Współpraca projektanta PCB z wykonawcami cz.1. Zastosowanie współczesnych standardów IPC

Współpraca projektanta PCB z wykonawcami cz.1. Zastosowanie współczesnych standardów IPC
Pobierz PDF Download icon
Chciałbym skupić się głównie na problematyce elementów bibliotecznych PCB. Prawidłowo stworzona biblioteka elementów to ogromny skarb. Dobra i kiepska biblioteka mogą różnić się bardzo albo też mogą różnić się drobiazgami. Jednak wszystkie te różnice wpływają ostatecznie na czas, jaki mija między pomysłem a powstaniem gotowego urządzenia. Dlatego też, każdy element biblioteki, który został sprawdzony, jest dla elektronika/firmy bardzo cenny.
109ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Zastosowanie współczesnych standardów IPC Jednostka mil/thou Jeden mil to jednostka oznaczająca w dosłow- nym przekładzie ?mili-inch?, czyli tysięczną część cala. Została wprowadzona w roku 1844. Gdy system metryczny zaczął stawać się bardziej popularny, nazwę mil zaczęto zastępować nazwą thou (wymawiane jak w słowie thousand). Zostało to zapoczątko- wane ze względu na łatwe mylenie nazwy mil z jednostką milimetr. Jednocześnie nazwa mil jest nazwą jednostki stosowanej w wojsku do pomiaru kąta. Liczba mnoga od thou to także thou. Liczba mnoga od mil to mils. W Polsce przyjęło się pisanie 1 mils. Współpraca projektanta PCB z wykonawcami (1) Zastosowanie współczesnych standardów IPC wielkiego znaczenia. Jednak jeśli zaczynamy pracować w firmie, potem na przykład firmę tą zmienimy, stracimy masę czasu na pozna- nie nowej biblioteki. Nowy elektronik, pra- cujący z naszą biblioteką będzie musiał po- święcić czas na zapoznanie się z używanymi przez nas oznaczeniami. Prawdopodobnie, kiedyś zdubluje naszą pracę, ponieważ wy- kona element, którego nie spodziewał się znaleźć pod nazwą, jaką mu nadaliśmy. Aby tego uniknąć, dobrze jest przyjąć jakiś stan- dard... Jeśli przyjmujemy jakiś standard, niech będzie to ogólny standard międzynarodowy. Część czytelników Elektroniki Prak- tycznej zajmuje się elektroniką przede wszystkim hobbystycznie i  może uważać, że problem ich nie dotyczy. Problem trzy- mania się pewnych standardów rośnie rzeczywiście wraz z  komplikacją projektu oraz wielkością biblioteki. Rośnie błyska- wicznie wraz ze wzrostem ilości osób ko- rzystających ze wspólnych zasobów. Staje się ważny także w momencie, gdy zaczyna- my kontaktować się z firmami zajmującymi się montażem automatycznym. Nie ma nic przyjemnego w  konieczności ręcznej po- prawy, montowanego na automatach urzą- dzenia, ponieważ jakaś obudowa sprawia problemy. Wybierając standard, w jakim będziemy tworzyć naszą bibliotekę, powinniśmy za- cząć od podstaw. Podstawą w tym przypad- ku będzie wybranie odpowiedniego systemu Chciałbym skupić się głównie na problematyce elementów bibliotecznych PCB. Prawidłowo stworzona biblioteka elementów to ogromny skarb. Dobra i  kiepska biblioteka mogą różnić się bardzo albo też mogą różnić się drobiazgami. Jednak wszystkie te różnice wpływają ostatecznie na czas, jaki mija między pomysłem a  powstaniem gotowego urządzenia. Dlatego też, każdy element biblioteki, który został sprawdzony, jest dla elektronika/firmy bardzo cenny. Notanik konstruktora Rys. 1. Organizacje standaryzujące przemysł elektroniczny ten uwzględnia zarówno wymogi technolo- giczne, jak i dopuszczalne odchyłki w wyko- naniu podzespołu, płytki drukowanej oraz w  czasie montażu. Wzory te nawet nie są przesadnie skomplikowane [1] i moglibyśmy sami je liczyć, szczęśliwie powstały jednak całkiem dobre, darmowe narzędzia, które zrobią to za nas. Oprócz samego wyglądu podzespołów, pozostaje jeszcze kwestia nazewnictwa. Jak nazwać rezystor SMD o  wymiarze 0805? Może RSMD0805? A może SMDR0805 albo R0805_SMD.... To pozornie durne i  banal- ne rozważanie przedstawia tak naprawdę ogromny problem. O ile projektujemy urzą- dzenia sami, w domowym zaciszu nie ma to Projektując dowolną obudowę, w pewnej chwili zadamy sobie pytanie, jaki jest właści- wy rozmiar punktu lutowniczego? Zwykle propozycje w dokumentacjach różnych firm minimalnie różnią się. Wyprodukowanie płytek wiąże się ze spełnieniem pewnych wymagań... Nałożenie pasty lutowniczej to kolejne wymogi... Do tego, automaty układa- jące elementy też mają swoje potrzeby. Niedługo okaże się, że specjaliści na fo- rach mają różne zdania. A jeśli jeszcze sami zaczniemy zastanawiać się, co będzie się naj- prościej lutować... To koniec... Polegliśmy. Na pytanie o  wymagany rozmiar pola lutowniczego, istnieje odpowiedź, która da się opisać matematycznym wzorem. Wzór 110 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Notanik konstruktora System metryczny w tym kraju funkcjonował, jednak jego stosowanie było w dużej mierze dowolne. USA z oficjalnym wprowadzeniem systemu metrycznego wciąż zwleka. Pełne wprowadzenie systemu metrycz- nego napotyka dwie główne przeszkody: 1. Niechęć społeczna ? Jeśli ktoś całe życie korzystał z  systemu anglosaskiego, wy- daje się on całkowicie naturalny. Każdy intuicyjnie wie ile, mniej więcej, ma ?jedna stopa?. Są to też czasy, gdy Angli- cy byli ogólnie niechętni do ?wszystkie- go, co francuskie?. 2. Niechęć ze strony handlu detalicznego ? Sprawa jest ciekawa z  psychologicz- nego punktu widzenia: Jednostki stoso- wane w handlu, systemu anglosaskiego w sprzedaży wyglądają ?lepiej? niż jed- nostki systemu metrycznego. 4  uncje to trochę mniej niż 125g , jeden funt to trochę mniej niż pół kilograma, jeden pint piwa to mniej niż pół litra piwa. Doświadczenie w  sprzedaży dywanów pokazało, że mimo iż cena 10 funtów za jard kwadratowy, równa jest cenie 12 funtów za metr kwadratowy, to jednak kupujący odczuwali rzecz inaczej i pre- ferowali sklepy stosujące rozliczenia w jardach, a nie w metrach. Przy tak naszkicowanym otoczeniu historycznym, wystarczy już chyba wspo- mnieć o tym, że lwia część początków histo- rii elektroniki odbywała się między Anglią a USA (formalnie niezależnym już od Anglii od 1783 r.). Oficjalnie, za ojca płytek PCB w formie, w jakiej znamy je dziś, uznaje się Paula Eisle- ra. W roku 1943 wykonał on pierwsze radio z wykorzystaniem płytki drukowanej, w for- mie znanej nam dzisiaj. W tym samym roku także uzyskał prawa patentowe do swojego wynalazku. Co dla nas ważne: wszystko to działo się w USA. Od tej chwili, przez długi czas to USA było główną potęgą w produkcji elektroniki. USA, które do dziś nie uregulo- wało sprawy