Проектирование печатных плат для производства: Полные спецификации, контрольный список и руководство по устранению неполадок

Эффективное проектирование печатных плат для производства (DFM) — это инженерная дисциплина, заключающаяся в разработке печатных плат, которые могут быть изготовлены легко, дешево и надежно. Оно устраняет разрыв между цифровыми файлами САПР и физической реальностью. Игнорирование DFM часто приводит к потерям выхода годных изделий, дорогостоящим доработкам и задержкам в запуске продуктов.

В APTPCB (Завод печатных плат APTPCB) мы ежегодно видим тысячи проектов. Наиболее успешные проекты интегрируют производственные ограничения на ранних этапах проектирования, а не рассматривают их как нечто второстепенное. Это руководство содержит технические спецификации, наборы правил и шаги по устранению неполадок, необходимые для оптимизации вашей компоновки печатной платы для производства.

Проектирование печатных плат для производства: краткий ответ (30 секунд)

Если вам нужно немедленно проверить проект, убедитесь, что эти основные ограничения соблюдены, прежде чем отправлять файлы на изготовление.

Трасса и зазор: Поддерживайте минимум 5 мил (0,127 мм) для стандартной стоимости; снижение ниже 4 мил значительно увеличивает сложность и цену.
Соотношение сторон сверления: Сохраняйте отношение толщины платы к диаметру сверла менее 8:1 для стандартного механического сверления (например, плата толщиной 1,6 мм должна иметь минимальные переходные отверстия 0,2 мм).
Кольцевой зазор: Убедитесь, что медная площадка выступает как минимум на 5 мил (0,127 мм) за радиус отверстия сверла, чтобы предотвратить вырыв во время сверления.
Медь до края: Держите все медные элементы на расстоянии не менее 0,5 мм (20 мил) от края платы, чтобы предотвратить заусенцы или отслаивание во время фрезерования/V-образного выреза.
Расширение паяльной маски: Установите расширение маски на 2-3 mil больше, чем контактная площадка, чтобы учесть допуск на совмещение.
Формат файла: Всегда экспортируйте RS-274X (Gerber X2) или ODB++, чтобы убедиться, что все определения апертур встроены.

Когда применяется проектирование печатных плат для производства (и когда нет)

DFM является универсальным требованием для физического оборудования, но строгость правил варьируется в зависимости от контекста.

Когда строгий DFM критически важен:

Массовое производство: Даже 1% потерь выхода годных изделий из-за плохого DFM обходится в тысячи долларов при серийном производстве.
Секторы с высокой надежностью: Автомобильная, аэрокосмическая и медицинская техника требуют надежных запасов (IPC Class 3), которые может гарантировать только строгий DFM.
Сложные стеки: Конструкции, использующие HDI (High Density Interconnect), глухие/скрытые переходные отверстия или жестко-гибкие материалы, имеют узкие технологические окна.
Снижение затрат: Оптимизация использования панелей и минимизация количества сверлений напрямую снижает себестоимость единицы продукции.
Целостность сигнала: Линии с контролируемым импедансом должны учитывать компенсацию травления при производстве, что является основной деятельностью DFM.

Когда правила DFM могут быть ослаблены (немного):

Прототипы для подтверждения концепции: Если вам нужна только одна рабочая плата и стоимость не имеет значения, вы можете заплатить премию производителю, чтобы он вручную исправил мелкие проблемы.
Чистое моделирование: Если проект предназначен только для теплового или сигнального моделирования и никогда не будет построен.
Самодельное травление: Домашние печатные платы имеют совершенно другие, гораздо более грубые ограничения, чем промышленные процессы.

Проектирование печатных плат для правил и спецификаций производства (ключевые параметры и ограничения)

В следующей таблице представлены критические параметры для проектирования печатных плат для производства. Эти значения представляют стандартные промышленные возможности. Выход за пределы этих "Рекомендуемых значений" переводит плату в категории "Продвинутый" или "HDI", что увеличивает стоимость.

Этот раздел специально посвящен правилам кольцевого зазора и допуску на сверление для печатных плат для обеспечения механической надежности.

