Как сделать чертеж печатной платы
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 18.09.2024
При внимательном изучении печатной платы можно получить очень много информации о схеме, схемных соединениях, а также о неисправностях.
Еще одним важным инструментом является прибор, позволяющий измерять напряжение, ток и сопротивление — это мультиметр. Этот прибор позволяет получать информацию об элементах и о схемных соединениях, которые недоступны визуально.
Для демонтажа элементов и последующего ремонта также будет полезным паяльное оборудование (паяльник, фен, паяльная станция), что позволяет разбить сложную схему на отдельные участки и отрисовывать их схемы по отдельности или же получить визуальный доступ к схемным соединениям, которые расположены под демонтируемым элементом.
ВНИМАНИЕ! Отслеживание схемы с использованием мультиметра и паяльного оборудования требует отключения внешних и внутренних источников энергии, а также разрядки конденсаторов в схеме!
Несоблюдение этого условия может привести в лучшем случае к неправильному результату, а в худшем — к порче оборудования или травме!
Метод отрисовки схемы
Неисправная плата состоит из некоторого набора компонентов и соединений между ними в виде токопроводящих дорожек. Кроме проводников печатной платы схемные соединения могут выполняться в виде специальных компонентов — перемычек. Перемычки могут представлять собой отрезок провода или резистор с нулевым сопротивлением.
Цепи питания можно легко проконтролировать с помощью выводов силовых компонентов, а детальная отрисовка схемы в остальных случаях обычно требуется очень редко.
Если мультиметр используется для приблизительной оценки сопротивления компонента, то следует учитывать влияние других компонентов, соединенных с исследуемым. При наличии сомнений в адекватности показаний мультиметра рекомендуется выпаять элемент или один его вывод (диод, резистор, конденсатор…).
В результате определяются компоненты, выводы которых имеют соединение с интересующим выводом исходного компонента. Эти компоненты отрисовываются на схеме и их соответствующие выводы на схеме соединяются с интересующим выводом исходного компонента. Затем выбирается следующий вывод, относительно которого повторяются вышеописанные действия.
Процесс отслеживания повторяется до тех пор, пока не будет отрисован весь интересующий участок схемы (с условием логической законченности и непротиворечивости участка схемы).
Сверять отрисовку схемы можно с даташитом (схемой включения) данного компонента. Она во многих случаях будет похожа.
Пример отрисовки схемы
В качестве примера использована небольшая двусторонняя плата, найденная в Интернете с хорошо просматриваемыми дорожками.
На фото дополнительно нанесены метки для указания первого вывода микросхем, катода диодов/светодиодов и положительного вывода полярных конденсаторов. Кроме фото самой платы были найдены топология (для виртуального применения мультиметра и паяльного оборудования) и схема (для проверки результата) платы.
Исходные данные платы
Плата используется для измерения температуры (в общем случае для подключения датчиков с интерфейсом 1-Wire). Также плата имеет два программно управляемых выхода с ТТЛ-уровнями. Интерфейс подключения к персональному компьютеру — USB.
Топология платы (красный — Top (сверху), зеленый — Bottom (снизу):
На фото и топологии платы хорошо видна разница между дорожками и заливкой. На слое Top (верх) имеется небольшой участок заливки — возле разъема USB. Остальную часть этого слоя занимают дорожки, контактные площадки, переходные отверстия и пустое пространство между ними. На слое Bottom (низ) практически все занято сплошной заливкой. Расстояние между заливкой и остальными элементами в этом слое (4 дорожки, 16 контактных площадок, 16 переходных отверстий и 1 надпись) минимально допустимое. Часть контактных площадок и переходных отверстий относится к заливке. Причем можно отметить то, что контактные площадки и переходные отверстия соединяются со сплошной заливкой не по всему контуру, а только в определенных местах — таким образом получается термобарьер между контактной площадкой (или переходным отверстием) и сплошной заливкой. Термобарьер облегчает пайку элементов, потом что с термобарьером достаточно прогреть только контактную площадку, вывод элемента и припой, а без термобарьера часть энергии будет рассеиваться сплошной заливкой.
Используемые микросхемы — ATtiny45 (DD1) и DS18B20 (DA1). На плате присутствуют 2 обычных выпрямительных диода (VD1, VD2), светодиод (LED1, LED2) — 2шт, конденсатор (C1), резисторы (R1-R7) — 7шт, разъемы (J1, J2).
Отслеживание участков схемы
Шаг 1. Определение основных элементов и разъемов
Основные элементы: микроконтроллер ATtiny45 и датчик температуры DS18B20. Справа расположен разъем USB (функциональность выводов сверху вниз согласно фото: VBUS, D-, D+, GND). Для используемого разъема USB можно отметить наличие 4 крепежных контактов, которые на схеме не будут отражены. Слева расположен разъем с неизвестным функциональным назначением выводов.
Расположим на схеме вышеперечисленные элементы в произвольном порядке, разъёмы расположим по краям:
Шаг 2. Отслеживание цепей питания
Начнем отслеживать схему от выводов VBUS и GND разъема J1. Воспользовавшись фото платы и виртуальными измерениями с помощью топологии платы, можно получить следующий вид:
На фото отмечены контактные площадки и переходные отверстия, между которыми есть соединение:
1. Красным цветом — соединение с контактом VBUS;
2. Оранжевым цветом — соединение между катодом диода VD1 и анодом диода VD2;
3. Голубым цветом — соединение с сигналом VCC (дополнительно введенное обозначение, которое указывает на напряжение питания основных компонентов);
4. Синим цветом — соединение с контактом GND.
Отображаем полученные сведения на схеме:
Шаг 3. Отслеживание сигнальных цепей USB
Продолжим отслеживать схему от выводов D- и D+ разъема J1, а также выводов резисторов R3 и R4. Воспользовавшись фото платы и виртуальными измерениями с помощью топологии платы, можно получить следующий вид:
На фото отмечены контактные площадки и переходные отверстия, между которыми есть соединение:
1. Красным цветом — соединение с контактом D-;
2. Оранжевым цветом — соединение с контактом D+;
3. Голубым цветом — соединение с неотслеженным ранее выводом резистора R4;
4. Синим цветом — соединение с неотслеженным ранее выводом резистора R3.
Отображаем полученные сведения на схеме:
Шаг 4. Отслеживание линий ввода-вывода микроконтроллера
Отследим оставшуюся часть схемы от выводов PB0, PB3 и PB4 микроконтроллера, а также выводов светодиодов LED1, LED2 и резистора R5. Воспользовавшись фото платы и виртуальными измерениями с помощью топологии платы, можно получить следующий вид:
На фото отмечены контактные площадки и переходные отверстия, между которыми есть соединение:
1. Красным цветом — соединение с выводом PB0;
2. Оранжевым цветом — соединение с выводом PB3;
3. Голубым цветом — соединение с выводом PB4;
4. Синим цветом — соединение с неотслеженным ранее выводом светодиода LED1;
5. Фиолетовым цветом — соединение с неотслеженным ранее выводом светодиода LED2.
Отображаем полученные сведения на схеме:
Всё! Схему начертили! Теперь сверим нашу схему со штатной схемой данного устройства:
Есть небольшие различия в расположении элементов, но в целом схема совпадает и по ней теперь легко понять работу данного устройства и отремонтировать данный девайс.
Я обещал пользователю KSVl и некоторым другим читателям, статью с базовыми принципами проектирования печатных плат (ПП), так же приглашаю к ознакомлению всех любителей попаять за чашечкой кофе!
Пролог
Все описанные в статье правила, являются самыми базовыми и ориентированы исключительно на совсем начинающих разработчиков для которых электроника просто хобби. Сразу хочу отметить, что данная статья не претендует на абсолютную истину и все объяснения даны в вольной форме.
Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:
Правило №1 — Ширина проводника
Ошибка — очень часто начинающие разработчики используют ту ширину проводников (дорожек), которая стоит по умолчанию в используемой САПР. В упомянутой ранее статье, автор использовал EasyEDA и там базовое значение ширины стоит 6 mils, то есть около 0.15 мм. Данная ширина проводников использована практически везде и это плохо, ибо ведет к ряду проблем.
Проблема №1 — падение напряжения. Все мы помни закон Ома из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.
Проблема №2 — нагрев проводника. Тут все тот же закон Ома, мощность выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Дорогу 0.15 мм ток в 5-10А легко испарит.
Проблема №4 — низкая механическая прочность. Думаю не надо объяснять, что дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к текстолитовой основе, чем дорожка 0.15 мм. Ради интереса возьмите заводскую ненужную плату и поковыряйте ее.
Решение — используйте максимально возможную ширину проводников. Если проводник можно провести с шириной 0.6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0.15 мм.
1) Плохо
2) Хорошо
Правило №2 — Подключение к выводам
Под выводами подразумевается контактная площадка компонента (pad), переходные отверстия (via) и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).
Ошибка — бывают две крайности. В одной, разработчик совершает ошибку из правила №1 и подключает дорожку 0.15 мм к выводу smd резистора 1206. В другом случае наоборот, использует проводник ширина которого равна ширине контактной площадки. Оба варианта плохие.
Проблема №1 — низкая механическая прочность. При нескольких попытках перепайки компонента, площадка или дорожка просто отслоятся от текстолитовой основы печатной платы.
Проблема №2 — технологические проблемы с монтажом платы. Хотя это станет проблемой, если вы начнете заказывать в Китае не только платы, но и сборку. Вам конечно соберут, но % брака вырастает.
Решение — ширина проводника, подключаемого к контактной площадке, должна составлять примерно 80% от ширины этой площадки.
Размер площадки конденсатора 1206 в данном случае составляет 1.6 х 1 мм. Соответственно для подведения сигнала снизу используется дорожка равная 80% от ширины площадки, то есть 0.8 мм (80% от 1 мм). Для подведения сигнала справа используется дорожка толщиной 1.2 мм (примерно 80% от 1.6 мм). Ширина площадки у микросхемы в корпусе SOIC-8 равна 0.6 мм, поэтому подводить нужно сигнал с помощью дорожки около 0.5 мм.
Стоит понимать, что данный вариант является идеальным. Переход из 1.2 мм в 0.5 мм вам наверняка не понравится — лишняя возня. Его можно избежать. Для этого обычно принимают ширину дорожки относительно минимального pad-а (площадки), то есть в данном случае можно сделать вот так:
Как видите, я выбрал ширину проводника по минимальной площадке, то есть по площадке вывода микросхемы в корпусе SOIC-8. Такой упрощение допустимо, но его стоит применять с умом.
Правило №3 — Цепи питания
Теперь рассмотрим случай, когда упрощение в отношение правила №2 просто недопустимо, а именно — проектирование цепей питания. Данной правило опирается на два предыдущих и является частным, но пожалуй самым критичным случаем.
Ошибка — пренебрежение правилами №1 и №2 при проектирование цепей питания.