oficjalnego wprowadzenia sys- temu metrycznego. Właśnie dlatego w elek- tronice obowiązywały na początku cale oraz thou. Dlaczego podjęto decyzję o przejściu na system metryczny w elektronice? Elektronika rozpoczęła swoją historię w mierze calowej, jednak cały, przemysłowy świat doceniał już i wprowadzał system me- tryczny. Stosowany początkowo, minimalny skok wynosił 1 mils [7] i była to jedyna słuszna dla PCB jednostka. Sielanka trwała do roku 1988, w  którym zebrały się światowe orga- nizacje zajmujące się standaryzacją i posta- nowiły, że właśnie standard metryczny zo- stanie zastosowany w przyszłych projektach elektroniki. Rys. 1 pokazuje organizacje standaryza- cyjne mające ogromne znaczenie dla elek- troniki. Ich dokładniejszy opis można zna- leźć w źródłach [7]. Wszystkie one przyjęły konieczność przejścia na system metryczny. Już w 1990 roku pojawiły się pierwsze ozna- ki przejścia na nowy system miar: JEDEC za- czął przekształcać na system metryczny do- kumentację obudów, które pierwotnie były wymiarowane w systemie anglosaskim. IPC (patrz ramka), niezwykle ważna dla elektroników organizacja, zaproponowa- ła minimalny skok dla nowych projektów równy 0,05 mm. To oczywiście spotkało się z  ogromnym sprzeciwem ze strony USA. Niektórzy amerykańscy projektanci, firmy produkcyjne oraz inżynierowe wciąż walczą z procesem przejścia na miarę metryczną. Co spowodował taki skok? Policzmy: 0,05 mm to 1,9685 mils. Zmusiło to elektro- ników do operowania jednocześnie dwoma bazowymi siatkami, które jednocześnie nie dawały się łatwo ze sobą powiązać. Powstały zamęt jest na pewno negatywnym skutkiem tego działania. Jednak stan ten miał dobry wpływ na producentów oprogramowania EDA. W przypadku autorouterów, przedsta- wione zostało rozwiązanie o  nazwie ?Gri- dless Shape Based?. Dzięki temu, że auto- router taki pracował bez określonej siatki, możliwa stała się jego praca w  projektach łączących nowe i stare technologie. Trzeba zdawać sobie sprawę, że zmiana systemu pomiarowego nie jest po prostu kwe- stią zebrania kilku organizacji i  stwierdzenia, że od jutra wszystko robimy w milimetrach, bo to fajny pomysł. Elektronika stała się dobrem międzynarodowym i  przejście na międzyna- rodowy system miar w zasadzie było koniecz- nością. Zwróćmy uwagę na ramkę dotyczącą przeliczania długości w systemie metrycznym i  anglosaskim. Otrzymujemy wartości z dużą liczbą cyfr po przecinku. Jeśli chcielibyśmy produkować całą elektronikę tylko w Stanach, można jeszcze walczyć o zachowanie milsów. Jednak jak pokażę za chwilę ? to walka z wia- trakami i utrudnianie sobie życia. Jeśli chcemy produkować precyzyjne urządzenie, korzystają- ce z maleńkich obudów, w Chinach czy nawet w Polsce ? z koniecznych zaokrągleń wynikają same problemy. A im mniejsze obudowy, tym więcej problemów. Projektujesz w SMD? Nie utrudniaj sobie życia milsami Jeszcze do niedawna, byłem zatwardzia- łym zwolennikiem żmudnego przeliczania milimetrów na jedyne słuszne dla PCB milsy. Wiem też, że jest więcej osób o takim podej- ściu. Okazuje się jednak, że absolutnie nie tędy droga. Zobacz do tab. 1. Pokazuje ona zestawie- nie odstępów między nóżkami w standardo- wych obudowach QFP. Widać tutaj, że poda- ne wymiary w milsach, wymagają stosowania Czym jest IPC? [8] Organizacja została utworzona w 1957 roku jako ?Institute for Printed Circuits?. Gdy wię- cej firm zostało wciągniętych do organizacji, nazwa została zmieniona na ?Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits?. Aż do 1990 roku większość ludzi, związanych z przemysłem, nie było w stanie spamiętać pełnej nazwy organizacji lub nie zgadzało się ze znaczeniem nazwy (instytut dla połączeń oraz obudów urządzeń elek- tronicznych). Zachowanie skrótu IPC spotka- ło się z przygniatającą aprobatą członków organizacji. Spośród wymienionych organizacji tworzą- cych standardy obowiązujące w elektronice, IPC jest prawdopodobnie jedyną, która łączy w swoim działaniu wszystkie aspekty przemysłu elektronicznego. W zakresie ich zainteresowań leży prawidłowa współpraca między projektantami, producentami oraz firmami zajmującymi się montażem. Dlatego też IPC ma niezwykłe znaczenie dla profesjonalnego projektowania elektroniki. Z doświadczeń, które udało mi się zebrać tylko w moim otoczeniu, wynika, że trzyma- nie się standardów IPC, powoduje zniknięcie wszelkich problemów na styku, projekt ? produkcja PCB ? montaż. Fot. 1. Paul Eisler ? ?ojciec? współczesnej technik PCB pomiarowego. W  technice pod tym wzglę- dem panuje bałagan, spowodowany tym, że w użyciu są dwa standardy: metryczny i ca- lowy. W  elektronice ta dwoistość i  przeko- nanie o słuszności jedynie systemu anglosa- skiego (calowego) stwarza sporo problemów i niejasności. Dlaczego przy projektowaniu PCB, pierwotnie stosowano system anglosaski [2][3][4][5][6] System metryczny jest rodzajem Espe- ranto wśród systemów pomiarowych. Został stworzony całkowicie sztucznie pod sam ko- niec XVIII wieku przy głównej inicjatywie Francuskiego Zgromadzenia Narodowego. Trzeba było czekać aż do 1875 roku, kiedy to 17 państw podpisało Konwencję Metryczną, mająca na celu ujednolicenie systemu miar na świecie. Zastosowanie jednego systemu miar na całym świecie ma oczywiste zalety, zwłaszcza dla krajów mocno uprzemysłowionych. Spo- śród uprzemysłowionych krajów, oficjalnemu wprowadzeniu systemu metrycznego najdłu- żej sprzeciwiała się Anglia ? aż do 2000 roku. 111ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Zastosowanie współczesnych standardów IPC też normy, zawierające zalecenia dotyczące prowadzenia sygnałów na płytach, rozmiesz- czania elementów... Odpowiedzi na pytania, które często pojawiają się na forach... Dlatego też, jeśli masz dostęp do odpowiedniej czytel- ni, gorąco zachęcam do jej odwiedzenia. Najważniejsze dla nas standardy IPC [9] Od roku 1987, gdy inżynier potrzebował informacji na temat wymiarów oraz prze- działów tolerancji footprintów, sięgał po nor- mę IPC-SM-782. Norma ta definiuje wygląd elementów PCB dla ogromnej ilości standar- to trudne do zaważenia, jednak ścieżki zostają wykrzywione. Zwykle takie przesuwanie koń- czy się ponownym poprowadzeniem ścieżki, gdzie uratuje nas opcja automatycznego przy- ciągania do punktu. Jednak jest to bardzo nie- efektywne podejście. W takiej sytuacji przejście na milimetry uprościłoby i przyspieszyło wykonanie pro- jektu. Trzymanie się miary anglosaskiej nie