Создание прототипов ПП – это сложный процесс, объединяющий креативность с основными процедурами. Сроки производства индивидуальны для каждого проекта и все всегда находится в руках его создателя. Однако на этом пути есть ряд важных моментов.
В этом руководстве я познакомлю вас с шагами, необходимыми чтобы добраться до конечного этапа производства, как показано ниже.
То, где вы сейчас
И ваша конечная цель –
Первые Шаги в Создании Прототипа ПП
Итак, у вас есть фантастическая идея или лучше сказать ПК (Проверка Концепции), но нужно что-то более значимое, чтобы перейти к полноценному производству хотя бы демо-версии. Как же приступить к созданию прототипа ПП?
В аппаратном дизайне, под прототипом ПП подразумевают “собранную вручную” модель, которая представляет производимый продукт и служит визуальным экземпляром для инженеров. Слово «прототип» произошло от латинского слова proto (оригинал) и type (форма или модель).
Со всеми доступными на данный момент бесплатными ресурсами и руководствами, почти каждый способен собрать прототип ПП за считанные часы. Чтобы коммерциализировать прототипы нужно приложить немало усилий, тщательно все спланировать и обзавестись опытом. Необходимо будет принять много решений касательно оборудования, которые в свою часть повлияют на программное обеспечение устройства.
Его легко построить с помощью Raspberry Pi или даже популярной Arduino, но шансы на массовое производство с их помощью обычно ограничены. Это конечно не значит, что вы не сможете создать плату с помощью Arduino вроде Arduino Pro Mini или Arduino без головки. Их можно подключить, а затем перейти к производству чего-то в этом роде. Однако они могут быть дороже и даже мощнее, чем нужно изначально.
Большинство современных стартапов в области аппаратного обеспечения создают первичные прототипы ПП с помощью Arduino. Arduino легко освоить даже людям без бэкграунда в инженерии или только с необходимыми навыками программирования. Даже ребенок мог бы это сделать, а многие дети уже могут.
1.1 Прототипа ПП — Выбор Компонентов
Прежде всего при подготовке к производству прототипа ПП необходимо выяснить, какие компоненты вам понадобятся. Можно быстро получить представление о них, если под рукой есть структурная схема или существующая ПК. Однако даже желаемые функции устройства могут об этом сказать. К примеру, для создания чего-то вроде портативного пульсометра понадобится следующее:
1. Блок микроконтроллера – Atmega, ARM, PIC и другие
2. Датчик пульса – Подойдет как специальный датчик пульса, так и комбинация светодиода и светового датчика.
3. Блок питания
4. Интерфейсы дисплея – LCD, LED, OLED, TFT или другие.
Можно передать поиск компонентов на аутсорсинг, причем необязательно одному поставщику. Ниже приведен перечень поставщиков, у которых можно заказать необходимые детали – AliExpress, Digi Key, Arrow, Mouser, Adafruit и другие.
1.2 Прототипа ПП — Схематический Рисунок
Следующим шагом будет создание рисунка всей электронной конструкции, который также называют схематическим рисунком или принципиальной схемой. Рисунок показывает подключение каждого компонента. Все это лучше делать с помощью специальных программ, а не вручную.
Создание схемы – ключевой шаг в сборке конечного продукта, поэтому его нельзя пропустить просто так. Начать довольно просто, необходимо лишь выбрать подходящую для этого программу. Существует несколько программ предназначенных для создания принципиальных схем: некоторые из них бесплатные, а за какие-то придется заплатить. Большая их часть используется и для рисования схем, и для создания макета ПП.
Подобное ПО представлено ниже:
1. KiCAD – Бесплатно
2. Eagle CAD – Платно, однако есть бесплатная версия с ограничениями
3. Altium – Платно
4. DipTrace – Платно
5. OrCAD – Платно, но есть бесплатный пробный период
После того, как вы определились с приложением, следует подробно разобраться в его функционале, поскольку каждое из них отличается как внешне, так и функциями.
При создании схемы в выбранном ПО крайне важно придерживаться основных практик схематического проектирования.
Некоторые из этих традиционных методов представлены ниже:
1. Используйте точку соединения, чтобы отметить несколько компонентов входящих в соединение.
2. Используйте сетевое имя для контактов, вместо прорисовки сотни соединений. Это улучшает читаемость схемы и избавляет от лишнего беспорядка.
