Panelizace návrhu desek plošných spojů

Význam a účel uživatelského panelu

Standardizace a efektivita výrobních postupů vyžaduje multiplicitu zpracovávaných desek plošných spojů v době návrhu desky, jehož násobností a přidáním technologických znaků vyrobitelnosti vzniká uživatelský panel¹. Rozmístění součástek, umístění požadovaného typu vylamovacího můstku, geometrie plošných spojů v jeho těsné blízkosti, ošetření objektů v nepájivé masce…, vzájemně akceptují svoje specifické vlastnosti rozhodnutím konstruktéra na nejlepší výsledek propracováváním této části motivu plošných spojů, „na poprvé správně“ a bez vícenákladů. Naproti tomu, nejsou-li řešeny technologické souvislosti v pravý čas, tj. při prvotním návrhu motivu plošných spojů, vítězí při pozdějším sestavení uživatelského panelu dražší kompromis. Nebude možné použít vhodnější způsob depanelizace, zvýší se počet technologických operací. Vyřešení uživatelského panelu odděleně od návrhu jednotlivé desky přináší větší spotřebu času, přičemž „DRC“ (Design Rules Check), pracující nad deskou plošného spoje „online“, je zpravidla přerušen a úloha je hlídána z nově sestavených parametrů jiného softwarového nástroje. Možnost zanesení chyby do projektu se tím zvyšuje, ladění úlohy je těžkopádnější a méně pružné.

Uživatelský panel je konstruován v počátečních stádiích návrhu desky, jakmile je definována její vnější geometrie. V průběhu layoutu desky je panel projednáván s příslušnými útvary procesní a nástrojové přípravy výroby. Sdílený čas souběhu layoutu desky a ladění uživatelského panelu přináší technicky čistý výstup v nejkratším termínu.

Nástrojové vybavení v prostředí Altium Designer

Uživatelský panel je dokument typu „PCB“ (samostatný datový soubor), systémově svázaný s dokumentem „PCB“ navrhované desky. Veškeré změny v dokumentu navrhované desky jsou sdíleny prostředky Altium Designer do dokumentu panelu. Hotový uživatelský panel je zobrazen na obr. 1.

Obr. 1 PCB dokument panelu

Návrh uživatelského panelu

Pracovní postup: Do projektu začleníme předem připravený PCB dokument, který v průběhu layoutu desky bude doplněn (rozumí se dokument panelu) na vlastnosti „Výkresu výsledného“².

Vytvoření geometrie panelu: obvyklým způsobem (nástrojová lišta: Place/ Line) zhotovíme na vrstvě určené k obrysu uživatelského panelu jeho obrys. Je vhodné mít obrys uživatelského panelu na jiné vrstvě (hladině), než je obrys desky na dokumentu s layoutem. Standardním způsobem „vybereme“ nakreslený obrys panelu; nyní je vysvícený. Dále: (nástrojová lišta: Design/Board Shape/ Define from selected objects), rozměry panelu jsou tím definovány. Tvorba definování rozměrů uživatelského panelu je zde popsána z hlediska použitých nástrojů v Altium Designer. Stanovení skutečných rozměrů uživatelského panelu závisí na rozměrech jednotlivé desky v panelu umístěné, typu desky, druhu součástek na desce, způsobu osazování, způsobu pájení, strojního parku a mnoha dalších parametrech, svým rozsahem přesahující cíl i téma tohoto příspěvku.

Obr. 2 Panelizace – Embedded Array

Máme-li správně stanovený rozměr uživatelského panelu, dá se kdykoliv snadno měnit, přičemž není nutné nové rozměry překótovávat; kóty se mění automaticky s posunem hraničních objektů definující rozměry panelu, ovšem za předpokladu systémově správného užívání nástrojů. Známe-li způsob dělení panelu (nejčastěji kombinované frézování, drážkování nebo použití obou těchto technologií) a dále známe-li rozestupy mezi deskami v uživatelském panelu, můžeme začít vkládat desky do panelu. Panel může být sestaven ze stejných desek shodně orientovaných, z desek stejných, ale rozdílně natočených, viz. obr. 5, ale také ze zcela rozdílných desek např. můžeme takto panelizovat sadu desek jednoho přístroje a podobně. Samozřejmě za podmínky technologické, materiální i dalších nutných shod.

Obr. 3 Embedded Board Array

Vytvoření obsahu uživatelského panelu (zatím máme vytvořené pouze vnější rozměry): jsme v dokumentu PCB panelu. Z nástrojové lišty vybereme Place/ Embedded Board Array/Panelize. Objeví se okno obr. 3 „Embedded Board Array“. Po porozumění vyplníme požadované parametry okna. Prohlédněte si nyní podrobně obr. 3. a obr. 5. Panel je sestaven ze dvou řad o čtyřech sloupcích (druhá řada má rotaci 180 ° vůči řadě první) a ve dvou vkládacích krocích. Na obr. 3 vidíme spodní řadu desek „vysvícenou“, pro tu platí otevřené okno pro vložení parametrů. Požadujeme jednu řadu, proto rozměr Δy=0, Δx je jasná, pozor na parametr „Location“, natočení: druhá řada bude mít 180 °; „PCB Document“: zde vybereme soubor (dokument PCB) vkládané desky. V tomto panelu byl vybrán dvakrát stejný soubor, ale s rozdílnými parametry obr. 3. Vkládané desky můžeme i zrcadlit. Kombinací k sestavení panelu je více. Po změně v layoutu, ze kterého nebo ze kterých je panel sestaven, přejdeme na dokument PCB panelu a dvojklikem myší na desky panelu provedeme aktualizaci desek v panelu. Na příkladě obrázků zde uváděných provedeme aktualizaci obou řad desek (2× dvojklik). Další práce na vytváření výkresu výsledného do konečné podoby je běžná, jako na jiných dokumentech typu PCB.

Obr. 4 3D pohled na PCB panel

Výstupní data k výrobě neosazených desek generujeme službou „Output Job“, kde vybereme ve sloupci „Data Source“ dokument PCB panelu. Takto získáme data typu Gerber, NC Drill, Composite Drill Drawing. ODB++ data generujeme z dokumentu PCB layoutu, protože z dokumentu PCB panelu nemůžeme z principu obsahu struktury ODB++ získat plno-hodnotný výsledek.

Obr. 5 3D pohled na osazený PCB panel

Využití 3D zobrazení v předvýrobních procesech

V prostředí Altium Designer je implementován plnohodnotný systém 3D. Není to pouhá vizualizace, ale plně funkční konstrukční prostředí. Navržené desky, včetně uživatelských panelů, můžeme v 3D projekci diskutovat názorně kdekoliv po světě s profesně zájmově sdruženými specialisty, pracujícími na řešeném projektu ještě dříve, než je provedena fyzická výroba. Také zhotovení prezentací, včetně sestav desek v 3D, je velmi prospěšné také v jiných návrhových disciplínách i manažerských činnostech. Těsná spolupráce s mechanickými inženýry je realizována obousměrně prostřednictvím protokolu STEP. Umožňuje bezchybné ověření umístění osazené desky plošných spojů do prostoru členitého výlisku. DRC systému spolehlivě indikuje porušení návrhových pravidel i pro 3D režim.

Závěr

Smyslem článku je ukázat začlenění konstrukčních záměrů návrháře do technické praxe s využitím vlastností návrhového systému, zde prostředí Altium Designer, k rychlému vyřešení výrobního předmětu, zde uživatelského panelu (může to být ovšem i jiná souvztažnost) desek plošných spojů již v době, kdy layout jednotlivé desky v panelu obsažené teprve vzniká.

Výsledkem je výroba vzorků s již vyřešenými vlastnostmi hromadné výroby, v extrémně krátkém čase. Vyrobené vzorky jsou podrobeny testům v úplném obraze pozdější sériové výroby. Již na prvních vyrobených vzorcích je získán reálně použitelný sběr dat napříč všemi pracovišti, pro vytvoření potřebných protokolů k rychlému zavedení výrobku na trh.

Vysvětlivky:

1 Uživatelský panel: Sestava desek s technologickým okolím pro uplatnění automatizovaných prostředků montáže, pájení, testování apod., dodávaná výrobcem desek plošných spojů. Výrobce desek plošných spojů znásobí uživatelský panel do výrobního přířezu, který je zpětně finálně dělen do uživatelských panelů k dodání zákazníkovi. Uživatelský panel, je-li uplatněn, zhotovuje zpravidla řešitel PCB nebo objednatel zakázky, případně předloží jeho specifikaci.

2 Výkres výsledný: ústřední výkres pro výrobce desek plošných spojů; obsahuje geometrii uživatelského panelu a obsažených desek, technologickou vybavenost panelu i jednotlivých desek k hromadné výrobě s kótami, sestavení jednotlivých vrstev desky (Layer Stack-up), seznam datových souborů, materiálovou specifikaci, výrobní poznámky, tabulku otvorů s legendou, nákresy důležitých, zpravidla mechanických detailů k výrobě.