Топология печатной платы что это
Примеры выполнения топологических чертежей печатных плат
Определение топологического чертежа печатной платы
Под топологическим чертежом подразумевается чертеж печатной платы, содержащий сводную информацию о:
Топологический чертеж еще называют чертежом трассировки печатной платы.
Чертежи трассировки многослойных печатных плат
При выполнении чертежа трассировки многослойной печатной платы изображения каждого слоя размещают отдельным видом на чертеже с указанием порядкового номера/наименования слоя.
Примеры топологических чертежей многослойных печатных плат представлены ниже:
Материал печатных слоев следует записывать в спецификации в раздел «Материалы» с указанием их размеров и количества слоев или в раздел «Детали», как детали без чертежа.
Все топологические чертежи однослойных, двухслойных и многослойных печатных плат в обозначении чертежа должны иметь наименование «Плата печатная».
Конфигурация и размеры печатных проводников
Проводники могут изображаться двумя линиями, при этом, если они совпадают с линиями координатной сетки, числовое значение ширины на чертеже не указывают
Обозначение топологических элементов на чертежах трассировки печатных плат
Отдельными элементами топологии печатной платы являются:
При выполнении проводящего рисунка на чертеже данные элементы допускается выделять одним из следующих способов:
А также другими способами доступными для понимания и однозначного чтения чертежа.
Изображение печатной платы с повторяющимися элементами допускается выполнять неполностью в объеме, обеспечивающем однозначность чтения. При этом должна быть указана закономерность расположения таких элементов.
В технических требованиях чертежа допускается давать пояснения о взаимодействии элементов.
Маркировку печатной платы располагают на свободном месте. При маркировке способом, которым выполняется проводящий рисунок, допускается применять любой шрифт, при этом в технических требованиях чертежа способ маркировки не указывают.
Комплект документов при САПР
При автоматизированном и полуавтоматизированном методе конструирования допускается чертежи печатных плат выпускать без изображения проводящего рисунка, включая в комплект конструкторской документации документы на носителях данных, определяющих конструкцию и способ изготовления печатных плат и их составных частей.
Документы на носителях данных записывают в спецификацию сборочной единицы.
Комплект конструкторской документации на печатную плату при автоматизированном методе проектирования должен соответствовать ГОСТ 2.123.
Требования к проектированию печатных плат
Технологическая инструкция
Предисловие
Настоящая инструкция устанавливает требования к печатным платам, предназначенным для автоматического монтажа поверхностно-монтируемых компонентов, которые должны быть соблюдены при их проектировании и изготовлении.
Конструирование печатных плат производится в специализированных программах автоматизированного проектирования, наиболее известная P-CAD.
Для заказа печатных плат изготовителю файл платы в формате P-CAD переводится в формат Gerber, принимаемый большинством изготовителей как входной формат, управляющий технологическим оборудованием: сверлильными станками, фотоплоттерами, станками для скрайбирования и т. п.
1 Область применения
Настоящая инструкция применяется специалистами отдела главного конструктора и бюро подготовки производства и технологий цеха при проектировании конструкции печатной платы изделия и мультиплицировании печатной платы для автоматического монтажа поверхностно-монтируемых компонентов на линиях поверхностного монтажа.
Ответственность за выполнение требований настоящей инструкции при проектировании единичных плат несет главный конструктор, мультимодульных плат — начальник цеха.
2 Нормативные ссылки
При проектировании топологии печатных плат необходимо руководствоваться требованиями и рекомендациями следующих национальных стандартов Российской Федерации и международных стандартов IPC:
3 Термины и определения
4 Обозначения и сокращения
5 Требования и рекомендации к проекту печатной платы
5.1 Специальные требования к образам ЭМО-компонентов в программах разводки топологии печатных плат:
Все образы ЭМО-компонентов должны иметь точку привязки для автоматического монтажа (Pick and Place). Данная точка вводится по центру тяжести элемента в редакторе корпусов компонентов (P-CAD Pattern Editor) по команде Place — Pick Point. При этом точки привязки для автоматического монтажа (Pick Point) и привязки компонента (Ref Point) могут не совпадать.
Образы ЗМО-компонентов должны иметь соответствующие действительности значения атрибутов Туре, Value, Ref Des.
5.2 Требования к отверстиям:
Диаметры монтажных, переходных металлизированных и неметаллизированных отверстий должны быть выбраны из ряда, указанного в разделе 5.3
ГОСТ Р 53429-2009. Предельные отклонения диаметра отверстия в зависимости от класса точности печатной платы должны быть выбраны из таблицы 1.
Диаметры переходных отверстий должны выбираться, основываясь на толщине платы и минимальном диаметре металлизированного отверстия. При выборе диаметра отверстия необходимо учитывать толщину слоя основной металлизации и финишного покрытия.
Рекомендуемое расположение переходных отверстий и контактных площадок (Рис. 1):
Центры отверстий рекомендуется располагать в узлах координатной сетки.
Не допускается располагать сквозные отверстия диаметром более 10 мм и/или металлизированные отверстия диаметром более 1,5 мм в точке с координатами (х=17 мм; y=73 мм), так как точка с этими координатами используется для позиционирования мультимодульной платы в технологическом оборудовании (отсчет координат вести от нулевой точки платы в левую сторону).
Не допускается располагать переходные отверстия на контактных площадках компонента.
Оптимальный зазор между выводом компонента, монтируемого в монтажные отверстия платы, и стенкой монтажного отверстия должен составлять (0,2-0,3)мм. При меньшем зазоре припой плохо затекает в отверстие, появляются пустоты и непропаи. С увеличением зазора возрастает расход припоя, появляются усадочные раковины в припое, перемычки припоя на стороне платы, противоположной пайке.
На платах, которые планируется монтировать на установках пайки волной припоя, во избежание попадания припоя на верхнюю поверхность платы, не рекомендуется располагать сквозные отверстия диаметром более 6 мм.
Вокруг крепежных отверстий необходимо разместить запрещенные зоны.
5.3 Требования к проводникам:
Наименьшие номинальные размеры проводящего рисунка в зависимости от класса точности печатной платы должны быть выбраны из таблицы 2 ГОСТ Р 53429-2009.
Параметры проводящего рисунка:
Оптимальные величины зазоров между проводниками печатной платы (равно как и минимальные размеры самих проводников) в каждом случае должны выбираться, исходя из требований к изделию дополнительным 50% запасом.
При объективной невозможности обеспечить требуемый по предыдущему пункту запас надежности, размеры отельных зазоров (а также размеры отдельных проводников) должны указываться на чертежах печатных плат в качестве ключевых параметров.
В слое металлизации при трассировке проводников необходимо избегать острых углов.
Для предотвращения оттока тепла от контактных площадок при пайке необходимо использовать узкие проводники, соединяющие непосредственно контактную площадку и широкий проводник.
Проводники, расположенные под ЭМО-компонентами, должны быть закрыты защитной маской.
Расстояние от контура единичной печатной платы до контактных площадок или проводников должно быть не менее 0,5 мм.
Печатные проводники следует выполнять максимально короткими.
Заземляющие проводники следует выполнять максимально широкими.
Прокладывание рядом проводников входных и выходных цепей нежелательно во избежание паразитных наводок.
Проводники наиболее высокочастотных цепей прокладываются в первую очередь, благодаря этому они могут иметь наиболее короткую длину.
5.4 Рекомендации по размещению контактных площадок и компонентов:
Каждый типоразмер корпуса ЭМО-компонента должен иметь свою конфигурацию монтажного поля на печатной плате, форму и размеры контактных площадок. Размеры площадок должны соответствовать данным, рекомендуемым для данного типоразмера корпуса разработчиками компонентов.
При проектировании контактных площадок следует руководствоваться стандартами IPC-SM-782A и IPC-7351, OCT 4.42.02-93, рекомендациями разработчиков компонентов в Datasheet.
Ha единичных платах следует заранее предусматривать специальные площадки для работы контрольного оборудования — тестовые площадки для внутрисхемного и функционального тестирования.
Минимальное расстояние между контактными площадками соседних SMD-компонентов должно быть не менее 1 мм, а между ЭМО-компонентами и компонентами со штырьковыми выводами — не менее 1,5 мм.
Недопустимо размещение контактных площадок непосредственно в полигонах (большой теплоотвод делает невозможной качественную пайку), они должны быть отделены от полигона тепловыми барьерами и электрически соединяться с ним только проводником номинальной ширины (рис. 2)
Выполнение полигонов в виде сетки уменьшает теплоемкость и коробление платы во время пайки.
Контактные площадки отверстий и контактные площадки для монтажа компонентов должны соединяться (при необходимости) проводниками номинальной ширины (правильно) и не выполняться в виде общего массива (не сливаться).
Расстояние между контактной площадкой монтажного отверстия и контактной площадкой для CHIP или МЕLF-компонентов, перекрытое паяльной маской, должно быть не менее половины высоты компонента, но более 0,5 мм.
Минимальная ширина контактной площадки при шаге выводов компонента, равном 0,5 мм, должна составлять 0,27 мм.
Для компонентов с шагом выводов до 0,5 мм включительно должно быть указано наличие защитной паяльной маски между контактными площадками.
Незадействованные контактные площадки для микросхем в корпусах типа QFP, PLCC, SO рекомендуется снабжать «отростком» в виде короткого печатного проводника, заходящего под защитную маску. Это позволяет предотвращать отслоение площадок при ремонте.
Соединения между соседними выводами микросхем должны выполняться за пределами монтажного поля, так как после пайки перемычка между соседними площадками может выглядеть как спайка. Соединительный проводник должен подходить соосно к торцу контактной площадки, а его ширина должна быть не более ширины площадки (рис. 4).
Для точной установки ВGА-компонентов и микросхем с шагом менее 0,625 мм рекомендуется делать два локальных реперных знака, расположенных по диагонали на периметре монтажного поля микросхем.
Прямоугольные компоненты, например, керамические ЧИП-компоненты, при размещении по краям печатных плат должны располагаться параллельно краю платы.
Все «тяжелые» ЭМО-компоненты следует размещать на одной стороне платы.
Тяжелые навесные компоненты должны располагаться ближе к центру платы, либо уравновешивать друг друга на плате, во избежание проблемы с переворачиванием платы при прохождении в оборудовании.
Для монтажа недоступны зоны, находящиеся на расстоянии менее 5 мм от края платы по ширине, поэтому компоненты, попадающие в эти зоны целиком или даже только выводами, устанавливаться при монтаже не будут.
He рекомендуется располагать рядом друг с другом компоненты, отличающиеся по высоте, так как при пайке оплавлением паяльной пасты «тепловая» тень от больших компонентов ухудшает пайку низких компонентов‚ Chip-компоненты рекомендуется располагать не ближе 3 мм от выводов микросхем.
Зазоры между компонентами должны быть не менее указанных на рис. 5.
5.5 Рекомендации по мультиплицированию платы:
5.5.1 Платы малого размера рекомендуется выполнять в виде мультиплицированной заготовки. Заготовка должна иметь прямоугольную форму. Габариты мультиплицированных заготовок (панелей) рекомендуется выбирать из стандартного ряда размеров.
Длина платы (мультиплаты) — L — от 150 до 350 мм.
Ширина мультиплаты — W — от 80 до 250 мм.
Толщина платы от 1 до 3 мм.
Максимальный размер стороны печатной платы не должен превышать 500 мм.
Это ограничение определяется требованиями прочности и плотности монтажа.
Соотношения размеров сторон мультимодульной платы рекомендуются следующие: 1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 3:2, 5:2.
По краям мультимодульной платы следует предусматривать технологические поля шириной (91-1,5) см, Размещение печатных проводников в этой зоне не допускается.
