В те времена принципиальные схемы составлялись из дискретных компонентов — резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т.п. Однако от электронщиков, проектирующих такие схемы, не требовалось принимать в расчет физические размеры компонентов: их интересовали лишь технические характеристики.
В вузах будущих инженеров этой специальности учили схемотехнике. В ходе практических занятий они моделировали свои устройства на макетных платах, а разводкой печатных плат приходилось заниматься лишь единицам — тем, кому это требовалось в их дипломных проектах.
Второй этап процесса разработки электронных устройств — это реализация схем на печатных платах. Как уже было сказано, схемотехники делать это не могли, и к делу подключались проектировщики плат. Работы велись в основном вручную, а сами платы изготавливались путем травления.
В 70-е годы начало набирать силу применение интегральных схем (ИС). Плюсом стала миниатюризация устройств, но в то же время возникла проблема с трассировкой, так как выросла плотность дорожек на плате.
К концу 80-х годов, когда ИС стали использоваться повсеместно, метод травления показал свою неэффективность, поэтому промышленность взяла курс на многослойные печатные платы. Соответственно, и схемотехникам, и проектировщикам плат пришлось взяться за освоение САПР электроники — иначе отрасль долго бы еще не оправилась от последующих экономических кризисов.
А теперь обратимся к результатам проведенных недавно опросов. Более 75 процентов проектировщиков печатных плат уже перешагнули возраст 45 лет, а половина из них планируют отправиться на пенсию в ближайшие 10 лет. Что это значит для отрасли?
- Проектировщики плат пережили три экономических кризиса и не склонны делиться опытом с молодежью — иначе их могут уволить по сокращению штатов раньше, чем они думали.
- Вузы и промышленность не могут найти между собой общий язык, а студентов-электронщиков по-прежнему не учат работать с печатными платами.
- Не существует эффективных программ переподготовки на специальность «проектировщик печатных плат».
- От печатных плат в ближайшее время промышленность не откажется — альтернативы им пока нет.
- Набирает популярность концепция мехатронного проектирования, и тем, кто решил следовать ей, необходимо понимать передовые методы проектирования и изготовления плат.
По сути дела, в электронной промышленности возник некий вакуум. Инженеры-схемотехники заниматься проектированием плат не планируют — их больше интересуют разработка принципиальных схем и написание микропрограмм.
Но в действительности платы — это в такой же степени забота конструкторов аппаратуры. Здесь смыкаются электрическая и механическая составляющие, и образуется то, что мы называем мехатроникой.
Разработка принципиальных схем с силовыми, аналоговыми и цифровыми компонентами пока остается в ведении инженеров-схемотехников, но не будем исключать, что в будущем вузы начнут готовить и специалистов по мехатронике.
Конструкторы электронных устройств вполне могут перенять эстафету от проектировщиков печатных плат, и вот почему:
Библиотеки. В проектировании плат один из главных факторов — это учет контура элемента. Нужно также принимать во внимание расположение выводов, чтобы корректно развести дорожки и учесть все необходимые допуски.
Такие нюансы инженеру-схемотехнику неведомы, а конструкторы электронных изделий очень хорошо о них осведомлены. Кроме того, не следует забывать о высоте каждого конкретного элемента, которая важна для правильного их размещения на плате.
Форма платы. В процесс компоновки плат все активнее включаются службы маркетинга — ведь именно они обладают решающим голосом при определении формы изделий, и конструкторам приходится это учитывать.
В прошлом промышленность и потребители были вполне удовлетворены печатными платами прямоугольной формы, повторяющими форму корпусов изделий. Точнее говоря, размеры корпусов подгонялись под платы, которые размещались внутри. Но с развитием систем проектирования ограничения исчезли, и формы могут быть произвольными. Теперь, наоборот, платы проектируются такими, чтобы помещаться в разработанные конструкторами корпуса.
Размещение элементов. Здесь все больший вес приобретает конструкторская и маркетинговая составляющая. Плата вместе с компонентами передается из конструкторской в схемотехническую систему проектирования и обратно, чтобы добиться от изделия максимальной эргономичности. Пользователю должно быть удобно нажимать кнопки, устанавливать положения переключателей, подключать кабели и наблюдать за дисплеями и светодиодами. Здесь снова можно говорить о мехатронике, поскольку в реальном времени идет параллельная разработка электронной и механической частей. Это позволяет обеспечить корректное размещение платы и компонентов на ней, чтобы не возникало конфликтов между ними и корпусом изделия.
