Współpraca projektanta PCB z wykonawcami. Zastosowanie współczesnych standardów IPC. cz. 2

76 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Notanik konstruktora Dodatkowe materiały na CD i FTP Uporządkowany system nazewnictwa padów Osoby, które miały doświadczenie głów- nie z systemami projektowymi firmy Altium, mogą być zaskoczone faktem, że norma IPC- 7351 wprowadza także system nazewnictwa dla różnych kształtów padów. W  systemie Altium nie istnieje coś takiego jak określone i nazwane pady. Pad definiujemy oddzielnie w  każdym elemencie. Jednak przykładowo, w programie takim jak Cadstar, pad wybie- ramy z  listy, którą definiujemy oddzielnie. W takim przypadku przyjęcie jasno zdefinio- wanego sposobu ich nazywania upraszcza pracę. Pełny opis tworzenia oznaczeń dla dowol- nych padów znaleźć można w dokumencie na stronie firmy PCB Matrix [15]. Tak czy inaczej, podstawowa znajomość przyjętej konwencji pomaga posługiwać się oprogramowaniem firmy PCB Matrix. Tutaj zamieszczam jedynie najbardziej niezbędne informacje. Przykłado- wa nazwa okrągłego padu, z otworem 0,8 mm i o rozmiarze padu 1,4 mm: c140h80 Zwracam uwagę, że oznaczenie jest wy- konane za pomocą małych liter, co od razu odróżnia nazwę padu od nazwy całego foot- printu. Wszystkie wymiary podane są z do- kładnością do dwóch miejsc po przecinku. Jeszcze dwa przykłady: Pad prostokątny 3×2  mm z  otworem 1 mm: r300_200h100 Pad kwadratowy 1×1  mm bez otworu: s100 Podłużny pad, z zaokrąglonymi krótszy- mi brzegami (stosowany często w SMD, ?roz- ciągnięty okrągły?) 1,5×0,8 mm: b150_80 Darmowe narzędzia Podstawowym dostawcą narzędzi zwią- zanych z omawianymi standardami IPC jest firma PCB Matrix. Ich flagowym pro- duktem jest na- rzędzie LP Wizard (LP ? Land Pattern). Narzędzie to umoż- liwia automatyczne generowanie całych bibliotek dla szero- kiej gamy dostępne- go oprogramowania EDA. W  praktyce jednak, ze względu na politykę licen- cyjną firmy, któ- ra jest omówiona w  ramce na temat PCB Matrix, zdania projektantów od- nośnie do sensow- ności zakupu tego narzędzia są dość sceptyczne. Zakup tego programu roz- ważą raczej duże firmy, w  których wydatek kilku ty- sięcy dolarów jest uzasadniony, jeśli pozwala oszczędzić kilka, kilkanaście godzin pracy pro- jektanta. Niemniej jednak firma udo- stępnia nieodpłat- nie znakomite narzędzia, które zdobywają bardzo pochlebne opinie. Narzędzie LP Viewer. Program LP Vie- wer można ściągnąć bezpośrednio ze stro- ny PCB Matrix. Nie jest do tego wymagana żadna rejestracja i  sam proces przebiega błyskawicznie i bezproblemowo. Program LP Viewer jest znakomitym na- rzędziem, z którym można rozpocząć przy- godę z bibliotekami zgodnymi ze standar- dem IPC7x51. Posiada bogatą bazę danych gotowych obudów i umożliwia ich przeglą- Skupmy się głównie na problematyce elementów bibliotecznych PCB. Prawidłowo opracowana biblioteka elementów, to ogromny skarb. Dobra i  kiepska biblioteka mogą różnić się bardzo, albo też, mogą różnić się drobiazgami. Jednak te różnice wpływają ostatecznie na czas, jaki mija między pomysłem, a  powstaniem gotowego urządzenia. Dlatego też każdy element biblioteki, który został sprawdzony, jest dla projektanta bardzo cenny. Współpraca projektanta PCB z wykonawcami (2) Zastosowanie współczesnych standardów IPC Rysunek 11. Okno przeglądania bibliotek program LPViewer Rysunek 12. Podgląd elementu QFP80P900X900X160-32N 77ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Zastosowanie współczesnych