jest absolutnie uzasadnione żadnymi prak- tycznymi przesłankami. Spójrz na tab. 2. Ułatwi ona orientowanie się w milimetrach w chwili przyzwyczajania się do używania tej miary do projektowania płytek. Pomocna będzie też ramka o oriento- waniu się w odpowiednich zależnościach. Po co nam normy? Normy są czymś, co niewiele osób lubi przy pierwszym kontakcie. Kojarzą się często z  tekstami napisanymi specyficznym, bardzo trudnym językiem. Jednakże przez całe życie jesteśmy otaczani normami. A jako inżyniero- wie stajemy się ich aktywnymi użytkownika- mi. Po pewnym czasie, okazuje się, że normy nie utrudniają, ale ułatwiają życie i pracę. Otóż to dzięki normom istnieją śruby o określonych wymiarach. Dzięki normom obudowy rezy- storów, tranzystorów czy układów scalonych są takie same u różnych producentów. Dzięki normom bez trudu czytamy schemat kolegi z Niemiec, Francji, Włoch czy USA. Istnieją normy, które zmuszeni są poznać projektanci w  specyficznych dziedzinach. I  tak dla osoby pracującej nad sprzętem medycznym, podstawową biblią jest norma PN-EN 60601. Dla osoby, pracującej z urzą- dzeniami iskrobezpiecznymi, ważna będzie norma PN-EN  50020 oraz PN-EN  60079... Sęk w tym, że o ile przebicie się przez więk- szość norm w pierwszej chwili może wyda- wać się trudne, ich poznanie daje niezwykły komfort. To nie są tylko ustalenia, które ktoś wymyślił. To rzeczowa i  potężna wiedza, mówiąca jak zrobić coś dobrze. Na co zwró- cić wagę. Jak zabezpieczyć poszczególne obwody. Jakie stosować grubości ścieżek i odstępy między nimi. To coś, co ktoś inny sprawdził w  solidnym laboratorium. To in- formacje, które mówią, że gdy zrobimy urzą- dzenia według nich, będzie ono bezpieczne w określonym zastosowaniu. Oprócz norm, związanych z bezpieczeń- stwem, które musimy stosować, jeśli chcemy, aby nasze urządzenie zostało dopuszczone do obrotu na terenie Unii Europejskiej, istnieje szereg norm, których stosowanie jest dobro- wolne. Należą do nich właśnie normy IPC, które przedstawię za chwilę. Ich stosowanie po prostu zapewnia, że nie będziemy mieli problemów z  projektem na etapie przejścia od zaprojektowanego obwodu PCB do dzia- łającego urządzenia. Wszystko dzięki temu, że normy te uwzględniają wszystkie etapy procesu technologicznego. Znajdziemy tutaj bardzo ?nieprzyjemnych? liczb. Nóżki takiej obudowy, w  mierze milsowej nie dają się praktycznie utrzymać w sensownej siatce. Spójrz na rys.  2. Pokazuje on fragment jednej z  bardziej skomplikowanych płytek, które miałem okazję zaprojektować, wyko- rzystując milsy jako jednostkę. Płytka nie wygląda źle, ale zapewniam Cię, że takie wykonanie projektu jest bardzo uciążliwe. Trudności nie sprawia samo prowadzenie ścieżek ? tutaj wydajnie pomaga automa- tyczne przyciąganie ścieżek do padów. Przy- krości zaczynają się, gdy raz zaprojektowaną ścieżkę trzeba minimalnie przesunąć. Zobacz na rys.  3. Zawiera on zbliżenie płytki z  rys.  2, wraz z  wyświetloną siatką 10  mils. Jak widać, poza wyprowadzeniem pierwszym obudowy TQFP144, pozosta- łe nie trafiają w  siatkę. Nie trafiłyby także w siatkę 5 mils ani nawet 1 mils. Ze względu na pozycje padów, same ścież- ki, które są do nich doprowadzone, mają zupeł- nie niewyrównaną z siatką pozycję. Jeśli teraz okaże się, że taką ścieżkę chcemy przesunąć, zacznie dziać się coś zbliżonego do obrazka widocznego na rys. 4 i 5, na którym pokazano próbę najbliższego przesunięcia ze skokiem 5 oraz 1 mils. Na drugim z rysunków może być Rys. 2. Podgląd pewnej płytki SMD, zaprojektowanej ?w milsach? Rys. 3. Zbliżenie płytki, wykonanej w milsach, z siatką 10 mils Tab. 1. Zestawienie odstępów nóżek w  milsach i  milimetrach Odstępy między nóżkami obudów QFP 0,8 mm = 31,5 mils 0,65 mm = 25,6 mils 0,5 mm = 19,7 mils 0,4 mm = 17,75 mils 0,3 mm = 11,8 mils Rys. 4. Najbliższe pionowemu ustawienie ścieżki, dla skoku 5 mils Rys. 5. Najbliższe pionowemu ustawienie ścieżki, dla skoku 1 mils Tab. 2. Zestawienie najczęściej stoso- wanych grubości ścieżek mils mm 4 0,1 8 0,2 10 0,25 15 0,35 20 0,5 30 0,75 40 1 50 1,25 60 1,5 75 1,9 85 2,1 100 2,5 112 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Notanik konstruktora Standard IPC-SM-782 definiuje wygląd ele- mentów. Nie definiuje natomiast konkretnie ich nazw. W  roku 2005 pojawiła się norma IPC- 7351, będąca długo oczekiwanym następ- cą IPC-SM-782A. To nie tylko odświeżony standard footprintów dla nowych rodzin podzespołów. IPC-7351 wprowadziło zmia- nę w sposobie definiowania elementów. Po- szczególne wymiary zostały opisane równa- niami, zamiast sztywnego zdefiniowania po- szczególnych footprintów. Skategoryzowane i  zdefiniowane zostały wszystkie kluczowe elementy, aby stworzyć nową, przemysłową bibliotekę elementów PCB [10]. Gotowymi bibliotekami w  standardzie IPC-7351 mogą cieszyć się już użytkownicy Altium Designera 6.3 [11]. Niezależnie od używanego narzędzia projektowego, firma PCB Matrix posiada w  ofercie narzędzie ?IPC-7351 LP Wizard?. Umożliwia ono wygenerowanie stosownych bibliotek praktycznie dla wszystkich, liczą- cych się systemów projektowych. Paradoksalnie, IPC długo nie utworzy- ło normy footprintów dla elementów prze- wlekanych. Pewne informacje na ten temat pojawiają się w  normach IPC-2221 oraz IPC-2222 (a  wcześniej w  IPC-D-275). Są to jednak głównie informacje dotyczące odpo- wiedniego projektowania padów, stosunku wielkości miedzi do wielkości otworu, od- stępów termicznych czy zalecany dystans między otworem a warstwami zasilania (do- tyczy głównie płyt więcej niż dwu-warstwo- we). Dopiero norma IPC-7251 przedstawia konkretne opracowanie na temat footprin- tów THT. Pierwszy szkic normy IPC-7251 powstał w  połowie 2008 roku. Norma nie została jeszcze uchwalona i nie można jej za- kupić. Dostępny jest natomiast wspomniany pierwszy szkic, do pobrania na stronie www. ipc.org. Poza normami związanymi z  samy- mi footprintami, pojawiły się także i  roz- wijały normy dotyczące całego procesu projektowania i  produkcji płyt obwodów drukowanych. Od roku 1991 byłą to nor- ma IPC-D-275. Zastąpiona została w  1998 roku przez normy IPC-2221 oraz IPC-2222. Normę IPC-2221 (aktualnie już 2221A) po- lecam do przejrzenia każdemu, kto zabiera się za projektowanie bardziej skompliko- wanej płytki PCB. Zawiera ona dużą ilość zaleceń jak projektować obwód oraz jak prowadzić sygnały, jak rozmieszczać ele- menty, aby uzyskać prawidłowo działające urządzenie. Ramka