Warum sind DIY-Leiterplattenkomponenten rechtwinklig angeordnet?

Ich lerne PCB CAD. Ich möchte wissen, warum Komponenten rechtwinklig und orthogonal zur Leiterplatte angeordnet zu sein scheinen (vorausgesetzt, sie sind rechteckig). Da die Spuren der Platzierung der Komponenten nachgeordnet sind, beschäftige ich mich nicht besonders mit Spuren. Warum kann mein TO-220-Transistor nicht bei 18,31 Grad zu seinem Entkopplungskondensator stehen? Warum kann kein Ring mit 13 LEDs platziert werden, die jeweils um 27,69230769230769230769 Grad gedreht sind?

Was mich wirklich verwirrt, ist der Stecker. Es ist ziemlich irrelevant, auf welche Weise ein Widerstand neben einem Kondensator auf einer Leiterplatte platziert wird. Sie beziehen sich nur aufeinander. Die Anschlüsse sind jedoch unterschiedlich. Sie beziehen sich auf die Außenwelt, die nicht ganz orthogonal ist. Wenn ich ein dreieckiges Bettzeug habe, möchte ich möglicherweise Anschlüsse / Bedienelemente an allen drei Seiten. Also bei 120 Grad zueinander. Dies kann sich auch auf die Leiterbahnen auswirken, wenn sie sich in der Nähe der Anschlussfelder befinden.

Ich persönlich glaube nicht, dass es Probleme mit Komponenten in irgendeinem Winkel gibt. Man sieht sie einfach nie, auch nicht auf Schulebene. Warum?

Drei Hinweise:

• Ich beschäftige mich nur mit DIY-Projekten. Also keine automatische Platzierung von Komponenten durch Cyborgs, die nach Standardprogrammen / Industrienormen arbeiten.

• Es gibt eine ähnliche Frage aus dem Jahr 2010 . Das ist umfassender als meins, da es die Herstellung nicht auf reine DIY-Projekte beschränkt. Und sechs Jahre in der CAD / Software-Entwicklung sind ein Leben lang und selten relevant. Software, die in 45-Grad-Schritten einfacher zu entwerfen ist, ist nicht unbedingt immer noch relevant. Wenn ich Illustrator, Blender, AutoCAD oder Inkscape verwende, gibt es keine Einschränkungen für Winkel.

• Ich unterscheide zwischen der Ausrichtung von Spuren und den Komponenten selbst.

Nachdem ich in meiner Zeit einige Leiterplatten entworfen habe, darunter einige mit Komponenten in seltsamen Winkeln, werde ich Ihnen einen kurzen Überblick über meine Erfahrungen geben.

Aus meiner Sicht gibt es mehrere Gründe, sich an 90-Grad-Winkel zu halten.

1. Gitter - Wenn Sie versuchen, alles gut auf einem Gitter zu routen, ist es ein Schmerz im Nacken, Abweichungen zu haben, da die Dinge nicht mehr mit dem Gitter übereinstimmen. Jedes Mal, wenn Sie dann versuchen, die Komponente zu verschieben, müssen Sie die Spuren neu zeichnen, um die Spur wieder in einem Raster zu erhalten, damit Sie den Rest weiterleiten können. Dies ist ein echtes Problem bei Eagle, wenn auch nicht so sehr bei anderer Software, bei der die Spuren flüssiger sind (z. B. Mentor Xpedition).

2. Escape Routing - Dies gilt insbesondere für SMD-Komponenten mit vielen Pins. Wenn Sie versuchen, die Spur herauszuholen, müssen Sie, wenn Sie sich an ein 45-Grad-Routing-Muster für Spuren halten, überall Zick-Zack-Muster erstellen, um zu versuchen, die Spuren herauszuholen, was nur ein Chaos ist.

3. Maschinenmontage - Wie @PlasmaHH in den Kommentaren ausführt, können einige Bestückungsmaschinen keine beliebigen Winkel verarbeiten. Viele beschränken sich nur auf die orthogonale Platzierung, andere auf 45 Grad. Dies gilt möglicherweise nicht für DIY-Platinen, je nachdem, ob Sie Hand- oder Maschinenlöten planen.

4. Löten - Das Ablegen von Bauteilen in allen möglichen Winkeln kann schmerzhaft sein. Ich finde es viel einfacher, alles orthogonal zu haben, da man die Leiterplatte abkleben oder in einen Halter legen und dann einfach nacheinander löten kann. Obwohl dieser etwas subjektiv ist.

5. Ästhetik - Jemand hat mir einmal gesagt, dass eine Leiterplatte gut funktioniert, wenn sie ordentlich aussieht. Das ist nicht ganz richtig, aber es ist gut, daran zu denken. Es erfordert etwas Sorgfalt und Aufmerksamkeit, eine Leiterplatte ordentlich auszulegen, wobei die Spuren in einem Winkel von 45 Grad schön gehalten werden, die Datenbusse ordentlich verlegt werden und so weiter. Diese Liebe zum Detail und der zusätzliche Zeitaufwand erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass Sie Fehler entdecken.

