check, DRC), для редактирования войдите в меню Tools -> DRC.

Кликните на закладку 'Restring'. По умолчанию для площадок верхней и нижней стороны задана ширина пояска 10 mil. Мы поменяли на 12, чтобы увеличить поясок (annular ring) на 20%. Это увеличит шансы, что Ваша плата получится работоспособной. Эта установка DRC на 12 mil имеется в файле SparkFun DRC (см. [2]).

[Генерация выходных файлов Gerber]

Генерация качественных Gerber-файлов для Вашей PCB является завершающим шагом, на котором многие терпят неудачу. Eagle использует CAM-файл для создания файлов в формате Gerber, которые требуются для производства платы на заводе. Мы часто видим, как люди создают совершенно негодные файлы Gerber. Пожалуйста, начните изучение получения Gerber с нашего файла CAM [2] - и модифицируйте его, если Вам это на самом деле нужно. Мы используем этот файл CAM тысячи раз без всяких проблем.

Основой для нашего файла послужил CAM-файл Eagle по умолчанию. Он был незначительно исправлен, поскольку не было задано зеркалирование задних слоев bottom (проблема №1 с герберами!), выводился стандартный файл сверления Excellon drill (вторая частая ошибка в отсутствии файла сверления), и захватывался только слой tPlace для создания слоя шелкографии silkscreen (это приводило к тому, что все идентификаторы RefDes деталей и их номиналы не попадали в шелкографию). Поместите все текстовые метки в слой tPlace, если хотите, чтобы они были напечатаны на плате.

Прим. переводчика: лучше всего слои шелкографии подготовить с помощью скрипта ULP, как это показано в статье [3].

[Покрытие защитной маской переходных отверстий (Tenting)]

Термин Tenting (дословно переводится как тент, покрытие) относится к паяльной маске (её еще называют защитная маска, она придает плате характерный зеленый цвет; хотя маска бывает разных цветов) и к переходным отверстиям via - в контексте закрыты переходные отверстия или нет. Tenting также влияет на то, настолько хорошо будет видна шелкография.

Переходные отверстия могут оставаться открытыми (не закрыты защитной маской), либо закрытыми (покрытые защитной маской). Мы решили, что если закрыть отверстия маской (применить 'tenting'), то это лучшее решение, поскольку уменьшаются шансы порчи меток шелкографии, и плата смотрится гораздо лучше. Не беспокойтесь от том, что при закрытых переходных отверстиях Вы не сможете их использовать как тестовые площадки для подключения осциллографа или мультиметра - защитная маска разрушается, когда Вы вставляете щуп в отверстие. Однако намного сложнее облудить tented via, потому что нужно счистить защитную маску.

На фото показана нижняя сторона платы для FT245RL. Некоторые из маркировок выводов получились полностью нечитаемые, так как шелкографию испортили переходные отверстия (это получилось из-за незакрытых маской переходных отверстий).

Здесь на фото показана нижняя сторона платы для XBee-Explorer. Здесь можно увидеть, что кроме применения закрытых переходных отверстий, они также смещены, чтобы не портить метки.

Tenting включается в Eagle совсем неочевидным способом, путем модификации Eagle DRC rules. Чтобы увидеть, будут ли закрыты via маской, или нет, сначала включите все слои кликом на кнопку Display:

Кликните на All, затем кликните OK.

Включение всех слоев значительно изменит отображение платы.

То, что Вы ищете - белая штриховка, которая показывает, где будет отсутствовать маска. Верхняя стрелка указывает на via, у которого нет штриховки, что означает полное покрытие via маской (tenting включен). Нижняя стрелка указывает на большое отверстие с белой штриховкой на нем. Это точка пайки, которая должна быть открыта. Белая штриховка показывает, что в этом месте защитная маска на этом отверстии отсутствует, открывая его и делая доступным для пайки.

Чтобы закрыть переходные отверстия, запустите для Вашей платы диалог DRC rules (меню Tools -> DRC).

Увеличьте значение предела, чтобы он стал больше, чем используемые Вами via. Например, если via на плате имеют по умолчанию диаметр 0.023 (23 mil), то поменяйте предел до 25 mil, и все сверления менее 25 mil будут закрыты защитной маской. Будьте осторожны! Не увеличивайте чрезмерно эту величину, иначе маска закроет важные отверстия, которые подразумевались облуженными. Установка DRC на 25 mil имеется в файле SparkFun DRC [2].

[Ставьте метки шелкографии везде, где это можно и где нельзя]

Это косметическая проблема информационного оформления платы, которая часто создает головную боль. Вы должны пометить на Вашей плате каждую кнопку, переключатель, светодиод, контакт, и особенно коннекторы питания. Каждый из них, это очень важно! На фото показан пример, когда разработчик не уделил внимания шелкографии.

Плата без меток создает кучу ненужных вопросов. Что делает светодиод рядом с коннектором USB, что он означает? Это светодиод индикации питания? Или какого-то состояния? Здесь также есть переключатель в правом верхнем углу, возле коннектора питания. Что это? Выключатель питания? Если да, то в каком положении питание включено? На плате также есть непомеченные выводы. Почему же это не сделано?.. Именно для этого нужна шелкография, которая ничего не стоит! Единственная хорошая вещь на этой плате: наличие маленьких меток + и - рядом с коннектором для батареи. Это было сделано правильно и к месту. Однако указание допустимого диапазона напряжения питания также может оказаться полезным. Метка '3-7V' или что-то типа такого будет очень полезной.

Конечно, сегодня Вы можете помнить, что означает LED, но что произойдет через 3 месяца, когда откопаете эту плату из вороха запчастей?

Обычно на печатной плате не показывают номиналы деталей, за исключением самых важных. Когда собирается плата конечно же нужно знать, куда поставить резистор 10k, конденсаторы 0.1uF, и цвета LED. Но это все есть на сборочном чертеже. Как только плата собрана, обычно не нужно знать, что вот этот конденсатор имеет емкость 22pF. Если это действительно нужно узнать, то достаточно открыть схему платы.

На нижней стороне платы полезно указать информацию о выводах платы, чтобы знать, как они функционируют. Нет никаких сомнений, что должны быть указаны максимально понятные и читаемые метки. То же самое с питанием - при подключении коннектора не нужно про себя читать молитву, что подключаете коннектор в нужной полярности, а не наоборот. И если я не перепутал питание, то это должен показать индикатор LED, когда он загорелся? Или это какой-то индикатор соединения?.. Вот черт!

На этом фото показан пример хорошего оформления шелкографии на плате. Все выводы четко помечены, и также используются функциональные метки. Когда Вы экспериментируете с этим акселерометром, то наверняка нужно знать, какая ось где. Конечно же, Вы можете открыть даташит, но почему бы по поместить информацию прямо на плату?

[Ссылки]

1. Better PCBs in Eagle site:sparkfun.com.
2. 140520SparkFun-files.zip: файлы SparkFun для Eagle, упомянутые в этой статье.
3. Eagle: как сделать выходные файлы для фотоплоттера (GERBER) и для сверлильного станка (EXCELLON).
4. Классы точности печатных плат (PCB).