Основные правила разработки плат

Проектировать печатные платы наиболее удобно в масштабе 1:1 на миллиметровке или другом материале, на котором нанесена сетка с шагом 5 мм (например, на тетрадном листе). Все отверстия под выводы деталей в печатной плате целесообразно размещать в узлах сетки, что соответствует шагу
2,5 мм на реальной плате. С таким шагом расположены выводы у большинства микросхем в пластмассовом корпусе, у многих транзисторов и других радиокомпонентов. Меньшее
расстояние между отверстиями следует выбирать лишь в тех случаях, когда это крайне необходимо.
Сначала вам надо примерно расставить детали. В первую очередь рисуете точки под выводы микросхемы, потом располагаете мелкие элементы - резисторы, конденсаторы,
а далее большие - реле и т.п. Их размещение обычно связаж с общей конструкцией устройства, определяемой размерам! имеющегося корпуса или свободного места в нем. Часто, осо
бенно при разработке портативных приборов, размеры корпуса определяют по результатам разводки печатной платы Иногда приходится переделывать рисунок печатных провод
ников несколько раз, чтобы получить желаемый результат минимизацию и функциональность.
Если в вашей самоделке не более пяти микросхем, все печатные проводники обычно уцается разместить на одной стороне платы и обойтись небольшим числом проверочных
перемычек, впаянных со стороны деталей.

Попытки изготовить одностороннюю печатную плату для большего числа
цифровых микросхем приводят к резкому увеличению
трудоемкости разводки и чрезмерно большому числу перемычек. В этих
случаях разумнее перейти к двусторонней печатной плате.
Мы будем называть ту сторону платы, где размещены
печатные проводники, стороной проводников, а обратную -
стороной деталей, даже если на ней вместе с деталями
проложена часть проводников. Особый случай представляют
платы, у которых и проводники, и детали размещены на
одной стороне, причем детали припаяны к проводникам без
отверстий. Платы такой конструкции применяют редко.
Микросхемы размещают так, чтобы все соединения на плате
были как можно короче, а число перемычек было
минимальным. В процессе разводки проводников взаимное
размещение микросхем приходится менять не один раз.
Рисунок печатных проводников аналоговых устройств
любой сложности обычно удается расположить на одной
стороне платы. Аналоговые устройства, работающие со
слабыми сигналами, и цифровые на быстродействующих
микросхемах (например, серий КР531, КР1531, К500, КР1554)
независимо от частоты их работы целесообразно собирать
на платах с двусторонним фольгированием. Фольга той
стороны платы, где располагают детали, будет играть роль
общего провода и экрана. Фольгу общего провода не следует
использовать в качестве проводника для большого тока,
например, от выпрямителя блока питания, от выходных
ступеней, от динамической головки.

Далее можно начинать собственно разводку. Лучше заранее измерить и записать размеры мест, занимаемых элементами. Резисторы МЛТ-0,125 устанавливают рядом, соблюдая
расстояние между их осями 2,5 мм, а между отверстиями под
выводы одного резистора - 10 мм. Так же размечают места
%ля чередующихся резисторов МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25 либо
цвух резисторов МЛТ-0,25, если при монтаже слегка отогнуть
один от другого (три таких резистора поставить вплотную к
плате уже не удастся). С такими же расстояниями между
выводами и осями элементов устанавливают большинство
малогабаритных диодов и конденсаторов КМ-5 и КМ-6, вплоть до
КМ-66 емкостью 2,2 мкФ. «Толстые» детали (более 2,5 мм)
следует чередовать с «тонкими». Расстояние между
контактными площадками той или иной детали можно увеличить,
если это необходимо.
В этой работе удобно использовать небольшую пластину-
шаблон из стеклотекстолита или другого материала, в
которой с шагом 2,5 мм насверлены рядами отверстия диаметром
1-1,1 мм. На ней можно применить возможное
расположение элементов относительно друг друга.
Если резисторы, диоды и другие детали с осевыми
выводами располагать перпендикулярно печатной плате, можно
существенно уменьшить ее площадь, однако рисунок печатных
проводников усложнится. При разводке следует учитывать
ограничения числа проводников, умещающихся между
контактными площадками, предназначенными для подпайки
выводов радиоэлементов. Для большинства деталей диаметр
отверстий под выводы может быть равен 0,8 мм. Ограничения
на число проводников для типичных вариантов расположения
контактных площадок с отверстиями такого диаметра
приведены на рис. 8.1 (сетка соответствует шагу 2,5 мм на плате).
Между контактными площадками отверстий с
межцентровым расстоянием 2,5 мм провести проводник практически
нельзя. Однако, если у одного или обоих отверстий такая
площадка отсутствует (например, у неиспользуемых выводов
микросхемы), это сделать можно (см. рис. 8.1 - сверху по центру).
Вполне возможна прокладка проводника между контактной
площадкой и краем платы, через который на расстоянии
2,5 мм проходит центр этой площадки (см. рис. 8.1 - справа).

Микросхемы, у которых выводы расположены в
плоскости корпуса (серии 133, К134 и др.)» можно смонтировать,
предусмотрев для этого соответствующие фольговые
контактные площадки с шагом 1,25 мм, однако это заметно
затрудняет и разводку, и изготовление платы. Целесообразнее
чередовать подпайку выводов микросхемы к прямоугольным
площадкам со стороны деталей и к круглым площадкам через
отверстия - на противоположной стороне (рис. 8.2 -
ширина выводов микросхемы показана не в масштабе). Плата
здесь - двусторонняя.

Подобные микросхемы, имеющие длинные выводы
(например, серии 100), можно монтировать так же, как
пластмассовые, изгибая выводы и пропуская их в отверстия
платы. Контактные площадки в этом случае располагают в
шахматном порядке (рис. 8.3).