3. Всегда используйте один символ для одного и того же устройства.
4. Разделите схему на логические блоки, особенно если разрабатываете сложные схемы.
Как только вы закончили с принципиальной схемой и полностью её перепроверили, можно переходить к следующему шагу. Им будет конвертация схемы в макет ПП, который будет использоваться для её производства.
В следующем разделе мы поговорим о производстве печатных плат для прототипов ПП.
Создание Прототипов ПП
Для создания Прототипов ПП, в первую очередь необходимо позаботиться о принципиальной схеме, поскольку это довольно значимый элемент всего процесса.
Следующий столь же важный этап – создание макета вашей печатной платы. Однако, что же такое Печатная Плата?
Печатная Плата или ПП – это физическая плата, на которой размещены и подключены электронные компоненты. Схематический рисунок обычно переносится на ПП несколькими способами. На дизайн ПП могут влиять такие факторы как
1. Стоимость – Чем выше значимость платы, тем дороже обходится её производство.
2. Производительность – Конструкция платы и тип используемых компонентов будет напрямую влиять на производительность устройства. Плохо спроектированная плата может быть восприимчива к шуму, что, в свою очередь, снижает производительность устройства.
3. Долговечность
4. И многое другое.
Как только схема готова, переходим к изготовлению ПП.
ПП проектируется с помощью той же программы, которая использовалась для создания принципиальной схемы.
ПО будет отвечать за создание макета ПП и посадочного места на основе данных компонентов и схематического рисунка. Без принципиальной схемы программа не сможет создать базовый макет ПП.
Создание макета ПП может занять довольно много времени, особенно у тех, кто делает это впервые. Однако, к счастью, есть несколько полезных руководств и онлайн ресурсов по работе с большей частью подобного ПО.
В зависимости от выбранной программы, у пользователя обычно есть возможно переключения между режимом схемы и режимом макета, где и будет создаваться ПП.
Спроектируйте ПП так, как вы представляете конечный вид устройства. Используемое ПО имеет различные инструменты проверки, которые помогут убедиться, что компоновка ПП соответствует правилам проектирования и схеме. Вы можете быстро проверить может ли ваша конструкция сломать устройство или нет.
Чем меньше продукт и чем плотнее должны быть расположены компоненты, тем больше времени займет создание макета ПП. Если дорожки вашей платы должны переносить большое количество энергии или используют беспроводную связь, то создание макета потребует еще больше внимания и времени.
Для большинства прототипов ПП важнейшими частями являются разводка питания, любые высокоскоростные сигналы (кварцевые часы и т. д.) и любые беспроводные схемы.
Разобравшись с конструкцией ПП, нужно перейти к её непосредственному изготовлению, и тут есть несколько возможных вариантов развития событий. Вы можете собрать плату в домашних условиях или воспользоваться услугами специалистов.
Кроме того, существуют техники домашнего производства ПП, но они имеют ограниченную область применения. Таким образом, вам, скорее всего, придется передать производство прототипов ПП на аутсорсинг.
В следующем разделе мы поговорим о том, как изготовить печатную плату у стороннего производителя.
Производство ваших Печатных Плат у WellPCB
Когда макет печатной платы готов, можно переходить к её сборке. Прежде чем заняться производством, неплохо будет взглянуть, как будет выглядеть итоговый продукт. Некоторое ПО вроде Proteus или Altium имеют режим 3D просмотра, который позволит «прочувствовать» плату.
Прежде чем отправить дизайн производителю, необходимо сгенерировать файловый формат, с которым он будет работать и определиться с компанией-производителем. WellPCB – лидер в производстве ПП.
Печатная Плата и лучший выбор для её производства.
Проект ПП необходимо конвертировать в файл Gerber, который используется большинством компаний и является стандартом в индустрии ПП. Gerber файл содержит все необходимые дизайн-файлы, используемые в производстве ПП. WellPCB работает с 4 типами файловых форматов (Gerber, .pcb, .pcbdoc или .cam).
Будет не лишним указать номера деталей на слое шелкографии. WellPCB наносит шелкографию с обеих сторон, не требуя дополнительной платы. Кроме того, полезно знать возможности и ограничения производителя, для WellPCB минимальное расстояние и ширина следа/дорожки составляет 3 мил. Убедитесь, что ваша конструкция соответствует этому требованию. Используйте ваше ПО для проектирования, чтобы убедиться, что ваша плата соответствует производственным возможностям производителя.
