Искусство схемотехники. Том 3 (Изд.4-е)

Затем плату с рисунком из резиста, теперь защищающего участки, с которых медную фольгу нужно будет удалить, погружают в ванну с расплавленным припоем (сплав олово/свинец). В итоге все нужные участки рисунка из фольги, включая внутреннюю поверхность отверстий, оказываются покрытыми слоем припоя. Затем резист снимается химическим способом, оголяя удаляемую медную фольгу, и плату обрабатывают составом, травящим медь, после чего остается требуемый рисунок из меди и металлизированные отверстия, покрытые припоем. Здесь очень важно выполнить одну процедуру, называемую «оплавление припоя». Она состоит в том, что плата нагревается до температуры плавления тонкого слоя металла покрытия, что уничтожает крошечные металлические волоски — «усики» (остающиеся после подрезающего действия травления). В противном случае эти волоски могут образовывать проводящие мостики. Оплавление припоя кроме этого позволяет улучшить способность к пайке законченной панели. Платы, прошедшие оплавление припоя, превосходны и с точки зрения «набивки» компонентами.

Затем ламели разъемных контактов покрываются золотом гальваническим методом. Конечный процесс изготовления платы заключается в нанесении «паяльной маски». Маска наносится сплошным слоем на всю плату и закрывает все участки с фольгой, кроме контактных площадок. В процессе последующей распайки это сильно снижает тенденцию к растеканию припоя и образованию мостиков между близко расположенными проводящими дорожками. Это также делает плату устойчивой к влажности и механическим повреждениям. Материалы для паяльной маски могут применяться в трафаретной печати («жидкая маска») или в вышеупомянутом методе с фоторезистом, используемым для создания схемного рисунка из фольги («сухая маска»). Распознать паяльную маску можно по темно-зеленому цвету и по тому факту, что ее практически невозможно снять. При промышленном изготовлении платы могут затем заполняться компонентами автоматически, причем с помощью устройства для пайки волной все соединения паяются за несколько секунд. Но можно паять и компоновать панели вручную.

Существует и более простой способ изготовления плат, которым иногда пользуются, особенно в случае небольших или односторонних плат, когда не требуется сквозная металлизация отверстий. По этой методике плату первоначально покрывают фоторезистом, который подвергают воздействию света через негатив (а не позитив), на котором с точными размерами повторен желаемый рисунок. Негатив прозрачен в тех участках, где нужно, чтобы фольга не удалялась. Резист «проявляется», и неподтвержденные засветке участки растворяются и удаляются. После этого на плате остается слой твердого резиста, покрывающего неудаляемую медь, и вы спокойно можете сразу подвергать плату травлению (опуская стадию нанесения припоя, как выше). После травления удаляются излишки меди, а оставшийся резист вымывается растворителем, и на плате остается требуемый рисунок меди. На этом этапе лучше всего опустить плату в ванну с оловом, чтобы «безэлектродно» нанести на медь слой металла, не подвергающегося коррозии. Как и в других случаях, площадки разъемных контактов (ламелей) должны покрываться золотом. Последняя стадия процесса изготовления платы заключается в сверлении отверстий вручную в соответствии с рабочим рисунком (каждая круглая контактная площадка имеет небольшое отверстие в центре, облегчающее сверление в законченной панели).

12.05. Проектирование плат с печатным монтажом

В процессе конструирования плат ПС, заполнения компонентами, и, наконец, при использовании плат в приборе возникает несколько вопросов, требующих своего разрешения. В этом разделе мы коснемся наиболее важных из них.

Чертеж платы ПС. Чтобы изготовить плату ПС, вы должны принципиальную электрическую схему преобразовать в соответствующий рисунок требуемых линий соединений из медной фольги, которые составят конечный вариант платы. Это можно сделать двумя способами: (а) Работая с эскизом схемы, нарисованной от руки, вы выделяете требуемые межсоединения («трассы»), пользуясь карандашом, бумагой (и комплектом ластиков!); затем на чистую полиэстерную пленку аккуратно накладываете непрозрачные полоски, заранее изготовленные шаблоны соединений и получаете окончательный эталонный майларовый плакат. (б) Вы составляете для схемы, нарисованной вручную, таблицу соединений ("netlist"), а затем, используя программу САПР для вычерчивания трасс, вы сразу получаете комплект точных «фотоплакатов» в машинном исполнении. Еще лучше, если можно вместо ручного изготовления эскиза схемы использовать пакет программ САПР для ввода описания. При этом с помощью графического планшета или «мышки» вы создаете схему непосредственно на графическом автоматизированном рабочем месте (АРМ).

Создание электрической и монтажной схем с помощью САПР (см. выше п. б) имеет много преимуществ, в том числе: автоматическая выдача таблицы соединений, простота в составлении документации, отыскание ошибок конструирования и норм размещения, относительная легкость внесения изменений и возможность изготовлять сложные многослойные платы с точной подгонкой контактных площадок и проводящих дорожек. При изготовлении почти всех сложных и высокоплотных плат ПС пользуются системой автоматического проектирования. Однако начнем с простого. Мы кратко дадим описание ручных способов составления чертежа плат ПС (см. выше п. а).

Зная, как создается плата ПС вручную, вы с пониманием будете выполнять эту работу, используя сложный пакет программ САПР. К тому же при простых работах всегда могут понадобиться ручные приемы, так как они дешевые (а иногда и более быстрые). На практике ручные способы применимы при изготовлении плат, имеющих невысокую плотность элементов, а также при изготовлении плат в небольшом количестве для лабораторного использования, так как для этого вы можете пользоваться самыми простыми инструментами. Ручные способы хороши при изготовлении плат, содержащих нестандартные трассы соединений и размеры между выводами. Позже, в разд. 12.08, мы будем описывать возможности САПР, без которой не обойтись при изготовлении цифровых многослойных плат, имеющих высокую плотность элементов и предназначенных для серийного производства.

От принципиальной схемы до получения законченной монтажной ПС проходит несколько стадий. Имея вначале только принципиальную схему, вы обычно разрабатываете пробный карандашный эскиз размещения компонентов и межсоединений. В конце концов получается карандашный рисунок, на котором все вместе — компоненты и межсоединения - располагаются в рабочем виде. На его основе вы изготавливаете плакат, на котором показаны точно выстроенные в ряды контактные площадки и полоски межсоединений. Для выводов ИМС и транзисторов, а также межсоединений и контактов разъемов используются предварительно разрезанные шаблоны, так как они имеют стандартные местоположения и размеры.

Карандашный эскиз и плакаты делаются в масштабе 2:1, что позволяет повысить точность (а также уменьшить усталость ваших глаз). Когда плакат завершен (а для двусторонних плат - два плаката), его фотографически уменьшают до рабочего размера негатива, с которого изготавливается по описанной выше методике пробная плата. Образец платы «заполняется» элементами, подводится питание, и затем отыскиваются ошибки. Это позволяет скорректировать разводку плакатов и изготовить окончательный вариант платы. В следующих подразделах даются дополнительные подробности и рекомендации.

Предварительный эскиз. Первоначальный чертеж схемы расположения лучше делать карандашом на специальной бумаге для плакатов с нанесенной сеткой (2 лин./см) двумя цветами, чтобы различить верхнюю и нижнюю стороны платы (это касается, естественно, только двусторонних плат). Мы обычно пользуемся черным карандашом для вычерчивания линий на нижней стороне и красным или зеленым - для верхней стороны (компонентной). Очевидно, что вам придется делать множество подтирок, поэтому лучше пользоваться специальной веленевой разграфленной бумагой. Расстояние между линиями в 5 мм соответствует основному шагу 2,5 мм — принятому стандарту для расстояний между ножками ИМС, выводами транзисторов, контактами разъемов и т. д. Ваш рисунок должен соответствовать виду компонентной стороны (вид сверху), т. е. эскиз плаката фольги компонентной стороны должен смотреться так же, как и законченный плакат. Эскиз нижнего плаката должен быть таким, будто вы разглядываете его сквозь законченную плату с помощью рентгеновских лучей. Когда вы рисуете расположение компонентов, контуры их обозначайте карандашом третьего цвета. В процессе всей этой работы вы должны обладать свободой действий. Не тратьте время на вычерчивание по линейке: пользуйтесь линиями сетки при вычерчивании межсоединений и выводов ИМС и элементов схемы.

Некоторые пробные эскизы лучше выполнять на отдельных листках разграфленной бумаги. Особенно это касается тех частей схемы, где предъявляются специальные требования к монтажу, например в случаях, когда длина линии и межъемкостные связи должны быть минимальны. Чтобы достичь лучшей расстановки элементов, можно сделать несколько эскизов. Эти эскизы должны содержать части схемы, включающие, скажем, два или три операционных усилителя или входной или выходной узел схемы. Эти блоки следует затем включить в полную монтажную схему, перенеся на большой лист специальной веленевой бумаги для плакатов с нанесенной сеткой и корректируя их по ходу дела. Не стесняйтесь делать подтирки!

Размеры плаката и некоторые рекомендации. Старайтесь расположить все ИМС в одном направлении, лучше по прямой. Точно так же резисторы должны быть расположены ровными рядами, а не криво. Для сигнальных линий мы пользуемся черной лентой 0,75 или 1 мм, для шин питания линии шире (1,25 или 1,55) и очень широкие для земляных шин (2,5–5,0 мм или даже шире: общепринято для уширения земляной шины использовать многожильные ленты). Обязательно надо включать в схему множество шунтирующих конденсаторов емкостью 0,1 мкФ по одному на каждые два или четыре ИМС. Пытаясь справиться с запутанной сетью межсоединений, не забывайте, что элементы можно использовать как «перемычки» — они могут располагаться над линиями на плате.