Проблема №1 — на выходе вашего стабилизатора напряжения строго +3.3В. Вы включаете устройство и наблюдаете, что микросхема ведет себя неадекватно, АЦП измеряет не точно и периодически выключается. Вы измеряете напряжение на ногах потребителя (микросхемы) и обнаруживаете вместо +3.3В всего лишь +2.6В.
Проблема №2 — ваш DC-DC преобразователь не запускается, либо на выходе имеет большие пульсации.
Проблема №3 — в попытках найти неисправность, вы ставите щуп осциллографа на линию +3.3В и обнаруживаете там вместо постоянного напряжения какие-то страшные пульсации и помехи.
Решение — соблюдаем особо строго и фанатично правила №1 и №2. Дорожки максимально широкие. Питание должно приходить на микросхему через керамический конденсатор, который по возможности ставят ближе к выводу этой микросхемы.
Что я сделал чтобы стало хорошо:
1) Дорожка питания VCC3V3 теперь подходит не в обход конденсатора, а через него. То есть сначала на конденсатор, а затем уже на вывод микросхемы
2) Переходное отверстие (via) я использовал размером 1.2/0.6 мм. Да, согласно требованиям для 4 класса точности (стандартного), я могу использовать переходное отверстие размером 0.7/0.3 мм, но делать этого не стал и применил более габаритный переход. Это позволило уменьшить его сопротивление и пропустить больший ток
3) Шина питания, которая приходит от стабилизатора у меня теперь не 0.3 мм, а 2 мм! Не бойтесь делать широкие проводники. Такой подход минимизирует падение напряжения в цепи и уменьшит индуктивность проводника
Правило №4 — Земля
О влияние качества проектирование земляной шины (GND) можно говорить вечно, но любой разговор сводится к простой сути: стабильно и работоспособность устройства в наибольшей степени зависит именно от проектирование земли. Данная проблема очень объемная и требует глубокого изучения, поэтому я дам самые базовые рекомендации.
Ошибка — трассировка цепи GND (земли) обычным проводником, да еще и минимальной ширины. Это просто к-к-к-комбо!
Проблема №1 — нестабильность работы устройства и сильные помехи в цепях, особенно в цепях питания.
Проблема №2 — нагрев и часто обрыв тонкого проводника, т.к. в нем действует большой ток.
Решение — использовать полигон для разводки цепи GND, а в идеале отдельный слой, который полностью выделен для данной цепи, например, нижний слой.
Как видите, вместо обычного проводника я применил заливку сплошным полигоном. Такое решение обеспечило мне огромную площадь сечения, ведь полигон это просто очень большой проводник. Только иногда такое решение имеет недостаток, например, когда плотность монтажа высокая и другие проводники разрывают сплошной полигон, как тут цепи LED1..3 разрывают кратчайший путь между выводом микросхемы и конденсатора (GND):
Тут нам поможет, упомянутый ранее, отдельный слой GND. В двухслойной плате в идеале под него выделить нижний слой, а в многослойной плате — один из внутренних слоев:
Таким образом мы восстановили кратчайший путь для тока по цепи GND, а помог в данном случае нижний слой (синий цвет), который из себя полностью представляет земляной полигон. Переходные отверстия (via) около контактных площадок обеспечили для них максимально короткое соединение с нижним слоем земли.
Правило №5 — Ширина зазора
Минимальное значение зазора между медными проводниками на печатной плате, нам диктуют технологические требования. Для 4-го (стандартного) класса значение составляет 0.15/0.15 мм или 6/6 mils. Максимальная ширина ограничена лишь вашей фантазией, габаритами платы и здравым смыслом.
Ошибка — зазор недостаточно большой, обычно оставляют значение по умолчанию около 0.15 мм.
Проблема №1 — электрический пробой. Короткое замыкание возникает, когда 2 проводника с разным потенциалом замыкают, например, металлическим предметом и ток резко возрастает. К сожалению идеальных диэлектрических материалов не бывает и в какой-то момент любой материал начинает проводить ток. Пример тому — изоляторы на ЛЭП, иногда и их пробивает. Данное явление происходит, когда превышено значение критического напряжения пробоя. По этой же причине и стеклотекстолит, являющийся основной большинства печатных плат, в какой-то момент может начать пропускать ток.
Решение — увеличение расстояния между проводниками. Напряжение пробоя зависит от типа материала и от толщины/ширины изолятора. В случае печатных плат — расстояние (зазор) между проводниками как раз является тем параметром, который влияет на критического значение напряжения пробоя. Чем больше расстояние между проводниками, тем большее напряжение необходимо чтобы пробить его.
Так же хочется сказать, что пробой по стеклотекстолиту не всегда самая актуальная проблема. Воздух, который окружает плату, тоже является диэлектриком, но при определенных условиях становится проводником, вспомните грозу. Воздушный электрический пробой большая проблема в электронике, особенно если учитывать, что воздух может быть сухой, а может и иметь влажность 90-100%, например, в тропиках или на Севере.
Условимся, что в данном примере есть 3 проводника: выпрямленное сетевое напряжение +310В, низковольтная линия питания для микроконтроллера +3.3В и шина земли (GND).
Почему 0.3 мм плохо, а 0.8 мм уже хорошо спросите вы и в качестве ответа приведу вам 2 источника:
2) Стандарт IPC-2221, ссылку на который я давал в начале. Интересует нас таблица 6-1, которая выглядит вот так:
Правило №6 — Гальванический зазор
Ошибка — приравнивание диэлектрического зазора к гальваническому. По сути они очень похожи, но по требованиям все строже, когда дело доходит до гальванической развязки. Ярким случаем является развязка схемы управления и силовой части с помощью реле или оптрона, когда зазор между развязанными сторонами выбирается так же 0.8 или 1,5 мм.
Проблема №1 — пробой изоляции, выход из строя системы управления и прочего дорогого оборудования.
Решение — увеличение порога электрического пробоя. Стандартными значениями обычно являются напряжения 1,5 кВ, 2,5 кВ и 4 кВ. Если ваше устройство работает с сетевым напряжением, но человек напрямую с ним не взаимодействует, то напряжение развязки в 1,5 кВ будет достаточным. Если предполагается взаимодействие человека с устройством, например, через кнопки и прочие органы управления, то рекомендую применить изоляцию с напряжением 2,5 кВ и более.
Что было сделано для улучшения ситуации:
а) Появилась четкая граница между низковольтной и высоковольтной частью. Теперь проводник +3.3В не проходит в высоковольтной области +310В, полигон GND не выходит за границу низковольтной часть, соответственно и пробоя не будет. Так же в зоне/границе гальванической развязки не должно быть вообще ничего.
б) Изолирующая зона освобождена от паяльной маски. Маска — тоже слабое место и в зависимости от качества ее пробьет раньше, чем стеклотекстолит. Это делать не обязательно в общем случае, но если с устройством взаимодействуют люди, то настоятельно рекомендую.
в) Как я выше писал, слабое место — расстояние между управляющими и силовыми выводами реле. Везде я смог сделать изолирующую зону 4 мм, а тут только 2.5 мм. От маски мы очистили, от проводников тоже и единственное через что может произойти пробой по плате — стеклотекстолит. Поэтому убираем и его, я сделал вырез под реле шириной 2.5 мм и убрал весть текстолит между выводами. Данная операция тоже не обязательна, но существенно повышает надежность и безопасность вашего устройства.
Правило №7 — Переходные отверстия
Ошибка — очень часто наблюдаю картину, когда на 2-х слойной печатной плате для того, чтобы соединить 2 контактные площадки, использую 3..4… или даже 5 переходных отверстий.
Проблема №1 — переходных отверстий (via) становится слишком много на плате и это ограничивает место под проводники, что приводит к удлинению цепей, а следовательно и к увеличению их сопротивления. Уменьшает устойчивость цепей и сигналов к помехам.
Решение — используйте минимальное количество переходных отверстий: если вам нужно соединить 2 контакта на разных слоях, то не используйте более 1-го переходного отверстия. Если 2 контакта находятся на одном слое и вы не можете соединить их напрямую, то используйте максимум 2 переходных отверстия. Если вам нужно больше переходов для соединения, то что-то вы делаете не так — тренируйте логику и переразводите участок платы, который привел к проблеме.
Для соединения использовано минимальное количество переходных отверстий (via), что дает больше свободного места для других проводников и обеспечивает минимальные паразитные параметры проводника.
Несколько общих советов
Заключение
Надеюсь данная статья станет полезной для начинающих электронщиков и избавит их хотя бы от самых простых ошибок. Думаю не мало людей в данных правилах увидят и свои недочеты, но не стоит от этого правила слепо копировать. Всегда думайте головой и ищите лучший вариант, иногда и 4 переходных отверстия для 1-й цепи допустимы, если это позволяет вам улучшить конечный результат.
Габаритные размеры печатной платы, координаты и диаметры отверстий на чертеже платы указывают одним из следующих способов:
– соответственно требованиям ГОСТ 2.307-68 с помощью размерных и выносных линий;
– нанесением координатной сетки в прямоугольной или полярной системе координат;
– комбинированным способом с помощью размерных и выносных линий и координатной сетки в прямоугольной или полярной системе координат.
За нуль (начало координат) в прямоугольной системе координат на главном виде печатной платы принимают:
– центр крайнего нижнего левого отверстия на поверхности платы, в том числе и технологического (рис. 3.3, а);
– левый нижний угол печатной платы (рис. 3.3, б);
– левую нижнюю точку, образуемую линиями построения (рис. 3.3, в);
– центр круглой платы в прямоугольной системе координат (рис. 3.3, г).
Рис. 3.3. Варианты задания нуля печатной платы в прямоугольной системе координат: а – центр крайнего левого нижнего отверстия; б – левый нижний угол; в – левая нижняя точка, образованная линиями построения; г – центр круглой печатной платы
Координатную сетку наносят тонкими сплошными линиями. Основной шаг координатной сетки должен составлять 2,50 мм. Используя шаг координатной сетки меньше основного, необходимо использовать шаг 1,25; 0,625 мм.
Линии координатной сетки требуется нумеровать арабскими цифрами с определенным шагом, например 0, 1, 2, 3, . (рис. 3.4, а),или 0, 2, 4, . (рис. 3.4, б), или 0, 5, 10, 15 (рис. 3.4, в).
Рис. 3.4. Варианты нанесения линий координатной сетки: а – с нанесением каждой линии с выделением пятой; б – с выделением через один; в – без нанесения на поле чертежа сетки
Для уменьшения частоты сетки допускается наносить линии сетки через одну (см. рис. 3.4, б). При этом в технических требованиях пишут: "Линии сетки нанесены через одну". Если частота линий сетки большая, то можно выделить каждую пятуюили десятую линии, увеличивая их толщину до половины толщины контурных линий (см. рис. 3.4, а).
