Leer je PCB’s met een onregelmatige vorm te ontwerpen!

Wat we verwachten van een complete PCB is meestal een nette rechthoekige vorm. Hoewel de meeste ontwerpen inderdaad rechthoekig zijn, vereisen veel platen met onregelmatige vormen, die niet altijd gemakkelijk te ontwerpen zijn. Dit document introduceert hoe PCB’s met een onregelmatige vorm kunnen worden ontworpen.

Tegenwoordig worden PCBS kleiner en worden er steeds meer functies aan de borden toegevoegd, wat, in combinatie met de toename van kloksnelheden, ontwerpen complexer maakt. Laten we dus eens kijken hoe we om moeten gaan met een printplaat met een complexere vorm.

Zoals figuur 1 laat zien, kunnen eenvoudige PCI-kaartvormen eenvoudig worden gemaakt in de meeste EDA Layout-tools.

Afbeelding 1: Uiterlijk van een gewone PCI-printplaat.

Wanneer bordvormen echter moeten worden aangepast aan complexe behuizingen met hoge beperkingen, is het voor PCB-ontwerpers niet eenvoudig omdat de functies in deze tools niet dezelfde zijn als die in mechanische CAD-systemen. De complexe printplaat die in figuur 2 wordt getoond, is in de eerste plaats ontworpen voor explosieveilige behuizingen en is onderhevig aan veel mechanische beperkingen. Het kan lang duren en onproductief zijn om deze informatie in EDA-tools te reconstrueren. Het is waarschijnlijk dat de werktuigbouwkundige al de door de PCB-ontwerper vereiste behuizing, vorm van de printplaat, locatie van het montagegat en hoogtelimieten heeft gemaakt.

Figuur 2: In dit voorbeeld moet de printplaat worden ontworpen volgens specifieke mechanische specificaties, zodat deze in explosieveilige containers kan worden geplaatst.

Vanwege radialen en stralen in de printplaat kan de reconstructie langer duren dan verwacht, zelfs als de vorm van de printplaat niet complex is (zoals weergegeven in figuur 3).

Afbeelding 3: Het ontwerpen van meerdere radialen en verschillende straalkrommen kan lang duren.

Dit zijn slechts enkele voorbeelden van complexe printplaatvormen. Met de hedendaagse consumentenelektronica zou je er echter versteld van staan hoeveel projecten alle functionaliteit proberen te proppen in een klein pakket dat niet altijd rechthoekig is. Smartphones en tablets zijn de eerste dingen die in je opkomen, maar er zijn genoeg voorbeelden.

Als u een huurauto inlevert, kunt u mogelijk een begeleider zien die een handscanner gebruikt om de informatie van de auto te lezen en vervolgens draadloos met het kantoor te communiceren. Het apparaat is ook aangesloten op een thermische printer voor het direct afdrukken van bonnen. Vrijwel al deze apparaten maken gebruik van stijve/flexibele printplaten (Figuur 4), waar conventionele printplaten zijn verbonden met flexibele printplaten, zodat ze in kleine ruimtes kunnen worden gevouwen.

Afbeelding 4: Stijve/flexibele printplaat maakt maximaal gebruik van de beschikbare ruimte mogelijk.

De vraag is dan: “Hoe importeert u gedefinieerde werktuigbouwkundige specificaties in een PCB-ontwerptool?” Het hergebruik van deze gegevens in mechanische tekeningen elimineert dubbel werk en, belangrijker nog, menselijke fouten.

We kunnen dit probleem oplossen door alle informatie in PCB Layout-software te importeren in DXF-, IDF- of ProSTEP-formaat. Dit bespaart veel tijd en elimineert de mogelijkheid van menselijke fouten. Vervolgens zullen we elk van deze formaten bekijken.

Grafisch uitwisselingsformaat – DXF

DXF is een van de oudste en meest gebruikte formaten voor het elektronisch uitwisselen van gegevens tussen mechanische en PCB-ontwerpdomeinen. AutoCAD ontwikkelde het begin jaren tachtig. Dit formaat wordt voornamelijk gebruikt voor tweedimensionale gegevensuitwisseling. De meeste leveranciers van PCB-tools ondersteunen dit formaat en het vereenvoudigt de gegevensuitwisseling. DXF-import/-export vereist extra functionaliteit om de lagen, verschillende entiteiten en eenheden te besturen die in het uitwisselingsproces zullen worden gebruikt. Afbeelding 5 is een voorbeeld van het importeren van zeer complexe printplaatvormen in DXF-formaat met behulp van de PADS-tools van Mentor Graphics:

Afbeelding 5: PCB-ontwerptools (zoals PADS die hier worden beschreven) moeten in staat zijn om de verschillende vereiste parameters te regelen met behulp van het DXF-formaat.

Een paar jaar geleden begon 3D-functionaliteit te verschijnen in PCB-tools en er was behoefte aan een formaat dat 3D-gegevens kon overbrengen tussen machines en PCB-tools. Hieruit ontwikkelde Mentor Graphics het IDF-formaat, dat sindsdien op grote schaal wordt gebruikt om informatie over printplaten en componenten over te dragen tussen PCBS en werktuigmachines.

Terwijl het DXF-formaat de bordgrootte en -dikte bevat, gebruikt het IDF-formaat de X- en Y-posities van de component, het componentbitnummer en de z-ashoogte van de component. Dit formaat verbetert de mogelijkheid om een PCB in een 3D-weergave te visualiseren aanzienlijk. Aanvullende informatie over verboden gebieden, zoals hoogtebeperkingen aan de boven- en onderkant van het bord, kan ook in het IDF-bestand worden opgenomen.

Het systeem moet in staat zijn te bepalen wat er in het IDF-bestand staat op een vergelijkbare manier als de DXF-parameterinstellingen, zoals weergegeven in afbeelding 6. Als sommige componenten geen hoogte-informatie hebben, kan IDF-export ontbrekende informatie toevoegen tijdens het maken.

Afbeelding 6: Parameters kunnen worden ingesteld in de PCB-ontwerptool (PADS in dit voorbeeld).

Een ander voordeel van de IDF-interface is dat beide partijen het onderdeel naar een nieuwe locatie kunnen verplaatsen of de vorm van het bord kunnen wijzigen en vervolgens een ander IDF-bestand kunnen maken. Het nadeel van deze aanpak is dat je het hele bestand met wijzigingen aan het bord en componenten opnieuw moet importeren, en in sommige gevallen kan het lang duren vanwege de bestandsgrootte. Bovendien kan het moeilijk zijn om uit het nieuwe IDF-bestand te bepalen welke wijzigingen zijn aangebracht, vooral op grotere borden. Gebruikers van IDF kunnen uiteindelijk aangepaste scripts maken om deze wijzigingen te bepalen.

STEP en ProSTEP

Om driedimensionale gegevens beter te kunnen verzenden, zoeken ontwerpers naar een verbeterde manier, het STEP-formaat is ontstaan. Het STEP-formaat kan printplaatafmetingen en componentlay-outs verzenden, maar wat nog belangrijker is, componenten hebben niet langer een eenvoudige vorm met alleen een hoogtewaarde. STEP componentmodel is een gedetailleerde en complexe weergave van componenten in driedimensionale vorm. Zowel printplaat- als componentinformatie kan worden overgedragen tussen de printplaat en de machine. Er is echter nog steeds geen mechanisme om wijzigingen bij te houden.

Om de STEP-bestandsuitwisseling te verbeteren, hebben we het ProSTEP-formaat geïntroduceerd. Dit formaat verplaatst dezelfde gegevens als IDF en STEP en heeft een grote verbetering: het kan wijzigingen volgen en ook de mogelijkheid bieden om binnen de originele systemen van de discipline te werken en eventuele wijzigingen te beoordelen zodra een basislijn is vastgesteld. Naast het bekijken van wijzigingen, kunnen PCB- en mechanische ingenieurs alle of individuele componentwijzigingen in lay-out, wijzigingen in de vorm van de kaart goedkeuren. Ze kunnen ook verschillende bordformaten of componentlocaties voorstellen. Deze verbeterde communicatie creëert een ECO (Engineering Change Order) tussen ECAD en het mechanische team die nooit eerder bestond (Figuur 7).

Afbeelding 7: Stel een wijziging voor, bekijk de wijziging in de oorspronkelijke tool, keur de wijziging goed of stel een andere voor.

Tegenwoordig ondersteunen de meeste ECAD- en mechanische CAD-systemen het gebruik van het ProSTEP-formaat om de communicatie te verbeteren, veel tijd te besparen en kostbare fouten te verminderen die het gevolg kunnen zijn van complexe elektromechanische ontwerpen. Bovendien kunnen ingenieurs tijd besparen door een complexe printplaatvorm met extra beperkingen te creëren en die informatie vervolgens elektronisch te verzenden om te voorkomen dat iemand de afmetingen van de printplaat verkeerd interpreteert.

conclusie

Als u nog geen van deze DXF-, IDF-, STEP- of ProSTEP-gegevensindelingen hebt gebruikt om informatie uit te wisselen, moet u het gebruik ervan controleren. Overweeg om deze edi te gebruiken om te voorkomen dat u tijd verspilt aan het opnieuw maken van complexe bordvormen.