При разработке двусторонней платы надо постараться, чтобы на стороне деталей осталось как можно меньше соединений. Это облегчит исправление возможных ошибок, налаживание устройства и, если необходимо, его модернизацию. Под корпусами микросхем проводят общий провод и провод питания, но подключать их нужно только к выводам питания микросхем. Проводники к входам микросхем, подключаемым к цепи питания или общему проводу, прокладывают на стороне проводников, причем так, чтобы их можно было легко перерезать при налаживании или усовершенствовании устройства. Если же устройство настолько сложно, что на стороне деталей приходится прокладывать и проводники сигнальных цепей, позаботьтесь о том, чтобы любой из них был доступен для подключения к нему и перерезания. При разработке радиолюбительских двусторонних печатных плат нужно стремиться избегать специальных перемычек между сторонами платы, используя для этого контактные площадки соответствующих выводов монтируемых деталей. Выводы в этих случаях пропаивают с обеих сторон платы. На сложных платах иногда удобно подпаивать некоторые детали непосредственно к печатным проводникам. Когда в качестве общего провода используется сплошной слой фольги, отверстия под выводы, не подключаемые к этому проводу, следует раззенковать со стороны деталей. Обычно узел, собранный на печатной плате, подключают к другим узлам устройства гибкими проводниками. Чтобы не испортить печатные проводники при многократных перепайках, желательно на плате в точках соединений сделать контактные стойки (удобно использовать штыревые контакты диаметром 1 и 1,5 мм). Стойки вставляют в отверстия, просверленные точно по диаметру, и пропаивают. На двусторонней печатной плате контактные площадки для распайки каждой стойки должны быть на обеих сторонах. Предварительную разводку проводников удобно выполнять мягким карандашом на листе гладкой бумаги. Сторону печатных проводников рисуют сплошными линиями, обратную сторону - штриховыми, чтобы не путаться. По окончании разводки и корректировки чертежа под него кладут копировальную бумагу красящим слоем вверх и красной или зеленой шариковой ручкой обводят контуры платы, а также проводники и отверстия, относящиеся к стороне деталей. В результате на обороте листа получится рисунок проводников для стороны деталей. Далее из фольгированного материала следует вырезать заготовку соответствующих размеров и разметить ее с помощью штангенциркуля сеткой с шагом 2,5 мм. Кстати, размеры платы удобно выбрать кратными 2,5 мм. - в этом случае размечать ее можно с четырех сторон. Если плата должна иметь какие-либо вырезы, их делают после разметки. Двустороннюю плату размечают со стороны, где проводников больше. После этого фломастером размечают «по клеточкам» центры всех отверстий, накалывают их шилом и сверлят все отверстия сверлом диаметром 0,8 мм. Для сверления плат удобно пользоваться самодельной миниатюрной электродрелью, которую можно купить на радиорынке. Обычные стальные сверла при обработке стеклотекстолита довольно быстро тупятся; затачивают их небольшим мелкозернистым бруском, не вынимая сверла из патрона. После сверления платы заусенцы с краев отверстий снимают сверлом большего диаметра или мелкозернистым бруском. Плату обезжиривают, протерев салфеткой, смоченной спиртом или ацетоном, после чего, ориентируясь на положение отверстий, переносят на нее нитрокраской рисунок печатных проводников в соответствии с чертежом. Для этого обычно используют стеклянный рейсфедер, но лучше изготовить простой самодельный чертежный инструмент. К концу обломанного ученического пера припаять укороченную до 10-15 мм инъекционную иглу диаметром 0,8 мм. Рабочую часть иглы надо зашлифовать мелкозернистой наждачной бумагой. В воронку инструмента каплями заливают нитрокраску и, осторожно взяв ее в губы, слегка дуют, для того чтобы краска прошла через канал иглы. После этого надо лишь следить за тем, чтобы воронка была наполнена краской не менее чем наполовину. Нужную густоту краски определяют опытным путем по качеству проводимых линий. При необходимости ее разбавляют ацетоном или растворителем 647. Если же надо сделать краску более густой, ее оставляют на некоторое время в открытой посуде. В первую очередь рисуют контактные площадки, затем проводят соединения между ними, начиная с тех участков, где проводники расположены тесно. После того как рисунок в основном готов, следует по возможности расширить проводники общего провода и питания, что уменьшит их сопротивление и индуктивность, а значит, повысит стабильность работы устройства. Целесообразно также увеличить контактные площадки, особенно те, к которым будут припаяны стойки и крупногабаритные детали. Для защиты больших поверхностей фольги от травильного раствора их заклеивают любой липкой пленкой. Если вы ошиблись при нанесении рисунка, не торопитесь сразу же все исправлять - поверх неверно нанесенного проводника проложите правильный, а лишнюю краску удалите при окончательном исправлении рисунка (его проводят, пока краска не засохла). Острым скальпелем или бритвой прорезают удаляемый участок по границам, после чего его выскребают. Специально сушить нитрокраску после нанесения рисунка не нужно. Пока вы исправляете плату, отмываете инструмент - краска просохнет.

Чтобы получить проводники после нанесения рисунка на фольгу, плату следует вытравить. Основным материалом для травления служит раствор хлорного железа. Для его получения нужно насыпать в стакан примерно 3/4 порошка хлорного железа и залить теплой водой. Для травления используйте стеклянную или пластмассовую посуду, например фотографическую кювету. Положите плату в раствор рисунком вверх, чтобы вся поверхность платы была залита раствором. Процесс травления ускоряется, если сосуд покачивать или подогревать. При травлении образуются ядовитые испарения, поэтому работайте либо в хорошо проветриваемом помещении, либо на открытом воздухе. Периодически проверяйте состояние платы, приподнимая ее для осмотра деревянными или пластмассовыми палочками - металлические инструменты и приспособления для этой цели применять нельзя. Убедившись в том, что фольга в незащищенных местах полностью исчезла, прекратите процесс травления. Перенесите плату, например с помощью бельевой прищепки, под струю проточной воды и тщательно промойте, после чего просушите ее при комнатной температуре. Если вы собираетесь использовать раствор повторно, слейте его в плотно закрывающуюся посуду и храните в прохладном темном месте. Учтите, что при повторном использовании эффективность раствора снижается. При работе с раствором хлорного железа помните, что он не должен попадать на руки и другие открытые части тела, а также на поверхности ванн и раковин, поскольку на последних могут остаться трудно смываемые желтые пятна. Раствор хлорного железа можно изготовить и другим способом: обработать железные опилки соляной кислотой. Возьмите 25 весовых частей 10-процентной соляной кислоты и смешайте с одной весовой частью железных опилок. Выдержите смесь в плотно закрытой посуде в темном месте 5 суток. Переливая раствор в сосуд для травления, не взбалтывайте его: осадок должен остаться в той посуде, в которой раствор готовился. Длительность процесса травления платы в растворе хлорного железа обычно составляет 40-50 минут и зависит от концентрации раствора, его температуры, толщины фольги. Растворы для травления плат можно приготовить не только на основе хлорного железа. Для многих радиолюбителей более доступным может оказаться водный раствор медного купороса и поваренной соли. Приготовить его нетрудно - растворите в 500 мл горячей воды (температура около 80 °С) 4 столовые ложки поваренной соли и 2 столовые ложки растолченного в порошок медного купороса. Эффективность раствора повышается, если его выдержать в течение 2-3 недель. Время травления платы в таком растворе - три часа и более. Значительного сокращения периода травления можно добиться, используя растворы на основе кислот. Процесс травления платы, например, в концентрированном растворе азотной кислоты, длится всего 5-7 минут. После травления плату тщательно промойте водой с мылом. Хорошие результаты дает применение раствора соляной кислоты и перекиси водорода. Для его приготовления возьмите 20 частей (по объему) соляной кислоты плотностью 1,19 г/см3, 40 частей аптечной перекиси водорода и 40 частей воды. Сначала смешайте воду с перекисью водорода, затем осторожно добавьте кислоту. Рисунок в этом случае делается нитрокраской. Растворы на основе кислот заливайте в стеклянную или керамическую посуду, работайте с ними только в хорошо проветриваемых помещениях. Представляет интерес способ гальванического травления плат. Для этого потребуется источник постоянного тока напряжением 25-30 В и концентрированный раствор поваренной соли. При помощи зажима «крокодил» соедините положительный полюс источника с не закрашенными участками фольги платы, а к оголенному и свернутому в петлю концу провода, идущему от отрицательного полюса источника, прикрепите ватный тампон, обильно пропитанный раствором соли. Перемещайте его по поверхности платы, слегка прижимая к фольге. Движение тампона должно напоминать вырисовывание цифры 8. Фольга при этом будет как бы «смываться». По мере загрязнения меняйте вату.

Радиолюбители советуют

Довольно быстро изготавливать печатные платы, используя лазерный принтер (или копир), утюг и пленку фирмы Techniks или DynaArt (все остальное - фольгированный текстолит, хлорное железо, сверла - как обычно), предлагают нам профессиональные радиолюбители. Пленка и утюг нужны для того, чтобы перенести рисунок печатной платы на медь. Подготовив рисунок печатной платы с помощью любого пакета для разработки печатных плат или какого-нибудь редактора для рисования картинок, делаем пробную печать. Выводим на чистый лист изображение печатной платы. Затем вырезаем из пленки фрагмент с запасом около 1 см с каждой стороны. Приклеиваем его скотчем глянцевой стороной к бумаге поверх рисунка. Вставляем лист с пленкой в принтер и печатаем еще раз. Получаем пленку с нанесенным на нее изображением печатной платы. Затем готовим текстолит. По-моему, для этого великолепно подходит чистящее средство «Суржа» (не пренебрегайте элементарными нормами безопасности - используйте резиновые перчатки). После промывания и высушивания платы прикладываем к ней тонером пленку и проглаживаем утюгом в течение 1,5-4 минут при температуре 135-160 °С. Когда плата остывает, под струей воды аккуратно снимаем пленку- рисунок перенесен. Осматриваем плату и при наличии огрехов подправляем их спиртовым маркером. Теперь можно травить с помощью раствора хлорного железа. Очистить тонер с готовой платы можно старым лезвием, пользуясь им как скребком. Для производства двусторонних печатных плат подойдет этот же метод. Для совмещения слоев можно применить такую хитрость: нарисовать три опорные точки на обоих слоях в одном и том же месте - лучше всего по периметру платы. После переноса первого слоя сверлим в этих точках отверстия. Совмещаем точки на пленке для второй стороны с отверстиями. Для пленки Techniks этот вариант не подходит, так как она непрозрачная. Можно сделать так: на рисунке печатной платы добавляются 4 параллельные линии в обоих слоях на расстоянии 5 мм от границы платы. После переноса первого слоя прикладываем линейку поверх линии и продлеваем до конца заготовки. Делаем отметку на торцах заготовки и переносим линии на другую сторону платы. Совмещается вторая пленка с линиями - можно переводить второй слой. Качество таких плат очень хорошее. Существует технология изготовления печатных плат с помощью обычной чертежной кальки. Она мало отличается от технологии со специальной пленкой. Перед применением кальку необходимо пропустить через принтер или прогладить утюгом для устранения термоусадки. Дальше - все аналогично. После остывания плату с тонером и калькой опускаем в теплую воду, ждем, пока калька размокнет, и аккуратно тряпочкой скатываем бумагу. После этого подправляем маркером. Надо отметить, что качество плат при этом несколько хуже, но значительно дешевле. Для нанесения рисунка на плату можно пользоваться и спиртовым маркером (лучше всего немецким), но это подходит лишь для простых плат в единичном экземпляре. Качество - как с калькой, а трудностей - неизмеримо больше. Но для простых вещей подойдет.