Правило / Параметр	Рекомендуемое значение (Стандарт)	Почему это важно	Как проверить	Если проигнорировано (Режим отказа)
Мин. ширина дорожки	5 mil (0.127mm)	Предотвращает перетравливание, вызывающее обрывы цепи.	CAD DRC (Design Rule Check).	Обрывы дорожек (разрывы) или высокое сопротивление.
Мин. зазор (расстояние)	5 mil (0.127mm)	Предотвращает недотравливание, вызывающее короткие замыкания.	CAD DRC.	Нежелательные короткие замыкания между цепями.
Диаметр сверления переходного отверстия	Мин 0.2mm (8 mil)	Меньшие сверла легко ломаются и их труднее покрывать.	Таблица сверления / Файл сверления NC.	Пустоты покрытия или сломанные сверла.
Кольцевой зазор	+5 mil (0.127mm) над радиусом отверстия	Компенсирует отклонение сверла; обеспечивает соединение.	CAM-анализ.	"Выход за пределы" (отверстие отсоединяется от контактной площадки).
Допуск сверления (PTH)	±3 mil (0,075мм)	Гарантирует, что штыри войдут в отверстия после металлизации.	Примечания к производственному чертежу.	Компоненты не подойдут или будут слишком свободными.
Допуск сверления (NPTH)	±2 mil (0,05мм)	Точность механического монтажа.	Примечания к производственному чертежу.	Плата не поместится в корпус.
Перемычка паяльной маски	Мин. 4 mil (0,1мм)	Предотвращает образование перемычек припоя между контактными площадками.	Просмотрщик Gerber.	Перемычки припоя (короткие замыкания) во время сборки.
Медь до края платы	Мин. 20 mil (0,5мм)	Предотвращает отрыв меди во время фрезеровки.	Запретные зоны в САПР.	Открытая медь, короткие замыкания на шасси.
Соотношение сторон	< 8:1 (Толщина:Сверление)	Раствор для металлизации должен проходить через отверстие.	Калькулятор (Толщина / Сверление).	Неполное покрытие (пустоты в отверстии).
Расширение паяльной маски	2-3 mil (0,05-0,075мм)	Учитывает ошибки выравнивания маски.	Настройки вывода САПР.	Маска закрывает контактную площадку (непаяемая).
Высота шелкографии	Мин. 30 mil (0,75мм)	Читаемость для операторов и автоматизированных сканеров.	Визуальный осмотр.	Нечитаемый текст.
Ширина линии шелкографии	Мин. 5 mil (0,127мм)	Предотвращает растекание чернил или непропечатку.	САПР DRC.	Размытый или отсутствующий текст.
Определение контактной площадки BGA	NSMD (Не определено паяльной маской)	Лучшая надежность паяных соединений для большинства BGA.	Библиотека посадочных мест.	Трещины в паяных соединениях под нагрузкой.

Этапы реализации проектирования печатных плат для производства (контрольные точки процесса)

Внедрение рекомендаций DFM для трассировки печатных плат требует систематического подхода. Не ждите завершения проектирования, чтобы проверить эти правила.

Шаг 1: Определение стека слоев и материалов

Действие: Свяжитесь с вашим производителем (например, APTPCB), чтобы получить действительный стек слоев перед трассировкой.
Ключевой параметр: Толщина диэлектрика, вес меди (например, 1oz против 2oz) и тип материала (FR4 TG150/170).
Проверка приемки: Убедитесь, что расчеты импеданса соответствуют константам материала производителя (Dk/Df).

Шаг 2: Настройка правил проектирования CAD (DRC)

Действие: Введите минимальные возможности производителя в ограничения вашего программного обеспечения CAD.
Ключевой параметр: Установите "Мин. ширину", "Мин. зазор" и "Мин. переходное отверстие" на значения, немного превышающие абсолютные минимумы производителя (например, установите 5mil, если они могут сделать 4mil), чтобы добавить запас прочности.
Проверка приемки: Запустите "пакетную DRC" на пустой плате, чтобы убедиться, что правила активны.

Шаг 3: Размещение компонентов (DFM сборки)

Действие: Размещайте компоненты для минимизации затенения и напряжения.
Ключевой параметр: Держите компоненты на расстоянии 2-3 мм от краев платы и V-образных линий реза. Ориентируйте похожие компоненты (ИС, диоды) в одном направлении.
Проверка приемки: Убедитесь, что компоненты не находятся в зонах "keepout" для рельсов панелизации.

Шаг 4: Трассировка и управление плоскостями

Действие: Трассируйте сигналы и заливайте медные плоскости.
Ключевой параметр: Сбалансировать распределение меди. Избегайте больших изолированных медных областей с одной стороны и их отсутствия с другой, чтобы предотвратить деформацию. Используйте "thieving" или заливки медью на пустых слоях.
Проверка приемки: Визуальная проверка на наличие "кислотных ловушек" (острых углов < 90 градусов), которые могут задерживать травитель.

Шаг 5: Шелкография и монтажные метки

Действие: Очистить позиционные обозначения.
Ключевой параметр: Убедиться, что шелкография не перекрывает контактные площадки.
Проверка приемки: Выполнить специальную проверку "Шелкография над контактной площадкой" в вашем CAD-инструменте.

Шаг 6: Окончательный вывод и проверка

Действие: Сгенерировать файлы Gerber X2 или ODB++ и список цепей IPC-356.
Ключевой параметр: Включить производственный чертеж с примечаниями о цвете, отделке и допусках.
Проверка приемки: Откройте сгенерированные Gerber-файлы в стороннем просмотрщике (не в вашем CAD-инструменте), чтобы убедиться, что слои выровнены и корректны.

Устранение неполадок при проектировании печатных плат для производства (режимы отказов и исправления)

Даже при самых благих намерениях возникают дефекты. Вот как устранять распространенные проблемы, связанные с проектированием печатных плат для производства.

1. Симптом: Эффект "надгробия" (Пассивный компонент встает на один конец)

Причины: Неравномерный нагрев во время оплавления; одна контактная площадка, подключенная к большой медной плоскости без теплового зазора.
Проверки: Проверьте соединения теплового зазора на заземляющей площадке по сравнению с сигнальной площадкой.
Исправление: Применить тепловые спицы (зазоры) к контактным площадкам, подключенным к большим плоскостям.
Предотвращение: Применять правила теплового зазора в САПР для всех SMT-площадок.

2. Симптом: Деформация или скручивание платы

Причины: Асимметричное расположение слоев или неравномерное распределение меди (например, много меди сверху, нет меди снизу).
Проверки: Проверить расположение слоев на симметрию вокруг центрального сердечника. Проверить процент плотности меди на каждом слое.
Исправление: Добавить "медное воровство" (сетчатый узор) в области с низкой плотностью.
Предотвращение: Использовать сбалансированное расположение слоев (например, сигнал-плоскость-плоскость-сигнал) и сбалансировать заливки медью.

3. Симптом: Пустоты в покрытии переходных отверстий

Причины: Слишком высокое соотношение сторон (отверстие слишком глубокое для своего диаметра); остатки сверления в отверстии.
Проверки: Вычислить Толщина / Диаметр сверла. Оно > 8:1 или 10:1?
Исправление: Увеличить диаметр переходного отверстия или перейти на более тонкий сердечник печатной платы.
Предотвращение: Соблюдать рекомендации по соотношению сторон при выборе переходных отверстий.

4. Симптом: Отслаивание или шелушение паяльной маски

Причины: Перемычки паяльной маски слишком тонкие (осколок) и не прилипают к FR4.
Проверки: Измерить ширину перемычки маски между площадками с мелким шагом.
Исправление: Если перемычка < 3-4 мил, групповое снятие маски (сделать одно большое отверстие для ряда выводов).
Предотвращение: Установить минимальные ограничения на перемычки маски в САПР.

5. Симптом: Трещины в паяных соединениях BGA

Причины: Несоответствие типа определения площадки или механическое напряжение вблизи BGA.
Проверки: Проверить, являются ли площадки SMD (Solder Mask Defined) или NSMD.
Исправление: Переключиться на NSMD для лучшего захвата меди, если производитель не указывает иное.
Предотвращение: Не размещайте переходные отверстия внутри контактных площадок BGA, если не используется технология "via-in-pad" (заполненные и закрытые).

6. Симптом: Короткие замыкания на краю платы

Причины: Медные плоскости проложены слишком близко к V-образному вырезу или линии фрезерования.
Проверки: Измерьте зазор между медью и краем.
Исправление: Оттяните медь как минимум на 0,5 мм от профиля.
Предотвращение: Определите глобальную зону запрета размещения по контуру платы в САПР.

Как выбрать дизайн печатной платы для производства (проектные решения и компромиссы)

Дизайн — это компромисс. При применении проектирования печатных плат для производства вам часто приходится выбирать между стоимостью, плотностью и производительностью.

Стандартный DFM против расширенного DFM (HDI)

Стандартный DFM: Использует сквозные переходные отверстия, стандартные ширины дорожек (5/5 мил) и стандартное ламинирование.
- Плюсы: Самая низкая стоимость, кратчайшие сроки выполнения, доступно у всех производителей.
- Минусы: Ограничивает плотность компонентов, больший размер платы.
Расширенный DFM (HDI): Использует лазерные микропереходные отверстия, глухие/скрытые переходные отверстия и тонкие линии (3/3 мил).
- Плюсы: Чрезвычайно высокая плотность, меньший форм-фактор, лучшая целостность сигнала.
- Минусы: Более высокая стоимость (в 2-3 раза), более длительные сроки выполнения, требует специализированных производителей, таких как APTPCB.