Требования к шелкографии устанавливают желаемый цвет ПП, большая часть из них это чернила с УФ-отверждением и соответствуют требованиям RoHS.
1. Белый
2. Желтый
3. Черный
Это наиболее используемые цвета; в наличии доступны и другие, но стоит помнить, что цвета могут влиять на срок и на стоимость производства.
Чтобы заказать ПП у WellPCB, следуйте указанным шагам:
4. Посетите раздел Онлайн Предложений WellPCB – https://www.wellpcb.com/pcb-quote
5. Введите информацию о вашей плате и нажмите «Добавить в корзину». Минимальное количество единиц, установленное WellPCB – пять штук.
6. Создайте новый аккаунт.
7. Загрузите ваш файл Gerber или файлы .brd.
8. Оформите заказ и ожидайте доставку.
WellPCB также проводит DRC проверку файлов клиента, что помогает избежать ошибок в конструкции. Пользователь будет уведомлен о возникших проблемах, чтобы сэкономить время и средства при производстве.
Теперь вы можете сесть и спокойной душой ожидать, когда придут ваши печатные платы. Срок изготовления ПП составляет как минимум 24 часа и минимум 120 часов для ПП с 8 – 12 слоями.
В следующем разделе мы поговорим о некоторых терминах ПП и возможностях WellPCB.
Возможности WellPCB и Некоторые Общие Термины ПП
WellPCB – лидирующий производитель печатных плат, который также предлагает услуги по созданию готовых сборок ПП.
Все это делает WellPCB надежным производителем, к которому вам стоит обратиться за помощью в изготовлении готового продукта. Кроме того, они предоставляют услуги под ключ по аутсорсингу компонентов для вашей электронной платы.
WellPCB специализируется на предоставлении услуг по созданию прототипов ПП, а не только на массовом производстве. Минимальное количество прототипов ПП для производства составляет 5 штук. Все услуги компания предлагает по максимально доступным ценам.
По акции цена за 10 шт. прототипов ПП, 1-2 слоя и размерами меньше 10см*10см составляет $3.99.
WellPCB может производить 100 000 квадратных футов 2-32-слойных ПП и ежемесячно поставлять более 5000 экземпляров.
Срок производства двусторонних ПП составляет 24 часа, 48 часов для плат с 4-8 слоями и 120 часов для плат с 10 и более слоями. Их стандартное время выполнения заказа составляет 5-6 дней, а ускоренное – 24-48 часов.
4.1 Ниже представлены производственные возможности WellPCB
1. Поддерживаемые Материалы: FR4, High TG FR4, Безгалогеновый материал, CEM-3, материал Rogers HF.
2. Количество слоев: 1-32.
3. Конечная Толщина Меди: 0.5-5 унций.
4. Конечная Толщина Платы: 0.2-6.0 мм.
5. Мин. Ширина Следа/Дорожки: 4 мил.
6. Мин. Расстояние между Следами/Дорожками: 4 мил.
7. Мин. Допуск Контура: +/-0.1мм.
8. Мин. Диаметр Сквозного Отверстия: 0.1 мм.
9. Макс. Соотношение Толщины Платы/Отверстию: 12:1.
10. Мин. Перемычка Паяльной Маски: 4 мил (Мин. SMT Пространство Площадки 8 мил).
11. Мин. Легенда(Шелкография) Ширины Дорожки: 5 мил.
12. Цвет Паяльной маски: зеленый, черный, синий, белый, желтый, матовый и т.д.
13. Плотность Паяльной маски: 6 H.
14. Цвет Легенды/Шелкографии: белый, желтый, черный и т.д.
15. Обработка Поверхности: HAL, Бессвинцовый HAL, Иммерсионное золото, OSP, Иммерсионное олово, Иммерсионное серебро и т.д.
16. Прочие Технологии: Позолоченные коннекторы, снимаемая маска, непересекающиеся переходные отверстия, регулировка характеристического импенданса, Гибко-жесткая плата и т.д.
17. Тест на прочность: проверка летающим зондом, проверка импендансом, проверка на паяемость, проверка тепловым ударом, тест на сопротивление отверстию.
18. Огнеупорность: 94V-0.