5.5.2 При мультиплицировании плат прямоугольной или квадратной формы, необходимо располагать линии разделения единичных плат – линии скрайбирования, которые должны пересекать всю заготовку, не прерываясь, и располагаться параллельно ее краям. Круглые, овальные, многоугольные и т.п. платы можно выполнить только путем фрезерования.
Скрайбированные платы остаются соединенными тонким перешейком, имеющим название веб (web). Толщина веба — основная задаваемая характеристика операции скрайбирования. Остаточная толщина платы в месте скрайбирования должна быть максимально близкой к 1/3 толщины самой платы.
Линии скрайбирования должны быть прямыми и проходить от одного края панели к другому через всю панель. Допуск на обработку контура при скрайбировании: +/- 0,1 мм.
Расхождение между линиями скрайбирования с разных сторон платы – не более 0,1 мм.
По краям платы для каждой линии скрайбирования должны обеспечиваться технологические заходы для режущего инструмента — вырубки сторонами 2,1мм х 2,1 мм, углом между ними 90° и шириной паза 3,0 мм (см. эскиз в Приложении А).
Если по краю единичных плат располагаются угловые разъемы или другие радиоэлементы, у которых корпус выступает за пределы платы, необходимо спроектировать дополнительное технологическое поле. Вдоль данной стороны мультимодульной платы на дополнительном технологическом поле спроектировать линии скрайбирования и несколько узких прямоугольных отверстий для облегчения операции ручного отделения единичных плат.
5.6 Требования к реперным знакам:
На мультимодульной плате проектируется не менее 3 реперных знаков диаметром 2мм
Вокруг реперного знака должна быть обеспечена зона (2) 5 мм, свободная от защитного фоторезистивного слоя. Минимальное расстояние от центра реперного знака до края платы — 7 мм.
Расположение (несимметричное) реперных знаков на мультимодульной плате должно обеспечивать возможность автоматического обнаружения поворота платы на 180°.
Расположение реперных знаков на разных сторонах печатной платы (групповой заготовки) с двусторонним расположением SMD – компонентов должно обеспечивать возможность автоматического обнаружения переворота платы.
Расположение реперных знаков должно обеспечивать возможность автоматического обнаружения печатных плат разной топологии при одинаковых размерах (достигается дополнительным смещением одного из знаков на 10 мм для каждого из вариантов топологии плат).
5.7 Требования к маркировочным меткам
На плате необходимо размещать зоны для идентификационной маркировки (Приложение А). Зоны маркировки должны быть выполнены в слое шелкографии (в слое Silk) белым цветом. Если ЭМО-компоненты расположены с обеих сторон ПП, то зоны маркировки проектировать как на верхней (Тор), так и нижней (Bot) сторонах ПП.
В зоне маркировочной метки не должно быть никаких отверстий (переходных, крепежных, фиксирующих, монтажных). Под маркировочной меткой предпочтительно иметь однородную гладкую поверхность (слой сплошной металлизации предпочтительнее материала ПП).
При мультиплицировании плат предпочтительно проектировать маркировочные метки на каждой единичной плате, при отсутствии свободного места для размещения метки допускается проектировать одну общую метку на технологическом поле мультимодульной платы. При этом маркировочная метка должна быть расположена вдоль короткой стороны единичной платы (мультимодульной платы).
Оптимальный размер маркировочной метки 5мм x 30 мм (при необходимости по согласованию с изготовителем допускаются другие размеры). Минимальное расстояние от края длинной стороны ПП до края маркировочной метки должно быть не менее 3 мм.
При наличии достаточного места для увеличения информационного поля идентификации модуля необходимо размещать на ПП две маркировочные метки (например, для маркировки № запуска и № платы).
6 Требования к качеству изготовления печатных плат
Печатные платы должны соответствовать требованиям:
Согласно IPC-A-600G платы, предназначенные для электронных изделий автомобилей, относятся к 3 классу аппаратуры.