standardów IPC Bardzo przydat- ną funkcją programu jest możliwość wy- szukiwania układów na podstawie części wprowadzonego opi- su. W tym celu wybie- ramy funkcję Calculate z głównego menu. Wy- bieramy interesującą nas grupę elementów, przykładowo obudowy QFP. Teraz okno będzie wyglądać podobnie jak na rysunku  12 z  tym, że będzie możliwe wprowadzanie danych do pól z menu po lewej stronie. Niestety funk- cjonalność kalkulato- ra jest wciąż nieaktywna. Możemy jednak wpisać na przykład wartość 8 w  okienki Pins A i B. Teraz z menu wybieramy funk- cję Find. Pojawi się lista elementów QFP, które mają po 8 padów z każdej strony. Pewnym zaskoczeniem może być gru- pa elementów przewlekanych z  literką P na końcu. Standard IPC definiuje elementy typu A, B i C. Z punktu widzenia padów, literki te oznaczają kolejno: największy, średni i  najmniejszy pierścień miedzi na- około otworu. W  standardach tych szero- kość pierścienia miedzi (rozumiana jako średnica padu minus średnica otworu) pozostaje stała. Elementy z literką P, to po- mysł samej firmy PCB Matrix, gdzie wiel- kość pierścienia miedzi rośnie proporcjo- nalnie do wielkości otworu. Obsługa programu jest intuicyjna i nie powinna sprawić problemu użytkownikom zaznajomionym z  pracą z  innymi progra- mami w środowisku Windows. Narzędzie LP Calculator. Pobranie programu LP Calculator wymaga rejestracji na stronie www.pcbmatrix.com. Rejestracja jest bezpłatna, jednak jest weryfikowana przez człowieka, tak więc należy wprowa- dzić sensowne dane. Sam proces rejestracji trochę trwa. W moim przypadku czekałem prawie 24 godziny na otrzymanie pełnego dostępu do strony. Uważam jednak, że war- to przejść przez ten proces dla oferowane- go programu. Program LP Calculator pozwala na utworzenie dowolnego footprintu opisanego przez normy IPC7351 oraz IPC7251. Obsługuje on też kilka rodza- jów złączy. Niestety, począwszy od wer- sji 2009.20.00, darmowy kalkulator nie obsługuje danych z  plików bibliotek. Oznacza to, że w praktyce, chcąc korzy- stać z darmowych programów, będziemy zmuszeni do zainstalowania dwóch od- dzielnych aplikacji. Jest to rzeczywiście trochę uciążliwe, jednak wcześniejsza wersja kalkulatora, obsługująca wczyty- wanie bibliotek elementów, była oprogra- mowaniem płatnym. Program ten także nie umożliwia za- pisania wprowadzonych danych. Należy więc traktować go jako prosty program do obliczania na bieżąco parametrów foot- printu dla obudowy. Mając wyświetlone dane, od razu wprowadzać będziemy od- powiedni footprint do używanego przez nas oprogramowania. Spróbujmy więc samodzielnie utwo- rzyć footprint dla wymienionego wcześniej procesora ATmega8. Wybieramy z  menu kolejno Calculate?>SMD Calculator? >Quad Flat Pack (QFP). Ekran powinien wyglądać jak na rysunku  13. Czerwony kwadrat w górnym lewym rogu okna pod- glądu oznacza, że podgląd w tej chwili nie odpowiada wprowadzonym danym. Pa- trząc teraz ponownie na rysunku 10, wpro- wadzamy odpowiednie dane. Należy pil- nować odpowiedniego przyporządkowania oznaczeń, ponieważ w dokumentacji obu- dowy, do poszczególnych wymiarów użyto innych liter niż w programie. Jednak dzię- ki rysunkowi poglądowemu wykonanie odpowiedniego przyporządkowania jest banalnie proste. Odpowiednio wypełnioną tabelkę przedstawia rysunek 14. Po wpro- wadzeniu danych spróbuj wybrać przycisk Alternate Input Format. Może taka forma danie. Jeśli tylko obudowa elementu znaj- duje się na dostępnej tutaj liście, można śmiało z niej korzystać. Rysunek  11 pokazuje okno programu w  czasie przeglądania bibliotek. Program w  wersji 2009.20.00, którego używałem w chwili pisania artykułu, zawiera biblio- tekę 1710 elementów SMD, do tego 978 elementów BGA, 1001 złączy różnych pro- ducentów oraz 224 różnego typu elementy przewlekane. Po wybraniu interesującego nas ele- mentu zobaczymy obraz zbliżony do przedstawionego na rysunku  12. Menu rozwijane obok przycisku Layers umożli- wia przełączanie widoku tak, aby oznaczyć wymiary interesujących nas elementów. Sam przycisk Layers umożliwia włączanie lub wyłączanie poszczególnych warstw. Po lewej stronie rysunku  12 widzimy pole wprowadzania danych. W  progra- mie w  wersji Viewer jest ono nieaktywne i  umożliwia jedynie przeglądanie parame- trów footprintu. Dwie dostępne zakładki: Component oraz Land Pattern, zawierają wszystkie wymiary, potrzebne do ręcznego przeniesienia podglądanego footprintu do wybranego programu projektowego. Rysunek 13. Początek edycji elementu QFP w programie LP Calculator O firmie PCB Matrix [14] Firma PCB Matrix istnieje od 2003 roku. Jej wcześniejsza nazwa brzmiała PCB Libraries. Aktywnie współpracuje z firmą IPC w zakresie automatyzacji procesu projektowania i produkcji elektroniki. Jej cele są raczej ambitne i obejmują całkowitą automatyzację procesu projektowania urządzeń elektronicznych. Trudno mi uwierzyć w powodzenie takiego działania ? są etapy projektowania, na których ingerencja człowieka zawsze będzie niezbędna. Jak do tej pory, wzory matematyczne opisujące wymagane wymiary obudów elementów elektronicznych są efektem wspólnej pracy firm IPC oraz PCB Matrix. Utworzony model matematyczny został zaimplementowany w oferowanym przez PCB Matrix oprogramowaniu, które umożliwia tworzenie bibliotek dla dużej gamy istniejących na rynku programów projektowych. Darmowe wersje programów oferowanych przez firmę zostaną przedstawione w artykule. Znaczenie płatnych wersji tych programów może być znacznie zmniejszone przez dwa fakty: 1. Część oprogramowania ma już wbudowane generatory obudów zgodnych z IPC (chlubnym przykładem jest tutaj Altium Designer od wersji 6.6), a jeszcze więcej ma gotową bibliotekę. 2. Pełne wersje oprogramowania PCB Matrix są, jak na program jedynie generujący footprinty, nieadekwatnie drogie i wymagają oddzielnego płacenia za wersję obsługującego format każdego programu projektowego, co dość skutecznie zmniejsza widoczne w pierwszej chwili zalety pełnej wersji oprogramowania. Jednostka mil/thou Jeden mil to jednostka oznaczająca w dosłow- nym przekładzie ?miliinch?, 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. 78 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Notanik konstruktora dzie przez wielu młodych elektroników w  Polsce. Na świecie ma jednak słuszną opinię niedrogiego systemu do prostszych projektów płyt drukowanych. Trzeba jed- nak przyznać, że aktualnie jest to potężny kombajn, umożliwiający znacznie więcej niż tylko projektowanie PCB. Jednak przy projektowaniu samej płyty drukowanej do urządzenia o większym stopniu złożenia, każdy, kto miał okazję korzystać z  nieco silniejszych narzędzi, szybko zatęskni za ich funkcjonalnością. Ani Protel, ani nowszy Altium Desi- gner, nie posiadają odpowiednich warstw do zaimplementowania funkcjonalności warstw Assembly oraz Courtyard z normy IPC. W  tym przypadku musimy ratować się odpowiednim wykorzystaniem do- stępnych warstw mechanicznych. Tutaj niestety pewna przykrość czeka wiernych użytkowników programów Protel 98 oraz Protel 99SE. Otóż w programach tych nie jest możliwe uzyskanie pełnej funkcjo- nalności warstw Assembly oraz Courtyard za pomocą odpowiedniego przypisania warstw mechanicznych. Dopiero w  pro- gramie Protel DXP wprowadzono możli- wość parowania warstw mechanicznych. Co oznacza parowanie warstw me- chanicznych? Oznacza to w praktyce, że jeśli zdefiniujemy warstwę Mechanical 13 jako Top Assembly, możemy sparować ralne i oczywiste. Jednak z chwilą pierw- szego podejścia do wybranego programu projektowego może pojawić się problem ? na jakich warstwach umieścić poszcze- gólne składowe elementy tworzonego footprintu? Wątpliwości budzą przede wszystkim warstwy Assembly oraz Cour- tyard. Zacznijmy od programów, w  których implementacja standardu warstw określo- na przez IPC przychodzi najprościej: PADS firmy Mentor Graphics: Popu- larny w Polsce program. Niezwykle atrak- cyjna jest możliwość wymiennego prze- noszenia danych pomiędzy potężnym pakietem Expedition. PADS ma zdefiniowane wstępnie warstwy Assembly Top, Assembly Bottom i Placement Courtyard Top oraz Placement Courtyard Bottom. Pozostałe warstwy tak- że nie wzbudzają wątpliwości. W  tym przypadku wprowadzenie bibliotek zgod- nych z IPC-7x51 jest całkowicie intuicyj- ne. Cadstar firmy Zunken: Jest to atrak- cyjny pakiet o dużych możliwościach. Ta sama firma produkuje potężny program CR-5000 i  Cadstar, w  wersji z  modułem PREditor dziedziczy po nim część funkcji. Mimo że w tej chwili nie ma wielu użyt- kowników w  Polsce, spotkamy go dość często chociażby w  Wielkiej Brytanii. Darmowa wersja Express przysporzyła programowi pewne grono użytkowników, zwłaszcza wśród hobbystów. Sprawa implementacji bibliotek zgod- nych z IPC-7x51 jest tutaj tak samo przy- jemna, jak w przypadku programu PADS. Wszystkie warstwy są zdefiniowane i go- towe do wprowadzenia danych. Eagle firmy CadSoft: Program dość popularny w  Polsce w  dużej mierze ze względu na niewielką cenę w stosunku do możliwości. Jednocześnie firma CadSoft, chyba jako jedna, z pierwszych, wypuści- ła darmową wersję programu bez ograni- czeń czasowych, jednak z ograniczeniami co do objętości projektu. Ten ruch przy- sporzył jej duże grono użytkowników hobbystów. Program Eagle ma predefiniowane wszystkie niezbędne warstwy o  odpo- wiedniej funkcjonalności, jednak zostały one inaczej nazwane. Tak więc warstwy tDocu i  bDocu odpowiadają warstwom Top i  Bottom Assembly. Warstwy tPlace i bPlace odpowiadają warstwom Top i Bot- tom Silkscreen. Warstwy tKeepout i  bKe- epout odpowiadają warstwom Top i  Bot- tom Courtyard. Protel/Altium Designer firmy Altium: Dzięki dobrej polityce informacyjnej firmy Alt+9 cxium oraz dzięki sprawnym za- biegom marketingowym, program ten jest dziś uznawany za najpotężniejsze narzę- wprowadzania danych bardziej przypadnie Ci do gustu. Po zakończeniu edycji danych klikamy na przycisk OK. Zostanie wygenerowa- ny podgląd naszego elementu. Kwadracik w  górnym lewym rogu podglądu zmieni swój kolor na zielony. W  przypadku tej akurat obudowy, prawdopodobnie pojawi się także przycisk ostrzeżeń. Jeśli go klik- niemy, dostaniemy informację o  tym, że pady zostały przycięte tak aby nie ?wcho- dziły? pod obudowę układu. Teraz możemy przełączać się pomiędzy zakładkami z  lewej strony okna wprowa- dzania danych. Zachęcam do rozpoczęcia od zakładki Calculator Settings. Domyślnie możemy zmieniać jedynie parametr odpo- wiedzialny za generowanie footprintu dla trzech klas gęstości. Zachęcam do zaob- serwowania, jak taka zmiana wpływa na generowany kształt. W  razie konieczności można wybrać opcję User i  samodzielnie wprowadzić dane dla generatora. Najbardziej interesujące nas informa- cje znajdują się pod zakładką Land Pattern. Dzięki nim możemy szybko wprowadzić odpowiedni footprint w edytorze bibliotek używanego przez nas programu. W pierwszej chwili wydawać się może, że konieczność późniejszego ręcznego wpi- sywania danych do edytora bibliotek spra- wia, że używanie programu LP Calculator staje pod znakiem zapytania. Tak jednak nie jest. Zauważmy, że wprowadzając dane bezpośrednio z  dokumentacji obudowy uzyskaliśmy dane, które możemy wpro- wadzić bezpośrednio do edytora biblio- tek. Mamy odległości między centralnymi częściami padów oraz wymiary samych padów. Wszystko to, co musielibyśmy nor- malnie wyliczyć ręcznie albo na kartce papieru. W praktyce stosowanie programu znacznie ułatwia pracę. Warto także przej- rzeć prezentacje tworzenia różnych sym- boli, dostępne na stronie producenta. Uwaga odnośnie licencji. Licencja dar- mowych programów LP Viewer oraz LP Cal- culator jest o tyle sympatyczna, że pozwala na dowolne wykorzystanie utworzonej na ich podstawie ręcznie pracy. Stworzone footprinty możemy bez obaw sprzedawać, wymieniać czy udostępniać publicznie. Zabronione jest natomiast jakiekolwiek wykorzystywanie udostępnionych biblio- tek do automatycznego generowania foot- printów. Licencja taka powinna całkowicie odpowiadać potrzebom samodzielnych projektantów i niewielkich firm. Praktyczne wprowadzenie bibliotek do programów projektowych W chwili zapoznawania się z elemen- tami zgodnymi z normą IPC-7351 (później IPC-7251), wszystko wydawało się natu- LP Viewer/Calculator a pasta lutownicza na dużych padach Z poziomu programu LP Viewer, proponuję teraz wybrać element TO267P1410X457-4N z dostępnej listy. Element ten jest widoczny na rysunku 9 (aby uzyskać obraz, podobny do tego na rysunku, należy włączyć podgląd warstwy pasty lutowniczej). Frustrujące może być poszukiwanie informacji na temat kształtu umieszczonego w warstwie pasty lutowniczej w przypadku padu 4. Rzeczywiście, odpowiednie wymiary nigdzie się nie pojawiają. Musimy przejść na zakładkę Land Pattern. Tutaj znajdują się nazwy wykorzystanych padów. W przypadku padu, który w tej chwili nas interesuje, jego nazwa to: r1040_795p12r178_156. Na podstawie opisu nazewnictwa padów [15] możemy go rozszyfrować jako: prostokąt o bokach 10,4 i 7,95 mm ze zmodyfikowaną warstwą pasty lutowniczej. Opis modyfikacji mówi o 12 prostokątnych obszarach o wymiarach 1,78 i 1,56 mm. Na tej podstawie i wspomagając się wyświetlanym obrazem, jesteśmy w stanie wprowadzić odpowiednie dane do naszego edytora bibliotek. Domyślna redukcja obszaru pasty lutowniczej na wszelkich wyprowadzeniach termicznych wynosi 40%. W razie potrzeby wartość tę możemy zmienić z poziomu menu Preferences?>Global Setting w zakładce Drafting. Program Calculator daje także możliwość modyfikacji tego parametru dla aktualnie edytowanej obudowy z poziomu zakładki Global Settings. 79ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2010 Zastosowanie współczesnych standardów IPC Rys. 14. Ustawienia programu kalkulatora dla obudowy procesora ATmega8 Na razie jednak idea jest w  pewnym stopniu utopijna. Producenci programów projektowych bardzo chętnie wbudowu- ją w  swoje programy importery różnych formatów ? w ten sposób ułatwiają prze- niesienie się do ich systemu z produktów konkurencji. Znacznie mniej zaintereso- wani są wprowadzaniem nowych ekspor- terów ? przecież pomaga to przenieść się na produkty konkurencji. Radosław Koppel www.k-el.pl Literatura: [14] www.pcbmatrix.com, materiały ?o firmie...?. [15] (Zbiorcze opracowanie PCB Matrix, bez nazwisk) ?IPC-7251 & 7351 Padstack Naming Convention? www.pcbmatrix.com. [16] IPC Standard ?IPC-2581 Generic Requirements for Printed Board Assembly Products Manufacturing Description Data and Transfer Methodology? March 2004 www.webstds.ipc.org/2581/2581.htm. [17] IPC Standard ?IPC-2511B Generic Requirements for Implementation of Product Manufacturing Description Data and Transfer XML Schema Methodology? January 2002 www.webstds.ipc.org/2511/2511Bpub.pdf. Uwaga: starsza wersja strony PCBMatrix: www.pcblibraries.com dzia CAD, producentów płytek oraz fir- my zajmujące się montażem. Pomysł jest ciekawy, a jego wprowadzenie na pewno zaoszczędzi wiele pracy inżynierom pro- jektantom. Język ten jest oparty na bazie XML. Jest w  dużej mierze połączeniem formatu plików ODB++ z formatem Gen- CAM (IPC-2511 [17]). Emocje wokół nowego standardu są dość zróżnicowane tym bardziej że orga- nizacji nie udało się już wcześniej wpro- wadzić do powszechnego użycia propo- nowanego formatu GenCAM. Z  drugiej strony, dla aktualnego formatu udało się pozyskać wsparcie dużych firm, takich jak chociażby Mentor Graphics, Cadence, Lucent Technologies, Agilent Technolo- gies. Wiele wskazuje na to, że standard rzeczywiście uda się wprowadzić. Dało- by to naprawdę spore możliwości. Przede wszystkim przyjemną wizją byłaby moż- liwość udostępniania przez producentów nietypowych układów bibliotek do swo- ich elementów w  uniwersalnym forma- cie. Wielu producentów udostępnia dziś biblioteki do swoich obudów dla kilku systemów projektowych. Często okazuje się jednak, że używanego przez nas pro- gramu nie ma na liście. Format uniwersal- ny rozwiązałby w  tym przypadku wiele problemów. ją z  warstwą Mechanical 14 i  nadać jej nazwę Bottom Assembly. Jeśli teraz prze- niesiemy element na dół płytki, rysunki umieszczone na warstwie Mechanical 13 (Top Assembly) zostaną przeniesione na sparowaną z nią warstwę Mechanical 14 (Bottom Assembly). Opisanej funkcjonalności nie mia- ły wcześniejsze wersje programu Protel i  zrozumiałe jest, że w  takim przypad- ku pełna implementacja standardu IPC jest bardzo utrudniona. Można jednak skorzystać z  zamieszczonej tutaj infor- macji, w celu projektowania footprintów i w tych programach, po prostu pomijając warstwy, Assembly oraz Courtyard. Pewien problem może być związany z  faktem, że nie ma określonego stan- dardu wykorzystania warstw mecha- nicznych. Podpowiedzią może być to, że biblioteki IPC-7351, umieszczone w  naj- nowszej wersji Altium Designer, korzysta- ją z warstwy 13 dla warstwy Top Assembly oraz warstwy 15 jako Top Courtyard. Mimo braku odpowiednich warstw, firma Altium trochę wyprzedziła konku- rencję wbudowując w Altium Designer od wersji 6.6 generator obudów zgodnych ze standardem IPC. Tworzenie nowego foot- printu w takim przypadku sprowadza się do wprowadzenia odpowiednich parame- trów i jest procesem wyjątkowo łatwym. IPC-2581 ? czyżby przyszłość? Dla zainteresowanych, standard IPC- 2581 jest dostępny online przez stronę fir- my IPC [16]. Standard ten definiuje neu- tralny format plików, który ma pokrywać wszelkie potrzeby przemysłu elektronicz- nego. Jeden format używany przez narzę- R E K L A M A