na stronie 112 zawiera opis naj- ważniejszych dla nas standardów. Dwa pierwsze z wymienionych zostały już zastą- pione nowymi standardami. Nie znaczy to, że zawarte w nich informacje są nieaktualne. Po prostu powstały publikacje, które lepiej odpowiadają dzisiejszym potrzebom. dowych obudów SMD. Dokument ten został całkowicie odnowiony w 1993 roku. Powsta- ła wtedy rewizja A. Nowelizowany dwukrot- nie, w 1996 w celu wprowadzenia definicji nowych komponentów oraz 1999 w  celu wprowadzenia obudów BGA w podziałce do 1 mm. Twórcy dokumentu zmagali się wciąż z  pojawiającymi się dynamicznie, nowymi rodzinami obudów oraz wzrastającymi wy- maganiami odnośnie do gęstości upakowa- nia podzespołów [10]. Kiedy stosować milsy, a kiedy milimetry? Żadna skrajność nie jest dobra. Inżynierowie są od tego, aby myśleć i wybrać możliwie optymalną drogę rozwiązania problem. Jeśli wciąż projektujesz urządzenia, korzystając z obudów DIP i standardowego montażu THT i masz do tego rozbudowaną bibliotekę PCB, nie ma sensu na siłę przechodzić na system metryczny. Jednak w chwili, gdy projektujesz urządzenie, głównie w technologii SMT, w nowym projekcie dobrze zapomnieć o milsach. Z drugiej strony, jeśli projektujesz własną bibliotekę, albo chcesz wykorzystać bibliotekę dostępną we współczesnych programach, warto robić to od początku w milimetrach. Zauważ, że aby prawidłowo oddać w milimetrach odległości ?milsowe?, stosowane w istniejących obudowach, konieczna jest rozdzielczość do 0,01 mm, z czym każdy program sobie radzi. Aby w milsach oddać odległości ?milimetrowe? konieczne jest już stosowanie rozdzielczości 0,1 mils, przy czym i tak będzie to obarczone pewnym błędem. Zależności jednostek długości w systemie anglosaskim i metrycznym System metryczny i anglosaski rozwijały się całkowicie niezależnie. Z tego też powodu przeliczniki są ułamkami o dużej liczbie cyfr. Większość inżynierów wie, że 1 cal = 2,54 cm. Czyli 1 mils to 2,54 mm. Wielu elektroników przy przeliczaniu z milimetrów na cale, odruchowo powie, że 1mm to w przybliżeniu 39,4 mils. Dokładniej jednak: 1 mm = 39,37007874.... mils Orientowanie się w zależności między 0,05 mm a 1 mils Jednostkowy skok zaproponowany przez IPC wynosi 0,05 mm. Odpowiada to 1,9685 mils. Dla obliczenia odpowiednich grubości ścieżek, wielkości punktów lutowniczych i innych, podobnych wartości, niewymagających dużej dokładności, można śmiało przyjąć, że: 0,05 mm ? 2 mils Tak więc dobranie odpowiedniej grubości ścieżki, gdy do tej pory stosowaliśmy 30 mils, wymaga przemnożenia tej wartości przez 2,5 i podzielenie przez 100, aby otrzymać odpowiadającą jej wartość w milimetrach (0,75 mm). Ważniejsze, dla elektroników- projektantów, standardy IPC Zastąpione: IPC-D-275: Design Standard for Rigid Printed Boards and Rigid Printed Board Assemblies IPC-SM-782: Surface Mount Design and Land Pattern Standard Seria IPC-2220: IPC-2221 Generic Standard on Printed Board Design IPC-2222 Rigid organic printed board structure design IPC-2223 Flexible printed board structure design IPC-2224 Organic, PC card format, printed board structure design IPC-2225 Organic, MCM-L, printed board structure design IPC-2226 High Density Interconnect (HDI) structure design IPC-2227 Organic board design using discrete wiring Seria IPC-7350: IPC-7351 Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard IPC-7352 ? Discrete Components IPC-7353 ? Gullwing Leaded Components, Two Sides IPC-7354 ? J-Leaded Components, Two Sides IPC-7355 ? Gullwing Leaded Components, Four Sides IPC-7356 ? J-Leaded Components, Four Sides IPC-7357 ? Post (DIP) Leads, Two Sides IPC-7358 ? Area Array Components (BGA, FBGA, CGA) IPC-7359 ? No Lead Components (QFN, SON, LCC) Seria IPC-7250 (szkic standardu): IPC-7251 Generic Requirements for Through-Hole Design and Land Pattern Standard IPC-7252 Discrete Components (Axial and Radial Leaded Components) IPC-7253 Dual-in-Line Package (DIP) IPC-7254 Three Leaded Semiconductor IPC-7255 Pin Grid Array IPC-7256 Unique Multiple Function Parts IPC-7257 Connectors and Headers IPC-7258 Single Inline Package (SIP) Resistor Networks IPC-7259 Mounting Hardware Kolejne standardy są zestawione w serie. Zapis IPC-2220 oznacza serię dokumentów. Nie istnieje publikacja o takiej nazwie! Ogól- ny opis standardu znajduje się w publikacji IPC-2221. W kolejnych publikacjach znajdu- ją się normy szczegółowe. Troszkę inaczej ma się sprawa z  doku- mentami dotyczącymi obudów. Tutaj także publikacja IPC-7x51 to główny dokument. Jednak dalsze numery norm nie oznacza- ją kolejnych publikacji! Numery te zostały wprowadzone tylko w  celach klasyfikacyj- nych. Wszystkie one są opisane w publikacji IPC-7x51. Podsumowując, dobrze byłoby poznać przynajmniej następujące publikacje: Biblioteki zgodne ze standardem IPC- SM-782 są dołączone chociażby do wciąż popularnego w  Polsce pakietu Protel 99SE. 113ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Zastosowanie współczesnych standardów IPC Poziomy gęstości, wykorzystane w normie IPC-7351 [10] Poziom gęstości A ? Maksymalna wielkość footprintu (Most, Maksimum): Poziom typowy dla aplikacji przenośnych/ ręcznych, narażonych na duże wstrząsy i wibracje. Footprinty mają spory nadmiar miejsca, pady są duże. Oprócz większej wytrzymałości mechanicznej, sprawia to, że elementy mogą być łatwo przelutowane jeśli pojawi się taka konieczność. Poziom gęstości B ? Średnia wielkość footprintu (Nominal): Poziom właściwy dla projektów o średnim poziomie upakowania elementów, jednocześnie zapewniający mocne połączenia lutownicze. Poziom gęstości C ? Minimalna wielkość footprintu (Least): Poziom dla urządzeń miniaturowych. Footprinty posiadają najmniejsze pady lutownicze. Umożliwia to osiągnięcie największego upakowania elementów. Ilustracje na podstawie elementu RESC2012X50, wygenerowanego przy pomocy programu PCB Matrix LP Viewer versja 2009.20.0. Rys. 6. Warstwy, z jakich składa się footprint elementu (poza warstwami padów). Pod- gląd na przykładzie elementu DIOMELF3520N, wygenerowany przy pomocy programu PCB Matrix LP Viewer versja 2009.20.0 firmy mającej odpowiednie zaplecze techno- logiczne. Kształty elementów To, co nas chyba najbardziej interesuje, czyli zdefiniowane normą kształty footprin- tów. Każdy footprint składa się z odpowied- nio rozmieszczonych padów, które zostaną omówione w oddzielnym podrozdziale, oraz dodatkowych warstw przedstawionych na