7 правил проектирования печатных плат
Приветствую! В процессе обсуждения статьи товарища KSVl была озвучена необходимость небольшого пособия по проектированию печатных плат. Очень часто на хабре я вижу статьи в стиле «5 правил оформления кода» или «5 шагов к успешному проекту», то есть очень удобные собрания тезисов по определенной теме. К сожалению подобных статей по разработке электроники мало и это плохо…
Я обещал пользователю KSVl и некоторым другим читателям, статью с базовыми принципами проектирования печатных плат (ПП), так же приглашаю к ознакомлению всех любителей попаять за чашечкой кофе!
Пролог
Все описанные в статье правила, являются самыми базовыми и ориентированы исключительно на совсем начинающих разработчиков для которых электроника просто хобби. Сразу хочу отметить, что данная статья не претендует на абсолютную истину и все объяснения даны в вольной форме.
Наверняка найдутся люди, которые скажут: «Да и так ведь работает, зачем что-то менять?». И вот тут увы, я не готов тратить силы и переубеждать вас. Одни хотят все делать хорошо, качественно и надежно, другим же не дано понять этого желания.
Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:
Правило №1 — Ширина проводника
Ошибка — очень часто начинающие разработчики используют ту ширину проводников (дорожек), которая стоит по умолчанию в используемой САПР. В упомянутой ранее статье, автор использовал EasyEDA и там базовое значение ширины стоит 6 mils, то есть около 0.15 мм. Данная ширина проводников использована практически везде и это плохо, ибо ведет к ряду проблем.
Проблема №1 — падение напряжения. Все мы помни закон Ома из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.
Проблема №2 — нагрев проводника. Тут все тот же закон Ома, мощность выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Дорогу 0.15 мм ток в 5-10А легко испарит.
Проблема №3 — паразитная индуктивность. Этот момент к базовым вряд ли уже относится, но знать про него надо. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц, например, при работе с SPI.
Проблема №4 — низкая механическая прочность. Думаю не надо объяснять, что дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к текстолитовой основе, чем дорожка 0.15 мм. Ради интереса возьмите заводскую ненужную плату и поковыряйте ее.
Решение — используйте максимально возможную ширину проводников. Если проводник можно провести с шириной 0.6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0.15 мм.
1) Плохо
2) Хорошо
Правило №2 — Подключение к выводам
Под выводами подразумевается контактная площадка компонента (pad), переходные отверстия (via) и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).
Ошибка — бывают две крайности. В одной, разработчик совершает ошибку из правила №1 и подключает дорожку 0.15 мм к выводу smd резистора 1206. В другом случае наоборот, использует проводник ширина которого равна ширине контактной площадки. Оба варианта плохие.
Проблема №1 — низкая механическая прочность. При нескольких попытках перепайки компонента, площадка или дорожка просто отслоятся от текстолитовой основы печатной платы.
Проблема №2 — технологические проблемы с монтажом платы. Хотя это станет проблемой, если вы начнете заказывать в Китае не только платы, но и сборку. Вам конечно соберут, но % брака вырастает.
Решение — ширина проводника, подключаемого к контактной площадке, должна составлять примерно 80% от ширины этой площадки.
Размер площадки конденсатора 1206 в данном случае составляет 1.6 х 1 мм. Соответственно для подведения сигнала снизу используется дорожка равная 80% от ширины площадки, то есть 0.8 мм (80% от 1 мм). Для подведения сигнала справа используется дорожка толщиной 1.2 мм (примерно 80% от 1.6 мм). Ширина площадки у микросхемы в корпусе SOIC-8 равна 0.6 мм, поэтому подводить нужно сигнал с помощью дорожки около 0.5 мм.
Стоит понимать, что данный вариант является идеальным. Переход из 1.2 мм в 0.5 мм вам наверняка не понравится — лишняя возня. Его можно избежать. Для этого обычно принимают ширину дорожки относительно минимального pad-а (площадки), то есть в данном случае можно сделать вот так:
Как видите, я выбрал ширину проводника по минимальной площадке, то есть по площадке вывода микросхемы в корпусе SOIC-8. Такой упрощение допустимо, но его стоит применять с умом.
Правило №3 — Цепи питания
Теперь рассмотрим случай, когда упрощение в отношение правила №2 просто недопустимо, а именно — проектирование цепей питания. Данной правило опирается на два предыдущих и является частным, но пожалуй самым критичным случаем.
Ошибка — пренебрежение правилами №1 и №2 при проектирование цепей питания.
Проблема №1 — на выходе вашего стабилизатора напряжения строго +3.3В. Вы включаете устройство и наблюдаете, что микросхема ведет себя неадекватно, АЦП измеряет не точно и периодически выключается. Вы измеряете напряжение на ногах потребителя (микросхемы) и обнаруживаете вместо +3.3В всего лишь +2.6В.
Проблема №2 — ваш DC-DC преобразователь не запускается, либо на выходе имеет большие пульсации.
Проблема №3 — в попытках найти неисправность, вы ставите щуп осциллографа на линию +3.3В и обнаруживаете там вместо постоянного напряжения какие-то страшные пульсации и помехи.
Решение — соблюдаем особо строго и фанатично правила №1 и №2. Дорожки максимально широкие. Питание должно приходить на микросхему через керамический конденсатор, который по возможности ставят ближе к выводу этой микросхемы.
Что я сделал чтобы стало хорошо:
1) Дорожка питания VCC3V3 теперь подходит не в обход конденсатора, а через него. То есть сначала на конденсатор, а затем уже на вывод микросхемы
2) Переходное отверстие (via) я использовал размером 1.2/0.6 мм. Да, согласно требованиям для 4 класса точности (стандартного), я могу использовать переходное отверстие размером 0.7/0.3 мм, но делать этого не стал и применил более габаритный переход. Это позволило уменьшить его сопротивление и пропустить больший ток
3) Шина питания, которая приходит от стабилизатора у меня теперь не 0.3 мм, а 2 мм! Не бойтесь делать широкие проводники. Такой подход минимизирует падение напряжения в цепи и уменьшит индуктивность проводника
Правило №4 — Земля
О влияние качества проектирование земляной шины (GND) можно говорить вечно, но любой разговор сводится к простой сути: стабильно и работоспособность устройства в наибольшей степени зависит именно от проектирование земли. Данная проблема очень объемная и требует глубокого изучения, поэтому я дам самые базовые рекомендации.
Ошибка — трассировка цепи GND (земли) обычным проводником, да еще и минимальной ширины. Это просто к-к-к-комбо!
Проблема №1 — нестабильность работы устройства и сильные помехи в цепях, особенно в цепях питания.
Проблема №2 — нагрев и часто обрыв тонкого проводника, т.к. в нем действует большой ток.
Решение — использовать полигон для разводки цепи GND, а в идеале отдельный слой, который полностью выделен для данной цепи, например, нижний слой.
Как видите, вместо обычного проводника я применил заливку сплошным полигоном. Такое решение обеспечило мне огромную площадь сечения, ведь полигон это просто очень большой проводник. Только иногда такое решение имеет недостаток, например, когда плотность монтажа высокая и другие проводники разрывают сплошной полигон, как тут цепи LED1..3 разрывают кратчайший путь между выводом микросхемы и конденсатора (GND):
Тут нам поможет, упомянутый ранее, отдельный слой GND. В двухслойной плате в идеале под него выделить нижний слой, а в многослойной плате — один из внутренних слоев:
Таким образом мы восстановили кратчайший путь для тока по цепи GND, а помог в данном случае нижний слой (синий цвет), который из себя полностью представляет земляной полигон. Переходные отверстия (via) около контактных площадок обеспечили для них максимально короткое соединение с нижним слоем земли.
Конечно это идеальный случай и иногда не получится его реализовать без удорожания платы, поэтому тут решение за вами. Порой «супер» надежность и не нужна, тут важно найти для своей задачи золотую середину между стоимостью и качеством.
Правило №5 — Ширина зазора
Минимальное значение зазора между медными проводниками на печатной плате, нам диктуют технологические требования. Для 4-го (стандартного) класса значение составляет 0.15/0.15 мм или 6/6 mils. Максимальная ширина ограничена лишь вашей фантазией, габаритами платы и здравым смыслом.
Ошибка — зазор недостаточно большой, обычно оставляют значение по умолчанию около 0.15 мм.
Проблема №1 — электрический пробой. Короткое замыкание возникает, когда 2 проводника с разным потенциалом замыкают, например, металлическим предметом и ток резко возрастает. К сожалению идеальных диэлектрических материалов не бывает и в какой-то момент любой материал начинает проводить ток. Пример тому — изоляторы на ЛЭП, иногда и их пробивает. Данное явление происходит, когда превышено значение критического напряжения пробоя. По этой же причине и стеклотекстолит, являющийся основной большинства печатных плат, в какой-то момент может начать пропускать ток.
Решение — увеличение расстояния между проводниками. Напряжение пробоя зависит от типа материала и от толщины/ширины изолятора. В случае печатных плат — расстояние (зазор) между проводниками как раз является тем параметром, который влияет на критического значение напряжения пробоя. Чем больше расстояние между проводниками, тем большее напряжение необходимо чтобы пробить его.
Так же хочется сказать, что пробой по стеклотекстолиту не всегда самая актуальная проблема. Воздух, который окружает плату, тоже является диэлектриком, но при определенных условиях становится проводником, вспомните грозу. Воздушный электрический пробой большая проблема в электронике, особенно если учитывать, что воздух может быть сухой, а может и иметь влажность 90-100%, например, в тропиках или на Севере.
Условимся, что в данном примере есть 3 проводника: выпрямленное сетевое напряжение +310В, низковольтная линия питания для микроконтроллера +3.3В и шина земли (GND).
Почему 0.3 мм плохо, а 0.8 мм уже хорошо спросите вы и в качестве ответа приведу вам 2 источника:
1) Обычные физика и электротехника. Данные в них разнятся из-за различных методик измерений и прочего, но наиболее реалистичная цифра для сухого воздуха составляет 2 кВ/мм. Тут многие испугаются цифры и подумают: «У меня же нет таких напряжений» и это будет ошибкой. Данное значение характерно лишь для сухого воздуха, который встретить в реальных условиях удается редко. И тут цифры уже куда скромнее, например, при влажности 100% напряжение пробоя воздуха составляет всего 250 В/мм! А еще на значение напряжения пробоя влияет запыленность воздуха и платы, а так же атмосферное давление (кривая и закон Пашена).
2) Стандарт IPC-2221, ссылку на который я давал в начале. Интересует нас таблица 6-1, которая выглядит вот так:
Как видите в таблице для большое количество значений даже для нашего конкретного случая 301-500В. Если посмотрим, то увидим значение 0.25 мм для закрытых проводников на внутренних слоях, то есть в «идеальных» условиях без доступа пыли, грязи и влаги. Если устройство будет работать где-то в горах и проводник находится на внешних слоях (все проводники в случае 2-х слойной платы) на высоте до 3000 метров, то там минимальный зазор уже 2,5 мм, то есть в 10 раза больше. Если же мы эксплуатируем устройство на большей высоте, то зазор необходим уже в 12.5 мм! Стоит сделать замечание — такой большой зазор требуется если наша плата не покрыта защитными составами, например, лаком или компаундом. Как только появляется защитное покрытие, то мы видим уже более адекватные значения: 0.8 и 1.5 мм.
Поэтому в «хорошем» примере по мимо обеспечения зазора 0.8 мм, необходимо так же покрыть плату защитных составом, например, лаком после завершения монтажа устройства, его отмывки и сушки. В противном случае необходимо увеличить зазор!
Правило №6 — Гальванический зазор
Ошибка — приравнивание диэлектрического зазора к гальваническому. По сути они очень похожи, но по требованиям все строже, когда дело доходит до гальванической развязки. Ярким случаем является развязка схемы управления и силовой части с помощью реле или оптрона, когда зазор между развязанными сторонами выбирается так же 0.8 или 1,5 мм.
Проблема №1 — пробой изоляции, выход из строя системы управления и прочего дорогого оборудования.
Решение — увеличение порога электрического пробоя. Стандартными значениями обычно являются напряжения 1,5 кВ, 2,5 кВ и 4 кВ. Если ваше устройство работает с сетевым напряжением, но человек напрямую с ним не взаимодействует, то напряжение развязки в 1,5 кВ будет достаточным. Если предполагается взаимодействие человека с устройством, например, через кнопки и прочие органы управления, то рекомендую применить изоляцию с напряжением 2,5 кВ и более.
Что плохого спросите вы, ведь зазоры на плате есть, их можно сделать и 1,5 мм. Дело в том, что даже если сделать зазор 2 мм, то этого будет недостаточным для обеспечения изоляции. Самым «слабым» местом должно быть расстояние между выводами управления реле (1-2) и выводами силовыми (3-8). Так же надо учитывать, что пробой может быть не только между проводниками на одном слое, но и на разных — насквозь плату через стеклотекстолит.
Что было сделано для улучшения ситуации:
а) Появилась четкая граница между низковольтной и высоковольтной частью. Теперь проводник +3.3В не проходит в высоковольтной области +310В, полигон GND не выходит за границу низковольтной часть, соответственно и пробоя не будет. Так же в зоне/границе гальванической развязки не должно быть вообще ничего.
б) Изолирующая зона освобождена от паяльной маски. Маска — тоже слабое место и в зависимости от качества ее пробьет раньше, чем стеклотекстолит. Это делать не обязательно в общем случае, но если с устройством взаимодействуют люди, то настоятельно рекомендую.
в) Как я выше писал, слабое место — расстояние между управляющими и силовыми выводами реле. Везде я смог сделать изолирующую зону 4 мм, а тут только 2.5 мм. От маски мы очистили, от проводников тоже и единственное через что может произойти пробой по плате — стеклотекстолит. Поэтому убираем и его, я сделал вырез под реле шириной 2.5 мм и убрал весть текстолит между выводами. Данная операция тоже не обязательна, но существенно повышает надежность и безопасность вашего устройства.
Правило №7 — Переходные отверстия
Ошибка — очень часто наблюдаю картину, когда на 2-х слойной печатной плате для того, чтобы соединить 2 контактные площадки, использую 3..4… или даже 5 переходных отверстий.
Проблема №1 — переходных отверстий (via) становится слишком много на плате и это ограничивает место под проводники, что приводит к удлинению цепей, а следовательно и к увеличению их сопротивления. Уменьшает устойчивость цепей и сигналов к помехам.
Решение — используйте минимальное количество переходных отверстий: если вам нужно соединить 2 контакта на разных слоях, то не используйте более 1-го переходного отверстия. Если 2 контакта находятся на одном слое и вы не можете соединить их напрямую, то используйте максимум 2 переходных отверстия. Если вам нужно больше переходов для соединения, то что-то вы делаете не так — тренируйте логику и переразводите участок платы, который привел к проблеме.
Для соединения использовано минимальное количество переходных отверстий (via), что дает больше свободного места для других проводников и обеспечивает минимальные паразитные параметры проводника.
Несколько общих советов
Заключение
Надеюсь данная статья станет полезной для начинающих электронщиков и избавит их хотя бы от самых простых ошибок. Думаю не мало людей в данных правилах увидят и свои недочеты, но не стоит от этого правила слепо копировать. Всегда думайте головой и ищите лучший вариант, иногда и 4 переходных отверстия для 1-й цепи допустимы, если это позволяет вам улучшить конечный результат.
Те, кому данного материала мало — предлагаю ознакомиться со стандартами IPC по диагонали, сильно вчитываться смысла нет, а так же прочитать начальный курс «черной магии» от Говарда Джонса. В ней разобраны и физические принципы проектирования, а так же приводится множество рекомендаций по проектированию стандартных цепей и интерфейсов. Это раньше высокоскоростные цифровые цепи были чем-то магическим и возвышенным, но сегодня на дворе 2018 и с ними сталкиваются даже совсем новички, например, при подключение датчиков и памяти по SPI или дисплеев.