Компоновка радиодеталей на плате

Существует множество методов создания печатных плат . Все они имеют как плюсы, так и минусы. Основными критериями выбора способа создания печатной платы являются простота, т.е. способность реализации с помощью того, что есть дома либо на работе, и точность – насколько можно уменьшить расстояние между дорожками без ущерба для схемы. Возможно, данные критерии и не самые важные, но для меня простота и точность всегда были самыми важными.

Метод, который я опишу здесь, называется «методом плоттерной резки» . Метод хорошо известен тем, кто занят в сфере наружной рекламы. В наружной рекламе необходимо вырезать буквы, цифры, контуры на клеящей бумаге. Конечно, можно (как китайцы) все делать вручную, но там, где нужна точность, на помощь приходит плоттер. Вместо картриджа с чернилами на таком плоттере установлен нож-резак, который делает прорези в клеящем слое, оставляя бумажную подложку целой.

Плоттер можно найти в любой типографии и за небольшие деньги получить резку печатной платы с очень высокой плотностью дорожек. Чертеж печатной платы должен быть представлен в векторной форме, наиболее предпочтительным для этого является формат CorelDraw. Вот именно о создании печатной платы в программе Corel Draw и пойдет разговор ниже.

Для начала нужно определиться с рисунком печатной платы. В сети достаточно материала, чтобы найти подходящий по полноте и качеству исполнения рисунок платы. Как все рисунки, файл будет иметь расширение: jpg, bmp, gif, tif…

Берем рисунок печатной платы. Качество рисунка может быть как очень хорошим, так и не очень. Например, вот что мне удалось найти.

Качество картинки оставляет желать лучшего, поэтому с помощью любого графического редактора облагораживаем картинку. Самым распространенным редактором является Photoshop, но для работы в этой программе нужны навыки и месяцы освоения, поэтому можно пойти более длинным путем и произвести обработку в стандартной программе Windows – Paint.

Целью обработки является увеличение контрастности дорожек, удаление лишних затемнений, обрезка картинки до нужного размера. Если все это удается, то можно сразу переходить к установке программы CorelDraw. Всю обработку я производил на очень медленной машине (800 МГц, 384 Mb), поэтому новые версии программы для меня не подходили, а вот CorelDraw Graphics Suite X3 прекрасно подошел.

Для тех, кто еще не виртуоз в Photoshop, а в Paint результаты обработки оставили желать лучшего, опишу, что необходимо сделать с картинкой для достижения лучшего результата. Естественно, картинку нужно обработать. Программа для этого подойдет Sprint-Layout. Для работы в этой программе исходное обрабатываемое изображение должно иметь разрешение не более 300 на 300 пикселей, расширение bmp и любое качество. Разрешение ни на что не влияет, далее все можно будет подогнать под реальные размеры печатной платы, просто программа Layout не работает с картинками более 300 на 300 пикселей.

Sprint-Layout – программа для рисования одно- и двухсторонних печатных плат, она позволяет срисовывать печатные платы так сказать «с натуры». Это последнее умение нам и пригодится.

Запускаем программу Sprint-Layout.

«Файл – новый файл», выбираем размеры будущего рисунка печатной платы.

«Опции - задний план», открываем вид печатной платы в формате bmp.

Здесь нужно немного поколдовать с размерами исходного изображения. Хоть максимальное разрешение 300 на 300 пикселей, но при добавлении изображения 300 на 150 изображение получилось явно обрезанным по длине, поэтому при помощи увеличения разрешения dpi подгоняем размер изображения. Если это не получится - нужно изменить физические размеры изображения в фотошопе.

Перерисовываем плату с помощью инструментов программы. Программа на русском языке, и разобраться в ней не так уж и сложно. После срисовывания сохраняем получившееся изображение в формате *.jpg.

После всей обработки должно получиться примерно такое изображение, только нужно сохранить правильный слой.

Добавляем обработанное изображение в CorelDraw. От Corel необходимо только преобразование изображения в векторный рисунок, понятный плоттеру. Для этого:

1) открываем программу и нажимаем «создать»

2) нажимаем «файл – импорт» и выбираем обработанный файл изображения, появляется черная стрелка, указывающая на место, в которое необходимо поместить изображение, правой кнопкой мыши щелкаем по экрану - появляется изображение

3) нужно преобразовать изображение в векторный чертеж. Выбираем "Растровые изображения - Трассировать растровое изображение - Изображение высокого качества"

4) если контуров окна не видно, что бывает при недостаточном разрешении рабочего стола, – жмем кнопку «ввод» либо нажимаем OK и получаем примерно такой вид

5) на палитре цветов на вертикальной полосе справа ЛЕВОЙ кнопкой мышки щелкаем по БЕЛОМУ цвету, а ПРАВОЙ кнопкой мыши - по ЧЕРНОМУ цвету. Это позволит сделать обводку дорожек черного цвета

6) получилось два чертежа, наложенных друг на друга. Один - исходное изображение, второй – векторный чертеж. Сдвигаем один относительно другого, удерживая правую кнопку мыши, выделяем рисунок с темными дорожками и удаляем его кнопкой «delete», устанавливаем размеры печатной платы (в шапке программы - размер объектов). Должен получиться векторный чертеж контуров печатной платы, пригодный для резки на плоттере

7) сохраняем чертеж в формате *.cdr и отправляем на резку

После резки клеящая пленка на бумажной основе имеет множество тоненьких линий, рассекающих клеящий слой пленки и образующих дорожки.

Следующим шагом необходимо убрать всю пленку между дорожками, оставив на бумажной основе дорожки. Осторожно подковырнуть острым ножом место в углу между дорожками и тихонько тянуть в сторону платы и вверх. Необходимо следить за дорожками, чтобы ни одна не осталась на снимаемой пленке. Если дорожка поднимается с бумажной основы, то тихонько ее нужно вернуть на место ногтем.

Нельзя соприкасать снятую пленку с участками еще не снятой пленки и готовыми дорожками. Пленки слипнутся, и снятие будет затруднено. Если резка выполнена качественно, а дорожки большие, то без особых навыков можно проделать эту операцию с первого раза.

Сверху на дорожки для переноса их с бумажной основы на стеклотекстолитовую основу прикатываем прозрачную пленку с клеящим слоем и осторожно убираем бумажную основу, оставляя дорожки приклеенными к прозрачной пленке. Эта пленка имеется в типографиях и обычно идет в наборе к клеящей пленке. Получается, что дорожки с цветной стороны приклеены к прозрачной пленке, а со стороны клеящего слоя просто висят в воздухе.

Полностью подготавливаем плату для переноса на нее дорожек.

Плата должна быть в чистом виде, без жирных пятен, которые могут не дать как следует закрепиться дорожкам, поэтому плату зачищаем наждачной бумагой, обезжириваем, сушим.

Прикатываем пленку с дорожками к фольгированной части стеклотекстолита. Прикатывание подразумевает осторожный, но сильный нажим на дорожки с помощью твердой губки, которая не поцарапает пленку. Затем осторожно снимаем пленку так, чтобы все дорожки остались на печатной плате.

Прогреваем пленку для лучшего приклеивания пленки к плате при помощи фена либо тепловентилятора, протравливаем, промываем, просверливаем отверстия, снимаем пленочные дорожки, зачищаем дорожки наждачной бумагой и залуживаем дорожки.

Подготовка печатной платы происходит в несколько этапов:

1. Вырезать фольгированный стеклотекстолит под размер печатной платы, оставив зазоры под крепление.

2. Зачистить мелкой наждачной бумагой до блеска фольгированный слой стеклотекстолита, обезжирить «нефрасом» или другим растворителем, не оставляющим разводов и пятен, просушить.

3. Любым подходящим способом нанести дорожки будущей схемы.

4. Протравить плату в растворе хлорного железа.

5. Промыть и просушить печатную плату.

6. Просверлить отверстия мелким сверлом.

7. Убрать защитный слой дорожек.

8. Зачистить, обезжирить, просушить.

9. Нанести слой припоя тонким слоем на все дорожки, оставив отверстия незапаяными.

10. Запаять детали.

В этой статье мы поговорим о методе переноса рисунка разведенной печатной платы на текстолит с помощью лазерного принтера. Будет рассмотрен именно более современный метод ЛУТ. Если раньше, в советское время, для того чтобы защитить слой медной фольги на текстолите, приходилось наносить рисунок с помощью разных лаков, кто-то пользовался битумным лаком, кто-то даже растворял в растворителе кусочек гудрона которым покрывают крыши и рисовал получившимся раствором, консистенции лака.

Битумный лак

Некоторые для этих целей пользовались лаком для ногтей. Но при рисовании лаком с помощью рейхсфедера (как в принципе и при рисовании чем-либо другим) на плате было трудно внести какие либо исправления. При попытке счистить часть рисунка нанесенного лаком, нередко лак скалывался там, где это не было нужно. Причем такая работа требовала большой аккуратности и отнимала значительное время.

С появлением в продаже перманентных маркеров, ситуация значительно упростилась, стало достаточно нарисовать рисунок маркером, прямо на фольгированном текстолите в несколько слоев. Но у этого способа также есть недостатки, при травлении хлорным железом или другими реактивами, часто случались подтравы на дорожках. Именно для этой цели, чтобы лучше защитить рисунок печатной платы, мы и рисовали рисунок в несколько слоев. Я пользуюсь для рисования дорожек на печатных платах, а также для того чтобы подправить переносимый рисунок методом ЛУТ, в случае если перенос рисунка, в каком-либо месте осуществился не полностью, вот такими маркерами:

Ранее мной были приобретены 3 разных маркера, в результате их использования на платах все равно были подтравы. После мне подарили набор таких маркеров, 4 штуки разных цветов. Результат отличный, почти нет подтравов.

К тому же эти маркеры двусторонние, с одного конца у них пишущий стержень обычной толщины, на втором конце стержень очень тонкий, по ширине, черта проведенная им, получается почти как у шариковой ручки.

Это удобно, если у нас на плате есть две близко расположенные дорожки, а между ними нужно проложить еще одну дорожку. Разумеется, так, чтобы они не сливались, здесь как раз выручает тонкий стержень маркера. И наконец, перейдем к самому популярному методу переноса рисунка на текстолит к методу ЛУТ. Этот метод незаменим, когда нужно перенести сложную по топологии печатную плату на текстолит. Если бы мы рисовали такую печатную плату маркером, у нас ушло бы, возможно, больше часа на такую работу. Метод ЛУТ позволяет выполнить ту же работу максимум за полчаса - сорок минут с более высоким качеством рисунка и несравнимо меньшими трудностями в переносе.

К тому же таким способом можно нанести буквенно - цифровые обозначения и контуры деталей с обратной стороны фольгированного текстолита, слой самодельной шелкографии. Что же понадобится нам для того, чтобы воспользоваться методом ЛУТ?

1. Разведенная печатная плата в любой программе для разводки печатных плат, с возможностью вывода на печать. Для начинающих рекомендую программу .

2. Кусочек фольгированного текстолита, отпиленный по размерам разведенной платы, хорошо подходит импортный текстолит FR-4.

3. Утюг, желательно самый простой советский, без электронной регулировки температуры.

4. Уайтспирит, бензин Калоша или растворитель, для того чтобы смыть тонер с платы после травления.

5. Мягкий абразивный круг или наждачная бумага “нулевка” для механической зачистки платы перед нанесением рисунка.

6. Моющее средство типа Фэйри или любой другое обезжиривающее.

7. Бумага для метода ЛУТ нужна не стандартная офисная. Здесь каждый находит себе бумагу по вкусу: кто-то предпочитает основу для самоклеящейся пленки типа ORAJET, её не нужно размачивать, достаточно после остывания аккуратно отклеить.

Кто-то предпочитает кальку, но так как калька тонкая и принтер её однозначно “зажуёт”, её нужно предварительно наклеивать на лист офисной бумаги. Некоторые используют бумагу для струйных фотопринтеров марки LOMOND, но она недешевая. Я предпочитаю для этих целей пользоваться тонкой бумагой из глянцевых журналов типа "Гламур" и подобных.

Лист обрезается по ширине листа А4, его можно заправлять сразу в принтер подобно офисной бумаге, без дополнительных манипуляций. То, что на нем находится рисунок, это нам не помеха. При печати следует помнить о том, что sprint layout по умолчанию выводит на печать зеркально, если требуется прямая печать, следует снять галочку на опции отображать зеркально в программе. При печати рекомендую делать на одном листе несколько копий платы на некотором расстоянии одна от другой. С учетом того чтобы бумаги хватило на загиб вокруг платы.

После того, как мы механически зачистили плату, её нужно промыть с Фейри (Fairy ) и дать просохнуть. Трогать фольгу пальцами после этого нельзя. Далее загибаем бумагу вокруг платы, для того чтобы плата получилась строго по центру, можно в программе разводя плату нанести контур платы, или хотя бы сделать уголки.

Этот контур выведется на печать и перенесется на текстолит, но он нам не мешает, если конечно плата сделана грамотно и контур ничего не замыкает. Толщину линий рекомендую 0.1 мм. При желании, эти уголки или контур, после травления и смывания контура (он останется в виде фольги на плате) можно механически удалить с платы (соскрести ножом). Бумагу с обратной стороны платы можно закрепить кусочками изоленты.

Травление платы

Что касается протравливания дорожек, есть много различных методов. Можно сделать например травление медным купоросом:

1. Три столовые ложки с горкой, медного купороса.
2. Три столовые ложки с горкой, соли пищевой.
3. 500 грамм воды

При травлении, нагреваю на паровой бане, и занимает от 30мин до 2 часов. При попадании легко смывается или застирывается, следов не оставляет.

На утюге ставим максимальный нагрев, ждем когда нагреется, кладем плату на ровную твердую поверхность, можно кусок фанеры, и проложив лист бумаги между утюгом и нашей бумажной основой, глянцевой бумагой, в течение минуты тщательно проглаживая, сильно надавливая, утюжим плату, расположенную, разумеется, фольгой кверху. После выключаем утюг, плате обязательно даем остыть минут 15! Если мы пользовались глянцевой бумагой, кладем нашу плату в теплую воду, ждем полчаса и начинаем подушечками пальцев скатывать бумагу в комочки. Отдирать бумагу нельзя! После того, как всю бумагу скатали, у нас остаются дорожки с тонером белесого цвета (из-за вкраплений оставшейся бумаги). Смываем тонер растворителем или бензином Калошей, отмываем плату дочиста от грязи, особенно много грязи бывает, когда удаляешь рисунок нанесенный маркером.

После того, как очистили плату, её для лучшей пайки необходимо залудить, покрыть дорожки слоем припоя, это легко можно сделать, набрав немного припоя на демонтажную оплетку. Также плату можно залудить сплавом . Обзор технологии подготовил - AKV.

В статье рассматривается топология высокочастотных плат с практической точки зрения. Основная ее цель - помочь новичкам прочувствовать множество моментов, которые должны быть учтены при разработке печатных плат (ПП) для высокочастотных устройств. Она также будет полезна и для повышения квалификации тех специалистов, у кого был перерыв в разработке плат. Основное внимание уделено способам улучшения характеристик схем, ускорению времени их разработки и внесения изменений.

Рассмотренные вопросы и предлагаемые методики применимы к топологии высокочастотных схем вообще. Когда операционный усилитель (ОУ) работает на высоких частотах, основные характеристики схемы зависят от топологии ПП. Даже при качественном проектировании работа схемы может оказаться посредственной из-за плохо продуманной или неаккуратной печатной платы. Быть уверенным в том, что схема покажет расчетные параметры, можно, только продумав заранее и обращая внимание на основные моменты в течение всего процесса разработки топологии ПП.

Схема

Хорошая схема - это необходимое, но не достаточное условие хорошей топологии. При ее проектировании не стоит скупиться на дополнительную информацию на чертеже, и внимательно отслеживать направление прохождения сигнала. Непрерывность прохождения сигнала слева направо, скорее всего, даст тот же эффект и на печатной плате. Максимум полезной информации в схеме обеспечит оптимальную работу разработчиков, техников, инженеров, которые будут весьма признательны вам, а заказчикам в случае возникновения каких-либо трудностей не придется срочно разыскивать разработчика.

Какую информацию, помимо обычных позиционных обозначений, рассеиваемой мощности и допусков, наносить на схему? Вот несколько советов, как из обычной схемы сделать суперсхему: добавьте формы сигналов, механическую информацию о корпусах или размерах, укажите длину дорожек, площади, где нельзя размещать детали, детали, которые должны быть на верхней стороне ПП; добавьте инструкцию по настройке, диапазоны номиналов элементов, тепловую информацию, линии согласованных импедансов, краткие определения работы схемы и так далее.

Никому не доверяйте

Если вы сами не занимаетесь топологией, выделите достаточно времени, чтобы вместе с разработчиком топологии пройтись вдоль и поперек схемы. Намного проще и быстрее уделить внимание топологии вначале, чем впоследствии заниматься бесконечными доработками. Не рассчитывайте, что разработчик топологии умеет читать ваши мысливводные и руководство наиболее важны в начале процесса разводки платы. Чем больше информации и участия в процессе разводки, тем лучше получится плата. Укажите разработчику промежуточные этапы, на которых вы хотите ознакомиться с процессом разводки. Эти «контрольные точки» предохраняют плату от далеко зашедших ошибок и минимизируют исправления топологии.

Указания разработчику должны включать: краткое описание функций схемы; эскиз платы, на которой показаны расположения входов и выходов; конструктив (stack up) платы (т. е. толщина платы, количество слоев, подробности сигнальных слоев и сплошных слоев - питания, земли - аналоговой, цифровой, высокочастотной); сигналы, которые должны быть на каждом слое; размещение критичных элементов; точное размещение развязывающих элементов; критичные дорожки; линии с согласованным импедансом; дорожки одинаковой длины; размеры элементов; дорожки вдали (или вблизи) друг от друга; цепи ближе (или дальше) друг от друга; элементы вблизи (или вдали) друг от друга; элементы на верхней и на нижней стороне платы. Никто не обвинит вас в излишке информации, если слишком мало - пожалуются, наоборот - никогда.

Расположение, расположение и еще раз расположение

При размещении схемы на плате важно все: от компоновки отдельных элементов до выбора того, какие цепи должны быть расположены рядом.

Обычно определяется местоположение входов, выходов и питания. Особое внимание следует уделить топологии: расположению критических элементов - как отдельных цепей, так и схемы в целом. Определение местоположения основных компонентов и путей прохождения сигнала с самого начала дает уверенность, что схема будет работать как положено. Это позволяет уменьшить стоимость, решить проблемы и сократить сроки разводки.

Развязка цепей питания

Развязка источника питания на выводах питания усилителя для минимизации шумов является критическим аспектом процесса разработки ПП - как для схем с высокоскоростными ОУ, так и для других высокочастотных схем. Обычно для развязки высокоскоростных ОУ применяется одна из двух конфигураций.

Между шиной питания и землей

Этот метод в большинстве случаев работает лучше и позволяет использовать конденсаторы, параллельно подключенные от выводов питания ОУ напрямую к земле. Обычно достаточно двух, но некоторые схемы выигрывают от нескольких параллельно соединенных конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов с разной емкостью дает уверенность, что на выводах питания будет низкий импеданс по переменному току вшироком диапазоне частот. Это особенно важно, когда коэффициент влияния нестабильности источника питания (PSR) падает - конденсаторы компенсируют усилителю такое снижение. Обеспечение низкого импеданса пути к земле для многих декад частоты не дает нежелательным помехам попасть в ОУ. На рис. 1 показаны преимущества этого метода. На низших частотах конденсаторы с большой емкостью оказывают малое сопротивление цепи к земле. При частоте собственного резонанса конденсатора качество конденсатора ухудшается, и он становится индуктивностью. Поэтому важно использовать множество конденсаторов: когда частотная характеристика одного падает, другой становится значимым, обеспечивая низкий импеданс по переменному току в диапазоне многих декад частоты.

Рис. 1. Зависимость импеданса конденсатора от частоты

Непосредственно вблизи выводов питания ОУ конденсатор с меньшей емкостью и меньшими геометрическими размерами следует расположить на той же стороне, что и ОУ - и как можно ближе к усилителю. Сторону земли конденсатора необходимо подсоединить к слою земли с минимальными длинами вывода и дорожки. Соединение должно быть как можно ближе к нагрузке усилителя, чтобы минимизировать помехи между шинами питания и землей. Рис. 2 иллюстрирует эту методику.

Рис. 2. Подсоединение шин питания к земле параллельными конденсаторами

Этот процесс следует повторить со следующим по емкости конденсатором. Хорошее правило - начинать с конденсатора наименьшей емкости - 0,01 мкФ и далее переходить к оксидному конденсатору емкостью 2,2 мкФ с малым ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Первый из указанных в корпусе 0508 имеет малую последовательную индуктивность и отличные высокочастотные параметры.

Между одной и другой шиной

Альтернативной конфигурацией является использование одного или более конденсаторов, подключенных между положительной и отрицательной шинами питания ОУ. Этот способ используется, когда трудно установить все четыре конденсатора в схему. Недостатком является увеличение размеров конденсаторов, так как напряжение на них удваивается по сравнению с блокировкой каждого источника по отдельности. В этом случае требуется конденсатор с большим напряжением пробоя, что приводит к увеличению его размера. Однако этот вариант улучшает как PSR, так и характеристики по искажениям.

Так как каждая схема и ее топология имеют различия, то конфигурация, число и емкости конденсаторов определятся конкретными требованиями схемы.

где C - емкость; A - площадь обкладки в см²; k - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы; и d - расстояние между обкладками в см.

Рис. 5. Емкость плоскопараллельного конденсатора

Следует рассмотреть также и индуктивность полоски проводника, возникающей изза чрезмерной длины дорожки и недостатка земляного слоя. Уравнение 2 дает формулу индуктивности дорожки (рис. 6):

где W - ширина дорожки; L - ее длина; и H - толщина. Все размеры - в миллиметрах.

Рис. 6. Индуктивность дорожки

Рис. 7. Отклик на импульс без слоя и со слоем земли

где T - толщина платы и d - диаметр переходного отверстия в сантиметрах.

Рис. 8. Размеры переходного отверстия

Слой земли

Здесь мы коснемся отдельных ключевых моментов этого вопроса. Перечень ссылок на данную тему приводится в конце статьи.

Так как слой земли обычно имеет большую площадь и поперечное сечение, его сопротивление сохраняется минимальным. На низких частотах ток протекает по пути наименьшего сопротивления, но на высоких частотах - по пути наименьшего сопротивления. Тем не менее есть исключения, и иногда меньший слой заземления работает лучше. Это касается и высокоскоростных ОУ, если удалить часть земли под входными и выходными контактными площадками.

Аналоговые и цифровые цепи, включая их землю и подложки, по возможности, должны быть разделены. Крутые фронты импульсов создают пики тока, текущие по слою земли и создающие помехи, ухудшая аналоговые параметры схемы.

На высоких частотах следует обратить внимание на явление, называемое скин-эффектом. Он заставляет ток протекать по внешней поверхности проводника, как бы делая его уже и увеличивая сопротивление по сравнению с значением проводника на постоянном токе. Хотя рассмотрение скин-эффекта не входит в задачи этой статьи, приведем приблизительное выражение для расчета глубины скин-слоя в меди (в см):

Для снижения скин-эффекта может быть полезным покрытие из металлов, снижающих возможность его появления.

Корпуса

Рис. 9. Отличия топологии схем с ОУ: a) корпус SOIC; б) корпус SOT-23; в) корпус SOIC с резистором RF с нижней стороны платы.

Топология платы с корпусом SOT-23 почти идеальна: минимальная длина дорожек обратной связи, минимальное использование переходных отверстий; нагрузка и развязывающий конденсатор подключены к земле короткими дорожками к одной точке; развязывающий конденсатор положительного напряжения, не показанный на рис. 9б, размещен прямо под конденсатором отрицательного напряжения на нижней стороне платы.

Цоколевка усилителя с малым уровнем искажений

Новая цоколевка для уменьшения искажений, примененная в некоторых ОУ компании Analog Devices (например, AD8045), помогает ликвидировать обе упомянутых выше проблемы и улучшает характеристики в двух других важных областях. Цоколевка с малым уровнем искажений LFCP, показанная на рис. 10, получена из традиционной для ОУ цоколевки, поворотом ее против часовой стрелки на один вывод и добавлением второго выходного вывода, предназначенного для цепи обратной связи.

Рис. 10. ОУ с цоколевкой для малых искажений

Цоколевка для малых искажений допускает короткое соединение между выходом (выводом, предназначенным для обратной связи) и инвертирующим входом, как показано на рис. 11. Это значительно упрощает топологию и придает ей рациональную форму.

Рис. 11. Топология ПП для ОУ с малыми искажениями AD8045

Вторым преимуществом корпуса является ослабление второй гармоники нелинейных искажений. Одной из причин ее возникновения является связь между неинвертирующим входом и выводом отрицательного напряжения питания. Цоколевка для малых искажений корпуса LFCP ликвидирует эту связь и значительно ослабляет вторую гармонику; в некоторых случаях ее снижение может быть до 14 дБ. На рис. 12 показана разница в искажениях ОУ AD8099 в корпусе SOIC и в корпусе LFCSP.

Рис. 12. Сравнение искажений ОУ AD8099 в разных корпусах - SOIC и LFCSP

Этот корпус имеет еще одно преимущество - в рассеянии мощности. У корпуса открытая подложка микросхемы, которая снижает его тепловое сопротивление, улучшая θ JA примерно на 40%. В этом случае микросхема работает при пониженных температурах, что повышает ее надежность.

В настоящее время в новых корпусах для малых искажений доступны три высокоскоростных ОУ Analog Devices: AD8045, AD8099 и AD8000.

Разводка и экранирование

На печатных платах электронных схем могут одновременно присутствовать самые различные сигналы - аналоговые и цифровые, с высоким и низким напряжением, большим и малым током - от постоянного тока до гигагерцовых частот. Не дать им интерферировать друг с другом- трудная задача.

Важно заранее продумать план обработки сигналов на плате, отметить, какие из них чувствительны, и определить шаги для сохранения их неприкосновенности. Слои земли, кроме предоставления опорного потенциала для электрических сигналов, можно также использовать и для экранирования. Когда требуется изолировать сигналы, первым делом следует обеспечить достаточное расстояние между дорожками сигналов. Рассмотрим несколько практических мер:

• Минимизирование длины параллельных линий и предотвращение близкого соседства между сигнальными дорожками на одном и том же слое уменьшит индуктивную связь.
• Минимизирование длины дорожек на смежных слоях предотвратит емкостную связь.
• Сигнальные дорожки, требующие особой изоляции, должны проходить на разных слоях и, если их невозможно разнести подальше,- перпендикулярно друг другу, между ними следует проложить слой земли. Перпендикулярная разводка минимизирует емкостную связь, а земля образует электрический экран. Эта методика используется при формировании линий с согласованным импедансом (волновым сопротивлением).

Высокочастотные (ВЧ) сигналы обычно проводят по линиям с согласованным импедансом. То есть волновое сопротивление дорожки обеспечивается равным, например 50 Ом (типичное для ВЧ-схем). Два широко применяемых типа согласованных линий - микрополосковые и полосковые - могут дать одинаковые результаты, но имеют разные реализации.

Микрополосковая согласованная линия, показанная на рис. 13, может проходить на любой стороне платы; она использует слой земли, лежащий непосредственно под ней, в качестве плоскости базового заземления.

Рис. 13. Микрополосковая линия передачи

Для расчета характеристического волнового сопротивления линии на плате FR4 можно воспользоваться следующей формулой:

где H - расстояние от плоскости земли до дорожки; W - ширина дорожки; T - толщина дорожки; все размеры в милах (1 мил = 10 –3 дюйма). ε r - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы.

Полосковая согласованная линия (рис. 14) использует два слоя плоскости земли и находящуюся между ними сигнальную дорожку. Этот способ использует больше дорожек, требует большего количества слоев, чувствителен к изменениям толщины изолятора и стоит дороже, поэтому он обычно применяется только в устройствах с повышенными требованиями.

Рис. 14. Полосковая согласованная линия

Уравнение для расчета характеристического волнового сопротивления полосковой линии:

Рис. 15. Защитные кольца: a) инвертирующая и неинвертирующая схема; б) реализация обоих вариантов в корпусе SOT-23-5

Существует много других вариантов экранирования и разводки. Для получения дополнительной информации по этим и другим темам, упомянутым выше, читателю предлагается ознакомиться с нижеприведенными ссылками.

Заключение

Для успешного проектирования приборов на высокоскоростных ОУ важна разумная топология печатных плат. Ее основой является хорошая схема, важно также тесное сотрудничество инженера-схемотехника и разработчика печатной платы, особенно при размещении элементов и их соединении.

Литература

1. Ardizzoni J. Keep High-Speed Circuit-Board Layout on Track // EE Times, May 23, 2005.
2. Brokaw P. An IC Amplifier User"s Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change // Analog Devices Application Note AN-202.
3. Brokaw P., Barrow J. Grounding for Low- and High-Frequency Circuits // Analog Devices Application Note AN-345.
4. Buxton J. Careful Design Tames High-Speed Op Amps // Analog Devices Application Note AN-257.
5. DiSanto G. Proper PC-Board Layout Improves Dynamic Range // EDN, November 11, 2004.
6. Grant D., Wurcer S. Avoiding Passive-Component Pitfalls // Analog Devices Application Note AN-348.
7. Johnson H. W., Graham M. High-Speed Digital Design, a Handbook of Black Magic. Prentice Hall, 1993.
8. Jung W., ed., Op Amp Applications Handbook // Elsevier-Newnes, 2005.

Печа́тная пла́та (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) - пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:

односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.

двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.

многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат.

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа, увеличивается количество слоёв на платах.

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс. Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору. В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д), и керамика. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Какой материал будем использовать для изготовления плат

Самые распространненые, доступные материалы для изготовления плат - это Гетинакс и Стеклотекстолит. Гетинакс-бумага пропитанная бакелитовым лаком, текстолит стекловолокно с эпоксидкой. Однозначно будем использовать стеклотекстолит!

Стеклотекстолит фольгированный представляет собой листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол и облицованные с двух сторон медной электролитической гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм. Предельно допустимая температура от -60ºС до +105ºС. Имеет очень высокие механические и электроизоляционные свойства, хорошо поддается механической обработке резкой, сверлением, штамповкой.

Стеклотекстолит в основном используется одно или двухсторонний толщиной 1.5мм и с медной фольгой толщиной 35мкм или 18мкм. Мы будем использовать односторонний стеклотекстолит толщиной 0.8мм с фольгой толщиной 35мкм (почему будет подробно рассмотрено далее).

Методы изготовления печатных плат дома

Платы можно изготавливать химическим методом и механическим.

При химическом методе в тех местах где должны быть дорожки (рисунок) на плате на фольгу наносится защитный состав (лак, тонер, краска и т.д.). Далее плата погружается в специальный раствор (хлорное железо, перекись водорода и другие) который «разъедает» медную фольгу, но не действует на защитный состав. В итоге под защитным составом остается медь. Защитный состав в дальнейшем удаляется растворителем и остаётся готовая плата.

При механическом методе используется скальпель (при ручном изготовлении) или фрезерный станок. Специальная фреза делает бороздки на фольге, в итоге оставляя островки с фольгой - необходимый рисунок.

Фрезерные станки довольно дорогое удовольствие, а также сами фрезы дороги и имеют небольшой ресурс. Так что, этот метод мы не будем использовать.

Самый простой химический метод - ручной. Ризографом лаком рисуются дорожки на плате и потом травим раствором. Этот метод не позволяет делать сложные платы, с очень тонкими дорожками - так что это тоже не наш случай.

Следующий метод изготовления плат - с помощью фоторезиста. Это очень распространненая технология (на заводе платы делаются как раз этим методом) и она часто используется в домашних условиях. В интернет очень много статей и методик изготовления плат по этой технологии. Она дает очень хорошие и повторяемые результаты. Однако это тоже не наш вариант. Основная причина - довольно дорогие материалы (фоторезист, который к тому же портится со временем), а также дополнительные инструменты (УФ ламка засветки, ламинатор). Конечно, если у вас будет объемное производство плат дома - то фоторезист вне конкуренции - рекомендуем освоить его. Также стоит отметить, что оборудование и технология фоторезиста позволяет изготовливать шелкографию и защитные маски на платы.

С появлением лазерных принтеров радиолюбители стали активно их использовать для изготовления плат. Как известно, для печати лазерный принтер использует «тонер». Это специальный порошок, который под температурой спекается и прилипает к бумаге - в итоге получается рисунок. Тонер устойчив к различным химическим веществам, это позволяет использовать его как защитное покрытие на поверхности меди.

Итак, наш метод состоит в том, чтобы перенести тонер с бумаги на поверхность медной фольги и потом протравить плату специальным раствором для получения рисунка.

В связи с простотой использования данный метод заслужил очень большое распространение в радиолюбительстве. Если вы наберете в Yandex или Google как перенести тонер с бумаги на плату - то сразу найдёте такой термин как «ЛУТ» - лазерно утюжная технология. Платы по этой технологии делаются так: печатается рисунок дорожек в зеркальном варианте, бумага прикладывается к плате рисунком к меди, сверху данную бумагу гладим утюгом, тонер размягчяется и прилипает к плате. Бумага далее размачивается в воде и плата готова.

В интернет «миллион» статей о том как сделать плату по этой технологии. Но у данной технологии есть много минусов, которые требуют прямых рук и очень долгой пристройки себя к ней. То есть ее надо почувствовать. Платы не выходят с первого раза, получаются через раз. Есть много усовершенствований - использовать ламинатор (с переделкой - в обычном не хватает температуры), которые позволяют добиться очень хороших результатов. Даже есть методы построения специальных термопрессов, но все это опять требует специального оборудования. Основные недостатки ЛУТ технологии:

перегрев - дорожки растекаются - становятся шире

недогрев - дорожки остаютяся на бумаге

бумага «прижаривается» к плате - даже при размокании сложно отходит - в итоге может повредится тонер. Очень много информации в интернете какую бумагу выбрать.

Пористый тонер - после снятия бумаги в тонере остаются микропоры - через них плата тоже травится - получаются изъеденные дорожки

повторяемость результата - сегодня отлично, завтра плохо, потом хорошо - стабильного результат добиться очень сложно - нужна строго постоянная температура прогрева тонера, нужно стабильное давление прижима платы.

К слову, у меня этим методом не получилось сделать плату. Пробовал делать и на журналах, и на мелованной бумаге. В итоге даже платы портил - от перегрева вздувалась медь.

В интернет почему-то незаслуженно мало информации про еще один метод переноса тонера - метод холодного химического переноса. Он основан на том факте, что тонер не растворяется спиртом, но растворяется ацетоном. В итоге, если подобрать такую смесь ацетона и спирта, которая будет только размягчать тонер - то его можно «переклеить» на плату с бумаги. Этот метод мне очень понравился и сразу дал свои плоды - первая плата была готова. Однако, как оказалось потом, я нигде не смог найти подробной информации, которая давала бы 100% результат. Нужен такой метод, которым плату мог сделать даже ребёнок. Но на второй раз плату сделать не вышло, потом опять и пришло долго подбирать нужные ингридиенты.

В итоге после долгих была разработана последовательность действий, подобраны все компоненты, которые дают если не 100% то 95% хорошего результата. И самое главное процесс настолько простой, что плату может сделать ребенок полностью самостоятельно. Вот этот метод и будем использовать. (конечно его можно и далее доводить до идеала - если у вас выйдет лучше - то пишите). Плюсы данного метода:

все реактивы недорогие, доступные и безопасные

не нужны дополнительные инструменты (утюги, лампы, ламинаторы - ничего, хотя нет - нужна кастрюля)

нет возможности испортить плату - плата вообще не нагревается

бумага отходит сама - видно результат перевода тонера - где перевод не вышел

нет пор в тонере (они заклеиваются бумагой) - соответственно нет протравов

делаем 1-2-3-4-5 и получаем всегда один и тот же результат - почти 100% повторяемость

Прежде чем начать, посмотрим какие платы нам нужны, и что мы сможем сделать дома данным методом.

Основные требования к изготовленным платам

Мы будем делать приборы на микроконтроллерах, с применением современных датчиков и микросхем. Микросхемы становятся все меньше и меньше. Соответственно необходимо выполнение следующих требований к платам:

платы должны быть двух сторонними (как правило развести одностороннюю плату очень сложно, сделать дома четырехслойные платы довольно сложно, микроконтроллерам нужен земляной слой для защиты от помех)

дорожки должны быть толщиной 0.2мм - такого размера вполне достаточно - 0.1мм было бы еще лучше - но есть вероятность протравов, отхода дорожек при пайке

промежутки между дорожками - 0.2мм - этого достаточно практически для всех схем. Уменьшение зазора до 0.1мм чревато сливанием дорожек и сложностью в контроле платы на замыкания.

Мы не будем использовать защитные маски, а также делать шелкографию - это усложнит производство, и если вы делаете плату для себя, то в этом нет нужды. Опять же в интернет много информации на эту тему, и если есть желание вы можете навести «марафет» самостоятельно.

Мы не будем лудить платы, в этом тоже нет необходимости (если только вы не делаете прибор на 100лет). Для защиты мы будем использовать лак. Основная наша цель - быстро, качественно, дёшево в домашних условиях сделать плату для прибора.

Вот так выглядит готовая плата. сделанная нашим методом - дорожки 0.25 и 0.3, расстояния 0.2

Как сделать двухстороннюю плату из 2-ух односторонних

Одна из проблем изготовления двухсторонних плат - это совмещение сторон, так чтобы переходные отверстия совпадали. Обычно для этого делается «бутерброд». На листе бумаги печатается сразу 2 стороны. Лист сгибается пополам, на просвет точно совмещаются стороны с помощью специальных меток. Внутрь вкладывается двухсторонний текстолит. При методе ЛУТ такой бутерброд проглаживается утюгом и получается двухсторонняя плата.

Однако, при методе холодного переноса тонера сам перенос осуществляется с помощью жидкости. И поэтому очень сложно организовать процесс смачивания одной стороны одновременно с другой стороной. Это конечно тоже можно сделать, но с помощью специального приспособления - мини пресса (тисков). Берутся плотные листы бумаги - которые впитывают жидкость для переноса тонера. Листы смачиваются так, чтобы жидкость не капала, и лист держал форму. И дальше делается «бутерброд» - смоченный лист, лист туалетной бумаги для впитывания лишней жидкости, лист с рисунком, плата двухсторонняя, лист с рисунком, лист туалетной бумаги, опять смоченный лист. Все это зажимается вертикально в тиски. Но мы так делать не будем, мы поступим проще.

На форумах по изготовлению плат проскочила очень хорошая мысль - какая проблема делать двухстороннюю плату - берем нож и режем текстолит пополам. Так как стеклотекстолит - это слоеный материал, то это не сложно сделать при опредленной сноровке:

В итоге из одной двухсторонней платы толщиной 1.5мм получаем две односторонние половинки.

Далее делаем две платы, сверлим и все - они идеально совмещены. Ровно разрезать текстолит не всегда получалось, и в итоге пришла идея использовать сразу тонкий односторонний текстолит толщиной 0.8мм. Две половинки потом можно не склеивать, они будут держаться за счет запаяных перемычек в переходных отверстиях, кнопок, разъемов. Но если это необходимо без проблем можно склеить эпоксидным клеем.

Основные плюсы такого похода:

Текстолит толщиной 0,8мм легко режется ножницами по бумаге! В любую форму, то есть очень легко обрезать под корпус.

Тонкий текстолит - прозрачный - посветив фонарем снизу можно легко проверить корректность всех дорожек, замыкания, разрывы.

Паять одну сторону проще - не мешают компоненты на другой стороне и легко можно контролировать спайки выводов микросхем- соединить стороны можно в самом конце

Сверлить надо в два раза больше отверстий и отверстия могут чуть-чуть не совпасть

Немного теряется жёсткость конструкции если не склеивать платы, а склеивать не очень удобно

Односторонний стеклотекстолит толщиной 0.8мм трудно купить, в основном продается 1.5мм, но если не удалось достать, то можно раскроить ножем более толстый текстолит.

Перейдем к деталям.

Необходимые инструменты и химия

Нам понадобятся следующие ингридиенты:

Теперь когда все это есть, делаем по шагам.

1. Компоновка слоев платы на листе бумаги для печати c помощью InkScape

Автоматический цанговый набор:

Мы рекомендуем первый вариант - он дешевле. Далее необходимо к мотору припаять провода и выключатель (лучше кнопку). Кнопку лучше разместить на корпусе, чтобы удобнее было быстро включать и выключать моторчик. Остается подобрать блок питания, можно взять любой блок питания на 7-12в током 1А (можно и меньше), если такого блока питания нет, то может подойти зарядка по USB на 1-2А или батарейка Крона (только надо пробовать - не все зарядки любят моторы, мотор может не запустится).

Дрель готова, можно сверлить. Но вот только необходимо сверлить строго под углом 90градусов. Можно соорудить мини станок - в интернет есть различные схемы:

Но есть более простое решение.

Кондуктор для сверления

Чтобы сверлить ровно под 90 градусов достаточно изготовить кондуктор для сверления. Мы будем делать вот такой:

Изготовить его очень легко. Берем квадратик любого пластика. Кладем нашу дрель на стол или другую ровную поверхность. И сверлим в пластике нужным сверлом отверстие. Важно обеспечить ровное горизонтальное смещение дрели. Можно прислонить моторчик к стене или рейке и пластик тоже. Далее большим сверлом рассверлить отверстие под цангу. С обратной стороны рассверлить или срезать кусок пластика, чтобы было видно сверло. На низ можно приклеить нескользящую поверхность - бумагу или резинку. Такой кондуктор надо сделать под каждое сверло. Это обеспечит идеально точное сверление!

Такой вариант тоже подойдет, срезать сверху часть пластика и срезать уголок снизу.

Вот как производится сверление с его помощью:

Зажимаем сверло так, чтобы оно торчало на 2-3мм при полном погружении цанги. Ставим сверло на место где надо сверлить (при травлении платы у нас будет оставаться метка где сверлить в виде мини отверстия в меди - в Kicad мы специально ставили галку для этого, так что сверло будет само вставать туда), прижимаем кондуктор и включаем мотор - отверстие готово. Для подстветки можно использовать фонарик, положив его на стол.

Как уже мы писали ранее, сверлить можно только отверстия с одной стороны - там где подходят дорожки - вторую половину можно досверлить уже без кондуктора по направляющему первому отверстию. Это немного экономит силы.

8. Лужение платы

Зачем лудить платы - в основном для защиты меди от корозии. Основной минус лужения - перегрев платы, возможная порча дорожек. Если у вас нет паяльной станции - однозначо - не лудите плату! Если она есть, то риск минимальный.

Можно лудить плату сплавом РОЗЕ в кипящей воде, но он дорого стоит и его сложно достать. Лудить лучще обычным припоем. Чтобы сдеалать это качественно, очень тонким слоем надо сделать простое приспособление. Берем кусочек оплетки для выпайки деталей и одеваем ее на жало, прикручиваем проволокой к жалу, чтобы она не соскочила:

Плату покрываем флюсом - например ЛТИ120 и оплетку тоже. Теперь в оплетку набираем олово и ей водим по плате (красим)- получается отличный результат. Но по мере использования оплетка расподается и на плате начинают оставаться ворскинки медные - их обязательно надо убрать, а то будет замыкание! Увидеть это очень легко посветив фонарем с обратной стороны платы. При таком методе хорошо использовать или мощный паяльник (60ват) или сплав РОЗЕ.

В итоге, платы лучше не лудить, а покрывать лаком в самом конце- например PLASTIC 70, или простой акриловый лак купленный в автозапчастях KU-9004:

Тонкий тюнинг метода переноса тонера

В методе есть два момента, которые поддаются тюнингу, и могут не получиться сразу. Для их настройки, необходимо в Kicad сделать тестовую плату, дорожки по квадратной спирали разной толщины, от 0.3 до 0.1 мм и с разными промежутками, от 0.3 до 0.1 мм. Лучше сразу распечатать несколько таких образцов на одном листе и провести подстройку.

Возможные проблемы, которые мы будем устранять:

1) дорожки могут менять геометрию - растекаться, становится шире, обычно очень не значительно, до 0.1мм - но это не хорошо

2) тонер может плохо прилипать к плате, отходить при снятии бумаги, плохо держаться на плате

Первая и вторая проблема взаимосвязаны. Решаю первую, вы приходите ко второй. Надо найти компромисс.

Дорожки могут растекаться по двум причинам - слишкой большой груз прижима, слишком много ацетона в составе полученной жидкости. В первую очередь надо попробовать уменьшить груз. Минимальный груз - около 800гр, ниже уменьшать не стоит. Соответственно груз кладем без всякого прижима - просто ставим сверху и все. Обязательно должно быть 2-3 слоя туалетной бумаги для хорошего впитывания лишнего раствора. Вы должны добиться того, что после снятия груза, бумага должна быть белая, без фиолетовых подтеков. Такие подтеки говорят о сильном расплавлении тонера. Если грузом отрегулировать не получилось, дорожки все равно расплываются, то увеличиваем долю жидкости для снятия лака в растворе. Можно увеличить до 3 части жидкости и 1 часть ацетона.

Вторая проблема, если нет нарушения геометрии, говорит о недостаточном весе груза или малом количестве ацетона. Начать опять же стоит с груза. Больше 3кг смысла не имеет. Если тонер все равно плохо держится на плате, то надо увеличить количество ацетона.

Эта проблема в основном возникает, когда вы меняете жидкость для снятия лака. К сожалению, это не постоянный и не чистый компонент, но на другой его заменить не получилось. Пробовал заменить его спиртом, но видимо получается не однородная смесь и тонер прилипает какими-то вкраплениями. Также жидкость для снятия лака может содержать ацетон, тогда ее надо будет меньше. В общем, такой тюнинг вам надо будет провести один раз, пока не закончится жидкость.

Плата готова

Если вы не будете сразу запаивать плату, то ее необходимо защитить. Самый простой способ сделать это - покрыть спиртоканифольным флюсом. Перед пайкой это покрытие надо будет снять например изопропиловым спиртом.

Альтернативные варианты

Вы также можете сделать плату:

Дополнительно, сейчас набирает популярность сервис изготовления плат на заказ - например Easy EDA . Если необходима более сложная плата (например 4-х слойная) - то это единственный выход.