การตั้งค่า Design Rule เพื่อการผลิต

โปรแกรมที่ใช้ออกแบบทางไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ จะมีความละเอียดอ่อนและมีความต่างจากการเขียนแบบ 2D ทั่วไปเพราะมีเรื่องของสัญญาณและอื่นๆที่ต้องควบคุมให้การออกแบบนั้นเป็นไปตามข้อกำหนดที่ถูกต้อง จึงต้องมี Design Rule เพื่อเป็นตัวควบคุมการออกแบบให้เป็นไปตามข้อกำหนดที่ตั้งไว้ หากไม่มีการตั้งค่า Design Rule แล้วการออกแบบอาจมีความผิดพลาด เกิดขึ้น ยิ่งวงจรหนาแน่นยิ่งเกิดความผิดพลาดได้ง่าย

ความผิดพลาดจากการผลิตPCB เช่น ถ้าต้องการออกแบบ PCB เพื่อส่งผลิตให้กับผู้ผลิต ซึ่งผู้ผลิตมีข้อกำหนดว่า สามารถผลิตระยะห่างทองแดงได้ต่ำสุด 10mil นั่นหมายความว่า หากผู้ออกแบบ ออกแบบลายเส้นระยะห่างน้อยกว่า 10mil อาจเสี่ยงกับความผิดพลาดที่เกิดขึ้นจากการผลิต ซึ่งอาจจะเกิดการซ๊อตกันของลายเส้นทองแดง ทำให้ชิ้นงานไม่สามารถใช้งานได้ ต้องแก้ไขการออกแบบและผลิตใหม่ ผู้ออกแบบต้องมาเสียเวลาและค่าใช้จ่ายในการออกแบบ PCB ขึ้นใหม่นี้

ความผิดพลาดจากทางวิศวกรรม หากลายเส้นทองแดงที่ออกแบบมาขนานกันนั้น เป็นลายเส้นทองแดง แรงดันไฟสูง ซึ่งการออกแบบจำเป็นต้องมีระยะห่างที่ปลอดภัยต่อแรงดันไฟสูงนี้ Design Rule จะช่วยควบคุมไม่ให้มีการเดินลายเส้นทองแดงเข้าไปเกินกว่าระยะที่กำหนดไว้

ในด้านเทคนิคของโปรแกรม หากไม่มีการตั้ง Design Rule ใดๆเลย ขอยกตัวอย่างโปรแกรมในตระกูล Protel-Altium ซึ่งจะมีระยะห่างทองแดงตั้งไว้ที่ 10mil บางท่านอาจชอบการ AutoRoute แต่โปรแกรมไม่สามารถจัดการเดินเส้นได้สมบูรณ์ 100% เนื่องจาก อุปกรณ์บางตัวบนบอร์ด อาจมีระยะห่างระหว่างขาอุปกรณ์น้อยกว่า 10mil ทำให้เกิดการขัดแย้งของข้อกำหนด ส่งผลให้โปรแกรมไม่สามารถเดินเส้นเข้าไปยังจุดที่ต้องการได้เป็นตั้น ซึ่งบางท่านก็ทำการปิด Online DRC ที่เป็นตัวตรวจสอบ ความผิดพลาดนี้ เหมือนกับเป็นการเปิดโอกาสให้เกิดความผิดพลาดในการออกแบบขึ้น

จากข้างตันที่ยกตัวอย่างมาจะเห็นได้ว่า Design Rule มีความสำคัญมากทั้ง เรื่อง Engineering และเรื่องการผลิตแผ่น PCB ให้ตรงตามความสามารถของผู้ผลิต

ในบทความนี้จึงยกตัวอย่างการตั้ง Design Rule เพื่อการผลิตกับทาง wara โดยได้ทำตัว Design Rule ซึ่งสามารถ นำไปโหลดเข้าได้กับโปรแกรมยอดนิยมอย่าง Protel99 และ AltiumXXX (ทุกเวอร์ชั่น) หากท่านที่ใช้ Software อื่นๆสามารถอ่านบทความเพื่อเป็นแนวทางสำหรับโปรแกรมท่านได้เช่นกัน