Контроль соблюдения правил. Правила определяют, в частности, зазоры между дорожками, расстояния между элементами, ширину дорожек, диаметры отверстий и размеры контактных площадок. Некоторые из этих параметров отражают электрические требования (в первую очередь в силовых и высокочастотных устройствах); другие же исходят из технологичности производства. Конструктор должен знать теорию допусков и уметь применять ее на практике.
Разводка. Одна из самых серьезных задач проектирования печатных плат — это разводка дорожек, требующая от инженеров опыта и квалификации. При обучении этому процессу часто практикуется метод проб и ошибок, поэтому трудно сказать, инженеры какой специальности преуспеют в этом. Разработчики САПР электроники понимают проблему, и стараются включить в свои системы как можно больше функций, автоматизирующих процесс. Тем не менее, пользователи таких САПР должны для эффективной работы обладать должным опытом.
Рассеяние тепла. Проблемы теплоотвода знакомы всем, особенно разработчикам устройств для сложных климатических условий, силовых и высокочастотных устройств. Производители электронных и механических САПР отреагировали на это, добавив в свои системы возможности анализа. Тем не менее, сами пользователи должны иметь представление о процессах теплопередачи, и вузам следует озаботиться о преподавании инженерам соответствующих дисциплин.
Выводы
Мы постарались показать, что проектирование печатных плат — это в том числе область ответственности конструкторов электронных устройств. Исключения бывают, и для разработки плат высокой сложности привлекаются инженеры-схемотехники, однако в общем случае задача вполне доступна конструкторам, имеющим базовые навыки работы с САПР электроники.
Кроме того, становится ясно, что печатные платы — это мехатроника, и проектировать их нужно, параллельно разрабатывая электрическую и механическую составляющие. А в будущем нас ждут такие революционные технологии, как 3D-печать, проводящие пасты и встроенные компоненты. Это значит, что изменятся способы производства и требования к квалификации инженеров. И схемотехники, и конструкторы должны будут активно взаимодействовать в процессе разработки плат и компоновки изделий.
Комментарии (22)
oam2oam
29.01.2019 19:00+2не очень понял смысл статьи — все то, что автор отнес в будущее, для меня уже давно началось в прошлом (ну как давно — года три как)… на самом деле мне приходится, так сказать, в одно лицо — разрабатывать математическую модель устройства (включая моделирование всяких PID и расчетов поведения аналоговых частей), написание ПО (как микропроцессорного, так и для CPLD), затем разводка, подготовка файлов производства PCBA, дизайн корпусов и жгутов, 3д-печать, размещение и отслеживание прохождения проектов, и многое многое другое…
К сожалению, пока не нашел никакой единой системы CAD/CAM/CAE чтобы всё это поддерживала и не напрягала :) — хоть свое не создавай :) (конечно нет...)
Но я точно знаю, что самое во всем этом главное — системное мышление инженера и математическая подготовка (я профессиональный математик), чему, то ли к сожалению, то ли к счастью, ни в каких вузах уже не учат…lelik363
29.01.2019 21:40Почти все из того, что Вы сказали можно реализовать с помощью решений от Siemens PLM Software. Надеюсь Ваш бюджет это осилит…
oam2oam
29.01.2019 21:54+1о нет! Эти решения для сложных и больших комплексов… А когда сроки до выпуска недели и изделие небольшое, то вполне можно делать все самому. Вот для этого случая-то и нет подходящего ПО — осваивать сложные системы затратно и долго, да и, по большому счету, ни к чему… Правильно замечено в комменте ниже — достаточно кикада и мозгов. Сложное ПО, как ни странно, не дает выигрыша ни во времени, ни в деньгах — а ведь его надо еще изучать.
Вот, к примеру, такая проблема — чтобы сделать небольшую плату в kicad, практически не надо залезать в меню и настраивать что-либо, процесс практически линейный, а если на изготовление отдавать в pcbway или там в seeedstudio, так вообще можно за пару часов завершить проект (пусть и небольшой) по части платы и перейти, например, к программированию… А сделать то же в AD или OrCAD или еще в какой-нибудь сложной системе не будет лучше, но будет сильно дольше — а это часто самый главный критерий теперь…
barbos6
29.01.2019 19:19+1метод травления показал свою неэффективность, поэтому промышленность взяла курс на многослойные печатные платы
По меньшей мере странное заявление.lelik363
29.01.2019 21:46И, вообще, статья какая то странная…
Второй этап процесса разработки электронных устройств — это реализация схем на печатных платах. Как уже было сказано, схемотехники делать это не могли, и к делу подключались проектировщики плат.
Это скорее про разделение труда
Habra_nik
29.01.2019 20:15Автор, IMHO, тупо солидворкс продвигает. Я ещё в дремучие восьмидесятые разводил свои скромные творения на миллиметровке в масштабе 8:1. Когда в два слоя, а когда и в шесть. Сейчас делаю то же самое в кикаде, и не жужжу. И тогда, и сейчас все проблемы возникают с теми, кто эти платы потом делают. Раньше девочки на сколке не ту ширину дороге зададут, сейчас боардхаус своё лого поганое влепит в посчитанный зазор на медном слое. По моему опыту, быстрее и лучше всего получается, когда всё делаешь сам.
oam2oam
29.01.2019 21:57Совершенно согласен, ну может, платы только делать самому лень :) особенно многослойные…
Habra_nik
29.01.2019 22:14Многслойные и я заказываю, тут без вариантов. Но многослойные не всегда нужны, простой конвертер питания в двух слоях разводится без затей, при этом нижний слой целиком земля. Верх печатается лазерно-утюжным способом, низ маскируется скотчем, затем травится. Полчаса работы примерно. Для сравнения, боардхаусы в моих краях за ускоренный процессинг дерут атомные бабки и меньше, чем за 4 часа, не делают, плюс к ним ехать надо забирать, ещё час минимум.
oam2oam
30.01.2019 07:28раньше и я так делал, но потом прикупил CNC станочек и теперь фрезерую — отлично выходит ( дороги 0.3 без проблем) и с химией возни нет.
gapel
30.01.2019 10:00+1Видите ли Россия — страна универсалов. Обычно человек, который реализует какой-то проект и схемотехник, и разводчик платы, и программист МК, и корпус придумывает (или ищет его у поставщиков) и тестировщик, и документацию пишет, и может на сдачу еще презентацию макретенговую забабахать. Чаще всего на ломаном софте и задешево.
Сам такой был, и 4, 6 слойные платы с эелементами СВЧ (3-12 ГГц) работают до сих пор и продаются в составе изделий.
LampTester
30.01.2019 11:41+1Странные рассуждения. Трассировать плату должен тот, кто рисовал схему, однозначно. Разделять эти процессы — значит заведомо терять в эффективности.
- Если конкретный компонент не подходит геометрически, чаще всего можно рассмотреть варианты по его замене, возможно, с некоторым изменением схемотехнического решения. Если эти рассуждения происходят в голове одного человека — они происходят молниеносно. Если же процесс разделен между людьми, требуется время, чтобы они поняли друг друга (а потом еще время на внесение и согласование изменений). Более того, если конструктор не слишком разбирается в схемотехнике, то он может даже не представлять, что замена реальна. В итоге устройство либо теряет в возможностях (или в итоге будет иметь худшие параметры, чем могло бы), либо секундный процесс затягивается на дни.
- Топология чаще всего очень связана с, как это назвали выше, семантикой элементов в контексте схемы. Опять же, если конструктор-трассировщик не разбирается в схемотехнике, то разработчику придется долго комментировать ему требуемые нюансы трассировки. Либо сам трассировщик должен хорошо разбираться в схемотехнике. Но если мы имеем схемотехника, который, по факту, может хорошо трассировать, и трассировщика, который хорошо разбирается в схемотехнике, то мы фактически имеем двух хороших разработчиков, которым будет логичнее дать по цельному индивидуальному проекту — так будет эффективнее за счет отсутствия лишних согласований.
Если проект реально большой и не под силу одному человеку, то его имеет смысл разбить на небольшие блоки и раздать их разработчикам.
«Не учат в ВУЗах» — не смешите. В ВУЗах на данный момент не рассказывают 80% того, что должен знать нормальный профессионал. Если студент не занимается самообразованием, специалиста из него не выйдет.
ne555
30.01.2019 22:56Похоже на описание разработки плат для какого-то сверхсекретного научного объекта.
Любой схемотехник «в теме» (самоучка и не учили его ни кто, как по статье) разводит плату без проблем (законов не так много и он их понимает). Кстати проблему ВЧ в статье не упомянули или я не заметил (я бы почитал).
Даже профессиональные пайщики на глаз могут видеть сходу ошибки в разводке платы.
И это очень странно, что если разработчик сам не может (он может, просто есть еще кто-то) развести плату под «свой» проект.
Технарь он и есть технарь, ему все под силу.
amarao
Что именно мешает автоматизировать этот процесс? Есть ли в трассировке платы творческая составляющая?
JC_IIB
Про это хорошо рассказано в этом посте, в разделе «Разводка печатной платы».
TL;DR: автотрейсеры существуют, но для того, чтобы они осиляли разводить «как надо» современные платы, их надо долго и трудно настраивать, и все равно не факт, что разведется все корректно.
arkamax
В какой-то мере есть. Я уже лет 5 этим не занимался вплотную, но на тот момент трассировщик того же Altium Designer не то чтобы очень соображал, что керамические конденсаторы фильтра по питанию надо ставить рядом с ИС и трассировать дорожки кратчайшим путем, что балансные емкости кварца надо ставить рядом и вешать на земляной полигон как можно быстрее, итд, итп. Насколько я понимаю, ему неясна семантика каждого компонента в отдельности. Все это теоретически можно реализовать (и, скорее всего, где то реализовано), но это самые банальные примеры. Примерно в то же время (2013) я присутствовал на курсе по PCB layout, который вел на (тогда еще) Freescale Conference один очень опытный мужик — так вот он сказал, что за его 30+ лет опыта еще ни один автотрассировщик не сделал все по уму. Надеюсь, в недалеком будущем самую банальщину реализуют в продуктах, доступных простым смертным.
Afterk
Проблема в том что нет единного стандарта и базы описания функциональности выводов схем. Но всё идёт к этому. В Altium-е если указать что вот это пара ног есть такая-то дифференциальная пара, он сделает. https://www.altium.com/documentation/18.0/display/ADES/((Differential+Pair+Routing))_AD
Habra_nik
Зависит от определения творческой составляющей. Есть масса нюансов, которые автотрассировщики не понимают. Теоретически можно все необходимые правила определить и ввести (и заниматься вводом будет разработчик схематики, если не забудет). Однако, практика сильно отстаётб и современный автотрассировщик годится только для того, чтобы дополнительную сигнальную дорогу провести на готовой писишной мазерборде.
DanilinS
Есть конечно. Трассировщик в принципе не способен учесть огромную кучу нюансов. По факту — сделать «автоматом» не реально. Конечно при желании его можно настроить, но времени и усилий это займет в разы больше, чем сама разводка.
Не пытайся переложить все на автотрассировщик. Реально эффективная работа — это связка человека и автотрассировщика. Т.е. автотрассировщик берет на себя большую часть рутинных операций. Именно в связке раскрывается весь потенциал.
vesper-bot
Вообще говоря, автоматизировать пытались ещё в махровом 1990м — помню, что видел в ДНТТМ в 91м году ПО, занимавшееся как раз трассировкой печатной платы. Мешает комбинаторика, помимо всего прочего — количество вариантов проложить связи растет экспоненциально от числа элементов на плате, количество ограничений также довольно существенно растет, получаем крайне нечеткую задачу с множеством локальных минимумов.
amarao
Насколько задача трассировки сложнее задачи победы в шахматах или в Го?
vesper-bot
Хотел бы я знать. Но я не умею ни в Го, ни в трассировку. :(
Ориентировочно — трассировка сложнее в овердофига раз. Основная проблема — результат трассировки аналоговый, и паразитные сигналы, сопротивления, емкости и всё такое, появившиеся в схеме, прямо зависят от взаимного расположения соединений на плате. Большинство, правда, убирается с помощью ограничений, которые можно скормить программе при постановке задачи, но некоторая меньшая часть может всерьез навредить, в зависимости от схемы. Но это для глобального минимума. Локальный найти несколько проще, но результат может не порадовать.