   Warum erwähne ich das? Persönlich finde ich Leiterplatten mit Spuren, die in allen möglichen ungeraden Winkeln abgehen, und Komponenten, die in ungeraden Winkeln außerhalb des Gitters platziert sind, sehen einfach chaotisch oder gehetzt aus.

In einigen Fällen, insbesondere bei TQFP- oder QFN-Paketen, ist es jetzt viel einfacher, sie in einem Winkel von 45 Grad zu platzieren. Dies macht das Flucht-Routing viel einfacher und kompakter, da Sie nach einer kurzen 45-Grad-Spur problemlos in jede der 4 orthogonalen Richtungen hinausgehen können. Beachten Sie, dass Sie in der folgenden Abbildung oben rechts im TQFP-Paket die Pins tatsächlich auf ein 90-Grad-Routing-Raster innerhalb des IC-Randes routen können.

Darüber hinaus erfordern manchmal Platzbeschränkungen ungerade Winkel. Normalerweise würde ich alle passiven Widerstände und Kappen orthogonal kleben. In einigen Fällen, wenn beispielsweise ein Datenbus mit Abschlüssen in einem 45-Grad-Raster ausgeführt wird, müssen die Passive entsprechend gedreht werden, um eine massive Vergrößerung der Gesamtgröße zu vermeiden. Beachten Sie auch im Bild unten, dass ich den Kristall in einem Winkel von 45 Grad platziert habe, der zum TQFP-Paket passt.

Es gibt Fälle, in denen ich Komponenten auf ungeraden Winkeln platziert habe. Ich neige jedoch dazu, dies nur zu tun, wenn es einen ganz bestimmten Grund gibt. Ein Beispiel ist, wenn Sie LEDs in einem Muster platzieren müssen - zum Beispiel Kantenmontage auf einem Kreis. In diesem Fall müssen sie auf Winkel gestellt werden. Ich zeige dies als Beispiel unten.

Möglicherweise stellen Sie sogar fest, dass viele der Komponenten ebenfalls gedreht werden. Dies ist in der Tat der Fall, und es ist auch ein anderer spezifischer Fall. In diesem Design gibt es 11 Kopien des exakt gleichen Subsystems, die jeweils 32 Grad LEDs in einem Kreis enthalten. Die einzelnen Abschnitte wurden mit allen Komponenten außer den orthogonal angeordneten LEDs entworfen. Dann wurden 11 gedrehte Kopien platziert, um den Kreis aufzubauen. In diesem Fall sind Komponenten nicht über das gesamte Design orthogonal, sondern in ihrem Unterblock orthogonal.

Einige Komponenten sind mechanisch bedeutsam, da die OP bereits ermittelt wurden. Die meisten PCB-Komponenten (Widerstände, Kondensatoren, Kleinsignaltransistoren, OpAmps, Logik-ICs) sind jedoch mechanisch nicht signifikant. Bei diesen nicht mechanisch signifikanten Komponenten ist häufig eine dichte und bequeme Verpackung das Ziel. Die meisten Leiterplattenkomponenten können mit einem Rechteck angenähert werden. Aus diesem Grund wird die Leiterplattenlayout-Software standardmäßig horizontal und vertikal im rechten Winkel gedreht.

Allerdings hatten alle von mir verwendeten PCB-Layout-Pakete ¹ die Möglichkeit, jeder Komponente einen beliebigen Drehwinkel zuzuweisen. Dies ist wichtig für mechanisch wichtige Komponenten. Automatisierte Bestückungsmaschinen können Komponenten auch in beliebigen Winkeln platzieren.

Auf dieser Platine befinden sich die meisten Komponenten der unteren (blauen) Schicht in schrägen Winkeln. Sie sind mechanisch bedeutsam. Alle Komponenten der oberen (roten) Schicht sind rechtwinklig angeordnet, da sie mechanisch nicht signifikant sind.

¹ _{OrCAD, Eagle, Altium. Das Layout in der Abbildung wurde mit Eagle erstellt.}

Ein zwingender Grund, zwei an der Bleioberfläche montierte Komponenten parallel zueinander und senkrecht zur Leiterplattenfahrt in den Ofen zu platzieren, besteht darin, den Grabsteineffekt zu verhindern. Tombstoning ist, wenn ungleichmäßige Erwärmung Lötmittel an der führenden Leitung schmilzt und das oberflächenmontierte Bauteil in eine stehende Position zieht.

Die Frage war speziell für Ihre selbst gedruckten Leiterplatten. Tombstoning ist daher möglicherweise kein unmittelbares Problem. Es wäre jedoch gut, für alle Fälle herstellbare Platten herzustellen.