Искусство схемотехники. Том 3 (Изд.4-е)
Шрифт:
Печатные схемы удобнее в массовом производстве: у них превосходные электрические параметры и они имеют не такой запутанный вид, как панели с монтажом накруткой. О платах ПС мы будем говорить в следующем разделе.
Печатные платы
12.04. Изготовление плат печатного монтажа
При серийном производстве любой электрической схемы лучше пользоваться печатным монтажом. Печатная плата представляет собой твердую пластину из непроводящего материала с тонкими медными линиями, являющимися схемными проводниками. Хотя ранние печатные схемы считались малонадежными (вспомните рекламу телевизоров, высокие качества которых обеспечивались тем, что в них не использовались печатные схемы, а применялся навесной монтаж с ручной сборкой), технологические
«Майлар» или фоточертеж. Изготовление платы ПС начинают с того, что имея комплект плакатов рабочего размера, вычерчивают непрозрачный рисунок из треков и контактных площадок, требуемых по схеме (рис. 12.6).
Рис 12.6. Чертеж металлизации для простой односторонней платы ПС. Этот «позитивный слой» выполнен фотографическим уменьшением майларового рисунка, сделанного вручную в масштабе 2:1. Схемная плата размером 82,15x87,5 мм содержит 4 ИМС, 24 резистора, 11 конденсаторов, 5 диодов, 1 триммер и 1 пьезозуммер.
На этой стадии работы существует тьма правил и хитрых уловок, но основное — это сообразить, как сделать все нужные межсоединения с помощью линий, протянутых по панели. Как будет коротко описано в разд. 12.08, эти плакаты обычно выполняют непосредственно на пленке, используя фотографопостроитель, управляемый ЭВМ, или лазерный графопостроитель, работающие по описанию схемы, разработанной с помощью САПР (системы автоматизированного проектирования). Однако для простых схем нанесение рисунка можно выполнять вручную, наклеивая непрозрачные полоски и шаблоны на чистую майларовую пленку. В этом случае ленточный майларовый шаблон делают в удвоенном масштабе, с которого фотографическим путем получают плакат рабочего размера.
В любом случае вы получаете окончательный плакат в масштабе 1:1 в виде пленки с нанесенным рисунком из проводников. Для самых простых схем используют односторонние платы, в которых все дорожки делаются на нижней стороне, а на верхней («компонентной») располагают схемные элементы. В таких платах вы сами можете сделать все необходимые межсоединения (допускается наличие нескольких проволочных перемычек в качестве вспомогательных). Более часто, однако, дорожки нужны на обоих сторонах платы. В двусторонних платах всегда используют металлизированные насквозь отверстия, которые являются чистыми проводниками между соответствующими контактными площадками, расположенными по разные стороны панели. При проведении линий вы всегда можете с помощью этих отверстий перейти на другую сторону, что особенно важно, когда линия соединений обрывается. Работая с односторонними платами, вы в этих случаях часто оказываетесь беспомощными. Для соединений с выводами компонентов лучше всего использовать легкоплавкий припой, затекающий вглубь отверстия.
При изготовлении сложных цифровых схем часто используют многослойные платы ПС. Внутренние слои служат для подведения земли или напряжения от источника питания, а иногда их используют и как сигнальную линию. Четырех- и шестислойные платы на сегодняшний день довольно обычны. В исключительных случаях используют и больше слоев (вплоть до 40!).
Изготовление. Обе стороны платы ПС (обычно это пластина толщиной 1,55 мм из так называемого FR-4, огнеупорного стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой) покрываются медью (стандарт — «две унции», т. е. слой меди толщиной 0,0675 мм). На первой стадии сверлятся отверстия либо про трафарету, либо на автоматическом сверлильном станке, настроенном точно по размерам фотопозитива, полученного с помощью фотоплоттера, или по размерам майларового плаката. Отверстия затем металлизируются насквозь путем комбинированного многослойного осаждения меди, благодаря чему создаются непрерывные проводящие соединения с одной стороны платы на другую.
Следующая стадия заключается в создании слоя твердого «резиста», наносимого на обе стороны платы всюду, кроме тех участков, где согласно схеме фольга должна остаться. При этом поступают так: (а) плату покрывают светочувствительным слоем (обычно это тонкая клейкая «сухая пленка»), затем (б) экспонируют светом через полноразмерный фотопозитив, положенный сверху, и (в) химически «проявляют» пленку (как в обычной фотографии), чтобы закрепить экспонированные участки. Этот этап
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).