• “AltiumXXX-warapcb-rules.RUL” สำหรับ ProtelDXP, AltiumDesignerX.X, AltiumDesignerSummer08, AltiumDesignerWinter09
• “Protel99-warapcb-rules.rul” สำหรับ Protel99

ไฟล์ทั้งสองที่จัดให้ Download นี้ ตั้ง Design Rule ลักษณะDefault สามารถใช้ได้ทั้งกับการออกแบบ PCB หน้าเดียว(Single Side) และ สองหน้า (Double Side) หาก Design Rule ในหัวข้อใดไม่สามารถใช้ได้กับ ไฟล์ของผู้ออกแบบ ผู้ออกแบบสามารถปรับแก้ได้ตามต้องการ อาจช่วยเป็นแนวทางในการตั้งค่า Design Rule ซึ่งท่านสามารถศึกษาเพิ่มเติม ในการตั้งค่า การเขียน Design Rule ได้จาก Help ของโปรแกรมที่ท่านใช้ออกแบบ

Altium Designer

รายละเอียดและการโหลดไฟล์เข้าโปรแกรม ก่อนอื่นต้องทำการเปิด Online DRC เพื่อให้โปรแกรมทำการตรวจสอบเงื่อนไขของ Design Rule เกิดขึ้นครับคลิกเครื่องหมายถูกที่หน้า Online DRC

หลังจากนั้นเข้าไปที่ Tools>Design Rule ทำการคลิกขวาที่ Icon Folder บนสุด แล้วเลือก Import Rules… โปรแกรมจะให้นำไฟล์ Rule File ที่ต้องการโหลดเข้า ในที่นี้ให้โหลดไฟล์ “AltiumXXX-warapcb-rules.RUL”

**หมายเหตุ Rules ที่ตั้งค่าไว้ในไฟล์นี้จะเกี่ยวข้องเฉพาะควบคุมเรื่องของการออกแบบเพื่อการผลิตเท่านั้น ซึ่งในหัวข้ออื่นจะยังไม่มีการกำหนดไว้

คำอธิบาย

Clearance_Board_Keepout : กำหนดให้ทุกอย่างอยู่ห่างจากขอบตัดชิ้นงาน(Keepout Layer)= 20mil เพื่อป้องลายทองแดงจากการตัดงานไม่ว่าจะเป็นการ Rout หรือ V-CUT และจากอื่นๆ ที่จะทำให้เกิดความเสี่ยงบริเวณใกล้ขอบงาน ถือเป็นระยะมาตรฐานของโรงงานผลิต PCB ทั่วไป

Minimum_pad_component_clearance : กำหนดให้ระยะห่าง Pit ของ pads ระยะห่างน้อยที่สุด 7mil ซึ่งจะครอบคลุมถึงอุปกรณ์ที่มีระยะห่างน้อย เช่น SOP, PLCC, PQFP เป็นต้น จะไม่ทำให้เกิด Error ที่ขาอุปกรณ์

Clearance_DiffPairRouting: กำหนดระยะห่าง 8mil (ระยะห่างน้อยที่สุดที่ wara สามารถผลิต) ปรกติสัญญาณ Diffpair จะเดินเป็นคู่ๆและมีระยะห่างลายทองแดงใกล้กัน ซึ่ง DesignRule นี้ เพียงแค่สร้าง Net_Class ชื่อ Diffpair ในโปรแกรมแล้ว

นำ Net เหล่านั้นมาไว้ในกลุ่ม Diffpair นี้ก็จะสามารถเดินเส้นสัญญาณระยะห่างกันใกล้ที่สุด=8 mil ในขณะที่ส่วนที่ไม่ได้อยู่ในกลุ่ม Diffpair และอยู่ใน Default จะมีระยะห่างทองแดงน้อยสุด=10mil

Clearance_Via_Pad: คือระยะปลอดภัยปกติของ Soldermask ที่จะทำหน้าที่กั้นตะกั่ววิ่งเข้าหากันระหว่าง Via และ Pad ซึ่งทำการเปิด Soldermask อยู่ (หาก Via ปิด SolderMask ก็สามารถปิด Rule นี้ เพิ่ม ความสามารถในงาน ที่มีความหนาแน่นขึ้นได้)

Clearance_Via_Via: คือระยะปลอดภัยปกติของ Soldermask ที่จะทำหน้าที่กั้นตะกั่ววิ่งเข้าหากันระหว่า Via และ Via ซึ่งทำการเปิด Soldermask อยู่ (หาก Via ปิด Soldermask ก็สามารถปิด Rule นี้ เพิ่ม ความสามารถในงาน ที่มีความหนาแน่นขึ้นได้)

เมื่อ Pad หรือ Via ที่เปิด Soldermask อยู่ใกล้กันเกินไปดังภาพ (A) แม้ลายทองแดงจะไกลกันไม่ทำให้เกิดการซ๊อด แต่ตะกั่วนูนที่ติดอยู่นั้นมีโอกาสที่จะทำให้เกิดการวิ่งของตะกั่วเข้าหากัน เพราะ Soldermask มีระยะกั้นน้อยเกินไป หรือ อาจชิดกันทำให้ ไม่มี Soldermask ในจุดที่ใกล้กันตรงจุดที่ วง Soldermask สัมผัสกัน เราจึงลดความเสี่ยงนี้ ด้วยการตั้ง Design Rule ที่ทำให้เกิดระยะห่างของ Pad หรือ Via ออกจากกันให้ Soldermask มีระยะที่สามารถจะป้องกันการไหลของตะกั่วได้ดังรูป (B)

Clearance_wara_Default: กำหนดให้ลายเส้นทองแดงที่ไม่อยู่ในกลุ่ม Diffpair และอยู่ใน Net Class ปกติ จะมีระยะห่างลายเส้นทองแดง= 10mil ซึ่งเป็นระยะห่างลายทองแดงปกติสามารถผลิตได้

หมายเหตุ หากจุดใดที่มีความเสี่ยงหรือผิดไปจากข้อกำหนดของผู้ผลิตควรปรึกษาผู้ผลิตก่อน เพื่อปรึกษา เพื่อผู้ผลิตจะพิจารณาจุดดังกล่าวและปรับให้เข้ากับการผลิต เช่นกรณีที่ มีระยะทองแดงน้อยกว่าที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ เป็นต้น

Manufacturing

Hole Size: คือขนาดดอกสว่าน เล็กที่สุดและใหญ่ที่สุด ที่ผู้ผลิตมี (wara Mimimum=20mil : Maximum=260) หมายเหตุ อุปกรณ์แต่ละชนิดมีรูเจาะที่มีขนาดแตกต่างกันเนื่องจากผู้ผลิต แม้จะเป็นเบอร์เดียวกัน ประเภทเดียวกันก็ตาม การเลือกกำหนดขนาดดอกสว่านควรกำหนดให้ใหญ่กว่า Data sheet อย่างน้อย +4mil และหากมีขนาดต่างกันนิดหน่อยเช่น 38.5mil กับ 40mil ควรแก้ไขให้เป็น 40mil และควรกำหนดขนาดตามตารางดอกสว่านที่ผู้ผลิตมี สามารถ Download มารคตฐานต่างๆนี้ ได้จากผลิต และหากต้องการเจาะรูที่ใหญ่กว่านี้ผู้ผลิตก็สามารถทำได้แต่ควรมี Comment ให้ผู้ผลิตทราบก่อนว่าตรงจุดนั้นต้อง การทองแดงภายในรูด้วยหรือไม่

Minimum Annularing: คือระยะวงแหวนทองแดงรอบๆ Pad สำหรับบัดกรี minimum=8miil ไม่ควรให้บางกว่านี้เนื่องจากในการ Rework งานถ้าอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนมากเกินไปอาจทำให้ Pad นั้นร่อนหลุดได้ง่าย หากไม่มีข้อจำกัดใดๆ ในการออกแบบควรขยายขนาด pad ให้มีขนาดใหญ่กว่าพอสมควร เพื่อความแข็งแรงของ Annularring ของ pad และเพื่อความแข็งแรงของอุปกรณ์ที่ยึดบน PCB

Solder Mask Expansion: 5mil คือมาตรฐานของทาง warapcb

ComponentClearance : 10mil คือระยะที่ Overlay หรือตัวแสดงสํญลักษณ์อุปกรณ์ จะไม่ชนกันจนมองไม่เป็นเส้นทับกัน

SilkScreen

ตรงจุดนี้จะไม่ได้อยู่ใน DesignRule แต่ผูออกแบบควรทราบไว้คือ SilkScreen ไม่ควรทับ Pad ที่เปิด Soldermask เพราะอาจทำให้ตรงจุดน้นๆ ไม่ติดตะกั่ว จากทำให้เกิดปัญหากับวงจร ทำให้อ่านตัวหนังสือตรงจุดนั้นไม่ออก และอุปกรณ์ไม่แข็งแรง เนื่องจากตะกั่วไม่สามารถติดทองแดได้เต็มที่ Protel99SE และ AltiumDesignerXXX จะไม่มี Rule ในเรื่องนี้แต่จะมีใน Altium Designer Summer09 เท่านั้น แต่ก็ควรตรวจสอบด้วยตัวผู้ออกแบบเองจะดีกว่า

Testing

เมื่อโหลดเรียบร้อยทำการแก้ไข Design Rule อื่นๆตามที่ต้องการเรียบร้อยแล้วลองมาทดสอบกับไฟล์ที่ให้มาใน Sample ของโปรแกรมครับ ปกติไฟล์นี้ AutoRoute ยังไงก็ไม่มีปัญหา แต่ถ้าหากตรวจสอบดูๆ จะเห็นว่ามีความเสี่ยงเรื่องของการผลิตอยู่มากไม่ว่าจะเรื่อง Clearance หรือเรือ่งของ Soldermask

ทีนี้ก็สั่ง AutoRoute เลยครับ

ไฟล์ก็จะเสร็จสมบูรณ์ 100% Completed สิ่งหนึ่งเนื่องด้วย การ Placement การ Layout ที่ดี และ DesignRule ที่ไม่ขัดกับเงื่อนไขทางกายภาพของบอร์ดนี้นี่เองจึงทำให้ 100% Completed การตั้ง Design Rule ที่ผิดจากข้อกำหนดทางกายภาพที่ไม่เป็นจริง เช่น ตั้ง Clearance ในส่วนของ Default Clearance= 20miil โปรแกรมก็จะไม่สามารถเดินเส้นทองแดงให้ได้เพราะไม่รู้จะเดินไปทางไหน ชนกันไปหมด โปรแกรมเลยไม่เดินเส้นให้ เป็นผลให้ Fail ในที่สุดครับ ควรศึกษาการเขียน SINTRAX ของแต่ละโปรแกรมและ Placement จัด Layout ให้ดีไม่ควรจัด Component บีบอัดกันมากหากมีที่ว่างพอครับ

ความแตกต่างของ DesignRule กับผลลัพธ์ที่แตกต่าง

ภาพทั้งสองเป็นไฟล์เดียวกัน แต่ DesignRule ที่ต่างกัน
(A) เป็น Default ของโปรแกรมไม่เหมาะกับทุกงาน และไม่ได้มีการควบคุมมากนัก ทำให้ส่วนที่ไม่ถูกควบคุมเสี่ยงต่อการผลิต
(B) Rule ที่เราตั้งให้เหมาะตรงกับ standard ของผู้ผลิต จะเห็นว่ามีความเสี่ยงจากการ ออกแบบน้อยลง

TIP: เนื่องจากโปรแกรม Protel หรือ Altium เมื่อ Manual Rout จะเกิด Bug บางอย่างในการหักมุมเส้นเมื่อเดินเส้นตรงแล้วหักมุมเส้น 45 องศา ถ้า Clearance= 8 mil จะเหลือ 7.5mil ในช่วงที่หักมุม อาจทำให้เกิด Clearance เปลี่ยนในช่วงหักมุม จะไม่สามารถตรวจพบ Error ในโปรแกรม Protel99 และ AltiumDesigner การออกแบบ แต่จะพบหลังจาก Convert มาเป็น Gerber แล้ว

เพื่อลดความเสี่ยง จึงต้องชดเชยมุมที่หายไปด้วยทศนิยมดังภาพ จะทำให้ลายเส้นเป็นระเบียบมากขึ้นและลดความเสี่ยงจากการออกแบบเช่นกัน