rys. 6. Wszystkie elementy wyrównane są tak, że ich punkt odniesienia (punkt zerowy) znajdu- je się w centralnym punkcie obudowy. Poniżej znajduje się opis używanych przez elementy warstw: Placement Courtyard. W  dosłownym tłumaczeniu: ?dziedziniec lokowania?. Dzie- dziniec, czyli wyodrębniona wolna prze- strzeń. W  warstwie tej znajduje się obrys maksymalnej przestrzeni zajmowanej przez element. Żaden inny element nie powinien pokrywać się z  obrysem innego elementu w  tej warstwie. Obrys ten opracowany jest tak, aby elementy nie kolidowały ze sobą. Uwzględnia on także dokładność procesu produkcyjnego oraz możliwości automatów kładących elementy. Standardowo w warstwie tej obrys wyko- nuje się linią o grubości 0,05 mm. Dla wygo- dy umieszcza się także znak krzyża w cen- tralnym punkcie elementu. Silkscreen Outlines. Jest to warstwa opisu. W zasadzie ma znaczenie jedynie ko- smetyczne i  nie jest wymagana w  procesie produkcyjnym. Warstwa opisowa jest jednak pomocna przy ręcznym montażu elementów. Opis wykonujemy standardowo linią o grubości 0,2 mm. Ważne jest zachowanie minimalnego odstępu linii opisu od odkrytej warstwy miedzi. Wymagany odstęp jest za- leżny od wybranej wielkości footprintu ? zo- stało to przedstawione w tab. 3. Ciekawą informacją jest fakt, że elek- tronika wysyłana w  przestrzeń kosmiczną nie ma warstwy opisowej na płytach PCB ze względu na redukcję wagi gotowego urzą- dzenia [1]. Assembly Drawing Outlines. Zawie- ra rysunek montażowy elementów. W  tej warstwie opis powinien obejmować mak- symalny obszar zajmowany przez rzeczy- wisty komponent. Inaczej niż w przypadku warstwy opisowej, w tym przypadku nie ma konieczności unikania odkrytych pól miedzi. ? IPC-2221A: Ogólne standardy dotyczące płytek PCB, ? IPC-2222: Wymagania szczegółowe doty- czące sztywnych płyt PCB, ? IPC-7351A: Opis wymagań dotyczących footprintów PCB dla elementów SMD, ? IPC-7251 (szkic): Opis wymagań doty- czących footprintów PCB dla elementów THT. Co określają standardy IPC Dołączone narzędzie do przeglądania do- kumentacji gotowych footprintów Na samym początku normy IPC-7351 znajdziemy informację o  tym, że jest ona uzupełniania przez program IPC-7351 Land Pattern viewer. Narzędzie to można pobrać ze strony www.PCBMatrix.com. 3 poziomy upakowania Norma IPC-SM-782 definiowała dla każdego elementu pojedynczy, zalecany fo- otprint. Zastępujący go standard IPC-7351 wprowadza trzy różne klasy footprintów dla każdego elementu. Klasy te różnie oznacza- ne, mają swoje przeznaczenie do różnego typu urządzeń. Ich znaczenie wyjaśnia od- powiednia ramka. Klasa B (Nominal) sprawdza się znako- micie w  większości projektów. Footprinty w  tej klasie dają lutować się zarówno za pomocą fali lutowniczej, jak i metodą roz- pływową. Przy dysponowaniu minimum sprzętu, możliwy jest także ich bezproble- mowy, ręczny montaż. Niemniej jednak przy wyborze klasy footprintów dla danego projektu, należy kierować się wskazaniami normy. Należy zdawać sobie także sprawę, że za- stosowanie większego poziomu gęstości wy- maga dokładniejszego procesu produkcyjne- go i zastosowanie najmniejszych footprintów może wiązać się z  koniecznością szukania 114 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Notanik konstruktora Ważne jest, aby pokrywała się ona z kształtem padu zdefiniowanego w warstwie maski lutow- niczej. Producent wykonuje odpowiednią ma- trycę z uwzględnieniem wykorzystanej techno- logii, tak aby zminimalizować końcowe błędy nakładania pasty. Jakiekolwiek modyfikacje przy pojedynczych elementach (na przykład BGA) mogą spowodować późniejsze problemy w czasie nakładania pasty lub lutowania. Sprawa komplikuje się nieznacznie w przy- padku dużych padów, z jakimi mamy do czy- nienia na przykład w przypadku obudów QFN lub QFP posiadających środkowe wyprowa- dzenie radiatora. Położenie pasty lutowniczej na całym obszarze padu radiatora może spowo- dować, że lutowany układ zostanie uniesiony przez roztopione lutowie. Przy takich padach, stosujemy zwykle redukcję powierzchni maski pasty lutowniczej. Ideę przedstawia rys. 9. Pady do montażu przewlekanego. Pady do montażu przewlekanego z racji posiadanego otworu wymagają znacznie bardziej skompli- kowanego opisu. Pad lutowniczy do technolo- gii przewlekanej składa się zwykle z następują- cych elementów: ? Top Solder Mask ? Top Pad ? Inner Layer Pad ? Plane Anti-pad ? Plane Thermal Relief ? Bottom Pad ? Bottom Solder Mask ? Drilled Hole Top/Bottom/Inner Layer Pad. Warstwy obszaru miedzi padu, odpowiednio: górny/dol- ny/wewnętrzny (dotyczy płyt wielowarstwo- wych). Najczęściej, dany pad, we wszystkich warstwach miedzi ma ten sam kształt i wymia- ry. W  przypadku warstw wewnętrznych, pad pojawia się w nich tylko jeśli posiada połącze- nie elektryczne ze ścieżką w  danej warstwie sygnałowej. Średnica samego padu musi być odpowiednio większa niż średnica wierconego otworu. Minimalny wymiar pierścienia miedzi naokoło otworu, zależnie od klasy footprintu, przedstawia tab. 4. Uwaga: Warstwy Top/Bottom jako widocz- ne na zewnątrz, są oznaczane czasem w opi- sach jako Mounted. ? elementy z dwoma rzędami wyprowadzeń: Pin 1 po lewej, u góry; ? elementy z wyrodzeniami po czterech stro- nach: ? posiadające pin pierwszy w rogu: Pin 1 po lewej, u góry; ? posiadające pin pierwszy umieszczony centralnie: Pin 1 na środku, u góry. Na szczególną uwagę zasługują w  tym miejscu wszelkie diody. Osobiście przyzwycza- iłem się, że pin 1 jest anodą diody, a pin 2 jest jej katodą. Taki też miały format stare biblioteki programu Protel. Standard IPC-7350 definiuje jednak, że nóżka oznaczona numerem 1 jest katodą diody. Kształty padów Jak wspomniano wyżej, definicja foot- printu elementu, składa się między innymi z  padów. Kształt oraz rozmieszczenie padów należą prawdopodobnie do najważniejszych informacji o footprincie w chwili wykonywania projektu PCB. Normy IPC przewidują dwa typy padów: do montażu powierzchniowego oraz przewlekanego: Pady do montażu powierzchniowego. Pady do montażu powierzchniowego mają bar- dzo prostą konstrukcję. W  zasadzie składają się z trzech elementów: Top Pad; Solder Mask; Solder Paste. Top Pad. Warstwa obszaru miedzi danego padu. W programie projektowym będzie to po prostu ta górna warstwa elektryczna. Solder Mask. Warstwa maski lutowni- czej. W bibliotece powinna pokrywać się ona 1:1 z  warstwą obszaru miedzi samego padu. Domyślnie to producent płyt drukowanych zajmie się rozszerzeniem tej warstwy zależnie od wykorzystywanej technologii oraz wymagań projektowych. Jeśli projekt ma ustawioną mini- malną odległość między ścieżkami na 0,3 mm, wtedy producent płytek może rozszerzyć od- kryte warstwy miedzi bardziej, niż gdy reguła ta jest ustawiona na 0,1 mm. Dawniej sztywną regułą było, że producent nie modyfikuje w żaden sposób otrzymanych plików wykonawczych. Jednakże dzisiaj pro- ducenci często dysponują bardziej zaawanso- wanymi narzędziami sprawdzania reguł pro- jektowych niż sami projektanci. Można więc śmiało pozwolić producentowi na wprowadze- nie odpowiedniej modyfikacji, zamiast próbo- wać zgadywać, jakie są jego wymagania [1]. Solder Paste. Warstwa służąca do wykona- nia matrycy do nakładania pasty lutowniczej. Rysunek generowany na podstawie warstwy montażowej jest dostarczany jedynie do za- kładu zajmującego się montażem i  nie jest w żaden sposób umieszczany na płytce dru- kowanej. Przyzwyczailiśmy się często, że ?rysu- nek montażowy?, na przykład pojawiający się w artykułach publikowanych w Elektro- nice Praktycznej, przedstawia warstwę opi- su elementów. Jednak wykorzystanie w tym celu warstwy montażowej, umożliwia wy- generowanie znacznie bardziej czytelnego i eleganckiego rysunku montażowego. Orientacja elementów (obrót zerowy) Norma IPC-7350 wprowadziła jasno zde- finiowaną orientację elementów. Orientacja taka została określona w  dokumentacji jako Zero Orientation. W  czym jednak tkwi pro- blem orientacji elementów? Sprawa jest istotna przy montażu automatycznym. Na podstawie projektu, generujemy plik dla automatu Pic- k&Place. Plik ten zawiera informacje o pozycji elementu (względem punktu odniesienia oraz centralnego punktu elementu) oraz jego obro- cie. Obrót ten jest określony względem zorien- towania elementu w bibliotece. Pozycja, w ja- kiej element został umieszczony w bibliotece, jest oznaczona jako kąt 0°. Oczywiste jest, że nie posiadając żadnego standardu, element możemy zorientować na 4 różne sposoby. Ilustruje to rys. 7. Można się uprzeć, że element można zorientować pod do- wolnym kątem. Jednak stosowanie w bibliotece elementów orientacji innej niż wielokrotność kąta prostego, to spora ekstrawagancja, która może być w przyszłości źródłem masy proble- mów. W rzeczywistych bibliotekach spotkamy najczęściej dwie pierwsze sytuacje z rys. 7. Problem z  brakiem standardu orientacji jest taki, że informacja o  obrocie elementu w pliku Pick&Place jest sama w sobie bezuży- teczna. Konieczna jest ingerencja człowieka, który zobaczy, jak elementy zostały rzeczywi- ście zorientowane i na tej podstawie skoryguje dane zawarte w pliku. Dopiero teraz plik może być wykorzystany przez maszynę. Przy spo- rych projektach może być to praca dość żmud- na, a  do tego rośnie możliwość popełnienia błędu, na który jako projektanci nie mamy już wpływu. Rozwiązaniem jest jednak zastosowa- nie standardowej pozycji, w jakiej orientowane będą nasze elementy. W takim przypadku wy- generowany przez nas plik do automatu Pic- k&Place może być automatycznie skorygowany na potrzeby konkretnej maszyny. Orientacja elementów według IPC-7x50, z  podziałem na poszczególne grupy elemen- tów, została opisana w dokumentacji dostepnej na tronie www.pcbmatrix.com [13]. Wszystkie zebrane tam tabelki dają sprowadzić się do pro- stych zasad: ? elementy dwuwyprowadzeniowe: Pin 1 po lewej stronie; Rys. 7. Przykład możliwych orientacji elementu w bibliotece Tab. 3. Wymagany odstęp linii opisu od odsłoniętej warstwy miedzi zależ- nie od wybranej wielkości footprintu Maximum Nominal Minimum 0,4 mm 0,3 mm 0,25 mm 115ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Zastosowanie współczesnych standardów IPC zgodnych z IPC mają będą określone jako 1608, 2012, 3216. Aby więc na początku sprawnie korzystać z  nowego standardu nazewnictwa, proponuję wydrukowanie tab. 5, zawierającej zestawienie oznaczeń metrycznych z anglosa- skimi. Zwróć uwagę, że elementy 0603 i  0402 istnieją zarówno w  mierze anglosaskiej, jak i metrycznej. Co prawda elementy o rozmiarze poniżej 0402 (oznaczenie anglosaskie), nawet jeśli są produkowane, to nie są dostępne jesz- cze na rynku, jednak to pokrywanie się nazw może wprowadzić w przyszłości zamieszanie. Zgodnie ze wspomnianym wyżej doku- mentem [13], oznaczenie popularnego rezy- stora SMD (z  angielskiego nazywany Chip Resistor, co wyjaśnia przyjęte oznaczenie) tworzy się następująco: RESC + Body Length + Body Width X Height Przykładowo, standardowe rezystory SMD0805 firmy YAEGO, miałyby footprint o oznaczeniu: RESC2012X50 W  przypadku wszystkich elementów typu kondensatory, rezystory, cewki, dłu- gość i szerokość są zapisane w formie dwóch cyfr, z dokładnością do jednego miejsca po przecinku i  z  zachowaniem zer nieznaczą- cych. Wysokość zawsze podawana jest z do- kładnością do dwóch miejsc po przecinku, jednak nie zachowujemy zera nieznaczą- cego (wysokość 0,50  mm ? 50; wysokość 1,2 mm ? 120). Minimalnie inne zasady zapisywania wy- miarów dotyczą pozostałych elementów. Zo- baczmy, na przykład, jak opiszemy obudowę TQFP procesora ATmega8 firmy ATMEL: łączące pad z powierzchnią zasi- lania. Szerokość ścieżek wynosi zwykle 1/4 średnicy zewnętrznej dla 4 ścieżek lub 1/3 dla 2. Prefe- rowane jest rozwiązanie z  4 do- prowadzeniami umieszczonymi pod kątem 45°. Omawiany tutaj parametr do- tyczy płaszczyzn zasilania i różni się nieznacznie od tego jak wy- gląda przyłączenie do płaszczy- zny w warstwach zewnętrznych. Różnica polega głównie na tym, że w  warstwach zewnętrznych wymiarem wewnętrznym ?odcią- żenia? jest wymiar samego padu. Parametr Thermal Relief oraz Anti-pad jest obsługiwany różnie w  różnych programach. Przykładowo w programach Protel czy Altium Designer, definiujemy je dla wszystkich padów w  regułach projektowych. Możemy uzyskać pewne rozróżnienie dla padów o różnych wiel- kościach, zapisując odpowiednio reguły wa- runkowe. Program Cadstar umożliwia zdefinio- wanie tych parametrów zarówno globalnie, jak i specyfikację dla danego kształtu padu. Drilled Hole. Wielkość otworu. Jako pro- jektanci posługujemy się zwykle wielkością wykończonego otworu (FHS ? Finished Hole Size). Warto jednak zdawać sobie sprawę z fak- tu, że wykonując płytę wielowarstwową, otwór jest wiercony większym wiertłem ze względu na późniejszą metalizację. Wielkość wiercone- go otworu w  takim przypadku jest zwykle o 0,1 