Производство класса 2 против класса 3

IPC Класс 2 (Стандартный промышленный):
- Решение: Выбирайте для бытовой электроники, компьютеров и общих периферийных устройств.
Компромисс: Допускает незначительные визуальные дефекты и меньшие кольцевые зазоры (допускается прорыв на 90 градусов). Более низкая стоимость.
Класс IPC 3 (Высокая надежность):
- Решение: Выбирайте для медицинских систем жизнеобеспечения, аэрокосмических или автомобильных систем безопасности.
- Компромисс: Требует строгих кольцевых зазоров (без прорыва), более толстого покрытия и тщательного тестирования. Более высокая стоимость и более строгие правила DFM.

Выбор финишного покрытия

HASL (Выравнивание припоем горячим воздухом): Дешево и надежно, но поверхность неровная. Плохо для компонентов с малым шагом.
ENIG (Химическое никелирование с иммерсионным золочением): Плоская поверхность, отлично подходит для BGA и малого шага. Дороже.
Решение: Если ваш DFM включает компоненты с малым шагом (< 0,5 мм шага), вы должны выбрать ENIG или OSP вместо HASL, чтобы предотвратить дефекты сборки.

FAQ по проектированию печатных плат для производства (DFM)

1. Увеличивает ли строгое проектирование печатных плат для производства стоимость платы? Нет, обычно это ее снижает. Хотя строгий DFM может заставить вас использовать более крупную плату или меньшее количество слоев для соответствия стандартным правилам, он устраняет необходимость в надбавках за "продвинутую" обработку. Проектирование в стандартных "безопасных" зонах (например, дорожка 5 мил вместо 3 мил) всегда дешевле.

2. Как DFM влияет на сроки изготовления? Хороший DFM сокращает время выполнения заказа. Если проект немедленно проходит проверку CAM производителя (EQ – Engineering Questions), производство начинается мгновенно. Плохой DFM вызывает «задержки EQ», когда инженеры должны отправить вам электронное письмо для уточнения или исправления проблем, задерживая начало на несколько дней.

3. Каковы критерии приемки конструкции печатной платы для производства? Приемка основана на стандартах IPC-A-600. Ключевые критерии включают:

Регистрация отверстий: Отверстие должно находиться внутри контактной площадки (Класс 3) или не выходить за ее пределы более чем на 90 градусов (Класс 2).
Толщина покрытия: В среднем 20-25 мкм для Класса 2.
Паяльная маска: Отсутствие вздутий или отслаивания; правильная регистрация.

4. Какие файлы необходимы для надлежащей проверки DFM? Вы должны предоставить:

Файлы Gerber (RS-274X) для всех слоев.
Файлы сверловки NC (Excellon).
Сетевой список IPC-356 (критически важен для проверки электрической логики).
Чертеж стека (порядок и толщина слоев).
Производственный чертеж (примечания по отделке, цвету, допускам).

5. Советы по снижению затрат при проектировании печатных плат для производства?

Эффективно компоновать на панели: Разработайте размер платы так, чтобы она подходила для стандартных производственных панелей с минимальными отходами.
Минимизировать размеры сверл: Используйте как можно меньше различных размеров сверл, чтобы сократить количество смен инструмента.
Избегать глухих/скрытых переходных отверстий: Используйте сквозные отверстия, когда это возможно.
Стандартизировать материалы: Придерживайтесь стандартного FR4 Tg150, если только строго не требуются высокоскоростные/высокотемпературные характеристики.

6. Как мне работать с проектированием печатных плат для производства гибких схем? Гибкие печатные платы имеют уникальные правила DFM:

Изогнутые дорожки: Избегайте острых углов в 90 градусов; используйте дуги для предотвращения растрескивания от напряжения.
Отверстия в Coverlay: Coverlay сверлится или вырезается лазером, а не фотоизображается, поэтому отверстия требуют больших допусков (10 мил+).
Усилители (жесткости): Четко определите расположение усилителей на отдельном механическом слое.
См. наши возможности по гибким печатным платам для конкретных правил гибких плат.

7. В чем разница между DFM и DFA?

DFM (Design for Manufacturing – Проектирование для производства): Сосредоточено на изготовлении голой платы (травление, сверление, металлизация).
DFA (Design for Assembly – Проектирование для сборки): Сосредоточено на монтаже компонентов (пайка, зазоры для установки, температурное профилирование). Оба необходимы для успешного продукта.

8. Как баланс меди влияет на проектирование печатных плат для производства? Несбалансированная медь приводит к изгибу или скручиванию платы во время нагрева при пайке оплавлением. Правила DFM требуют балансировки площади меди на верхних и нижних слоях и использования симметричной структуры стека слоев.

9. Каков предел «соотношения сторон» для стандартных печатных плат? Стандартный предел составляет 8:1. Для платы толщиной 1,6 мм минимальный диаметр сверла составляет 0,2 мм. Переход к 10:1 или 12:1 возможен, но требует передовых производственных процессов и может повлечь дополнительные расходы.

10. Почему список цепей IPC-356 важен для DFM? Сетевой список определяет электрическую связность, предусмотренную САПР. Производитель сравнивает связность изображения Gerber с этим сетевым списком. Если они отличаются, это сигнализирует об ошибке "Несоответствие данных", что избавляет вас от изготовления платы с короткими замыканиями или обрывами, которые присутствовали в трассировке.

Для дальнейшей оптимизации ваших проектов используйте эти специализированные ресурсы от APTPCB:

Процесс изготовления: Узнайте, какие этапы проходит ваша плата, прочитав о процессе изготовления печатных плат.
Выбор материалов: Выберите правильный субстрат, изучив материалы для печатных плат.
Передовые технологии: Если ваш DFM требует высокой плотности, ознакомьтесь с нашими возможностями HDI PCB.
Правила сборки: Для проверок, специфичных для DFA, см. наше руководство по сборке SMT и THT.
Общие рекомендации: Общий обзор доступен в наших рекомендациях по DFM.

Глоссарий по проектированию печатных плат для производства (ключевые термины)

Термин	Определение
Кольцевая площадка	Кольцо меди вокруг металлизированного сквозного отверстия. Критически важно для обеспечения соединения отверстия с дорожкой.
Соотношение сторон	Отношение толщины печатной платы к диаметру просверленного отверстия. Ограничивает возможности металлизации.
Обратное сверление	Удаление неиспользуемой части металлизированного сквозного отверстия (остатка) для улучшения целостности сигнала.
Выход за пределы	Когда просверленное отверстие не идеально центрировано и прорезает край контактной площадки.
Зубчатое отверстие	Металлизированное отверстие на краю платы, разрезанное пополам, используемое для пайки одной печатной платы к другой.
Зазор	Минимальное расстояние, необходимое между двумя проводящими элементами (дорожка-к-дорожке, дорожка-к-площадке).
DRC (Проверка правил проектирования)	Программная верификация в САПР, которая проверяет компоновку на соответствие конкретным ограничениям DFM.
Коэффициент травления	Компенсация, необходимая для процесса химического травления, который имеет тенденцию подтравливать медные дорожки.
Реперная точка	Медная метка, используемая сборочными машинами для оптического выравнивания.
Мышиные укусы	Перфорированные отрывные вкладки, используемые при панелизации для разделения плат после сборки.
Списоксвязей	Файл, описывающий электрические соединения (цепи) схемы, используемый для электрического тестирования (E-Test).
Перемычка паяльной маски	Мостик из материала паяльной маски между двумя соседними контактными площадками.
Тепловой зазор	Спицы, соединяющие контактную площадку с полигоном, предотвращающие слишком быстрое рассеивание тепла во время пайки.
Балансировка меди	Добавление нефункциональных медных узоров в пустые области для балансировки распределения меди для равномерности покрытия.

Запросить расценки на проектирование печатных плат для производства (Эффективное проектирование печатных плат для производства (DFM) + ценообразование)

Готовы перейти от макета к производству? APTPCB предоставляет бесплатную DFM-проверку с каждым заказом, чтобы убедиться, что ваши файлы готовы к производству.

Чтобы получить точную смету и DFM-проверку, пожалуйста, подготовьте:

Файлы Gerber: Формат RS-274X или ODB++.
Количество: Прототип (5-10 шт.) или объем массового производства.
Характеристики: Тип материала, толщина, вес меди и финишное покрытие.
Особые требования: Контроль импеданса, глухие/скрытые переходные отверстия или специфические допуски.

Отправьте свои данные ниже, и наши инженеры проанализируют соответствие вашего проекта печатной платы для производства и предоставят смету затрат в течение 24 часов.

Заключение: Следующие шаги в проектировании печатных плат для производства

Освоение проектирования печатных плат для производства является наиболее эффективным способом снижения затрат, сокращения сроков выполнения работ и обеспечения надежности ваших электронных продуктов. Придерживаясь стандартных правил для ширины трасс, расстояний и соотношений сторон отверстий, вы превращаете цифровую концепцию в физически надежную реальность. Всегда проверяйте свой макет на соответствие специфическим возможностям вашего производственного партнера перед окончательной доработкой проекта.