4.2 Прототипа ПП — Обработка Поверхности
Отделкой ПП называют слой между компонентами и самой платой. Применяется по двум основным причинам: для обеспечения паяемости и для защиты открытых медных цепей.
Стандартные предпочтения поверхностной отделки – директивы Non-RoHS или RoHS.
1. HASL (Лужение) – Содержит свинец non-RoHS, дешевле и популярнее.
2. ENIG (Иммерсионное Золото с Никелевым Покрытием) – Самая популярная бессвинцовая обработка, однако дорогостоящая
3. Иммерсионное Серебро – Соответствует требованиям RoHS, однако тускнеет, как и любой серебряный продукт
4. OSP – Слой Органического Материала
5. LF-HASL – Бессвинцовое Лужение
6. Иммерсионное Олово – Используется реже всего
4.3 Прототипа ПП — Паяльная Маска
Паяльная маска – это цвет, который будет использоваться для отделки прототипов ПП. Использоваться может любой цвет, однако лучше придерживаться стандартных, поскольку это более профессиональный подход. Наиболее популярные из них:
1. Зеленый
2. Синий
3. Черный
4. Красный
5. Белый
6. Желтый
Маска может быть как матовая, так и глянцевая. Матовое покрытие доступно в меньших количествах, поскольку глянец используется гораздо чаще. Нанесение матового покрытия может увеличить сроки производства из-за необходимости смены оборудования, нанесения определенного цвета и обработки.
4.4 Прототипа ПП — Шелкография
Шелкография – это особая печать, которая служит для идентификации компонентов и контрольных точек ПП. К ней относят номера деталей, предупреждающие символы, логотипы компаний и название фирмы-производителя. Ниже представлены цвета, которые используются для шелкографии:
1. Черный
2. Белый
3. Желтый
Это наиболее используемые цвета; в наличии доступны и другие, однако, как и в случае с МАСКОЙ, это может увеличить сроки и затраты. Уточните, есть ли у вас особые требования к вашему продукту.
В следующем разделе мы поговорим о том, как оформить итоговую Сборку Печатной Платы. Собранная ПП – это плата, на которую правильно установлены и припаяны все необходимые компоненты.
Переходим от Прототипа к Готовой Сборке ПП
Итак, что же такое ГСПП? ГСПП – так сокращенно называют готовую сборку печатной платы, что относит к комбинации прототипа ПП, поиска компонентов и Списка Материалов (BOM) устанавливаемых на плату. В двух словах Готовая Сборка ПП – это ПП с установленными на ней компонентами.
Итак, ваша печатная плата готова, теперь нужно установить на неё необходимые компоненты. Вы можете попытаться сделать это вручную, и идея довольно неплоха, если речь о 5 или в худшем случае 10 платах. Все, что больше, лучше включить в комплексную сборку.
5.1 Типы сборки ПП
Ниже представлены основные типы сборки ПП:
Это стандартные типы сборки ПП. SMD означает устройства для поверхностного монтажа, THC – Компоненты со Сквозными Отверстиями.
ГСПП помогает инженерам, разработчикам продуктов, любителям и другим людям самостоятельно заполнять плату необходимыми компонентами фирмой-производителем.
При заказах оптом это обычно быстрее и дешевле. Перейти к созданию ГСПП проще, если у вас есть все необходимые ресурсы.
WellPCB способны работать со всевозможными прототипами ПП, а также предлагают сопутствующую услугу ГСПП, чтобы помочь упростить весь процесс разработки платы. Заполнение ПП не потребует значительных расходов, если только вы не захотите добавить дополнительные шаги в процесс. Это может быть, как запись программы в MCU, так и выполнения 100% теста на готовых платах.
Чтобы начать сборку ПП, вам следует подготовить необходимые документы. Помимо дизайн-файла вашего прототипа ПП, понадобится список спецификаций (если таковые имеются), список материалов (СМ), которые будут установлены на плату. Этот список можно сгенерировать в приложении, где создавался дизайн; также следует приложить расшифровку расположения компонентов.
При запуске сборки ПП необходимо уделить внимание поиску компонентов для платы.
Владелец платы может самостоятельно найти все детали и отправить их WellPCB для дальнейшей сборки или же предоставить возможность WellPCB заняться этим, что, как мне кажется, гораздо лучше. Конечно, можно согласовать и частичную поставку.
Перейдите на страницу Сборка ПП на сайте WellPCB и заполните форму Запрос Предложения (ЗП). Впишите как можно больше деталей и отправьте её. WellPCB свяжется с вами, если понадобится больше информации, чтобы продолжить процесс сборки.
Список Материалов (СМ) WellPCB, которые устанавливаются на плату. Процесс сборки ПП может занять вплоть до 25 дней (для крупных партий), что в свою очередь сравнительно меньше, чем у других производителей. Ниже представлены производственные возможности WellPCB:
Больше информации о производственных возможностях WellPCB вы можете найти здесь.
На этом этапе вам остается только сесть и ждать, когда ваша собранная ПП будет готова и доставлена. На этом данный раздел заканчивается, далее мы поговорим о том, как сэкономить средства при производстве ПП.
Экономия Средств при Прототипировании и Производстве ПП
Поздравляю, теперь у вас на руках полностью готовые прототипы ПП. Для новичков это будет хорошим, но затратным опытом, но и с этим можно разобраться.
Часть средств можно сэкономить, избежав чрезмерной сложности и ошибок в конструкции схемы ПП.
В этом разделе я покажу вам несколько хитростей, которые помогут сэкономить даже миллионы долларов, если речь идет о массовом производстве.
6.1 Сохраняйте Минимальный Размер Платы
Сохранение минимального размера платы является ключевым фактором с точки зрения экономичности и также позволяет сделать итоговый продукт максимально портативным. Чем больше размер, тем выше цена. Чем меньше плата, тем ниже цена.
Однако если плата будет чересчур маленькой, сэкономить не удастся, потому что для размещения компонентов может понадобиться специализированное оборудование.
6.2 Старайтесь Использовать Компоненты для Поверхностного Монтажа
Вы, возможно, захотите использовать пакет DIP (двухрядный), более известный как Компоненты со сквозными отверстиями. Он проще в применении, но не совсем подходит в случае с экономией затрат
1. Использование компонентов для поверхностного монтажа позволит снизить число просверливаемых отверстий, которые обычно нужны для компонентов со сквозными отверстиями.
2. Использование компонентов для поверхностного монтажа также уменьшит размер платы.
3. Компоненты для поверхностного монтажа позволят ускорить сборку платы и уменьшить использование оборудования.
6.3 Подготовьте Дизайн для Панелизации
Панелизация позволит сэкономить кучу денег. Размещение всех ваших плат на одной панели поможет быстро монтировать компоненты, не тратя лишнего времени.
6.4 Может ли Шелкография Помочь Снизить Затраты?
Нанесение шелкографии с одной стороны снизит стоимость проекта вполовину. В этом случае лучше использовать стандартные цвета и крупную геометрию. Понимание подобных ограничений позволит вам сократить стоимость производства ПП.
6.5 Используйте Правильные Переходные Отверстия
Существует три типа переходных устройств – сквозное, слепое и внутреннее. Последние два в основном используются для ПП высокой частоты и плотности. Поэтому, если ваша конструкция не требует подобных отверстий, не включайте их в дизайн, чтобы избежать дополнительных трат.
На этом данный раздел подходит к концу, и мы можем перейти к заключению. Использование стандартных материалов и некоторых советов, которые были описаны, поможет вам сэкономить миллионы долларов при многосерийном производстве.
Заключение
Готовясь создать и выпустить на рынок свой продукт, нужно учитывать некоторые моменты.
1. Сертификация – Каждый беспроводной продукт обязан пройти процесс сертификации, который подтвердит отсутствие в нем опасных веществ и даст разрешение на продажу.
2. Корпус – В зависимости от продукта, который вы создаете, для платы может понадобиться специальный корпус, который придаст изящный вид или будет полезен в другом ключе.
3. Контроль качества – Отдел контроля качества выдает официальный отчет о проверке для утверждения отгрузки. Стоит ожидать, что каждая поставка будет проверена и одобрена перед выпуском. Такой протокол создает своего рода замкнутый цикл, который позволяет постоянно совершенствовать циклы производства.
Это руководство должно дать вам хорошую фору для запуска вашего следующего продукта. Переход от идеи и концепта до готового продукта – дело не из легких.
Вам нужно научиться противостоять трудностям, неудачам, критике; а управление всем производственным процессом может стать настоящим испытанием. Однако, производители вроде WellPCB существуют как раз для того, чтобы вы могли достичь успеха.
