Sadržaj: I. Uvod - osnovni pojmovi Osnove fizi kog ...leda.elfak.ni.ac.rs/education/PEK_stari/literatura/predavanja PEK EMT... · Planiranje rasporeda (Floor Planning) Projektovanje

27.05.2013. 1

Projektovanje elektronskih kola

Sadržaj:I. Uvod - osnovni pojmoviII. Analiza el. kola primenom

računaraIII. Optimizacija el. kolaIV. Logička simulacijaV. Osnove fizičkog projektovanja

(projektovanje štampanih ploča)

27.05.2013. 2

Osnove fizičkog projektovanjaProjektovanje štampanih ploča

Sadržaj:–Šta su štampane ploče?–Tipovi štampanih ploča–Proces projektovanja štampane ploče–Izazovi fizičkog projektovanja

•Integritet signala•Razvođenje napajanja•Temperaturski efekti

Projektovanje štampanih ploča

27.05.2013. 3

Šta su štampane ploče ?Sistem provodnih veza ugrađenih na izolacionoj podlozi koja mehanički obezbeđuje električnu vezu između elektronskih komponenata: otpornika, kondenzatora, integrisanih kola, konektora, napajanja, kućišta uređaja.


27.05.2013. 4

Šta su štampane ploče?


Osnova

Komponenta

Konektori

Mehanički spoj

27.05.2013. 5


Štampana ploča = Printed Circuit Board (PCB)


27.05.2013. 6

Šta su štampane ploče?Štampana ploča = Printed Circuit Board (PCB)


Rezultat projektovanja Rezultat izrade

27.05.2013. 7


Štampana ploča = Printed Circuit Board (PCB)


27.05.2013. 8

Tipovi ŠP - PCB


27.05.2013. 9

Tipovi ŠP - PCB

•Za montažu kroz otvore (Through Hole)

•Za površinsku montažu (Surfice Mounted Devices, SMD)


27.05.2013. 10

Tipovi ŠP - PCB

Dimenzije Broj provodnih slojeva- 1 do 50!!!Različiti materijali- Čvrstina- Otpornost na temperaturu- Savitljive / krute- Lagane / teške


27.05.2013. 11

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Merne jedinice• Raster (Grid)• Veza (Track)• Stopica (Pad)• Prolaz (Via)• Poligon (Polygone)• Rastojanje (Clearance)


27.05.2013. 12

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Merne jedinice

Metarske (mm, μm) ALI uobičajeno da se koriste Imperial Units (IU) (inč=2,54cm; mils=mili_inč=inč/1000=thou, thousand;1thou=25,4μm)

1m=39370.0787402 thou=1000000 μm raspored nožica na komponentama još uvek u IU• Raster (Grid)

100, 50, 25, 20, 10, 5 mils– Vidljivi– Nevidljivi (Snap grid)– električni (centar uvodnika)


27.05.2013. 13

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Veza

Provodna (bakarna) traka koja električno povezuje komponente


27.05.2013. 14

Izazovi fizičkog projektovanjaParametri veza

w- širinat – debljinah- udaljenost od

donjeg provodnogsloja

Od ovih dimenzija zavisi otpornost veze (DC) karakteristična impedansa veze (VF)


27.05.2013. 15

Izazovi fizičkog projektovanjaTipovi veza


VezaIzolatorMasa ili napajanje

VezaIzolator

Masa ili napajanje

Masa ili napajanje

27.05.2013. 16

Izazovi fizičkog projektovanjaTipovi vezaDiferencijalne veze


VezaIzolatorMasa ili napajanje

Izolator

27.05.2013. 17


Minimalnu širinu trake daje proizvođač:širina/rastojanje do susedne 10/8 thouŠirina zavisi od struje koju treba da vode i specifične otpornosti provodnog slojaPreporuka za početnike MINIMUM:

- Signal 25 mils- Napajanje (PWR=VDD/VCC, GND) 50 mils- Između nožica IC 10-15 mils

ŠTO ŠIRE VEZE – jeftinije, pouzdanije


27.05.2013. 18


Tipovi veza


oz=ounce (unca), koristi se za opis debljine bakra

27.05.2013. 19


Tipovi veza


oz=unca, koristi se za opis debljine bakra

„gustina“ debljina

oz/ft² μm in mil0.5 17.5 0.0007 0.7

0.75 25.5 0.001 11 35 0.0014 1.42 71 0.0028 2.83 105 0.0042 4.2

ft2=1 kvadratna stopa (foot) (144 square inches), gustina bakra je8.96 mg/mm3 = 5.18 oz/inch3

kaže se za masu "1 unca bakra", ali je uobičajeno da se koristi 1/2, 2, 3, or 4 oz.