mm większa od wielkości otworu wykoń- czonego. Uporządkowany system nazewnictwa Normy IPC-7x51 definiują sposób nazy- wania elementów. Wypisanie wszystkich stan- dardowych nazw zajęłoby dużą ilość miejsca. Dokładne opisy standardowych nazw można znaleźć w  danych znajdujących się na stro- nie firmy PCBMatrix. Nazwa artykułu, który należy znaleźć, brzmi ?IPC-7x51 Land Pattern Naming Convention? [13]. Opracowania na ten temat można zresztą znaleźć także w wielu in- nych materiałach. Aby poprawnie interpretować nazwy, mu- simy zdawać sobie sprawę z faktu, że wszyst- kie wymiary podawane są w  systemie me- trycznym. Ma to swoje odwzorowanie w na- zewnictwie obudów. Przykładowo, popularnie stosowane określenia na obudowy rezystorów SMD jako 0603, 0805, 1206, w  bibliotekach Top/Bottom Solder Mask. Zasady opisa- ne w przypadku padów SMT mają takie samo zastosowanie w przypadku warstwy maski lu- towniczej do padów THT. Plane Anti-pad. Plane Anti-pad to element opisu padu, z którym do czynienia mają osoby wykonujące płytki mające wewnętrzne płasz- czyzny zasilania. Sprawa zaczyna mieć znacze- nie dla płytek 3 i więcej warstwowych. Rys. 8 pokazuje przekrój przez wewnętrz- ną płaszczyznę zasilania płytki wielowarstwo- wej. Jak widać pad, który nie ma połączenia z daną płaszczyzną zasilania, w płaszczyźnie tej w ogóle się nie pojawia. W przekroju widać jedynie warstwę metalizacji otworu. Plane Anti-pad to parametr określający, jaka będzie średnica obszaru wolnego od mie- dzi w warstwie zasilania naokoło otworu dane- go padu. Niezależnie od kształtu punktu lutow- niczego, anti-pad jest zawsze okrągły. Rozmiar tego parametru to specyficzny kompromis. Anti-pad oznacza obszar wolny od miedzi w warstwie płaszczyzny zasilania/masy. Już sam ten fakt powoduje minimalne zwięk- szenie zakłóceń generowanych przez pracują- ce urządzenie. Jednak w przypadku wysokich częstotliwości pracy, kwestia minimalizowania pustych pól w płaszczyznach zasilania staje się jeszcze ważniejsza, co wyjaśnia odpowiednia ramka. Z  drugiej strony, dla producenta PCB im Anti-pad mniejszy, tym wymagana jest większa dokładność wiercenia otworów. Minimalną wielkość odsłoniętego obszaru, podstawia tab. 4. Należy jednak pamiętać, że określa ona minimalne odległości, jakie stosu- jemy w typowych urządzeniach. W typowych przypadkach tych wielkości nie należy niepo- trzebnie zwiększać ponad wyznaczone mini- mum ? upraszczając: im mniej miedzi zabie- ramy, tym lepiej. Jednak zupełnie oddzielnie należy rozpatrywać przypadki padów wysoko- napięciowych, gdzie wymagane odstępy defi- niuje się na podstawie wymaganej wytrzyma- łości elektrycznej i są one określone w innych normach. Plane Thermal Relief. Spójrz ponownie na rys. 8. Widać na nim typowy kształt ?odciąże- nia termicznego?. Typowo, wymiar zewnętrzny jest równy średnicy opisanego wyżej Anti-pad. Wymiar wewnętrzny wynosi 80% wymiaru ze- wnętrznego. Mogą występować 2 lub 4 ścieżki Rys. 8. Redukcja warstwy pasty lutowniczej w przypadku dużego padu2 Rys. 9. Wygląd padów na jednej z płaszczyzn zasilania. Obrazek na podstawie ilustracji pochodzących z programu Altium Designer 2004 Tab. 4. Minimalne parametry padów, według normy IPC7251 Parametr Poziom gęstości Komentarz A B C Współczynnik wielkości otworu 0,25 0,20 0,15 Wartość dodawana do maksymalnej średnicy wyprowadzenia elementu Wielkość padu 0,50 0,35 0,30 Wartość dodawana do średnicy otworu Anti-Pad 1,00 0,70 0,50 Wartość dodawana do średnicy otworu 116 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Notanik konstruktora e naszej obudowy i wynosi 0,80 mm. Wszelkie skoki w nazwach zapisujemy jako dwie cyfry dziesiętne po przecinku. W tym przypadku 80. Lead Span to dystans między wyprowadze- niami. Odpowiada to więc parametrom D oraz E. Parametr ten zapisujemy z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku. Zapiszemy więc 900. Gdyby obudowa nie była kwadratowa, naj- pierw piszemy zwykle mniejszy wymiar. Ostatni parametr, czyli wysokość, w  na- szym przypadku jest ona oznaczona symbolem A1 i wynosi 1 mm. Zapisujemy więc pełny sym- bol wybranej przez nas obudowy: TQFP80P900X900X100-32 Zwracam uwagę, na pewien fakt, który ponownie wprowadza nieco zamieszania: wśród producentów przyjęło się opisywać roz- miary obudowy po rozmiarze jej ?ciała?, przez co rozumiem plastikową część. Dla obudowy z rys. 10 są to wymiary E1 i D1. W samej doku- mentacji mikrokontrolera ATmega8, obudowa ta została określona jako ?32-lead, 7 x 7 mm Body Size, 1.0 mm Body Thickness...?. Jednak w  nazwie obudowy według standardu IPC korzystamy z odległości między końcówkami wyprowadzeń, która ma większą wartość. Pa- miętaj o tym aby nie wpaść w pułapkę poszu- kiwania odpowiedniej obudowy pod nieprawi- dłową nazwą. Oprócz samego rdzenia nazwy, każdy foot- print ma odpowiedni przyrostek oznaczający dla jakiej gęstości upakowania został przysto- sowany: ? M: Most Material Condition (Level A) ? N: Nominal Material Condition (Level B) ? L: Least Material Condition (Level C) Tak więc, przykładowo pełna nazwa nomi- nalnej obudowy naszego procesora będzie wy- glądać następująco: TQFP80P900X900X100-32N Natomiast pełna nazwa naszego rezystora to: RESC2012X50N W nazewnictwie klas gęstości upakowania występuje pewna różnica dla elementów SMD (IPC7351) i elementów THD (IPC7251). W przy- padku elementów THD stosuje się przyrostki A, B i C. I tak oznaczenie: RESAD800W52L600D150B Thermal relief ? ?odciążenie termicz- ne?. Do czego to służy? W swojej praktyce współpracy z często młodymi projektantami, spotkałem się już wielokrotnie z niezrozumieniem sensu takiego podłączania padów do występują- cych płaszczyzn. Zdarzyło mi się już widzieć ?zmuszanie? programu to zlania padu z po- wierzchnią. Zwykle nie jest do dobry pomysł. Jedynie konieczność zapewnienia chłodzenia elementu uzasadnia takie działanie. Jednak zawsze utrudnia ono a czasem wręcz unie- możliwia prawidłowy montaż. Dla niektórych jest to sprawa oczywista. Znajdą się jednak na pewno młodzi czytel- nicy, którzy chcieliby zobaczyć wyjaśnienie. Tak więc wprowadzenie odciążenia nie ma dużego znaczenia dla pracującego układu. Wręcz minimalnie pogarsza jego parametry. Jest ono wprowadzone praktycznie w celu ułatwienia montażu. Duża powierzchnia znakomicie odprowadza ciepło lutownicy/ fali, uniemożliwiając prawidłowe nagrzanie wyprowadzenia elementu. Wprowadzenie termicznego oddzielenia padu od płasz- czyzny umożliwia prawidłowy montaż bez konieczności nagrzewania całej, sporej powierzchni. W praktyce szerokości ?szpilek? łączących pad z powierzchnią mogą być dużo mniej- sze niż wyliczone dla danych prądów. Szpilki te mają bardzo małą długość, podłączone są do dużych powierzchni, tak więc nie ma ryzyka ich nagrzewania się. Uwaga odnośnie wielkości padów według normy Trzeba zdawać sobie koniecznie sprawę, że minimalne parametry padów zostały opracowane dla płyt przynajmniej dwuwar- stwowych oraz z założeniem wykorzystania profesjonalnego sprzętu do montażu. Obliczmy przykładowo wymiary padu dla układu scalonego dla gęstości B: Zwykle szerokość wyprowadzenia układu to 0,6 mm. Oznacza to wielkość otworu 0,8 mm. Wielkość padu 1,15 mm. Ponieważ wielu czytelników posługuje się milsami i tę wielkość ?czuje?, zróbmy szybkie przeli- czenie: wielkość otworu 32 mils, wielkość padu 45 mils. Nie ma absolutnie szans prawidłowo polutować takie pady lutownicą transformatorową. Minimum to średniej klasy stacja lutownicza ze stabilizacją tem- peratury. Inną sprawą jest, że pady takie zapewniają właściwe trzymanie elementu tylko dla płyt dwu i więcej warstwowych. Chodzi o konieczność występowania metalizacji we- wnątrz otworów. Dzięki temu cyna wpływa do wnętrza otworu. W prawidłowo wykona- nym lutowaniu, cyna powinna spenetrować otwór przynajmniej do 3/4 głębokości. Pamiętajmy, że norma określa wielkości minimalne padów. Zachęcam do zajrzenia do wykonanych w formie arkusza kalkulacyj- nego spisów zalecanych padów, dostępnych na stronie firmy PCB Matrix [12]. Propo- nowane pady są tam jednak minimalnie większe. Dlaczego minimalizować obszary wolne od między w warstwie zasilania [1][7] W przypadku projektowania obwodów pracujących z wysokimi częstotliwościa- mi, większość połączeń musi traktowana być jako linie długie. W takim przypadku ważne staje się prowadzenie ścieżek o stałej i znanej impedancji. Impedancja taka daje się łatwo wyznaczyć w przypadku, jeśli ścieżka jest prowadzona tak, że całkowicie leży nad płaszczyzną odniesienia (masa albo płaszczyzna zasilania). W takim przypadku impedancja daje się policzyć jako funkcja grubości metalizacji, szerokości ścieżki oraz parametrów samego laminatu. Problem za- czyna się jednak, jeśli płaszczyzna odniesie- nia, nad którą umieszczona została ścieżka, nie jest ciągła. W takim miejscu impedancja linii przybiera inną wartość. W praktyce oznacza to powstawanie niepożądanych odbić sygnału, co może doprowadzić do nieprawidłowej pracy układu. Problem schematycznie ilustruje obrazek w ramce. W tej chwili staje się zrozumiałe, że zwiększanie obszaru anti-pad, co prawda ułatwia producentowi wykonanie płytki, jednak jednocześnie utrudnia projektowanie przebiegu ścieżek prowadzących sygnały o dużej częstotliwości. Obszar zmienionej impedancji Stała impedancja na całej długości TQFP + Pitch P + Lead Span L1 X Lead Span L2 Nominal X Height ? Pin Qty W  pierwszej chwili wygląda to trochę strasznie, ale po nabraniu odpowiednich nawy- ków, posługiwanie się takimi ciągami staje się całkiem naturalne. Zobaczmy na rys.? 10 poka- zujący fragment dokumentacji procesora ATme- ga8, opisujący jego obudowę TQFP. Wypisany we wzorze nazwy Pitch oznacza ?skok? (jak na przykład skok śruby; nie ma nic wspólnego ze ?skakaniem?). Odpowiada on więc parametrowi Jest to oznaczenie footprintu standardowe- go rezystora, o odstępie między wyprowadze- niami równym 8 mm, średnicy wyprowadzeń 0,52 mm, długości samego ciała elementu 6 mm Tab. 5. Zestawienie oznaczeń anglosaskich oraz metrycznych rezystorów SMT Ozna- czenie calowe Ozna- czenie metryczne Wymiar w calach Wymiar w milimetrach Typowa moc w watach 01005 0402 0,016? × 0,008? 0,400 mm × 0,200 mm 1/32 0201 0603 0,024? × 0,012? 0,600 mm × 0,300 mm 1/20 0402 1005 0,040? × 0,020? 1,000 mm × 0,500 mm 1/16 0603 1608 0,063? × 0,031? 1,600 mm × 0,800 mm 1/16 0805 2012 0,080? × 0,050? 2,000 mm × 1,250 mm 1/10 lub 1/8 1206 3216 0,126? × 0,063? 3,200 mm × 1,600 mm 1/4 1210 3225 0,126? × 0,100? 3,200 mm × 2,500 mm 1/2 1806 4516 0,177? × 0,063? 4,500 mm × 1,600 mm 1/2 1812 4532 0,180? × 0,120? 4,500 mm × 3,200 mm 1/2 2010 5025 0,200? × 0,100? 5,000 mm × 2,500 mm 1/2 2512 6332 0,250? × 0,120? 6,350 mm × 3,200 mm 1 117ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2010 Zastosowanie współczesnych standardów IPC współczesnym świecie? Energetyka, maj 2004, www.elektroenergetyka.pl. [6] Gary P. Carver ?A Capsule History of the Metric System? National Institute of Standards and Technology www.pcbmatrix.com. [7] Tom Hausherr. ?The Universal PCB Design Grid System? PCBMatrix www.pcbmatrix.com. [8] ?About IPC? www.ipc.com. [9] ?IPC Publications Catalog? www.ipc.org/onlinestore. i średnicy 1,5 mm. Przyrostek B oznacza foot- print w klasie B ? Nominalnej. Sam sposób tworzenia nazw powinien być już zrozumiały. Po dokładne informacje dotyczące poszczególnych rodzin footprin- tów odsyłam ponownie do dokumentacji [13]. Jej opanowanie wymaga kilku chwil, ale nie należy do skomplikowanych. Dokumentacja zawiera także definicje footprintów o różnych nietypowych parametrach (brakujące niektó- re piny, odwrotna numeracja...). Oznaczenia te będą stosowane raczej tylko w  specyficz- nych sytuacjach. Radosław Koppel www.k-el.pl Literatura: [1] Tom Hausherr. ?The CAD Library of the Future? PCBMatrix 28 Feb. 2006 www.pcbmatrix.com. [2] Peter Brownlee ?Tracking the story of the PCB ? part one?, 9 Mar. 2007 www.electroline.com. [3] Peter Brownlee. ?Tracking the story of the PCB ? part 2?, 10 Apr. 2007 www.electroline.com. [4] Ford, David; Chris Cavette. ?Printed Circuit Board.? How Products Are Made. Gale Research Inc. 1996. Encyclopedia.com. 8 Dec. 2009 www.encyclopedia.com. [5] Jan Norwisz, Wojciech Sokolski. ?Anglosaski system jednostek miar we Rys. 10. Dane obudowy TQFP32 z dokumentacji procesora ATmega8 [10] ?IPC Land Pattern Generation Leaps Forward? IPC Review, Jan. 2005 www.landpatterns.ipc.org. [11] ?What?s New in Altium Designer 6.3? Article AR0138 (v1.0) Jun 20, 2006 www.altium.com. [12] ?IPC-7251 Padstack Charts? www.pcbmatrix.com. [13] (Zbiorcze opracowanie PCB Matrix, bez nazwisk) ?IPC-7x51 Land Pattern Naming Convention? PCBMatrix 19 Nov. 2009 www.pcbmatrix.com. R E K L A M A
Artykuł ukazał się w
Czerwiec 2010
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio październik 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów