Через меня проходит 5 тысяч чертежей в год, и 99% ошибок в них одинаковые

Представьте, что вы купили беспроводную колонку. Колонка отработала полгода, а в одно утро просто перестала включаться. В сервисе разводят руками: дело в плате, чинить дороже, чем купить новую.

Причина такой поломки бывает старше устройства. Ошибку сделали ещё на компьютере, когда проектировали плату. Она пережила производство, проверки, сборку и полгода работы. Внутри с первого дня осталась заводская химия, которая за полгода “съела” важный проводник.

Я ловлю такие ошибки, пока проект печатной платы не ушёл в производство. Вопросы к таким проектам — часть моей работы. Сейчас расскажу, откуда в файлах берутся ошибки, которые не видит даже их автор, и как против них работают правильные вопросы.

ДИСКЛЕЙМЕР: мы сознательно упростили описания процессов, чтобы статья была понятна без специальной подготовки.

Снаружи плата выглядит исправной

Химия, которая нарушила работу колонки, попала внутрь через переходное отверстие. Это крошечный канал, который соединяет проводники на разных слоях платы. В проекте платы такое отверстие можно оставить открытым, закрыть маской с двух сторон или заполнить целиком — любой из этих вариантов нормальный, хоть каждый из них и имеет свои преимущества и недостатки. Проблемы начинаются, когда отверстие закрыто только с одной стороны.

Часть процессов на производстве — иммерсионные, когда плату целиком погружают в химический раствор. Так наносят, например, финишное покрытие. Раствор затекает в открытый канал свободно, а выйти не может. С одной стороны открыто, с другой запечатано. Промывка после такой ванны вымывает не всё.

На работу платы это сначала не влияет. Она проходит проверки, устройство собирают, оно включается и работает. А остаточная химия в переходном отверстии всё это время разрушает медь вокруг. Через месяц, полгода сигнальная линия между слоями разорвётся.

Второе следствие вылезает на монтаже. Припой утекает в открытый канал, как в воронку. На контактной площадке, куда должен припаяться компонент, припоя остается недостаточно, и пайка выходит слабой.

Или другая проблема — острые углы. Рисунок дорожек на плате получают травлением: лишнюю медь стравливают в травильном растворе, который содержит специальную химию, ее потом смывают.

Из прямого и тупого угла травитель уходит чисто, а в остром может остаться частица, незаметная на глаз. Её закроют маской, и она останется внутри платы.

Ширину и толщину проводника рассчитывают под конкретный ток. Чем тоньше проводник, тем меньше выдержит. Частицы остаточной химии разъедают медь, дорожка истончается, и в какой-то момент ток её порвёт. Тогда сигнал не пройдёт, и устройство перестанет работать.

Бывают ошибки и без химии. У проводников есть волновое сопротивление — импеданс. От него зависит, насколько точно сигнал дойдёт от одной микросхемы до другой. Нужное значение импеданса получается в том числе из ширины, толщины дорожки и материала платы. Ошиблись в расчёте или не учли материал, а затем не передали производству, что нужен контроль импеданса, — и у готовой платы он будет не тем, который нужен устройству. 

На готовой плате эти ошибки не найти. Снаружи все правильно, и на вид, и на прозвонке. Ошибку сделал автор файлов задолго до производства.

Почему автор не замечает ошибку

Разработчик проектирует плату в САПР (системе автоматизированного проектирования), а нам присылает гербера. Это стандарт файлов в индустрии, который понимают на любом производстве. Одних герберов мало: из них не достать толщину платы, финишное покрытие, материалы. 

Так выглядит идеальный заказ. Реальные приходят разными, потому что разными бывают сотрудники заказчика. Одни давно работают с производством печатных плат и знают его особенности, другие понимают, что нюансы есть, но глубоко не лезут. А кто-то присылает файлы первый раз в жизни.

Другая причина — цепочка между разработчиком и поставщиком: разработчик отдал файлы, их передали закупщику, закупщик отправил нам. Параметры своей платы разработчик всегда знает, но порой они не доходят до производителя, если где-то в цепочке потерялась нужная информация.

Закупщика тут можно понять: разбираться в технике не его задача, его задача — чтобы его производство не остановилось. Поэтому, когда вопросов накапливается много, мы просим устроить встречу инженеров с инженерами. Как правило, такая встреча в начале работы снимает основные вопросы, и дальше проблем заметно меньше.

Одни заказчики присылают слишком мало данных. Например, нигде не указано финишное покрытие платы, а это критичный для производства параметр, который из герберов не достать. Другие присылают целый архив: данные по монтажу, списки компонентов, даже корпуса — всё, что относится к его изделию, но не к плате.

Хуже, когда данные в файлах расходятся: в чертеже финишное покрытие иммерсионное золото, а в бланке олово-свинец. Что брать?

Как мы ловим риски вопросами

Ошибки в документации к плате повторяются. Процентов девяносто девять рисков — одни и те же из проекта в проект. Через нас проходит пять-шесть тысяч проектов в год. На таком потоке инженер открывает файлы и сразу знает, куда смотреть.

Мы не правим файлы проекта молча и не догадываемся, что имел в виду разработчик. На каждый спорный момент задаём вопрос, обычно сразу с вариантами: можно сделать так или так, выберите. К каждому вопросу даем свои рекомендации и предупреждаем о возможных рисках. Решение остаётся за заказчиком.

Однажды увидели в проекте проводник, который выходит от микросхемы и обрывается в пустоте, никуда не подключаясь. По всем признакам ошибка проектирования. Оказалось, задумка: этот обрывок работает антенной, и для конкретной микросхемы он нужен именно таким. Если бы «починили» топологию сами, то сломали бы устройство.

Например, медь заходит в самый край платы: при фрезеровке контура она оголится. Спрашиваем, можно ли в таких местах подрезать её на 0,2 миллиметра. Заказчик отвечает один раз, и дальше в его проектах этот вопрос не возникает.

Две платы с одинаковыми параметрами в спецификации могут стоить заметно по-разному.

Экономят обычно на материале. Базовый материал плат называется FR4, но под этим именем выпускают и фирменные материалы, проверенные независимой лабораторией, и дешёвые аналоги. Это как цемент: на любом мешке написано «цемент», а марка и свойства разные. Материал сильно влияет на стоимость, поэтому на нём проще всего сэкономить.

Экономят и на подготовке производства. Поставщик подешевле может не разбирать риски проекта, а изготовить как есть. При заказе не видно ни того ни другого. Разницу заказчик увидит при монтаже компонентов, а то и в собранном устройстве.

Потом проект уходит в Китай, и инженеры подготовки там проверяют всё ещё раз. На этом этапе согласуем стек, толщины его слоёв и диаметры отверстий. Стек — это «бутерброд» из слоёв меди и диэлектриков, из которых состоит плата.

Всю подготовку проводят один раз на печатную плату. По итогам подготовки на производстве составляют маршрутные карты, полное описание того, как именно её делать. Дальше заказчик просто пишет: такие-то платы, тысяча штук. Мы сразу называем цену и срок, новых согласований не нужно. Написать книгу долго, зато потом она штампуется тиражами.

Иногда находим риск, объясняем, а заказчик отвечает: делайте как есть. То, что физически нельзя изготовить, не делаем совсем, сколько бы заказчик ни настаивал. А если сделать можно, но рискованно, предупреждаем, иногда не один раз, и делаем: риск принял заказчик, и это решение записано в той самой таблице.

Эти записи поднимаем, если приходит рекламация. Например, заказчик заказал плату толщиной полтора миллиметра, получил 1,6 и говорит, что она не влезает в корпус. Открываем документы. У толщины есть допуск плюс-минус десять процентов, 1,6 миллиметра в него входит. А в корпус плата не влезает потому, что на стороне заказчика толщину успели пересогласовать на один миллиметр, только производителю об этом никто не сказал.

Мы тоже можем ошибиться. Покрытие плохо паяется, на паяльной маске появляются наплывы и пропуски, маска съезжает на контактные площадки. Или плата изгибается сильнее, чем допускает стандарт. Или при подготовке производства ошиблись в параметрах платы. Такие случаи мы разбираем ^[1] по рекламации. Если риск не был заложен, а плата пришла кривой, то это производственный брак, и отвечаем за него мы.

Титры

Спасибо, что прочитали!

Если вы проектируете платы или заказываете их, расскажите в комментариях, какие ошибки у вас попадали в производство.

Ещё у нас есть канал о печатных платах. Разбираем сложные вопросы производства и проектирования, выкладываем руководства и отвечаем в комментариях. 

Некоторые темы, которые уже обсуждали:

• классы IPC, их отличия и схожесть с ГОСТ;

• концепция DFM при проектировании плат;

• проектирование HDI‑плат и их особенности;

• финишные покрытия;

• возможности производств в целом.

Подписывайтесь ^[2], будет интересно.

На нашем сайте вы можете также найти руководства по проектированию жестких печатных плат и HDI, а также руководство по входному контролю. Скачать их ^[3] можно тут. Новые материалы тоже будут. О выходе напишем в нашем тг‑канале.