27.05.2013. 20

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Stopica (Pad)

Spoj komponente i veze


27.05.2013. 21

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Stopica (Pad)

Proizvođač daje odnos Stopica/otvor (Pad/Hole ratio)Prečnik stopica najmanje 1.8 puta veći od prečnika otvora

ili za najmanje 0.5mm Stopice IC ovalne 60x90 mils – prva pravougaona


Stopica otvor

27.05.2013. 22

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Stopica (Pad)U programima za projektovanje PCB postoji biblioteka

stopica. Korisnik može da kreira sopstvene prema potrebama.Izbegavati pravougaone stopice


27.05.2013. 23

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Prolaz (Via)• Spaja veze iz različitih slojeva


27.05.2013. 24

Izazovi fizičkog projektovanjaTipovi via


27.05.2013. 25

Izazovi fizičkog projektovanjaSpecifikacija via


OtvorStopica

Rastojanje

(anti-pad)27.05.2013. 26

Izazovi fizičkog projektovanjaVia za diferencijalne signaleZahtevaju razmak (Separation) i udaljenost

od mase (Clearance)


27.05.2013. 27

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Poligon (Polygone)Automatski popunjava sve površine bakrom


27.05.2013. 28

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Rastojanje (Clearance)Minimalni razmak između provodnih površina na

različitim potencijalima (različiti čvorovi)Preporuka: Najmanje 15mils

Za 240V najmanje 8mm (315mils) Postoji standard koji povezuje razliku napona, vrstu sloja (unutrašnji, spoljašnji) i nadmorsku visinu!!!


27.05.2013. 29

Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija: Rastojanje (Clearance)


27.05.2013. 30

Proces projektovanja:


ULAZ

IZLAZ

DimenzijeElektrična

ŠemaSpisak

materijala

Podaci o bušenju

Montažna ŠemaGERBER

fajlovi

27.05.2013. 31

Proces projektovanja:Tri ulazna parametra1. Električna šema

Kako su komponente međusobno povezane2. Spisak materijala (Bill of Material – BOM)

Spisak svih komponenata po tipu i vrednostima3. Dimenzije (Outline)

Ograničenje sa stanovišta dimenzija i oblika ploče


27.05.2013. 32

Proces projektovanja:Ostali neophodni parametri 1. Tlocrt komponenata (Part Footprints)

• Podaci o fizičkim dimenzijama svake komponente (veličina i rastojanje između stopica)

2. Podaci o slojevima (Layer Stacks)Broj sloja, tip sloja, razmak ...

3. Specifikacija veza i via • Dimenzije svakog tipa veze u svakom sloju i via (veza između dva

sloja)


27.05.2013. 33

Proces projektovanja:Na kraju projektovanja dobija se tri tipa

podataka:1. GERBER fajlovi

• Podaci o poziciji svake veze – podaci o trasiranim vezama: oblik, veličina, položaj, sloj,... služe za izradu svih veza u svim slojevima na štampanoj ploči

2. Montažna šema• Pozicija svake komponente tokom montaže

služi za automatsko pozicioniranje komponenata 3. Podaci za bušenje (Drill lists)

• Specifikacija o poziciji i veličini svih rupa na pločisluži za automatsko pozicioniranje i izbor svrdla na bušilici.


27.05.2013. 34

Proces projektovanja:Tokom projektovanja (generalno) od projektanata

se zahteva da nađe kompromisno rešenje kojim će ispuniti projektne zahteve u okviru raspoloživih resursa sa potrebnim kvalitetom.

Ukoliko su zahtevi fiksni (koje komponente i kako povezati) do većeg kvaliteta može da se dođe samo ukoliko se nađu bolji resursi.

Kvalitet: Resursi:Integritet signala, Bolja tehnologijaEMI, Više slojeva metalaOdvođenje toplote Duže vreme projekt.


27.05.2013. 35

Proces projektovanja:Resursi:Tip ploče FR-2 (Phenolic cotton paper),FR-3 (Cotton paper and epoxy),

FR-4 (Woven glass and epoxy), FR-5 (Woven glass and epoxy), FR-6 (Matte glass and polyester), G-10 (Woven glass and epoxy), CEM-1 (Cotton paper and epoxy), CEM-2 (Cotton paper and epoxy), CEM-3 (Woven glass and epoxy), CEM-4 (Woven glass and epoxy), CEM-5 (Woven glass and polyester).


27.05.2013. 36

Proces projektovanja:Resursi: Proizvođači/Tipovi ploča


27.05.2013. 37

Proces projektovanja:1. Selekcija komponenata, tehnologije2. Crtanje električne šeme3. Verifikacija el. šeme (analiza kola)4. Raspored elemenata (Floor planning)5. Povezivanje (Automatsko-ručno)6. Provera pravila projektovanja7. Izrada


27.05.2013. 38



27.05.2013. 39



27.05.2013. 40

Proces projektovanja:4. Raspored elemenata (Floor planning)

Podesi softver za projektovanje (alat) nasnap grid

Postavi na radnu površinu (ploču) sve elementePostavi sve komponente logički u odnosu na:

• protok signala, (pravac ulaz-izlaz)

• funkciju u kolu, (analogni, digitalni, frekvencija)

• osetljivost (na temperaturu, smetnje)


27.05.2013. 41

Proces projektovanja:4. Raspored elemenata (Floor planning)

Identifikuj kritične vezePoređaj elemente uredno, simetrično, poravnaj - alajniraj (aline)Ako lepo izgleda, radiće lepoDobar raspored je 90% posla


27.05.2013. 42

Izazovi fizičkog projektovanjaPlaniranje rasporeda (Floor Planning)


27.05.2013. 43



27.05.2013. 44

Proces projektovanja:5. Povezivanje (Automatsko-ručno)

Setuj Electrical grid = snap to center;sve veze na istom potencijalu = čvor ili mreža (net)

Svaka mreža što kraća;Koristi uglove od po 45 (zbog proizvodnje);

Koristi celu površinu ploče;Centriraj vezu sa stopicama;


27.05.2013. 45


Koristi veze od 100mils kad god može;Između dve stopice stavi 2 veze samo ako ne postoji drugo rešenje (obiđi);Suzi vezu između stopica;Za veze između dva sloja kroz koje protiče veća struja koristi višestruki prolaz – via;


27.05.2013. 46


Ne postavljaj prolaze (vije) ispod komponenata (neće moći da im se priđe kada se postavi komponenta)Koristi nožicu komponente umesto vijekad god može (pouzdanije, kraće vreme montaže)


27.05.2013. 47


Ukoliko su PWR, GND kritični, prvo njih trasiraj;Veze PWR i GND proširi koliko možePWR i GND što bliža jedna drugoj;Simetriraj veze;Ne ostavljaj nepovezan bakar (veži za GND ili ga ukloni)


27.05.2013. 48

Proces projektovanja:5. Povezivanje (Automatsko-ručno)PrimeriLoše PWR, GND


27.05.2013. 49

Proces projektovanja:5. Povezivanje (Automatsko-ručno)Primeri

Dobro


27.05.2013. 50


Loše


27.05.2013. 51


Dobro


27.05.2013. 52

Proces projektovanja:5. Povezivanje (Automatsko-ručno)Završna šminka:

Na T kontaktima dodaj proširenje

Na stopicama i viama vezanim za tanke trake dodaj proširenje


27.05.2013. 53

Proces projektovanja:5. Povezivanje (Automatsko-ručno)Završna šminka:

Proveri prostor za montažu (šrafovi)Proveri dimenzije otvora (da li komponenta može da prođe)Proveri dimenzije via i stopicaProveri fizički razmak između komponenataMinimizuj broj različitih dimenzija otvora


27.05.2013. 54



27.05.2013. 55

Proces projektovanja:6. Provera pravila projektovanja

Design Rule Check (DRC)Automatska provera fizičkih dimenzija

• širine veza• razmaka• povezanost mreža (kratak spoj/ prekid)• širina otvora


27.05.2013. 56

Proces projektovanja:1. Selekcija komponenata, tehnologije2. Crtanje električne šeme3. Verifikacija el. šeme (analiza kola)4. Raspored elemenata (Floor planning)5. Povezivanje (Automatsko-ručno)6. Provera pravila projektovanja7. Izrada štampane ploče


27.05.2013. 57

Proces projektovanja:7. Izrada štampane pločeOsim “provodnih slojeva” generišu se i slojevi/maske za:• oznke komponenata na gornjoj ploči (C1, R1,...)

“Silkscreen”/ “top/bottom overlay”/ “component layer” • lemljenje “solder mask” štiti ostatak ploče od lemne

paste. Prekriva sve sem površina na koje se nanosi tinol (stopica i via sa proširenjem od nekoliko milsa). Sprečava kratak spoj između veza tokom lemljenja.


27.05.2013. 58

Proces projektovanja:7. Izrada štampane pločeOsim “provodnih slojeva” generišu se i slojevi/maske za:• mehanički sloj “Mechanical Layer” definiše oblik i

dimenziju ploče (odvajanje od susednih ploča)• “Keepout” sloj definiše deo ploče na kome nema

bakra (npr. razmak između visokonaponskih komponenata)

• Sloj (maska) za poravnanje (alajniranje) “Alignment Layer” koristi proizvođač da podesi sve ostale slojeve

• Netlista – lista veza (mreža) “Netlist”svi podaci koji se nalaze na električnoj šemi


27.05.2013. 59

Proces projektovanja:7. Izrada štampane ploče (punjenje pločice)


27.05.2013. 60

Proces projektovanja:7. Izrada štampane ploče (punjenje pločice SMD)


27.05.2013. 61

Proces projektovanja:7. Izrada štampane ploče (punjenje pločice SMD)


27.05.2013. 62

Izazovi fizičkog projektovanjaRazvođenje mase

• Koristiti poseban sloj za GND, ako postoji

• Kod višeslojnih, GND što bliže gornjem sloju

• Što veća površina bakra

• Koristi višestruke vie da bi smanjio impedansu do mase


27.05.2013. 63

Izazovi fizičkog projektovanjaZašto je važno razvođenje napajanja?

Pri promeni stanja u digitalnim kolima dešavaju se nagle promene struje.

Kondenzatori se pune/prazne. Potrebnu količinu naelektrisanja obezbeđuju izvori – baterije koji NISU IDEALNI

Veze imaju konačnu otpornostMenja se pad napona VDD/VSS i to

neravnomerno duž ploče. Jedno kolo utiče na drugo – dolazi do interakcije preko napona napajanja.


27.05.2013. 64

Izazovi fizičkog projektovanjaZašto je važno razvođenje napajanja? Elektromagnetna interferencija


27.05.2013. 65

Izazovi fizičkog projektovanjaZašto je važno razvođenje napajanja? Uticaj konačneotpornosti ploča


27.05.2013. 66

Izazovi fizičkog projektovanjaRazvođenje napajanja


27.05.2013. 67

Izazovi fizičkog projektovanjaRazvođenje napajanja kod višeslojne štampe


27.05.2013. 68

Izazovi fizičkog projektovanjaRazvođenje napajanja


27.05.2013. 69

Izazovi fizičkog projektovanjaKondenzatori za premošćavanje napajanja

Bypass• Koristiti baypass kondenzatore što bliže

digitalnim kolima – neposredno uz VDD/VSS pinove

• Tipična vrednost 100nF, koriste se i 1uF, 10nF, 1nF, zavisno od frekvencije koju treba premostiti


27.05.2013. 70

Izazovi fizičkog projektovanjaIntegritet signalaZavisnost amplitude od dužine veze


27.05.2013. 71

Izazovi fizičkog projektovanjaIntegritet signala

Preslušavanje manje ako su veze fizički bliže masi


27.05.2013. 72

Izazovi fizičkog projektovanjaTemperaturski efektiPouzdanost Si opada 2x pri porastu T od 10oC Zato treba obezbediti hlađenje


27.05.2013. 73

Izazovi fizičkog projektovanjaTemperaturski efekti


Termička otpornostθCA[oC/W]

ΤCA= θCA P

Razlika temperature

27.05.2013. 74



Hlađenje

27.05.2013. 75



Bolje

Hlađenje

27.05.2013. 76

Izazovi fizičkog projektovanjaPreporuke

Kopiraj postojeći projekatPrilagodi ga potrebamaKonsultuj iskusnijeg projektantaUradi sve provere (DRC) koje ti alat

omogućavaNapravi uzorak i fizički ga testirajAko je OK, ide u proizvodnju


27.05.2013. 77

Sledeće nedelje:

-Pitanja - odgovori

-kolokvijum 2

Page:2 / 3

Page:3 / 3

Documents

Sadržaj: I. Uvod - osnovni pojmovi Osnove fizi kog ...leda.elfak.ni.ac.rs/education/PEK_stari/literatura/predavanja PEK EMT... · Planiranje rasporeda (Floor Planning) Projektovanje