Координатную сетку наносят или на все поле чертежа платы, или на часть его поверхности. Линии координатной сетки можно не наносить на изображение, а их нумерацию указывают черточками по контуру платы или ниже его (см. рис.3.4, в).
Чертежи печатных плат выполняют в натуральную величину, или с увеличенным масштабом 2:1, 4:1, 5:1,10:1; преимущество отдается четной кратности.
Монтажные и переходные (контактные) отверстия
Печатные платы в общем случае содержат значительное количество монтажных и переходных (контактных) металлизированных и неметаллизированных отверстий. Монтажные отверстия предназначены для соединения выводов навесных элементов (резисторов, транзисторов, микросхем и др.) с печатной платой, а также для любого подсоединения к проводящему рисунку. В каждое монтажное отверстие платы устанавливают только один вывод навесного элемента.
Переходные (контактные) отверстия предназначены для соединения проводников, расположенных с двух сторон (или двух слоев) печатной платы. На сторонах металлизированных отверстий платы осаждается проводящий материал.
Диаметры монтажных, переходных металлизированных и не металлизированных отверстий требуется выбирать из ряда от 0,4 до 3,0 мм с шагом 0,1 мм за исключением диаметра 1,9 мм. При этом учитывают диаметры выводов навесных элементов.
Центры всех отверстий должны быть расположены в узлах координатной сетки.
Используя навесные элементы с шагом выводов, не четным шагу координатной сетки, требуется в узле сетки разместить одно из отверстий как основное. Остальные отверстия размещают соответственно рабочим чертежам элемента.
Необходимость зенковки отверстий определяется конструктивным заданием и методом изготовления. Круглые отверстия, которые имеют зенковки и крутые контактные площадки с круглыми отверстиями (в том числе с зенковкой), следует изображать одним кругом (рис. 3.5). Их формы и размеры определяют на поле чертежа.
Рис. 3.5. Изображение отверстий: а – кругом; б – со штриховкой; в – с зачернением; г – с зачернением и меткой в середине
Для упрощения графики чертежа платы все отверстия показывают с одинаковым диаметром; но с разным рисунком в середине (табл. 3.1).
Графические элементы чертежа платы
Сведения об отверстиях (условное обозначение, диаметры отверстия и зенковки, наличие металлизации и количество отверстий) рекомендуется объединять в таблицу, заполняя ее в меру увеличения размеров отверстий (табл. 3.2).
Параметры отверстий платы
Положения центров монтажных отверстий задают одним из следующих способов:
– нанесением выносных и размерных линий (рис. 3.6, а);
– нумерацией отверстий и указанием их координат по оси x и y (рис. 3.6, б);
– по координатной сетке.
Рис. 3.6. Задание положения центров отверстий: а – выносными и размерными линиями, мм; б – нумерацией отверстий с занесением номеров в таблицу координат
Проводники и контактные площадки
Печатные проводники –это участки токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционную основу, эквивалентные обычному монтажному проводу. Форма, длина, ширина и размещение печатных проводников могут быть произвольными в зависимости от схемы и конструкции платы.
Печатные проводники изображают отрезками линий, совпадающими с линиями координатной сетки, или расположенными под углом, кратным 15º.
Проводники шириной меньше 2,5 мм изображают одной сплошной линией, а больше 2,5 мм –двумя линиями со штриховкой под углом 45°или зачернением.
Печатные проводники требуется выполнять одинаковой ширины на всем протяжении; в узких местах проводники сужают до минимально допустимого значения на возможно меньшей длине. Проводники шириной больше 5 мм выполняют в виде экранов.
С целью упрощения чертежа платы допускается изображать проводники любой ширины одной утолщенной линией. При этом в технических требованиях указывают действительную ширину проводников (рис. 3.7, а).
Не допускается резких перегибов, острых углов и переходов. Плавный переход компенсирует разницу в тепловых деформациях фольги и диэлектрика. Радиус закругления в местах сгиба должен быть не меньше 1 мм (рис. 3.7, б).Резкое изменение ширины и острые углы уменьшают прочность сцепления проводника с диэлектриком.
Границы участков платы, которые не допускается занимать печатными проводниками, на чертеже показывают штриховыми линиями (рис. 3.7, в).
Рис. 3.7. Варианты чертежа проводников: а – утолщенными линиями; б – двойными линиями с радиусом закругления не меньше 1 мм; в – комбинированное изображение проводников и указание участка, который должен быть свободным
В широких частях проводника (больше 2,5 мм) необходимо делать точечные, кольцевые или щелеподобные разрывы, которые предотвращают вспучивание фольги вовремя пайки погружением, поскольку эти отверстия обеспечивают выход газов (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Изображение проводников шириной больше 5 мм
Печатные проводники не должны иметь бесконтактных разветвлений (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Изображение печатных проводников: а – правильное; б – неправильное
Концы печатных проводников (ламели), предназначенные для подключения платы, размещают с учетом удобства использования разъемов (рис. 3.10).
Навесные элементы на печатной плате размещают симметрично (рис. 3.11).
Шероховатость поверхности монтажных неметаллических отверстий должна составлять Rz ≤ 80. Шероховатость поверхности монтажных и переходных металлизированных отверстий Rz ≤ 40.
Рис. 3.10. Размещение концевых контактов: а – правильное; б – неправильное
Рис. 3.11. Размещение навесных элементов: а – рекомендуется; б – не рекомендуется
Все монтажные отверстия для соединения с навесными элементами должны иметь контактные площадки. Это металлизированный участок вокруг монтажного отверстия, который обеспечивает электрическую связь навесных элементов с печатными проводниками. Их форма может быть произвольной – круглой, прямоугольной или близкой к ней. Для создания контактных площадок проводники в местах пайки расширяются на 2,5–3 мм больше диаметра отверстия (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Формы монтажных площадок
Круглые контактные площадки с зенковкой можно изображать одним кругом, диаметр которого должен соответствовать минимальному размеру контактной площадки. Диаметр контактных площадок указывают в технических требованиях на чертеже.
Для точного представления размеров групповых контактных площадок их изображение в увеличенном масштабе отдельно выносят на чертеже платы. Если расстояние между соседними контактными площадками невелико, то можно сделать срез (см. рис. 3.12). Центр контактной площадки симметричной формы должен совпадать с центром монтажных отверстий.
Рекомендуется делать плавный переход контактной площадки в проводниках. При этом ось симметрии печатного проводника должна быть касательной контура площадки. Расстояние между краями проводника, контактной площадки, неметаллизированного отверстия и краем платы должно быть не меньше толщины площадки платы.
Запись технических требований на чертеже платы
На чертеже печатной платы указывают ее габаритные размеры, ширину проводников; диаметры и координаты крепежных, технологических и других отверстий, не связанных с печатным монтажом.
На поле чертежа указывают:
– метод изготовления платы;
– технические условия, если не все данные содержатся на чертеже;
– шаг координатной сетки, ширину проводников и расстояние между ними;
– расстояние между контактными площадками; между контактными площадками и проводниками;
– допуски на выполнение проводников, отверстий, особенности конструкции и другие параметры печатной платы.
Технические требования размещают над основной надписью и формулируют и излагают в такой последовательности:
1. Плату изготовить . методом.
2. Плата должна соответствовать ГОСТ .
3. Шаг координатной сетки, мм.
4. Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетке с отклонением от чертежа, мм.
5. Допускается округление контактных площадок проводников.
6. Места, обведенные штриховыми линиями, проводниками не занимать.
7. Требования к параметрам элементов платы – согласно конструктивным данным.
8. Ширина проводников в свободных местах, мм, в узких . мм.
9. Расстояние между двумя проводниками, между двумя контактными площадками или проводником и контактной площадкой в свободных местах, мм, в узких, мм.
10. Форма контактных площадок произвольная.
11. Предельные отклонения расстояний между центрами отверстий в узких местах, ± мм, в свободных местах, ± мм.
12. Предельные отклонения расстояний между центрами контактных площадок в группе, ± мм.
Виды печатных плат
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.
По свойствам материала основы:
Печатные платы могут иметь свои особенности в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур), или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).
Материалы
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. Для дальнейшего улучшения тепловых характеристик металлическое основание платы может крепиться 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. Такие платы имеют следующие ограничения:
- в керамике обычно невозможно выполнение отверстий, а в ФАФ-4Д — металлизация отверстий;
- сами по себе такие платы не могут быть несущей конструкцией, поэтому используются совместно с подложкой (основанием).
Существуют современные материалы и технологии, позволяющие преодолеть первое ограничение, но не второе.
Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.
Сходные технологии
Подложки гибридных микросхем представляют собой нечто похожее на керамическую печатную плату, однако обычно используют другие техпроцессы:
- Толстоплёночная технология: Шелкографическое нанесение рисунка проводников металлизированной пастой с последующим спеканием пасты в печи. Технология позволяет создавать многослойную разводку проводников благодаря возможности нанесения на слой проводников слоя изолятора теми же шелкографическими методами, а также толстоплёночные резисторы.
- Тонкоплёночная технология: Формирование проводников фотолитографическими методами либо осаждение металла через трафарет.
Керамические корпуса электронных микросхем и некоторых других компонентов также выполняются с привлечением технологий гибридных микросхем.
Мембранные клавиатуры часто выполняют на плёнках методом шелкографии и спекания легкоплавкими металлизированными пастами.
Технические характеристики
Чтобы иметь общее представление о возможностях, конструкции, предназначении оснований для создания электроники, необходимо знать их технические характеристики:
* тип — многослойные, однослойные, гибкие, жёсткие;
* проводящие слои — до 18 штук;
* максимальные габариты — для многослойных 610х470 мм, односторонние 1200х457 мм, гибкие 5000х340 мм;
* максимальная плотность — 3,2 мм;
* ширина токопроводящих дорожек — от 25 до 75 мкм;
* максимальная плотность наружных слоёв фольги — 400 мкм;
* максимальная плотность внутренних слоёв фольги — 105 мкм;
* допустимый диаметр для сверления — 6.35 мм.
Существует несколько видов финишных покрытий, которые выбираются зависимо от предназначения основания, требуемых характеристик. К ним относятся:
* лужение без свинца;
Контакты покрываются гальваническим золотом.
Виды печатных плат
Основания для изготовления электроники разделяются на несколько видов. Они отличаются по конструкции, характеристикам, предназначению. Разновидности плат:
1. Односторонние — конструкции представляющие собой диэлектрические пластинки, на которые с одной стороны нанесён токопроводящий рисунок. Для соединения отдельных контактов на верхнем диэлектрическом слое закрепляются металлические перемычки. Односторонние основания используются при изготовлении недорогой бытовой техники. Связано это с их малой надёжностью, недолговечностью, хрупкой конструкцией.
2. Двухсторонние — на диэлектрическим слое с двух сторон наносятся токопроводящие рисунки, что позволяет устанавливать на основание большее количество электрических элементов, расширить функционал, технические характеристики платы. Отверстия имеют металлизированные вставки. Благодаря им прочность скрепления отдельных деталей с основанием становится надёжнее. Двухсторонние
пластинки считаются наиболее популярными при изготовлении бытовой электроники, компьютеров.
3. Однослойные — элементарная конструкция, состоящая из одной пластинки, прослойки покрытой металлом.
4. Многослойные — сложные конструкции, которые используются при изготовлении сложных приборов, механизмов. Несколько слоёв, расположенных в определённой последовательности, позволяют надёжно закреплять основные компоненты. Количество слоёв выбирается зависимо от требуемых характеристик. Максимальное количество — 40. У многослойных оснований есть ряд недостатков. Это сложности во время изготовления, сложный процесс починки, дороговизна расходных материалов.
5. Гибкие — могут быть односторонними, двухсторонними, иметь несколько слоев. Изготавливаются на гибком основании. Предназначены для соединения отдельных элементов электрического оборудования. Могут заменять собой кабеля.
6. Гибко-жесткие — конструкция представляет собой шлейф, на котором в определённых местах закрепляются жесткие пластинки, с нанесёнными на них токопроводящими рисунками. Используются для соединение жестких плат между собой. Обеспечивают надёжную связку.
7. Жёсткие — плитки, выполненные из жёстких слоев, которые не дают платам деформироваться. Простой пример жёсткого основания — материнская плата, устанавливаемая в компьютерах.
8. Теплопроводные — другие названия этих пластинок ВЧ, СВЧ. Во время изготовления основания используется керамика, чтобы оно выдерживало воздействие высоких температур. Дополнительно керамика повышает жёсткость конструкции.
Зависимо от вида плат изменяются их характеристики, внешний вид, размер, возможности.
Принципы выбора готовых плат: цены и производители
Магазины радиоэлектроники предлагают покупателям широкий ассортимент печатных плат для изготовления электроники
При покупке важно учитывать некоторые факторы:. 1
Размеры основания. Зависит от количества элементов, устанавливаемых на него
1. Размеры основания. Зависит от количества элементов, устанавливаемых на него.
2. Количество слоёв, используемых при изготовлении плитки.
3. Наличие металлических вставок на отверстиях для закрепления радиоэлементов.
4. Двухсторонний или односторонний рисунок.
5. Гибкое или жёсткое основание.
Платы нужны для всех устройств. Ниже представлены усредненная стоимость и производители на примере материнских плат для компьютера:
Нет смысла переплачивать за известный бренд, если собрать нужно простой электроприбор. Однако самая дешёвая плата быстро выйдет из строя и может привести к появлению возгорания. При выборе нужно проверять работоспособность электрических дорожек, целостность конструкции.
Типичные ошибки при конструировании плат
При сборке самодельных оснований люди допускают различные ошибки. К наиболее часто встречаемым относятся:
1. Неправильно выбранная ширина токопроводящих дорожек. Это приводит к потере напряжения, перегреву проводников, низкой механической прочности. Чтобы не столкнуться с такими проблемами, необходимо делать максимально допустимую ширину токопроводящих дорожек.
2. Неправильное проектирование цепей питания. Приводит к снижению выходящего напряжения, большие пульсации на выходе, помехам
вместо постоянного напряжения. Решение проблемы — максимальная ширина дорожек, подающий конденсатор из керамики.
3. Проблемы заземления. Использование обычного проводника минимальной ширины. Приводит к нестабильности рабочего процесса, перегреву основания. Решение — использование отдельного слоя изоляции для разводки.
5. Большое количество соединительных отверстий на одной пластинке. Это приводит к увеличения токопроводящих дорожек, повышению сопротивления. Использовать максимум два отверстия на пластинках малого размера.
Существуют и другие проблемы. Однако они менее популярны и требуют вмешательства специалистов.
Печатные платы являются основанием электрических приборов, механизмов. На них напаиваются ключевые элементы, которые выполняют определённые функции. Собрать основание можно своими руками. Для этого нужно определиться с тем, где оно будет использоваться, нарисовать чертёж, подобрать рисунок, выполнить определённую последовательность действий.
Но печатные платы это лишь основа для изделий на нее припаиваются диоды или стабилитроны или транзисторы или другие элементы радиоэлектронных схем, о который вы можете прочесть на нашем сайте — ссылка на оглавление.
Изготовление печатной платы своими руками
Самостоятельно изготовить основание для электроприборов легко. Для этого нужно изучить теорию, подготовить расходные материалы, инструменты, выполнить определённый порядок действий. Для изготовления понадобятся:
1. Текстолит — должен иметь слой фольги. Может быть двухсторонним или односторонним. Изготовление фольгированного материала займёт много времени, лучше купить готовую плитку.
2. Утюг, промышленный фен с регулятором температур.
4. Ножницы по металлу.
5. Фотобумага с глянцевым покрытием.
7. Медицинский спирт.
8. Наждачная бумага мелкой фракции.
10.Сверлильный станок, бормашинка, гравер.
К дополнительным инструментам можно отнести паяльник, припой и флюс для монтажа электронных компонентов.
Этапы изготовления платы:
1. На листе текстолита отметить размеры будущей пластинки. Ножницами по металлу вырезать её.
2. Использую наждачную бумагу мелкой фракции, зашкурить стороны текстолита до появления блеска. Обработать торцы, чтобы избавиться от неровностей.
3. Намочить отрезок ткани спиртом, протереть пластинку. Работать нужно в резиновых перчатках, чтобы не пачкать жирными пальцами рабочие поверхности.
4. Заранее нарисовать на компьютере рисунок будущих токопроводящих дорожек. Просчитать соединительные узлы, места стыковки дополнительных компонентов, перемычки.
5. Получившийся рисунок проводников распечатать на фотобумагу.
6. Положить распечатку изображением вниз на текстолит. Подключить утюг к сети, подождать пока он разогреется. Медленными движениями разглаживать бумагу по твердой пластинке. Когда она начнёт желтеть, убрать утюг.
7. Отнести плату с припаянной бумагой к умывальнику. Опустить под струю воды. Зубной щёткой оттереть остатки бумаги.
8. Расположить пластинку под ярким светом чтобы она просохла.
9. Подготовка состава для травления. Понадобится хлорное железо, которое продаётся порошком в магазинах радиоэлектроники. Взять ёмкость из пластика, налить в неё три части воды, добавить одну часть хлорного железа. Тщательно перемешать раствор.
10.Сухую плату опустить в готовую смесь для травления. На скорость обработки платы влияет качество реактивов, температура состава, толщина фольгированного слоя. Для ускорения процесса жидкость можно разогреть. Однако слишком высокая температура повредит рисунок. Чтобы ускорить процесс безопасно, можно присоединить к ёмкости моторчик от телефона. Лёгкие вибрации воздействуют на травление.
11.После травления, плату нужно промыть под проточной водой. Протереть тряпочкой, смоченной в спирте.
12.Следующий процесс обработки — сверление. Для этого желательно использовать специальный станок, гравер или бормашинку. Инструмент закрепляется неподвижно с помощью тисков, чтобы можно было делать точные отверстия. По рисунку происходит сверление. После изготовления отверстий, по поверхности платы нужно пройти наждачной бумагой, удалив заусенцы.
13.Лужение основания. Плата смачивается медицинским спиртом. Его нужно нанести тряпкой лёгкими движениями без прижимов. Смочить другую тряпку в растворе для травления. Смазать стороны платы. Нагреть паяльником припой, быстрыми движениями нанести его на электрические каналы.
14.Наждачной бумагой с мелкой фракцией пройтись по сторонам плитки.
Лужение считается необязательным этапом при изготовления плат. Однако его делают из-за нескольких преимуществ:
1. Увеличивается показатель устойчивости к коррозии.
2. Толщина токопроводящего слоя увеличивается, благодаря чему снижается сопротивление, улучшается эффективность платы.
3. Проще припаивать радиодетали.
При соблюдении правил проведения работы сборка самодельной платы не покажется сложным процессом
Перед закреплением других деталей важно провести проверку токопроводящих рисунков
Более подробно про различные способы изготовления печатных плат почитайте в нашей статье
По мере того как мир становится всё более и более виртуальным и программное обеспечение заменяет собой аппаратные средства, инженеры-электронщики всё чаще обращают внимание на программы для проектирования печатных плат.
Программное обеспечение для создания печатных плат позволяет проектировать схемы с применением таких компонентов, как резисторы, транзисторы, диоды и т.д. Если вы не хотите покупать физические устройства, но хотите создать схему, вы можете воспользоваться одним из инструментов, о которых я расскажу ниже.
DesignSpark PCB
Это одна из самых известных на рынке программ для проектирования печатных плат. В основном она используется студентами для обучения, но и профессионалы считают её отличным инструментом.
Программное обеспечение имеет очень простые требования: 1 ГБ дискового пространства, 2 ГБ оперативной памяти, процессор с тактовой частотой 1 ГГц и операционная система Windows 10.
KiCAD
Это бесплатное кроссплатформенное программное обеспечение, работающее под Windows, macOS и Linux. KiCAD сочетает в себе три компонента: Редактор схем, Редактор печатных плат и Средство трёхмерного просмотра. Кроме того, KiCAD включает в себя Калькулятор печатных плат, благодаря которому вы будете получать точные результаты, просто вставляя некоторые требуемые значения.
EasyEDA
Главное достоинство EasyEDA заключается в том, что этот бесплатный инструмент для проектирования печатных плат работает онлайн, а значит, вам не нужно загружать тяжеловесное приложение на свой компьютер.
В EasyEDA есть все необходимые устройства для создания схем — диоды, транзисторы, выпрямители, резисторы и т.д.
Upverter
Если вам понравилась идея EasyEDA и для проектирования печатных плат вы ищете именно онлайн-инструмент, вам следует попробовать Upverter. Его большим преимуществом, помимо возможности работать онлайн, является то, что он сочетает в себе простой пользовательский интерфейс с мощным инструментарием.
Upverter включает в себя захват схем, редактор печатных плат, системный конструктор, трёхмерный просмотрщик и т.д. С Upverter вы получаете мощный инструмент, который позволяет делать всё, что вам нужно, без загрузки программного обеспечения на жёсткий диск.
TinyCAD
Тот факт, что TinyCAD оказался на последнем месте в моей подборке, не означает, что он недостаточно хорош. Возможно, в нём нет всех тех наворотов, которые есть в рассмотренных выше программах, но в целом это отличный инструмент. Эта простая программа станет вашим незаменимым помощником, если вам не нужно ничего, кроме возможности создавать схемы.
Схема, разработанная с помощью TinyCAD, может быть скопирована в MS Word или сохранена в формате растрового изображения PNG.
Читайте также: