Как разработать печатную плату по схеме: Как спроектировать печатную плату. Часть 1

Как спроектировать печатную плату. Часть 1

Этот пост первый из серии о проектировании печатных плат. Эта часть в основном о деталях, которые необходимо знать и использовать до начала разводки печатной платы (здесь и далее по тексту будет встречаться сокращение ПП), вторая же часть будет главным образом о проектировании самих печатных плат и пост обработке.

Брэдборды хороши для прототипирования и являются очень полезным инструментом, но когда нужно сделать действительно что-то серьезное тут не обойтись без знаний о том как собственно сделать свою печатную плату.
Создание ПП задача не самая простая, но немного упорства и времени, а также данное руководство помогут вам создать свою первую ПП.

Анатомия ПП

Когда вы работает за своим компьютером любая задача кажется абстрактно, однако не стоит забывать, что вы работаете с реальными физическими средами и материалами. Перед тем как начинать изучать проектирование плат неплохо было бы разобраться как они делаются на самом деле.

Разрез ПП для показа внутренних слоев

Если уже знакомы с тем, что и как делается можете смело переходить к следующему разделу.

Материалы для ПП

Сперва разберем какие материалы используются для изготовления. База для ПП изготавливается из сплошного непроводящего материала. Этот материал покрывается слоем меди (или другого металла), который и образует проводящий слой.
Обычно основа это стеклотекстолит, известный как FR-4. Это наиболее часто употребляемый материал, т.к. он огнестоек, дешев и самое главное имеет низкую собственную проводимость.
Для высокопроизводительных схем (RF) используются другие типы материалов, такие как керамика или PTFE. В рамках этих статей мы не будем касаться высокочастотных схем. Когда вы будете отправлять свой дизайн ПП на производство или будете делать плату сами, электрические соединения обычно создаются удалением выбранных участков меди со общего слоя проводника.

Слои

Самый дешевый вариант ПП это односторонняя ПП, т.

е. на стеклотекстолите используется лишь один слой меди. Если вы собирается изготавливать ПП в домашних условия, то скорее всего это будет односторонняя ПП. Однослойные ПП очень просты в производстве и разработке, но если разводка вашей платы не умещается в один слой вам придется использовать внешние джамперы для электрических соединений, а это уже может быть неудобно на этапе монтажа радиодеталей.
Большая часть коммерческих и хоббийных проектов строится на двухслойных печатных платах. Их использование позволяет разрабатывать более сложные и элегантные решения дизайнов плат.
Чем более сложными становятся конструкции, тем больше дополнительных слоев металлизации требуют ПП. Обычно хватает двух слоев и если нет необходимости добавлять больше слоев, то лучше этого не делать, т.к. многослойные платы дороже при производстве значительно.

Медные дорожки

Как уже писали выше медные дорожки (электрические соединения) создаются путем удаления лишней меди с поверхности металлизированного слоя. Более подробно о важных аспектах электрических соединений будет сказано во второй статье.

Переходные отверстия (Vias)

Один из главных компонентов ПП это переходные отверстия, используются в двух и многослойных платах для электрического соединения одного слоя металлизации с другим.
Переходные отверстия бывают нескольких видов:
1. Сквозные переходные отверстия – наиболее часто используемый вид, отверстие засверливается сквозь всю плату и металлизируется для создания электрического контакта со слоями.
2. Глухие (blind vias) – отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними.
3. Скрытые (buried vias) – переходные отверстия, не выходящие наружу и соединяющие между собой сигналы на внутренних слоях.

4. Микро-via или uVia – микроотверстия или отверстия малого диаметра и малой глубины, выполненные лазером или сверлением с контролем глубины и соединяющие внешний слой с внутренним.
Вот в принципе и все, что нужно знать про переходные отверстия.

Другие вещи

Разберем еще несколько концепция для построения печатных плат и затронем некоторые другие слои ПП, назначение которых нужно понять.
1. Паяльная маска (Soldermask) – если спросить любого человека, что такое плата, он скажет, что это что-то зеленое. Это зеленое и есть паяльная маска, которая выполняет защитные функции для ПП и не позволяет паяльной пасте попадать на нежелательные электрические контакты платы. И кстати, она бывает необязательно зеленого цвета, а практически любого цвета, все зависит от производителя плат.
2. Реперные точки (Fiducials) – это специальная маркировка на плате, которая позволяет системам автоматического монтажа компонентов калиброваться и правильно устанавливать элементы на плату при монтаже. Представляют собой небольшие окружности металла, не закрытые паяльной маской.

3. Шелкография (Silkscreen) – это еще один слой, который наносится на плату при производстве. Шелкография это рисунки на плате, которые дают подсказки пользователю, идентифицируют компонент на плате по размещению или номиналу и другая информация.
4. Медные полигоны (Copper fill) – участки меди, которые подключены электрически к земле или питанию, создание полигонов очень важная часть в проектировании ПП. Полигоны уменьшают шумы устройства, отводят лишнее тепло от мощных активных компонентов.

Разработка схемы

Перед тем как рассматривать проектирование платы или схемотехнику устройства вы должны определиться с идеей того, что вы хотите разработать. Т.е. нужно просто подумать, что вы хотите собрать и выбрать правильные компоненты для этого.

Определите свои цели

Первый шаг к успешному дизайну устройства — это правильно сформулированные цели того, что вы хотите получить в конце. Вы всегда должны ставить для своего проекта умные цели, что это означает:
— конкретные
— измеряемые
— достижимые
— реалистичные
— ограниченные в времени
Для примера, я начал работать над персональным проектом для собственных нужд. Свет ванной комнате в моей квартире тускл в вечернее время суток, но когда я включаю искусственное освещение свет довольно ярок и не комфортен. Можно было бы купить лампу меньшей мощности, но допустим их нет в продаже или меньше уже некуда. И я решаю сделать свою лампу, которая будет изменять цвет и яркость и контролироваться беспроводным способом.
Звучит довольно круто. Пока идея не вышла из головы садимся за компьютер и начинаем планировать. На данном этапе мои цели очень широки:
— лампа должна быть мультицветовой
— регулируемая яркость
— беспроводной контроль
Ни одна из этих целей не специфична для проекта. Что подразумевается под мультицветностью? Два, три или любое количество цветов? Что такое регулируемая яркость? Беспроводное управление каким способом? Wifi, Zigbee, Bluetooth или может быть голосом? Все способы возможны.

Немного переформулируем наши цели, чтобы они стали умными:
— Непрерывно регулируемые RGB светодиоды высокой яркости, закрытые акриловым покрытием для равномерного рассеивания света.
— Контроль яркости, который позволит мне выбрать любую яркость от полностью выключенного состояния до максимальной яркости светодиодов.
— Bluetooth Low Energy 4.0 интерфейс, для контроля параметров с iOS и Android девайсов.
Теперь все наши цели вполне конкретны и реализуемы.

Визуализируйте ваш концепт

Теперь у вас есть ясная идея вашего проекта, время начать проектирование. Перед тем как начинать искать компоненты и чертить схемы я предлагаю разработать ясную картину того, как ваш проект должен функционировать. Т.е. нам нужно нарисовать функциональную схему устройства, что с чем связано и как работает.

Пока что вы не знаете какой источник питания нужен или какие должны быть коннекторы на плате, но вы уже знаете, как компоненты будут соединены друг с другом и какие дополнительные компоненты понадобятся в проекте.
Это хороший момент рассмотреть эстетический аспект вашего дизайна. Вы хотите вместить плату в определенный форм-фактор? Нужно ли учитывать эргономику? Будете ли вы в состоянии открыть свой проект через год и понять что как работает? Эти казалось бы незначительные детали отличают хорошее проектирование от очень хорошего.

Выбор компонентов

Возможно это самый утомительный шаг в процессе проектирования, но он ключевой для успеха проекта. От выбора правильных компонентов зависит закончите ли вы проект успешно или откажетесь от него в отчаянии.
Производители интегральных микросхем много работают, чтобы создать наиболее функциональные компоненты по самой минимальной цене, но все же не все компании равны в этой гонке, особенно это заметно, когда речь заходит о простоте использования компонентов.

Выбирая реди миллионов различных компонентов, предлагаемых на рынке, очень трудно дать полное руководство по выбору, но я могу представить несколько советов, которые помогут выбрать наилучшие компоненты для вашего применения.
1. Проверяйте наличие. Самое последнее, что вы бы хотели сделать это отложить ваш проект на несколько недель или даже месяцев только из-за того, что ключевой компонент вашего проекта отсутствует в наличии у продавца. Выбирайте компоненты, которых в избытке в наличии и они доступны у разных дистрибьюторов.
2. Учитывайте цикл производства ваших компонентов. Иногда случается, что компоненты снимают с производства и возможно через короткий промежуток времени вам придется вносить изменения в проект, однако, если ваше устройство будет в единичном экземпляре, то это не играет ощутимой роли.
3. Используйте фильтры по компонентам.  Многие интернет-магазины предоставляют на сайте очень функциональные фильтры по параметрам компонентов, а также по стоимости и наличию, используйте их, подбирайте компоненты с оптимальными для вас параметрами, а потом фильтруйте их по стоимости.
4. Помните о минимальном количестве. Многие компоненты продаются лишь минимально допустимыми партиями, например, начиная от 1000 штук.
5. Выбирайте правильный корпус. Обращайте внимание при выборе компонентов на корпус, в котором он выпускается, не стоит покупать компонент, который вы потом не сможете впаять.
6. Изучите компонент. Перед покупкой обязательно изучите документацию на компонент, чтобы в будущем не возникло проблем с его применением в проекте.
После того, как все компоненты выбраны, можно заказывать их. Лично мне нравится заказывать через интернет-магазины, например, mouser.com или digikey.com. Это, конечно, сугубо мои предпочтения. Если вы знаете других актуальных поставщиков можете написать о них в комментариях.

Зарисуйте ваши соединения

Финальный этап перед началом работы с софтом это перенести некоторые ключевые моменты проекта на бумагу. Наиболее подходящий вариант для этого разрисовать каждый блок раздельно на разных страницах блокнота. Также можете сделать все необходимые примечания, что как работает и за что отвечает тот или иной пин. Также внесите дополнительную информацию, которая понадобится в процессе проектирования, например, бывает утомительно каждый раз искать в даташите адреса I2C микросхемы, внесите их в блокнот.

После того как вы закончили все записи можно переходить к процессу проектирования непосредственно печатной платы. Об этом в следующей части руководства.

Данная статья перевод с дополнениями для сайта radiotech.kz

Заходите в наш чат Telegram, здесь всегда есть, что обсудить.

Как создать плату из схемы в Altium Designer

Altium Designer

|&nbsp Создано: 18 Апреля, 2019 &nbsp|&nbsp Обновлено: 16 Марта, 2020

  

Вы завершили разработку схемы и готовы передать ее на печатную плату. Но в этот раз ситуация несколько изменилась. Возможно, отдел конструирования недоступен, либо вы, возможно, решили создать плату самостоятельно. Как бы то ни было, вы готовы начать работать над проектом со стороны платы, но вы не уверены, каким должен быть следующий шаг.

К счастью, следующий шаг в Altium Designer вполне прост и эффективен. Мы рассмотрим процесс на примере очень простой схемы и увидим, что необходимо для синхронизации данных с совершенно новой платой. Возможно, эта небольшая простая схема не похожа на те, с которыми привыкли работать вы, но основные шаги по передаче данных будут теми же самыми. Создание конструкции платы из схемы не должно быть сложным. Возьмите чашечку кофе (или чего-нибудь еще), и посмотрим на весь этот процесс.

Чего ожидать от редактора плат?

По существу, главное, чего следует ожидать при переходе в редактор плат, это то, что вы можете взаимодействовать с компонентами, размещать их, а также проводить трассировку для создания проводящих областей. После того, как конструкция стала удовлетворять начальным требованиям, вам необходимо сформировать выходные документы, такие как файлы Gerber и 3D-модели.

В идеальном случае, вы сначала разрабатываете устройство, формируя его схему в соответствующем редакторе. Затем вы передаете данные из схемы в плату, где работаете с компонентами, настройками проводящих областей и требованиями к механической части для оптимизации файлов конструкции платы и их максимально простой передачи в производство. К счастью, это самое малое, что может предложить Altium Designer.

Подготовка к синхронизации проекта

Прежде всего, посмотрите на схему еще раз и убедитесь, что она готова к передаче на плату для конструирования. Конечно, это не значит, что на данном этапе схема должна быть полностью завершена – скорее всего, еще будет много изменений перед тем, как проект можно будет отправлять в производство. Но следует убедиться в том, что на плате не появится каких-либо сюрпризов – посмотрите на схему и удалите лишние дублирующиеся части схем, компоненты и т.п.

Теперь убедимся, что со схемой все хорошо, выполнив процесс проверки редактора схем Altium Designer. Для этого необходимо скомпилировать проект. В процессе компиляции будет сформирована вся внутренняя информация о проекте, такая как связи между компонентами и цепями, а также будет проведен ряд проверок схемы на предмет ее соответствия правилам. Поэтому перед компиляцией посмотрим на настройку этих правил, активируя команду Project » Project Options.

 

Настройки проекта в Altium Designer

 

На изображении выше показаны первые четыре вкладки диалогового окна настроек проекта. На первой из них, Error Reporting, вы можете управлять тем, какие нарушения в проекте следует находить и каким образом следует уведомлять о них. На второй вкладке, Connection Matrix, вы задаете, какие выводы могут соединяться между собой. На третьей вкладке, Class Generation, вы настраиваете формирование классов цепей и компонентов. На четвертой вкладке, Comparator, вы видите настройки модуля сравнения (компаратора), которые задают отчет о различиях между схемой и платой. В большинстве случаев, здесь не нужно производить много изменений этих настроек, но вы можете узнать подробнее о них в документации Altium.

Теперь вы готовы к компиляции схемы. Активируйте команду Project » Compile PCB Project, чтобы запустить компилятор. Если в проекте нет нарушений, схема не отобразит каких-либо сообщений.

Чтобы показать, что представляют собой ошибки, мы удалили часть цепи, соединяющей R1 и Q1, как показано ниже, и запустили компилятор. Как видите Altium Designer сообщил, что цепь NetC1_1 содержит только один вывод. После восстановления цепи компилятор больше не сообщает о каких-либо ошибках.

 

Отчет компилятора об ошибках

 

Передача данных из схемы на плату

Теперь вы готовы передать данные схемы в плату, но сначала необходимо создать плату, в которую эти данные будут переданы. Щелкните ПКМ по проекту и выберите команду Add New to Project » PCB, как показано на изображении ниже. В дереве проекта будет создан документ платы. Щелкните по нему ПКМ и сохраните его под каким-либо именем. В этом примере название документа платы совпадает с названием схемы.

 

Добавление новой платы в проект Altium Designer

 

Когда документ платы создан, может понадобиться настроить плату для работы с ней необходимым образом. Сначала задайте сетку и начало координат. Команды для этого находятся в меню View » Grids и Edit » Origin. Также может понадобиться изменить существующий или создать новый контур платы, чтобы у нее были необходимые размеры и форма. Для этого перейдите в режим планирования платы с помощью меню View (или горячей клавиши 1) и затем используйте подходящие команды меню Design.

Теперь вы готовы передать данные из схемы в плату. В редакторе плат выберите команду Design » Import Changes From…. Появится диалоговое окно Engineering Change Order, показанное ниже.

 

Добавление новой платы в проект Altium Designer

 

Сначала нажмите кнопку Validate Changes в левой нижней части этого диалогового окна. После того, как система закончит валидацию изменений, которые вы собираетесь применить для синхронизации схемы и платы, в столбце Check справа появятся зеленые галочки, указывающие, что проверка этих элементов и схемных символов прошла успешно. Элементы, не прошедшие проверку, необходимо изучить и исправить для того, чтобы добиться полной синхронизации проекта.

Затем нажмите кнопку Execute Changes. Применение изменений займет некоторое время, и этот процесс вы можете наблюдать в диалоговом окне. По завершении процесса в столбце Done появятся зеленые галочки, как показано ниже.

 

Диалоговое окно Engineering Change Order после валидации и применения изменений

 

Поздравляем, вы успешно передали данные из схемы на плату. Вы можете закрыть диалоговое окно и увидеть компоненты, размещенные рядом с платой, примерно как это показано на изображении ниже.

 

Данные со схемы были успешно переданы в плату, где компоненты готовы к размещению

 

Вы создали плату из схемы. Что дальше?

Перед тем, как начать конструирование, необходимо выполнить еще ряд задач. Необходимо настроить физическую структуру слоев платы, отображение этих слоев и правила проектирования.

 

Layer Stack Manager в Altium Designer

 

Выше изображен инструмент Layer Stack Manager для управления структурой слоев в Altium Designer. Его запуск осуществляется через меню Design. С его помощью вы можете добавлять, копировать, удалять и перемещать физические слои в структуре платы. Вы можете добавлять сигнальные, экранные и диэлектрические слои платы. Layer Stack Manager также позволяет рассчитывать импедансы.

Настройка правил проектирования осуществляется в диалоговом окне PCB Rules and Constraints Editor, доступного по команде Design » Rules. Настроить видимость слоев и объектов можно с помощью панели View Configuration. Ниже показана вкладка Layers & Colors этой панели.

 

Панель View Configuration в Altium Designer

 

Теперь данные из схемы переданы в плату, и вы готовы к завершению конструкции платы. Вы можете разместить компоненты, провести трассировку, изготовить плату и даже успеть выпить еще кофе до конца дня.

Altium Designer – это средство проектирования печатных плат, созданное на основе унифицированной среды проектирования, которая позволяет легко передавать данные из схемы на плату. Вы можете передать данные туда и обратно между этими инструментами, что делает процесс проектирования проще и эффективнее.

Простая передача данных из схемы на плату – это только малая часть преимуществ, обеспечиваемых Altium Designer. Если вы еще не начали использовать Altium Designer, узнайте больше, поговорив с экспертом Altium.

Как разработать печатную плату: этапы разработки

Как известно, печатная плата используется для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Процесс разработки платы также называют «разводкой». В данной статье мы рассмотрим этапы и особенности производственного процесса печатных плат.

Программы для моделирования

Для разработки печатных плат применяют специальные программы автоматического проектирования. Среди наиболее популярных:

• P-CAD
• OrCAD
• TopoR
• Altium Designer
• Specctra
• Proteus
• gEDA
• KiCad

Основные этапы разработки

Выделяют следующие 3 этапа разработки печатных плат

1. Подготовительный
2. Конструирование
3. Создание выходной документации

Рассмотрим их подробнее.

Подготовительный

• Импорт принципиальной электросхемы в базу данных САПР
• Добавление в САПР компонентов (схемы каждого компонента, расположение и предназначение выводов)
• Получение информации об условиях будущего производства платы (типы материалов, кол-во слоев, класс точности, диаметры отверстий и т.д.), подбор материалов на основе полученной информации

Конструирование

• Создание формы конструкции платы – контур, размеры, отверстия для крепежа, предельно допустимая высота компонентов
• Размещение всех компонентов – автоматическое или вручную
• Трассировка платы – так называется отрисовывание дорожек
• Проверка на ошибки – зазоры, замыкания, наложение одного компонента на другой и т.д.
• Расчет механических свойств будущей платы

Создание выходной конструкторской документации

Файл для платы переводится в формат, по которому будет работать изготовитель. Вся необходимая конструкторская документация оформляется по стандартам. В ней указываются:

• Тип материала основания платы
• Диаметры сверления отверстий
• Тип переходных отверстий – закрытые паяльной маской, открытые, луженые
• Кол-во областей гальванических покрытий и их тип
• Цвет и тип паяльной маски
• Необходимость/отсутствие необходимости в маркировке
• Способ обработки контура (фрезеровка, скрайбирование)

Далее мы рассмотрим материалы для производства и ряд других нюансов, которые учитываются в ходе разработки плат.

Материалы

Для изготовления базы платы применяется сплошной непроводящий материал. Чаще всего это стеклотекстолит (FR-4). Для придания ему проводящих свойств (создание проводящего слоя) он покрывается слоем меди или другого металла. Если требования к производительности схемы платы высокие, то тогда применяют керамику или PTFE.

Слои

Имеется в виду, будет ли ПП 1- или 2-х сторонней. Если плата односторонняя, то это самый экономичный вариант, так как надо использовать только 1 слой меди. Но такая ПП не подойдет для реализации каких-либо сложных проектов, например, коммерческих. Для больших задач потребуется плата с двумя слоями.

Отметим, что чем сложнее конструкция, чем сложнее стоящие перед нею задачи, тем больше дополнительных слоев металлизации требуется для платы.

Медные дорожки

Под этим названием скрывается один из самых важных компонентов ПП – электрические соединения. Они создаются посредством удаления лишней меди с металлизированного слоя.

Переходные отверстия

Это тоже один из важных элементов платы. Такие отверстия применяются в платах с двумя и более слоями для обеспечения электрического соединения одного металлизированного слоя с другим.

4 разновидности отверстий

1. Сквозные – самые популярные, когда отверстие просверливается через всю плату и покрывается металлом для формирования электрического контакта со слоями.
2. Глухие – соединяют наружный слой с одним или несколькими внутренними.
3. Скрытые – отверстия переходного назначения, которые не выходят наружу и соединяют сигналы на внутренних слоях.
4. Микро-отверстия – отверстия малых диаметра и глубины, которые проделываются либо лазером, либо высверливаются с тщательным контролем глубины (соединяют внешний слой с внутренним).

Другие важные нюансы

Далее мы разъясним значения ещё нескольких ключевых компонентов ПП.

• Паяльная маска – защитный зеленый слой, который у многих и ассоциируется собственно с самой платой (зеленый – самый популярный цвет, но может быть и другой).
• Реперные точки – небольшие окружности, не закрытые маской, которые рассчитаны на системы автоматического монтажа компонентов для калибровки и правильной установки элементов на плату
• Шелкография – дополнительный слой в виде рисунков, необходимый для визуального ориентирования в схеме платы
• Медные полигоны – участки меди, подсоединенные путем электрического соединения к земле или питанию, необходимые для снижения шумов устройства и отведения излишков тепла от мощных и активных компонентов

Что нужно учесть при разработке ПП?

Самое главное, что требуется решить на стадии подготовки к созданию платы – это выбор типа схемы. Все просто – он должен соответствовать требованиям в зависимости от того, на каком оборудовании ПП будет использоваться и какие задачи решать.

Если цели и задачи определены, если вам ясно, как будет функционировать устройство на основе будущей печатной платы, то можно приступать к её проектированию. А здесь появляется не менее важная задача – выбор материалов и компонентов для будущей платы. Для этого стоит руководствоваться следующими пунктами:

• Наличие в продаже – это определяет, насколько быстро будет изготовлена ПП
• Цикл производства компонентов – стоит учесть риск снятия выбранного компонента с производства
• Использование оптимальных фильтров по компонентам
• Выбор правильного корпуса – в противном случае могут возникнуть проблемы с впаиванием подходящего компонента

И перед тем как начинать проектировать ПП в одной из выбранных компьютерных программ, лучше набросать эскиз платы на бумаге. А лучше – более детально расписать работу каждого блока по отдельности, на отдельных листах.

Когда же подготовительный этап создания ПП будет завершен, то вы можете передавать все на производство. Для специалистов нашей компании вам достаточно будет подготовить файл будущего проекта в любом из форматов – PCAD, Gerber, CAM350, ACCEL EDA. После этого необходимо лишь заполнить бланк заказа на изготовление (его вы можете скачать у нас с сайта) или оформить онлайн-заявку.

Разводка печатных плат на заказ — PCB technology

Общие соображения

Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешости общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.
Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем. 

Печатная плата — компонент схемы

Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.

Макетирование

Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком. Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы. Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы.

Источники шума и помех

Шум и помехи являются основными факторами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнальные процессоры (DSP). Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.

Категории печатных плат

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находится неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной — основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель материалов, используемых при производстве печатных плат.

Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 — наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.

Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.

FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.

При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр может оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы — поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.

Таблица 1

Категория	Компоненты, комментарии
FR-1	бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности
FR-2	бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности
FR-3	бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками
FR-4	стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства
FR-5	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения
G10	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности
G11	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям

После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.

Количество слоев печатной платы

В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.

Однослойные печатные платы

Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже,односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам. Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.

Двухслойные печатные платы

На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

    • общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь «много» общего провода для упрощения разводки.
    • увеличивается механическая прочность платы.
    • уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.
    • увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.
    • полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.

Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала.

Многослойные печатные платы

Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:

    • такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;
    • сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;
    • между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум.

Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:

    • лучшее подавление электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.
    • снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат. Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ по сравнению с двухслойными платами.

Порядок следования слоев

У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную палату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя — слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?

При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.

Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.

Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.

Заземление

Хорошее заземление — общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.

Основное правило: разделение земли.

Разделение земли на аналоговую и цифровую части — один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.

Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого прозводятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.

Другие правила формирования земли:

    • Шины питания и земли должны находится под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости.
    • Не допускайте перекрытий аналоговых и цифровых полигонов (рис. 1). Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Если в каком-либо месте существует перекрытие аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему. Такие перекрытия аннулируют изоляцию полигонов.

 

    • Разделение не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли (рис. 2). Они должны соединяться вместе в каком-то, желательно одном, низкоимпедансном узле. Правильная, с точки зрения земли, система имеет только одну землю, которая является выводом заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения (например, аккумулятора). Все сигнальные токи и токи питания в этой схеме должны возвращаться к этой земле в одну точку, которая будет служить системной землей. Такой точкой может быть вывод корпуса устройства. Важно понимать, что при подсоединении общего вывода схемы к нескольким точкам корпуса могут образовываться земляные контуры. Создание единственной общей точки объединения земель является одним из наиболее трудных аспектов системного дизайна.

    • По возможности разделяйте выводы разъемов, предназначенные для передачи возвратных токов — возвратные токи должны объединяться только в точке системной земли. Старение контактов разъемов, а также частая расстыковка их ответных частей приводит к увеличению сопротивления контактов, следовательно, для более надежной работы необходимо использование разъемов с некоторым количеством дополнительных выводов. Сложные цифровые печатные платы имеют много слоев и содержат сотни или тысячи проводников. Добавление еще одного проводника редко создает проблему в отличие от добавляемых дополнительных выводов разъемов. Если это не удается сделать, то необходимо создавать два проводника возвратного тока для каждой силовой цепи на плате, соблюдая особые меры предосторожности.
    • Важно отделять шины цифровых сигналов от мест на печатной плате, где расположены аналоговые компоненты схемы. Это предполагает изоляцию (экранирование) полигонами, создание коротких трасс аналоговых сигналов и внимательное размещение пассивных компонентов при наличии расположенных рядом шин высокоскоростных цифровых и ответственных аналоговых сигналов. Шины цифровых сигналов должны разводиться вокруг участков с аналоговыми компонентами и не перекрываться с шинами и полигонами аналоговой земли и аналогового питания. Если этого не делать, то разработка будет содержать новый непредусмотренный элемент — антенну, излучение которой будет воздействовать на высокоимпедансные аналоговые компоненты и проводники (рис. 3).

Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что может вызывать проблему не только основная тактовая частота, но и ее высшие гармоники.

    • Хорошей концепцией является размещение аналоговой части схемы близко к входным/выходным соединениям платы. Разработчики цифровых печатных плат, использующие мощные интегральные схемы, часто склонны разводить шины шириной 1 мм и длиной несколько сантиметров для соединения аналоговых компонентов, полагая, что малое сопротивление трассы поможет избавиться от наводок. То, что при этом получается, представляет собой протяженный пленочный конденсатор, на который будут наводиться паразитные сигналы от цифровых компонентов, цифровой земли и цифрового питания, усугубляя проблему.

Пример хорошего размещения компонентов

На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастотный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей далеко отстоят друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.

Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключенны к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.

Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.

Необходимо учитывать то, что цифровые элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.

Частотные характеристики пассивных элементов

Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.

Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны, и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так — высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.

Резисторы

Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.

Обычно применяются резисторы трех типов: проволочные, углеродные композитные и пленочные. Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая, впрочем, несколько меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.

Конденсаторы

Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.

Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:

Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?

В действительности, никто никогда не видел электролитического конденсатора с реактивным сопротивлением 160 мкОм. Обкладки пленочных и электролитических конденсаторов представляют собой свитые слои фольги, которые создают паразитную индуктивность. Эффект собственной индуктивности у керамических конденсаторов значительно меньше, что позволяет использовать их при работе на высоких частотах. Кроме этого, конденсаторы обладают током утечки между обкладками, который эквивалентен включенному параллельно их выводам резистору, добавляющему свое паразитное воздействие к воздействию последовательно включенного сопротивления выводов и обкладок. К тому же, электролит не является идеальным проводником. Все эти сопротивления, складываясь, создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Конденсаторы, используемые в качестве развязок, должны обладать малым ESR, поскольку последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры довольно значительно увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление и может привести к ухудшению характеристик конденсатора. Поэтому, если предполагается использование алюминиевого электролитического конденсатора при повышенной рабочей температуре, то необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа (105°С).

Выводы конденсатора также вносят свой вклад в увеличение паразитной индуктивности. Для малых значений емкости важно оставлять длину выводов короткой. Сочетание паразитных индуктивности и емкости может создать резонансный контур. Полагая, что выводы имеют индуктивность порядка 8 нГн на один сантиметр длины, мы можем подсчитать, что конденсатор емкостью 0,01 мкФ с выводами длиной по одному сантиметру будет иметь резонансную частоту около 12,5 МГц. Этот эффект был известен еще инженерам, которые десятилетия назад разрабатывали электронные вакуумные приборы. Тот, кто восстанавливает антикварные радиоприемники и не знает об этом эффекте, сталкивается с множеством проблем.

При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным его подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.

В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.

Индуктивности

Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:

Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц — сопротивлением 6,28 МОм. Верно ли это?

В действительности, не существует индуктивности с реактивным сопротивлением 6,28 МОм. Природу возникновения паразитного сопротивления легко понять — витки катушки выполнены из провода, обладающего некоторым сопротивлением на единицу длины. Паразитная емкость воспринимается труднее до тех пор, пока не принять во внимание то, что следующий виток катушки расположен вплотную к предыдущему, и между близко расположенными проводниками возникает емкостная связь. Паразитная емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту. Небольшие проволочные индуктивности начинают становиться неэффективными в диапазоне 10…100 МГц.

Печатная плата

Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.

Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.

Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образуют своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.

Немного из теории антенн

Одним из основных типов антенн является штырь или прямой проводник. Такая антенна работает, потому что прямой проводник обладает паразитной индуктивностью и поэтому может концентрировать и улавливать излучение от внешних источников. Полный импеданс прямого проводника ….

Читать далее >

 

7 правил проектирования печатных плат / Хабр

Приветствую! В процессе обсуждения

статьи

товарища

KSVl

была озвучена необходимость небольшого пособия по проектированию печатных плат. Очень часто на хабре я вижу статьи в стиле «5 правил оформления кода» или «5 шагов к успешному проекту», то есть очень удобные собрания тезисов по определенной теме. К сожалению подобных статей по разработке электроники мало и это плохо…

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.

Наверняка найдутся люди, которые скажут: «Да и так ведь работает, зачем что-то менять?». И вот тут увы, я не готов тратить силы и переубеждать вас. Одни хотят все делать хорошо, качественно и надежно, другим же не дано понять этого желания.

Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:

1. Курс общей физики и электротехники. Все в пределах 1-го курса ВУЗа
2. Книги Говарда Джонса «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии» и «Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии»
3. Стандарты IPC, например, IPC-2221A. Бывает перевод на русском (старая версия) и оригинал последних версий на английском
4. Собственный опыт

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 №3 — паразитная индуктивность. Этот момент к базовым вряд ли уже относится, но знать про него надо. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц, например, при работе с SPI.

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.

Пример:

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.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

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.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

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.

Пример:

1) Плохой

2) Хороший

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.

Конечно это идеальный случай и иногда не получится его реализовать без удорожания платы, поэтому тут решение за вами. Порой «супер» надежность и не нужна, тут важно найти для своей задачи золотую середину между стоимостью и качеством.

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.

Пример:

Условимся, что в данном примере есть 3 проводника: выпрямленное сетевое напряжение +310В, низковольтная линия питания для микроконтроллера +3.3В и шина земли (GND).

1) Плохой

2) Хороший

Почему 0.3 мм плохо, а 0.8 мм уже хорошо спросите вы и в качестве ответа приведу вам 2 источника:

1) Обычные физика и электротехника. Данные в них разнятся из-за различных методик измерений и прочего, но наиболее реалистичная цифра для сухого воздуха составляет 2 кВ/мм. Тут многие испугаются цифры и подумают: «У меня же нет таких напряжений» и это будет ошибкой. Данное значение характерно лишь для сухого воздуха, который встретить в реальных условиях удается редко. И тут цифры уже куда скромнее, например, при влажности 100% напряжение пробоя воздуха составляет всего 250 В/мм! А еще на значение напряжения пробоя влияет запыленность воздуха и платы, а так же атмосферное давление (кривая и закон Пашена).

2) Стандарт IPC-2221, ссылку на который я давал в начале. Интересует нас таблица 6-1, которая выглядит вот так:

Как видите в таблице для большое количество значений даже для нашего конкретного случая 301-500В. Если посмотрим, то увидим значение 0.25 мм для закрытых проводников на внутренних слоях, то есть в «идеальных» условиях без доступа пыли, грязи и влаги. Если устройство будет работать где-то в горах и проводник находится на внешних слоях (все проводники в случае 2-х слойной платы) на высоте до 3000 метров, то там минимальный зазор уже 2,5 мм, то есть в 10 раза больше. Если же мы эксплуатируем устройство на большей высоте, то зазор необходим уже в 12.5 мм! Стоит сделать замечание — такой большой зазор требуется если наша плата не покрыта защитными составами, например, лаком или компаундом. Как только появляется защитное покрытие, то мы видим уже более адекватные значения: 0.8 и 1.5 мм.

Поэтому в «хорошем» примере по мимо обеспечения зазора 0.8 мм, необходимо так же покрыть плату защитных составом, например, лаком после завершения монтажа устройства, его отмывки и сушки. В противном случае необходимо увеличить зазор!

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.

Пример:

1) Плохой

Что плохого спросите вы, ведь зазоры на плате есть, их можно сделать и 1,5 мм. Дело в том, что даже если сделать зазор 2 мм, то этого будет недостаточным для обеспечения изоляции. Самым «слабым» местом должно быть расстояние между выводами управления реле (1-2) и выводами силовыми (3-8). Так же надо учитывать, что пробой может быть не только между проводниками на одном слое, но и на разных — насквозь плату через стеклотекстолит.

2) Хороший

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.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

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

• Не используйте автотрассировщики! В «сыром» не настроенном виде они выдают ужасный результат, который даже самую светлую идею превратит в гуано. Для того, чтобы автотрассировщик работал хорошо, ему необходимо прописать определённые правила, которые скажут ему, что дороги надо не 0.15, а 1 мм и так далее. Для адекватного результат даже на простых платах приходится прописывать сотню, а то и две, этих самих правил. В Altium Designer под них выделен целый раздел, например. Если вы любитель и у вас не стоит задачи спроектировать свою плату для ноутбука, то разводите плату руками — выйдет быстрее и качество будет на высоте
• Не ленитесь переделывать плату. Часто бывает, что вы сделали плату на 90%, но дальше все стало туго и вы начинаете нарушать «правила» и лепить гуано. Откатитесь назад, иногда приходится откатываться в самое начало, сделайте работу качественно и на этапе отладки устройства вы сэкономите очень много времени и нервов
• Перед тем как начать проектировать плату, посмотрите несколько open source проектов, например, на хабре или hackaday. Главное не копируйте оттуда чужие очевидные ошибки
• Если у вас есть знакомые разработчики электроники, пускай тоже любители — дайте им на проверку. Свежий взгляд на ваш проект позволит избежать очень много ошибок

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.

Те, кому данного материала мало — предлагаю ознакомиться со стандартами IPC по диагонали, сильно вчитываться смысла нет, а так же прочитать начальный курс «черной магии» от Говарда Джонса. В ней разобраны и физические принципы проектирования, а так же приводится множество рекомендаций по проектированию стандартных цепей и интерфейсов. Это раньше высокоскоростные цифровые цепи были чем-то магическим и возвышенным, но сегодня на дворе 2018 и с ними сталкиваются даже совсем новички, например, при подключение датчиков и памяти по SPI или дисплеев.

Как изготовить печатную плату в домашних условиях

Печатная плата – это диэлектрическое основание, на поверхности и в объеме которого нанесены токопроводящие дорожки в соответствии с электрической схемой. Печатная плата предназначена для механического крепления и электрического соединения между собой методом пайки выводов, установленных на нее электронных и электротехнических изделий.

Операции по вырезанию заготовки из стеклотекстолита, сверлению отверстий и травление печатной платы для получения токоведущих дорожек в независимости от способа нанесения рисунка на печатную плату выполняются по одинаковой технологии.

Технология ручного способа нанесения

дорожек печатной платы

Подготовка шаблона

Бумага, на которой рисуется разводка печатной платы обычно тонкая и для более точного сверления отверстий, особенно в случае использования ручной самодельной дрели, чтобы сверло не вело в сторону, требуется сделать ее более плотной. Для этого нужно приклеить рисунок печатной платы на более плотную бумагу или тонкий плотный картон с помощью любого клея, например ПВА или Момент.

Далее плотная бумага вырезается по контуру приклеенного рисунка и шаблон для сверления готов.

Вырезание заготовки

Подбирается заготовка фольгированного стеклотекстолита подходящего размера, шаблон печатной платы прикладывается к заготовке и обрисовывается по периметру маркером, мягким простым карандашом или нанесением риски острым предметом.

Далее стеклотекстолит режется по нанесенным линиям с помощью ножниц по металлу или выпиливается ножовкой по металлу. Ножницами отрезать быстрее, и нет пыли. Но надо учесть, что при резке ножницами стеклотекстолит сильно изгибается, что несколько ухудшает прочность приклейки медной фольги и если потребуется перепайка элементов, то дорожки могут отслоиться. Поэтому если плата большая и с очень тонкими дорожками, то лучше отрезать с помощью ножовки по металлу.

Приклеивается шаблон рисунка печатной платы на вырезанную заготовку с помощью клея Момент, четыре капли которого наносятся по углам заготовки.

Так как клей схватывается всего за несколько минут, то сразу можно приступать к сверлению отверстий под радиодетали.

Сверление отверстий

Сверлить отверстия лучше всего с помощью специального мини сверлильного станка твердосплавным сверлом диаметром 0,7-0,8 мм. Если мини сверлильного станка в наличии нет, то можно просверлить отверстия маломощной дрелью простым сверлом. Но при работе универсальной ручной дрелью количество переломанных сверл будет зависеть от твердости Вашей руки. Одним сверлом точно не обойдетесь.

Если сверло зажать не удается, то можно его хвостовик обернуть несколькими слоями бумаги или одним слоем наждачной шкурки. Можно на хвостовик намотать плотно виток к витку тонкой металлической проволочки.

После окончания сверления проверяется, все ли просверлены отверстия. Это хорошо видно, если посмотреть на печатную плату на просвет. Как видно, пропущенных отверстий нет.

Нанесение топографического рисунка

Для того, чтобы места фольги на стеклотекстолите, которые будут токопроводящими дорожками, защитить при травлении от разрушения, их необходимо покрыть маской, устойчивой к растворению в водном растворе. Для удобства рисования дорожек, их лучше предварительно наметить с помощью мягкого простого карандаша или маркера.

Перед нанесением разметки нужно обязательно удалить следы клея Момент, которым приклеивался шаблон печатной платы. Так как клей не сильно затвердел, то его легко можно удалить, скатав пальцем. Поверхность фольги также нужно обязательно обезжирить с помощью ветоши любым средством, например ацетоном или уайт-спиртом (так называется очищенный бензин), можно и любым моющим средством для мытья посуды, например Ферри.

После разметки дорожек печатной платы можно приступать к нанесению их рисунка. Для рисования дорожек хорошо подходит любая водостойкая эмаль, например алкидная эмаль серии ПФ, разведенная до подходящей консистенции растворителем уайт-спиртом. Рисовать дорожки можно разными инструментами – стеклянным или металлическим рейсфедером, медицинской иглой и даже зубочисткой. В этой статье я расскажу, как рисовать дорожки печатных плат с помощью чертежного рейсфедера и балеринки, которые предназначены для черчения на бумаге тушью.

Раньше компьютеров не было и все чертежи чертили простыми карандашами на ватмане и затем переводили тушью на кальку, с которой с помощью копировальных аппаратов делали копии.

Нанесение рисунка начинают с контактных площадок, которые рисуют балеринкой. Для этого нужно отрегулировать зазор раздвижных губок рейсфедера балеринки до требуемой ширины линии и для установки диаметра круга выполнить регулировку вторым винтом отодвинув рейсфедер от оси вращения.

Далее рейсфедер балеринки на длину 5-10 мм наполняется с помощью кисточки краской. Для нанесения защитного слоя на печатную плату лучше всего подходит краска марки ПФ или ГФ, так как она медленно высыхает и позволяет спокойно работать. Краску марки НЦ тоже можно применять, но работать с ней сложно, так как она быстро сохнет. Краска должна хорошо ложиться и не растекаться. Перед рисованием краску нужно развести до жидкой консистенции, добавляя в нее понемногу при интенсивном перемешивании подходящий растворитель и пробуя рисовать на обрезках стеклотекстолита. Для работы с краской удобнее всего ее налить во флакон от маникюрного лака, в закрутке которого установлена кисточка, устойчивая к растворителям.

После регулировки рейсфедера балеринки и получения требуемых параметров линий можно приступить к нанесению контактных площадок. Для этого острая часть оси вставляется в отверстие и основание балеринки проворачивается по кругу.

При правильной настройке рейсфедера и нужной консистенции краски вокруг отверстий на печатной плате получаются окружности идеально круглой формы. Когда балеринка начинает плохо рисовать, из зазора рейсфедера тканью удаляются остатки подсохшей краски и рейсфедер заполняется свежей. чтобы обрисовать все отверстия на этой печатной плате окружностями понадобилось всего две заправки рейсфедера и не более двух минут времени.

Когда круглые контактные площадки на плате нарисованы, можно приступать к рисованию токопроводящих дорожек с помощью ручного рейсфедера. Подготовка и регулировка ручного рейсфедера не отличается от подготовки балеринки.

Единственное, что дополнительно понадобится, так это плоская линейка, с приклеенными на одной из ее сторон по краям кусочками резины, толщиной 2,5-3 мм, чтобы линейка при работе не скользила и стеклотекстолит, не касаясь линейки, мог свободно проходить под ней. Лучше всего подходит в качестве линейки деревянный треугольник, он устойчив и одновременно может служить при рисовании печатной платы опорой для руки.

Чтобы печатная плата при рисовании дорожек не скользила, желательно ее разместить на лист наждачной бумаги, представляющий собой два склепных между собой бумажными сторонами наждачных листа.

Если при рисовании дорожек и окружностей они соприкоснулись, то не стоит принимать никаких мер. Нужно дать краске на печатной плате подсохнуть до состояния, когда она не будет пачкать при прикосновении и с помощью острия ножа удалить лишнюю часть рисунка. Чтобы краска быстрее высохла плату нужно расположить в теплом месте, например в зимнее время на батарею отопления. В летнее время года — под лучи солнца.

Когда рисунок на печатной плате полностью нанесен и исправлены все дефекты можно переходить к ее травлению.

Технология нанесения рисунка печатной платы

с помощью лазерного принтера

При печати на лазерном принтере происходит перенос за счет электростатики образованного тонером изображения с фото барабана, на котором лазерный луч нарисовал изображение, на бумажный носитель. Тонер удерживается на бумаге, сохраняя изображение, только за счет электростатики. Для закрепления тонера бумага прокатывается между валиками, один из которых является термопечкой, разогретой до температуры 180-220°C. Тонер расплавляется и проникает в текстуру бумаги. После остывания тонер отвердевает и прочно удерживается на бумаге. Если бумагу опять нагреть до 180-220°C, то тонер опять станет жидким. Это свойство тонера и используется для переноса изображения токоведущих дорожек на печатную плату в домашних условиях.

После того, как файл с рисунком печатной платы готов, необходимо его распечатать с помощью лазерного принтера на бумажный носитель. Обратите внимание, изображение рисунка печатной платы для данной технологии должно иметь вид со стороны установки деталей! Струйный принтер для этих целей не подходит, так как работает на другом принципе.

Подготовка бумажного шаблона для переноса рисунка на печатную плату

Если напечатать рисунок печатной платы на обыкновенной бумаге для офисной техники, то из-за пористой ее структуры, тонер глубоко проникнет в тело бумаги и при переносе тонера на печатную плату, большая часть его останется в бумаге. В дополнение будут сложности с удалением бумаги с печатной платы. Придется ее долго размачивать в воде. Поэтому для подготовки фотошаблона необходима бумага, не имеющая пористую структуру, например фотобумага, подложка от самоклеящихся пленок и этикеток, калька, страницы от глянцевых журналов.

В качестве бумаги для печати рисунка печатной платы я использую кальку из старых запасов. Калька очень тонкая и печатать шаблон непосредственно на ней невозможно, она в принтере заминается. Для решения этой проблемы, нужно перед печатью на кусок кальки требуемого размера по углам нанести по капельке любого клея и приклеить на лист офисной бумаги А4.

Такой прием позволяет распечатывать рисунок печатной платы даже на самой тонкой бумаге или пленке. Для того, чтобы толщина тонера рисунка была максимальной, перед печатью, нужно выполнить настройку «Свойств принтера», отключив режим экономной печати, а если такая функция не доступна, то выбрать самый грубый тип бумаги, например картон или что то подобное. Вполне возможно с первого раза хороший отпечаток не получится, и придется немного поэкспериментировать, подобрав наилучший режим печати лазерного принтера. В полученном отпечатке рисунка дорожки и контактные площадки печатной платы должны быть плотными без пропусков и смазывания, так как ретушь на данном технологическом этапе бесполезна.

Осталось обрезать кальку по контуру и шаблон для изготовления печатной платы будет готов и можно приступать к следующему шагу, переносу изображения на стеклотекстолит.

Перенос рисунка с бумаги на стеклотекстолит

Перенос рисунка печатной платы является самым ответственным этапом. Суть технологии проста, бумага, стороной напечатанного рисунка дорожек печатной платы прикладывается к медной фольге стеклотекстолита и с большим усилием прижимается. Далее этот бутерброд разогревается до температуры 180-220°C и затем охлаждается до комнатной. Бумага отдирается, а рисунок остается на печатной плате.

Некоторые умельцы предлагают переносить рисунок с бумаги на печатную плату, используя электроутюг. Я пробовал такой способ, но результат получался нестабильным. Сложно обеспечить одновременно нагрев тонера до нужной температуры и равномерный прижим бумаги ко всей поверхности печатной платы при затвердевании тонера. В результате рисунок переносится не полностью и остаются пробелы в рисунке дорожек печатной платы. Возможно, утюг недостаточно нагревался, хотя регулятор был выставлен на максимальный нагрев утюга. Вскрывать утюг и перенастраивать терморегулятор не хотелось. Поэтому я воспользовался другой технологией, менее трудоемкой и обеспечивающей стопроцентный результат.

На вырезанную в размер печатной платы и обезжиренную ацетоном заготовку фольгированного стеклотекстолита приклеил по углам кальку с напечатанным на ней рисунком. На кальку сверху положил, для более равномерного прижима, пяток листиков офисной бумаги. Полученный пакет положил на лист фанеры и сверху накрыл листом такого же размера. Весь этот бутерброд зажал с максимальной силой в струбцинах.

Осталось нагреть сделанный бутерброд до температуры 200°C и остудить. Для нагрева идеально подходит электродуховка с регулятором температуры. Достаточно поместить сотворенную конструкцию в шкаф, дождаться набора заданной температуры и через полчаса извлечь плату для остывания.

Если электродуховки в распоряжении нет, то можно воспользоваться и газовой духовкой, отрегулировав температуру ручкой подачи газа по встроенному термометру. Если термометра нет или он неисправен, то могут помочь женщины, подойдет положение ручки регулятора, при котором пекут пироги.

Так как концы фанеры покоробило, на всякий случай зажал их дополнительными струбцинами. чтобы избежать подобного явления, лучше печатную плату зажимать между металлическими листами толщиной 5-6 мм. Можно просверлить в их углах отверстия и зажимать печатные платы, стягивать пластины с помощью винтов с гайками. М10 будет достаточно.

Через полчаса конструкция остыла достаточно, чтобы тонер затвердел, плату можно извлекать. При первом же взгляде на извлеченную печатную плату становится понятно, что тонер перешел с кальки на плату отлично. Калька плотно и равномерно прилегала по линиям печатных дорожек, кольцам контактных площадок и буквам маркировки.

Калька легко оторвалась практически от всех дорожек печатной платы, остатки кальки были удалены с помощью влажной ткани. Но все, же не обошлось без пробелов в нескольких местах на печатных дорожках. Такое может случиться в результате неравномерности печати принтера или оставшейся грязи или коррозии на фольге стеклотекстолита. Пробелы можно закрасить любой водостойкой краской, маникюрным лаком или заретушировать маркером.

Для проверки пригодности маркера для ретуши печатной платы, нужно нарисовать ним на бумаге линии и бумагу смочить водой. Если линии не расплывутся, значит, маркер для ретуши подходит.

Травить печатную плату в домашних условиях лучше всего в растворе хлорного железа или перекиси водорода с лимонной кислотой. После травления тонер с печатных дорожек легко удаляется тампоном, смоченным в ацетоне.

Затем сверлятся отверстия, лудятся токопроводящие дорожки и контактные площадки, запаиваются радиоэлементы.

Такой вид приняла печатная плата с установленными на ней радиодеталями. Получился блок питания и коммутации для электронной системы, дополняющий обыкновенный унитаз функцией биде.

Травление печатной платы

Для удаления медной фольги с незащищенных участков фольгированного стеклотекстолита при изготовлении печатных плат в домашних условиях радиолюбители обычно используют химический способ. Печатная плата помещается в травильный раствор и за счет химической реакции медь, незащищенная маской, растворяется.

Рецепты травильных растворов

В зависимости от доступности компонентов радиолюбители применяют один из растворов, приведенных в таблице ниже. Травильные растворы расположены в порядке популярности их применения радиолюбителями в домашних условиях.

Травить печатные платы в металлической посуде не допускается. Для этого нужно использовать емкость из стекла, керамики или пластика. Утилизировать отработанный травильный раствор допускается в канализацию.

Травильный раствор из перекиси водорода и лимонной кислоты

Раствор на основе перекиси водорода с растворенной в ней лимонной кислотой является самым безопасным, доступным и быстро работающим. Из всех перечисленных растворов по всем критериям это лучший.

Перекись водорода можно приобрести в любой аптеке. Продается в виде жидкого 3% раствора или таблеток под названием гидроперит. Для получения жидкого 3% раствора перекиси водорода из гидроперита нужно в 100 мл воды растворить 6 таблеток весом 1,5 грамма.

Лимонная кислота в виде кристаллов продается в любом продуктовом магазине, расфасованная в пакетиках весом 30 или 50 грамм. Поваренная соль найдется в любом доме. 100 мл травильного раствора хватит на удаление медной фольги толщиной 35 мкм с печатной платы площадью 100 см². Отработанный раствор не хранится и повторному использованию не подлежит. Кстати, лимонную кислоту можно заменить уксусной, но из-за ее едкого запаха травить печатную плату придется на открытом воздухе.

Травильный раствор на основе хлорного железа

Вторым по популярности травильным раствором является водный раствор хлорного железа. Ранее он был самым популярным, так как на любом промышленном предприятии хлорное железо было легко достать.

Травильный раствор не требователен к температуре, травит достаточно быстро, но скорость травления снижается по мере расходования хлорного железа в растворе.

Хлорное железо очень гигроскопично и поэтому из воздуха быстро впитывает воду. В результате на дне банки появляется желтая жидкость. Это не влияет на качество компонента и такое хлорное железо пригодно для приготовления травильного раствора.

Если использованный раствор хлорного железа хранить в герметичной таре, то его можно использовать многократно. Подлежит регенерации, достаточно в раствор насыпать железных гвоздей (они сразу покроются рыхлым слоем меди). При попадании на любые поверхности оставляет трудноудаляемые желтые пятна. В настоящее время раствор хлорного железа для изготовления печатных плат применяют реже в связи с его дороговизной.

Травильный раствор на основе перекиси водорода и соляной кислоты

Отличный травильный раствор, обеспечивает высокую скорость травления. Соляную кислоту при интенсивном помешивании вливают в 3% водный раствор перекиси водорода тоненькой струйкой. Вливать перекись водорода в кислоту недопустимо! Но из-за наличия в травильном растворе соляной кислоты при травлении платы нужно соблюдать большую осторожность, так как раствор разъедает кожу рук и портит все, на что попадает. По этой причине травильный раствор с соляной кислотой в домашних условиях использовать не рекомендуется.

Травильный раствор на основе медного купороса

Метод изготовления печатных плат с применение медного купороса обычно используют в случае невозможности изготовления травильного раствора на основе других компонентов из-за их недоступности. Медный купорос является ядохимикатом и широко применяется для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве. В дополнение время травления печатной платы составляет до 4 часов, при этом необходимо поддерживать температуру раствора 50-80°С и обеспечить постоянную смену раствора у стравливаемой поверхности.

Технология травления печатных плат

Для травления платы в любом из вышеперечисленных травильных растворов подойдет стеклянная, керамическая или пластиковая посуда, например от молочных продуктов питания. Если под рукой подходящего размера емкости не оказалось, то можно взять любую коробку из плотной бумаги или картона подходящего размера и выстелить ее внутренность полиэтиленовой пленкой. В емкость наливается травильный раствор и на его поверхность аккуратно рисунком вниз кладется печатная плата. За счет сил поверхностного натяжения жидкости и небольшого веса плата будет плавать.

Для удобства к центру платы клеем момент можно приклеить пробку от пластиковой бутылки. Пробка одновременно будет служить ручкой и поплавком. Но тут есть опасность, что на плате образуются пузырьки воздуха и в этих местах медь не вытравится.

Чтобы обеспечить равномерное вытравливание меди можно положить печатную плату на дно емкости вверх рисунком и периодически покачивать ванночку рукой. Через некоторое время, в зависимости от травильного раствора, начнут появляться участки без меди, а затем медь растворится полностью на всей поверхности печатной платы.

После окончательного растворения меди в травильном растворе печатную плату извлекают из ванночки и тщательно промывают под струей проточной воды. Тонер удаляется с дорожек ветошью, смоченной в ацетоне, а краска хорошо удаляется ветошью, смоченной в растворителе, который добавлялся в краску для получения нужной ее консистенции.

Подготовка печатной платы к монтажу радиодеталей

Следующий шаг, это подготовка печатной платы к монтажу радиоэлементов. После снятия с платы краски, дорожки нужно обработать круговыми движениями мелкой наждачной бумагой. Увлекаться не нужно, потому что медные дорожки тонкие и можно легко их сточить. Достаточно всего нескольких проходов абразивом со слабым прижимом.

Далее токоведущие дорожки и контактные площадки печатной платы покрываются спирто-канифольным флюсом и лудятся мягким припоем эклектрическим паяльником. чтобы отверстия на печатной плате, не затягивались припоем, его на жало паяльника нужно брать немного.

После завершения изготовления печатной платы, останется только вставить в предназначенные позиции радиодетали и запаять их выводы к площадкам. Перед пайкой ножки деталей нужно обязательно смочить спирто-канифольным флюсом. Если ножки радиодеталей длинные, то их нужно перед пайкой обрезать бокорезами до длины выступания над поверхностью печатной платы 1-1,5 мм. После окончания монтажа деталей нужно удалить остатки канифоли с помощью любого растворителя — спирта, уайт-спирта или ацетона. Они все успешно растворяют канифоль.

Подробно о технологии пайки на примерах пайки деталей, о марках припоев и флюсов, устройстве и ремонте паяльников Вы можете узнать из цикла статей раздела «Как паять паяльником».

На воплощение этой простой схемы емкостного реле от разводки дорожек для изготовления печатной платы до создания действующего образца ушло не более пяти часов, гораздо меньше, чем на верстку этой страницы.

Базовые рекомендации разработчику печатных плат | others

Что самое важное при разработке печатных плат (PCB)? Давайте рассмотрим несколько основных моментов, о которых следует всегда помнить разработчику, если он хочет создать по-настоящему технологичные в изготовлении, функциональные и надежные платы. Здесь приведен перевод статьи [1] (автор David Marrakchi), опубликованной на сайте Altium.

Когда Вы начинаете новый проект платы, довольно просто отбросить эти основные советы, потому что мысли в основном сосредоточены на дизайне схемы и/или ПО. Но это скорее всего позже приведет к неприятным последствиям, которые уже сложно будет исправить и они доставят много головной боли. Схема будет работать не так качественно, как ожидалось, у сборщика появятся трудности в производстве, и т. п. Ниже рассмотрены несколько самых важных моментов, помогающих разработать хорошие, качественные печатные платы.

[1. Следует хорошо знать и использовать спецификации производства]

Перед тем, как начать непосредственную разводку, уделите некоторое время на изучение ограничений, которые накладывает производитель при производстве плат. Можно позвонить производителю, написать ему email с просьбой выслать его требования по минимально допустимой ширине дорожки, минимальному расстоянию между дорожками и т. п. Часто эта информация находится на сайте производителя (типичный пример см. в [10]), и требования к параметрам изготовляемой платы делятся по классам точности (от класса точности зависит цена производства).

Для чего это нужно? Чтобы предварительно настроить правила трассировки (Design Rules), систему проверки дизайна на соответствие заданным ограничениям (Design Rules Check, DRC). Если изначально соблюдать правила заданной технологии, то будет проще выполнить всю работу, не потребуется тратить лишнее время на исправление ошибок, которые могут выявиться на этапе производства.

[2. Тщательно размещайте компоненты]

Стадия разработки, когда Вы размещаете компоненты на PCB, требует как искусства, так и научных знаний. Требуется выбрать стратегию размещения, реализующую наиболее выгодный компромисс по удовлетворению требований к разработке. Этот процесс может быть сложным, и от того, как Вы расположите детали на плате, будет зависеть как сложность производства изделия, так и его работоспособность.

При размещении компонентов полезно пользоваться функцией привязки к координатной сетке (snap-to-grid), эта опция должна быть разрешена. Обычно для первичного размещения деталей используют шаг координатной сетки 50 mil. Хотя размещение обычно начинают с выбора места и положения коннекторов, светодиодов, кнопок, схем питания, деталей точных схем, критических узлов и т. д., есть несколько специальных моментов, которые следует учитывать:

Ориентация. Убедитесь, что ориентация похожих компонентов совпадает. Например, электролитические конденсаторы, диоды и т. п. по возможности должны направлять свой положительный электрод в одну сторону. Это поможет в эффективной и безошибочной пайке.

Размещение. Современное технологическое оборудование автоматического монтажа позволяет применять минимальные интервалы между компонентами до 0.2 мм и от края платы 1 мм. Однако использование таких предельных значений в разработке вряд ли оправдано, потому что усложняет монтаж и ремонтопригодность изделия, снижает его надежность. Рекомендуется сохранять интервалы между компонентами не менее 0.5 — 1.25 мм (в зависимости от типа корпуса).

Избегайте размещения компонентов со штыревыми выводами на стороне пайки (нижняя часть платы, Bottom).

Организация. Рекомендуется размещать все монтируемые на поверхность детали (Surface Mount, SMT, или SMD) только на одной стороне платы (обычно на верхней, Top). Одностороннее размещение деталей упрощает и удешевляет монтаж. Если плата сложная, и на ней есть как SMD-компоненты, так и компоненты со штыревыми выводами (through-hole, TH), то TH-компоненты разместите (по возможности) на верхней стороне платы, а SMD-компоненты на нижней. Это минимизирует операции по сборке (монтажу) платы.

Следует учесть, что если на плате имеются смешанные по технологии пайки компоненты (есть как TH, так и SMD детали), то это заставит производителей предпринимать дополнительные шаги для сборки платы, что удорожает производство.

Хороший выбор ориентации компонентов	Плохая ориентация компонентов

Хорошее размещение компонентов	Плохое размещение компонентов

Если Вы не нашли компонент в библиотеке, то потребуется его создать. Уделите особое внимание зазорам между контактными площадками и окнам в маске. Маска должна обязательно образовывать окна для каждого вывода, не делайте общее окно для группы выводов. Не соблюдение этого правила может привести к коротким замыканиям мостиками припоя между выводами.

Маска разделяет промежутки между выводами, снижая риск образования замыканий припоем.	Неправильно созданные окна в маске для выводов микросхемы, повышенный риск наплыва припоя между выводами.

Автотрасировщик может подсказать, насколько хорошо выполнено размещение деталей (см. далее).

[3. Разделение по функционалу]

Скорее всего Вы уже знаете, что мощные схемы, где есть высокие напряжения и большие импульсные токи, могут генерировать значительные помехи, влияющие на работку маломощных прецизионных схем. Чтобы снизить факторы помех, выполните следующие рекомендации:

Разделение. Убедитесь, что шина высокоточной земли и шина земли схем управления или шина земли чувствительных аналоговых схем разведены отдельно. Если они требуют соединения, то должны соединяться друг с другом только в одной точке, максимально близко к месту входа тока питания на плату. Общий принцип — ток потребления, протекающий по шине земли от мощной части схемы, не должен вносить помехи своим падением напряжения на другие, чувствительные части схемы.

Размещение. Если Вы размещаете заливку земли (ground plane) на внутреннем слое платы, то убедитесь, что существуют многочисленные надежные, с низким импедансом соединения этой заливки с другими проводниками земли, находящимися на верхней и нижней сторонах платы. Это снизит риск наводки токами питания помех на чувствительные сигналы управления. Основная рекомендация — стараться отделять друг от друга цифровую и аналоговую земли, идеальный вариант полная их изоляция друг от друга (применяется в особо точных приборах).

Развязка. Чтобы снизить емкостные паразитные связи из-за размещения проводников над большими заливками земли/питания и под ними, постарайтесь выполнить разводку таким образом, чтобы аналоговые сигнальные проводники проходили только над/под аналоговой заливкой земли и пересекали только аналоговые проводники. Это поможет снизить влияние помех от импульсных напряжений и токов, генерируемых быстро переключающимися цифровыми сигналами.

Пример разделения на плате цифровой (DIGITAL) и аналоговой (ANALOG) частей схемы:

[4. Трассировка питания, земли и сигналов]

Когда компоненты размещены, самое время заняться шинами питания, земли и важными сигнальными проводниками, которые Вы хотите развести качественно, чтобы на них было меньше всего посторонних помех. На этой стадии разработки нужно учитывать следующее:

Размещение заливок питания и земли (Power Plane, Ground Plane). Если плата многослойная, то всегда рекомендуется заливки земли и питания разместить на двух внутренних слоях, и разместить их друг относительно друга симметрично, желательно чтобы каждая такая заливка занимала всю площадь платы. Это поможет защитить плату от изгибов и перенапряжений, что может повлиять на правильность позиционирования компонентов при монтаже. Если плата двухсторонняя, то для питания интегральных схем рекомендуется использовать широкие, прямолинейно проложенные проводники, без образования петель. Идеальный вариант — залить все свободное пространство платы шиной земли, как на верхней, так и на нижней стороне платы, а шины питания (+5V, +3.3V) развести широкими, максимально прямолинейными проводниками, без образования лишних петель при переходе от одной микросхемы к другой, с минимизацией переходов между слоями.

Сигнальные проводники. После прокладки питания разведите ответственные сигнальные цепи в соответствии с рекомендациями по построению Вашей схемы. Всегда рекомендуется такие проводники делать максимально короткими, проводимыми непосредственно от компонента к компоненту. При плотной разводке когда возникают сложности в трассировке и необходимо делать переходы с одной стороны платы на другую (с помощью металлизированных переходных отверстий, via) старайтесь размещать горизонтальные проводники на одной стороне платы и соответственно вертикальные на противоположной.

Определение толщины проводников. Когда ток течет через медные проводники платы, он может их довольно сильно нагревать. Чем больше ширина проводника, тем меньше его сопротивление, и меньше нагрев. Но нельзя бесконечно увеличивать ширину проводника, нужен определенный компромисс. Поэтому управление шириной проводников — один из многих способов сбалансировать нагрев печатной платы и уменьшить сопротивление проводников.

Скорее всего Ваша разработка будет иметь цепи разного класса — одни проводники будут передавать большие токи, другие маленькие. Этот факт будет диктовать необходимую ширину проводников на плате. Базовая рекомендация — для слаботочных аналоговых и цифровых цепей рекомендуется делать проводники шириной 10 mil (mil равен одной тысячной дюйма, или 0.0254 мм). Когда цепи будут передавать ток больше 0.3A, их следует делать шире. Есть удобный онлайн-калькулятор [2], упрощающий процесс вычисления параметров проводников. В следующей таблице приведены грубые рекомендации по выбору толщины проводников в зависимости от силы тока. Следует также учитывать длину проводников. Длинные проводники следует стараться делать шире, если по ним протекают значительные токи, это позволит снизить сопротивление проводника и падение напряжения на нем. Небольшой совет — если есть возможность сделать ширину проводников больше, чем требуется, то сделайте это! Когда Вы с запасом отвечаете требованиям как производителя, так и дизайна, меньше шансов того, что плата окажется бракованной, или будет работать не так, как ожидалось.

Ширина дорожки	Допустимый ток
10 mil	0.3 A
15 mil	0.4 A
20 mil	0.7 A
25 mil	1.0 A
50 mil	2.0 A
100 mil	4.0 A
150 mil	6.0 A

Назначьте цепям питания (GND, VCC и т. п.) отдельный класс, и назначьте ему увеличенную минимальную ширину проводника. Тогда автороутер будет прокладывать эти цепи проводниками заданной толщины. Дополнительное преимущество — по толщине проводников проще ориентироваться в разводке платы.

Контактные площадки SMD. Паяльная паста, и особенно расплавляемый припой ведет себя как обычная жидкость, обладающая поверхностным натяжением. В момент пайки это натяжение может смещать монтируемый компонент (особенно это касается SMD-резисторов и конденсаторов). Поэтому не только важно, чтобы паяльная паста имела достаточную влажность и вязкость, но также чтобы размеры площадок для пайки SMD-компонентов строго соответствовали рекомендованным (рекомендуемые размеры площадок можно узнать в даташите на компонент). Если не соблюдать это правило, например если предусмотрено «универсальное» посадочное место для пайки как корпуса 0805, так и корпуса 1208, то поверхностное натяжение расплавленного припоя может привести к перекосу компонентов и даже «могильным камешкам» (thumbstone).

Подсоединение проводников к контактным площадкам. Обратите внимание на разводку проводников по отношению к местам пайки (контактным площадкам) с целью избежать поворота SMD-компонента при пайке. На рисунках ниже показаны примеры правильной и неправильной разводки по отношению к контактным площадкам.

Предпочтительная разводка проводников (стрелками показана миграция припоя):

Нежелательная разводка, которая может привести к повороту SMD-компонента при пайке (стрелками показана миграция припоя):

Диаметры сверл и переходные отверстия. Насколько это возможно, снизьте ассортимент диаметров отверстий, используемых на печатной плате для монтажа TH-компонентов и переходов между слоями. Постарайтесь минимизировать количество сквозных и слепых переходных отверстий для разводки сигнальных проводников (это не касается отверстий, предназначенных для соединения накоротко заливок медью шин земли и питания). По возможности совсем исключите из дизайна слепые переходные отверстия. Это повысит технологичность, надежность платы, её пригодность для ремонта и тестирования.

Зазоры. При разводке необходимо оставлять достаточно места между проводниками различных цепей (зазор, clearance). Почему? Если Вы слишком близко проложите проводники, то повышается риск коротких замыканий между дорожками, образующихся в процессе производства платы. Помните, что процесс производства PCB не на 100% точен, поэтому всегда необходимо для безопасности выдерживать зазор минимум от 7 до 10 mil между соседними дорожками и контактными площадками для пайки деталей.

Особенно важны зазоры между проводником и контактными площадками для пайки. Минимальный допустимый зазор, как и толщина проводников, в общем случае определяется классом точности печатной платы [8], однако хорошей рекомендацией будет не допускать зазоры между контактными площадками и между контактными площадками и токопроводящим рисунком других цепей меньше 7 mil, лучше всего делать зазоры 10 mil. Слишком маленькие зазоры повышают риск возникновения коротких замыканий из-за мостиков припоя и ошибок в производстве самой печатной платы. Также зазоры нужно увеличивать, если проводник находится под высоким напряжением относительно других цепей.

При разводке проводников включите привязку к координатной сетке (snap-to-grid). Шаг координатной сетки 50 mil будет хорошим начальным выбором. Снижение шага до 25 mil может помочь в работе по разводке более плотной платы. Выключение привязки к координатной сетке (или включение очень мелкого шага) может понадобится при подключении проводников к выводам компонентов, которые используют необычный шаг выводов.

Общей практикой является ограничение направлений разводки горизонтальными, вертикальными проводниками, и проводниками под 45 градусов. При прокладке тонких проводников избегайте острых углов при поворотах трассы. Проблема здесь состоит в том, что внешний угол может быть вытравлен сильнее, в результате чего в этом месте проводник получится слишком тонким. Для резких поворотов проводника используйте скругление углов сегментами, направленными под 45 градусов.

Монтажные отверстия. Не забывайте оставлять достаточный интервал между монтажным отверстием и токопроводящим рисунком, чтобы металлическая стойка, винт или шайба не вызвали нежелательного замыкания. Помните, что паяльная маска не может служить хорошим изолятором — она слишком тонкая, и легко разрушается от механического воздействия.

[5. Борьба с нагревом]

Сталкивались ли Вы с ситуациями, когда из-за повышенной температуры ухудшалась работа схемы или даже она вовсе выходила из строя? Эта проблема часто возникает, если не уделить достаточно внимания рассеиваемой компонентами мощности и охлаждению. Ниже приведено несколько советов, помогающих избежать проблем с перегревом и пайкой.

Идентифицируйте проблемные компоненты. Сначала нужно определить, какие компоненты на плате будут больше всего нагреваться. В этом может помочь изучение даташита на компонент и проверка его реальных условий работы в схеме. Обращайте внимание на термосопротивление корпуса (параметр Thermal Resistance) и рекомендации по монтажу и использованию компонента. Конечно, при необходимости должны быть добавлены радиаторы и вентиляторы, чтобы снизить температуру компонента. Также нужно стараться удалить сильно нагревающиеся компоненты от других нагревающихся компонентов и деталей, чувствительных к нагреву (например, от электролитических конденсаторов).

Добавление термобарьера. Термобарьер для пайки (Thermal Relief) — очень полезная технология, улучшающая технологичность платы для процесса её монтажа. Особенно это критично для плат, которые паяются в массовом производстве методом «волна припоя» (wave soldering) и для сборки сложных многослойных плат. Без наличия термобарьера на штыревых выводах компонентов, подключенных к заливке земли (и даже иногда для пайки SMD-компонентов на заливку меди) трудно контролировать температуру припоя в месте пайки. Термобарьер помогает качественной пайке, припой хорошо растечется по всему металлизированному отверстию или месту пайки, что уменьшает риск образование «ложной» пайки.

Общая рекомендация — всегда используйте термобарьер для любого сквозного отверстия, предназначенного для пайки. Также это касается и массивных точек пайки SMD-компонентов, когда они находятся на заливках меди. Исключением из этого правила могут быть случаи, когда такая заливка специально предназначена для охлаждения компонента, но в таком случае должны быть предусмотрены специальные условия для пайки (например, нижний подогрев платы). Типичный термобарьер для места пайки штыревого вывода:

В дополнение термобарьерам применяйте скругления металлом к площадке пайки (teardrops) в тех местах, где проводник, покрытый маской, соединяется с местом пайки, свободным от маски. Это поможет снизить механический и термальный стресс, наносимый проводникам при пайке, будет меньше риск их повреждения и расслоения.

[6. Пользуйтесь автороутером!]

Многие разработчики слепо верят, что автоматический трассировщик мало чем может помочь в разводке. Основная аргументация такого подхода — программный автомат никогда не сможет лучше человека учесть все нюансы разработки. Но это ошибка! Если правильно составить стратегию разводки и соответствующим образом выбрать ограничения дизайна, то автороутер может сэкономить Вам много времени, избавив от монотонной работы [6]. Конечно, автороутер не может выполнить за Вас почти всю работу (за исключением совсем простых проектов). Ваша задача корректировать его поведение и вручную разводить проблемные и особо ответственные цепи, чередуя итерации автоматической и ручной разводки.

Также не стоит впадать в другую крайность и считать, что автороутер может решить все Ваши проблемы. Автотрассировщики, сколь хороши они ни были, никогда не заменят целиком трассировку саму по себе, и должны использоваться только по нескольким причинам, включая следующие:

Размещение компонентов. Автороутер может помочь приблизительно оценить, насколько оптимально расположены компоненты на печатной плате. Вы можете попробовать использовать автороутер после того, как разместите все свои компоненты, чтобы результат разводки автороутера показал, насколько качественную разводку при таком размещении можно получить. Если автороутер развел меньше 85%, то этот может означать, что требуется более тщательно подобрать места для расположения деталей на плате.

Узкие места трассировки. Также можно использовать автороутер для выявления проблемных мест и других критических точек соединений, которые сразу не видны в процессе размещения компонентов.

Подсказка. И наконец, автороутер можно использовать как источник новых идей в поиске пути трассировки некоторых соединений. Быстрый запуск автотрассировщика может показать новый путь для разводки, который Вы ранее не рассматривали.

Помимо этих причин не рекомендуется полностью полагаться на результат автоматической разводки. Почему? Скорее всего автоматическая разводка не будет достаточно точна, и особенно если Вы любите красивую/симметричную разводку, то автороутер наверняка разочарует. И что более важно — ручная трассировка (при условии наличии достаточного опыта) позволит наиболее качественно выполнить все соединения. Трассировка — кропотливый процесс, требующий терпения и любви к своей работе, чтобы можно получить желаемые результаты. ИМХО самый оптимальный вариант — комбинировать итерации ручной разводки и запуска автороутера, чтобы максимально ускорить получение удовлетворительного результата.

[7. Используйте переходные отверстия для отвода тепла]

Последний совет касается того, как можно использовать переходные отверстия (via). Они не только могут предоставить соединение между слоями платы, но также дополнительный способ теплоотвода.

Это становится особенно удобно, если у применяемого мощного компонента есть специальная контактная площадка для отвода тепла (die), предназначенная для пайки на площадку фольги. Если Вы сделаете на этой контактной площадке несколько переходных отверстий до полигона на обратной стороне платы, то тепло будет лучше рассеиваться, и система будет работать надежнее.

[8. Тщательно проверяйте свою работу]

Всегда рекомендуется воспользоваться инструментами автоматической проверки, чтобы не быть озадаченным проблемами, возникающими в процессе производства, сборки и тестирования. К таким инструментам относятся проверка электрических правил (Electrical Rules Check, ERC) и проверка правил разводки (Design Rules Check, DRC), они проверяют, удовлетворяет ли дизайн установленным ограничениям. Эти две системы контроля позволяют просто управлять зазорами, шириной проводников, общими шагами производства, требованиями к высокоскоростным цепям.

Когда тесты ERC и DRC [3, 4] покажут отсутствие ошибок, рекомендуется на всякий случай проверить трассировку каждого сигнала, чтобы убедиться в том, что ничего не упустили. Собственно для этой цели и выполняется рисование принципиальной схемы в таких системах разработки плат, как Altium Designer и других подобных. Если принципиальная схема создана правильно то наверняка и печатная плата не будет содержать грубых ошибок после успешного прохождения тестов ERC и DRC.

Убедитесь, что печатная плата содержит качественную маркировку шелкографией важных мест, и имеются специальные маркеры, предназначенные для автоматизированной сборки и тестирования. Размещение шелкографии и SMD-компонентов только на верхней стороне платы не только удешевляет производство самой платы, но и еще позволяет быстрее определить верхнюю сторону платы при ручном монтаже.

Некоторые интегрированные системы разработки создают трехмерные модели готовой, смонтированной печатной платы [7]. 3D-модель еще до сборки помогает лучше разобраться в технологичности платы, позволяет бросить общий взгляд на готовое изделие и выявить недостатки, которые были незаметны на этапе разработки. Например, компоненты с металлическим корпусом (радиатор, кварцевый резонатор, батарея) могут вызвать неожиданные замыкания с токопроводящим рисунком. Трехмерная модель позволяет лучше выявить места возможных проблем.

[Ссылки]

1. Top 5 PCB Design Guidelines Every PCB Designer Needs to Know site:altium.com.
2. Trace Width Calculator site:4pcb.com.
3. Electrical Rules Check (ERC) site:altium.com.
4. Design Rules Check (DRC) site:altium.com.
5. Использование Altium Designer для разводки печатных плат.
6. Эффективная трассировка печатных плат в Eagle.
7. Eagle3D: как сделать объемную модель печатной платы.
8. Классы точности печатных плат (PCB).
9. The Top 10 PCB Routing Tips for Beginners site:autodesk.com.
10. JLCPCB Capabilities.
11. 7 правил проектирования печатных плат site:habr.com.

Как создать печатную плату с нуля

Чтобы создать печатную плату (PCB), вам нужно нарисовать отверстия, контактные площадки и провода для вашей схемы. Этот навык называется PCB design и очень полезен.

Когда закончите, отправьте дизайн производителю или вытравите его самостоятельно.

Звучит сложно? Не волнуйтесь, существует множество бесплатных инструментов, которые помогут вам в этом.

Ниже я расскажу, что вам нужно сделать.

Бонус: Загрузите бесплатную электронную книгу, которая шаг за шагом покажет вам, как сделать вашу первую печатную плату.

Шаг 1. Создайте или найдите принципиальную схему

Прежде чем вы начнете рисовать провода и прочее, вам нужно знать, какую схему вы хотите построить. Итак, вам нужна принципиальная схема.

Вы можете найти ту, которую сделал кто-то другой, или создать свою с нуля.

Рекомендую начать с чего-нибудь простого.Как мигающий светодиод.

Когда у вас есть принципиальная схема, переходите к шагу 2.

Шаг 2. Нарисуйте свою схему

Во-первых, вам необходимо установить программное обеспечение для проектирования печатных плат.

Я настоятельно рекомендую KiCad для изготовления вашей печатной платы. Это бесплатно и действительно хорошо. Я также создал пошаговое руководство по KiCad для начинающих.

Создайте новый проект. Затем нарисуйте схему из принципиальной схемы, найденной на шаге 1.

Когда вы думаете, что закончили, запустите средство проверки электрических правил (ERC), чтобы проверить, не допустили ли вы типичных ошибок.

Шаг 3. Разработайте макет платы

Пришло время нарисовать доску. Вам необходимо перенести вашу принципиальную схему в чертеж вашей печатной платы.

Это не так сложно, как может показаться. Потому что программа сравнивает то, что вы рисуете, с файлом схемы. И это поможет вам создать такие же связи.

Здесь важно решить, какую занимаемую площадь выбрать для компонентов. Монтаж в сквозное отверстие или на поверхность?

Компоненты со сквозными отверстиями паять проще всего.Для новичков рекомендую сквозное отверстие. Компоненты для поверхностного монтажа меньше по размеру, поэтому они занимают гораздо меньше места. Но меньше также означает, что паять будет труднее. Тем не менее, нужно просто немного практики, чтобы привыкнуть к компонентам для поверхностного монтажа. Так что если вы готовы принять вызов, то дерзайте.

Не торопитесь и убедитесь, что он хорошо выглядит;) Следуйте рекомендациям по проектированию для рисования печатных плат.

По завершении запустите средство проверки правил проектирования (DRC), чтобы проверить, не допустили ли вы ошибок.

Шаг 4: Сделайте свою печатную плату

Когда вы закончите рисовать свою печатную плату, вам нужно сделать дизайн. Вы можете протравить свою печатную плату дома, но я предпочитаю просто заказать печатную плату у одного из многих производителей печатных плат.

Это действительно не дорого. Например, нередко можно увидеть предложения 5 копий вашей доски менее чем за 5 долларов США! И вам не нужно возиться с химическими веществами в одиночку.

Вот некоторые из моих любимых:

Классический способ отправки макета платы производителю — создание файлов Gerber на основе вашего дизайна.Но некоторые (например, OSH Parks) также принимают файлы KiCad напрямую, так что вам не нужно выполнять какие-либо преобразования.

Шаг 5: Заказ компонентов

Обычно требуется некоторое время, прежде чем ваша печатная плата будет готова. Так что пока вы ждете, убедитесь, что у вас есть все необходимые компоненты. Нет ничего хуже, чем получить новую печатную плату, просто чтобы понять, что вам не хватает некоторых ключевых компонентов!

Я составил список магазинов, где можно купить электронные компоненты в Интернете. В перечисленных магазинах я либо пользовался сам, либо знаю кого-то, кто ими пользовался.

Шаг 6: Сборка печатной платы — Припаивание компонентов к плате

Печатная плата только что вынута из принтера. Вы заказали и получили компонент. Пришло время самого интересного — воспитания печатных плат!

Подготовьте верстак и достаньте паяльные инструменты. Разложите компоненты и печатную плату на рабочем столе.

Имейте рядом свой компьютер с PCB Design, чтобы при необходимости можно было проверить ориентацию и стоимость компонентов.Если это невозможно, распечатайте схему со значениями и макетом платы.

Сделайте себе чашку кофе и приступайте к пайке!

Вопросы?

Что вас больше всего беспокоит, вызывает сомнения или вопросы по поводу дизайна печатной платы? Что-то мешает вам сделать свою первую печатную плату? Дайте мне знать в поле для комментариев ниже!

10 простых шагов для проектирования печатной платы

Altium Designer

| & nbsp Создано: 31 августа 2018 г. & nbsp | & nbsp Обновлено: 25 сентября 2020 г.

Трудно понять, как проектировать платы печатных плат, но правильное программное обеспечение для проектирования печатных плат может иметь большое значение.Другие инженеры нашли время, чтобы изучить искусство проектирования печатных плат, и вы можете извлечь пользу из их опыта. Если вы новичок в проектировании печатных плат и все еще учитесь проектированию нестандартных печатных плат в Altium Designer ^® , мы собрали 10 важных шагов, которые вы можете использовать для создания современных макетов печатных плат практически для любого приложения.

В любой спроектированной конструкции есть много всего, от базовой печатной схемы до сложной нежесткой печатной платы. Любое новое электронное устройство начинается с блок-схемы и / или набора электронных схем.После того, как вы закончите и подтвердите свою схему, вы можете выполнить следующие шаги, чтобы создать современные макеты печатных плат в Altium Designer. Вот полный список этапов компоновки и проектирования печатной платы:

1. Создание схемы
2. Создайте пустую компоновку печатной платы
Захват схемы
3. : подключение к печатной плате
4. Создание стека печатных плат
5. Определение правил проектирования и требований DFM
6. Размещение компонентов
7. Вставить отверстия для сверления
8. Следы маршрута
9. Добавить метки и идентификаторы
10. Создание файлов проекта

Как спроектировать печатную плату за 10 шагов

При разработке печатной платы иногда может казаться, что создание окончательного дизайна будет долгим и трудным.Будь то основы микроменеджмента вашей меди и припоя, или попытка убедиться, что ваша печатная плата в конечном итоге будет напечатана, или решение более конкретных проблем проектирования, таких как технология сквозных отверстий или проектирование макета с переходными отверстиями, контактными площадками и любым количеством проблемы с целостностью сигнала, убедитесь, что у вас есть подходящее программное обеспечение для проектирования.

Если вы занимаетесь этим десятилетиями, вам не нужно, чтобы я рассказывал вам, насколько ценно знание вашего программного обеспечения для проектирования для правильного проектирования печатных плат.Разметка трасс для разводки и размещения меди или управление слоем, необходимым для пайки, может стать трудным без точной и надежной интеграции от захвата схемы до разводки.

Несмотря на то, что Altium Designer представляет собой обширную программу, пользовательский опыт очень полезен как для новых, так и для опытных разработчиков печатных плат. Он предлагает среду проектирования, созданную с нуля для упрощенного процесса проектирования пользовательских плат в единой унифицированной среде компоновки печатных плат.

Шаг 1. Создайте схему

Создаете ли вы свой дизайн по шаблону или создаете печатную плату с нуля, вероятно, лучше всего начать со схемы. Ваша схема похожа на чертежи вашего нового устройства, и важно понимать, что показано на ваших схемах. Во-первых, ваши схемы показывают вам следующее:

• Какие компоненты используются в вашем дизайне
• Как компоненты соединяются вместе
• Взаимосвязи между группами компонентов в различных схемах

Последний пункт выше очень важен, поскольку в сложных проектах могут использоваться иерархические схемы.Вы можете обеспечить значительную организацию в своей новой плате, если вы примените иерархический подход к своему дизайну и разместите разные блоки схемы в разных схемах. Вы можете узнать больше о ценности хорошо разработанных схем от Карла Шаттке в подкасте OnTrack.

Редактор схем в Altium Designer

Не только легче определять и редактировать взаимосвязь схем, но и преобразовывать схему в макет платы намного проще, чем проектировать непосредственно на плате.Что касается компонентов, в Altium Designer есть обширная база данных библиотек компонентов. Кроме того, вы можете использовать Altium Vault, который предоставляет доступ к тысячам библиотек компонентов и добавляет гибкости в управление проектами и разработку продуктов. Однако вы также можете разработать свои собственные схематические символы и создать посадочные места. Или, если вы хотите создать деталь для вас, попробуйте услугу Altium EE Concierge.

Шаг 2. Создайте пустую компоновку печатной платы

После того, как вы создали свою схему, вам нужно будет использовать инструмент захвата схемы в Altium Designer, чтобы импортировать компоненты в пустую компоновку печатной платы.Сначала создайте пустой документ печатной платы, который будет генерировать файл PcbDoc. Это делается из главного меню Altium Designer, как показано ниже.

Запуск нового проекта печатной платы в Altium Designer

Если форма печатной платы, размеры и набор слоев для вашей платы уже определены, вы можете установить их сейчас. Если вы не хотите выполнять эти задачи сейчас, не волнуйтесь, форма, размер и набор слоев вашей доски (см. Шаг 4 ниже) могут быть изменены позже.Информация о схемах становится доступной для PcbDoc путем компиляции SchDoc. Процесс компиляции включает проверку дизайна и создание нескольких ваших проектных документов, которые позволяют вам проверять и исправлять дизайн до передачи в PcbDoc, например, тех, что показаны ниже. На этом этапе настоятельно рекомендуется просмотреть и обновить параметры проекта, которые используются для создания информации PcbDoc.

Варианты проекта для преобразования в печатную плату

Шаг 3: Захват схемы: подключение к печатной плате

Все инструменты Altium Designer работают в единой среде проектирования, где схема, макет печатной платы и спецификация взаимосвязаны и доступны одновременно.Другие программы заставляют вас вручную компилировать данные схемы, но Altium Designer делает это автоматически, пока вы создаете свой проект. Чтобы передать информацию SchDoc во вновь созданный PcbDoc, нажмите Design »Update PCB {Filename of your new PCB} .PcbDoc. Откроется диалоговое окно Engineering Change Order (ECO) со списком всех компонентов и цепей из схемы, аналогичное приведенному ниже.

Пример заказа на технические изменения

Проверьте изменения (добавление информации SchDoc в проект без ошибок), щелкнув вкладку «Подтвердить изменения».Если статус всех элементов зеленый, щелкните вкладку «Выполнить изменения». Чтобы завершить процесс, закройте диалог.

Шаг 4. Разработка стека печатных плат

Когда вы переносите информацию о вашей схеме в PcbDoc, посадочные места компонентов отображаются в дополнение к указанному контуру платы. Перед размещением компонентов вы должны определить компоновку печатной платы (то есть форму, набор слоев) с помощью диспетчера слоев слоев, показанного ниже.

Если вы новичок в мире проектирования печатных схем, большинство современных концепций проектирования печатных плат будут начинаться с четырехслойной платы на FR4, хотя вы можете определить любое количество слоев в Altium Designer.Вы также можете воспользоваться библиотекой стека материалов; это позволяет вам выбирать из целого ряда различных ламинатов и уникальных материалов для вашей печатной платы.

Определение стека слоев

Если вы работаете над высокоскоростной / высокочастотной конструкцией, вы можете использовать встроенный профилировщик импеданса, чтобы обеспечить контроль импеданса на вашей плате. Инструмент профиля импеданса использует встроенный решатель электромагнитного поля от Simberian, чтобы адаптировать геометрию ваших графиков к целевому значению импеданса.

Определение профиля импеданса для разводки в конструкции высокоскоростной печатной платы

Шаг 5: Определение правил проектирования и требований DFM

Количество категорий правил проектирования печатных плат обширно, и вам может не потребоваться использовать все эти доступные правила для каждого проекта. Вы можете выбрать / отменить выбор отдельных правил, щелкнув правой кнопкой мыши соответствующее правило из списка в редакторе правил и ограничений платы ниже.

Редактор правил и ограничений для плат в Altium Designer

Правила, которые вы используете, особенно при производстве, должны соответствовать спецификациям и допускам для оборудования вашего производителя печатной платы.Передовые конструкции, такие как конструкции с контролируемым импедансом и ряд высокоскоростных / высокочастотных схем, могут потребовать очень специфических правил проектирования, которые необходимо соблюдать для обеспечения правильной работы вашего продукта. Всегда проверяйте спецификации компонентов на соответствие этим правилам проектирования. При необходимости вы можете создать новые правила проектирования, следуя инструкциям мастера правил проектирования Altium Designer.

Мастер правил проектирования печатных плат в Altium Designer

Altium Designer будет обрабатывать ваши пользовательские правила проектирования так же, как встроенные правила проектирования.Когда вы размещаете компоненты, переходные отверстия, просверливание отверстий и трассировки, единый механизм проектирования в Altium Designer автоматически проверяет компоновку на соответствие этим правилам и визуально помечает вас в случае нарушения.

Шаг 6: Размещение компонентов

Altium Designer обеспечивает большую гибкость и позволяет быстро размещать компоненты на печатной плате. Вы можете расположить компоненты автоматически или вручную. Вы также можете использовать эти параметры вместе, что позволяет вам воспользоваться преимуществами скорости автоматического размещения и убедиться, что ваша плата размещена в соответствии с хорошими рекомендациями по размещению компонентов.Дополнительная расширенная функция этой последней версии Altium Designer — это возможность упорядочивать компоненты в виде групп. Вы можете определить эти группы в компоновке печатной платы, или вы можете определить группы на схеме, используя режим перекрестного выбора, который доступен из меню Инструменты.

Размещение компонентов с использованием режима перекрестного выбора

Шаг 7: Вставьте отверстия для сверления

Перед тем, как разводить дорожки, рекомендуется просверлить отверстия (монтажные и переходные).Если ваша конструкция сложна, вам может потребоваться изменить по крайней мере некоторые из местоположений переходных отверстий во время трассировки. Это можно легко сделать из диалогового окна «Свойства», показанного ниже.

Диалоговое окно параметров сверления отверстий

Ваши предпочтения здесь должны основываться на технических характеристиках конструкции для производства (DFM) вашего производителя печатной платы. Если вы уже определили требования DFM вашей печатной платы в качестве правил проектирования (см. Шаг 5), Altium Designer будет автоматически проверять эти правила, когда вы размещаете переходные отверстия, просверливаете отверстия, контактные площадки и дорожки в макете.

Шаг 8: Трассы маршрута

После того, как вы разместили компоненты и любые другие механические элементы, вы готовы провести трассировку. Обязательно соблюдайте правила маршрутизации и используйте инструменты Altium Designer для упрощения процесса, такие как выделение цепей и цветовое кодирование с помощью маршрутизации, как показано ниже.

Цветовая кодировка через разводку

Altium Designer включает ряд важных инструментов, которые помогут сделать вашу маршрутизацию проще и продуктивнее.У вас будет доступ к мощному автотрассировщику и инструментам автоматической интерактивной трассировки. Эти инструменты будут работать с несколькими сетями одновременно, что упрощает одновременную трассировку большого количества трасс.

Шаг 9: Добавьте метки и идентификаторы

После проверки макета печатной платы вы можете добавлять на плату ярлыки, идентификаторы, маркировку, логотип или любые другие изображения. Рекомендуется использовать ссылочные идентификаторы для компонентов, так как это поможет при сборке печатной платы. Также включите индикаторы полярности, индикаторы контакта 1 и любые другие метки, которые помогут идентифицировать компоненты и их ориентацию.Что касается логотипов и изображений, лучше всего проконсультироваться с производителем вашей печатной платы, чтобы убедиться, что вы используете читаемые шрифты.

Этикетки добавлены к шелкографии

Шаг 10: Создание файлов проекта

Перед тем, как создавать документы производителя, всегда полезно проверить макет печатной платы, выполнив проверку правил проектирования (DRC). Altium Designer будет делать это автоматически при компоновке компонентов и маршрутизации проекта, но никогда не помешает запустить другой DRC вручную.Если ваша плата прошла проверку, вы готовы опубликовать результаты своей работы от производителя.

После того, как ваша плата прошла окончательный DRC, вам необходимо сгенерировать файлы дизайна для вашего производителя. Файлы дизайна должны включать всю информацию и данные, необходимые для сборки вашей платы; включая любые примечания или особые требования, чтобы ваш производитель четко понимал, что вам нужно. Для большинства производителей вы сможете использовать набор файлов Gerber, как показано ниже; однако некоторые производители предпочитают другие форматы файлов САПР.

Набор надфилей Gerber

Выполнив описанные выше шаги, процесс создания всеобъемлющего дизайна станет таким же простым, как сосчитать до десяти. Подобный систематический подход гарантирует, что все аспекты вашего дизайна будут учтены во время процесса, с минимальной необходимостью повторять ваши шаги.

Altium Designer — это расширенный пакет для проектирования и разработки печатных плат, который предоставляет вам множество инструментов для упрощения сложных задач проектирования.Но обсуждаемые здесь функциональные возможности и возможности — это лишь малая часть того, что вам доступно. Чтобы изучить эти и другие варианты, протестируйте программу самостоятельно с помощью бесплатной пробной версии. Для получения дополнительной информации о проектировании печатной платы с помощью Altium Designer обратитесь к эксперту по проектированию печатных плат Altium Designer. Вы также можете продолжить свое учебное путешествие, послушав подкаст Altium.

Основы

PCB — learn.sparkfun.com

Обзор

Одно из ключевых понятий в электронике — это печатная плата или печатная плата.Это настолько фундаментально, что люди часто забывают объяснить, что такое PCB . В этом руководстве мы разберем, из чего состоит печатная плата, и разберем некоторые общие термины, используемые в мире печатных плат.

На следующих нескольких страницах мы обсудим состав печатной платы, рассмотрим некоторую терминологию, взглянем на методы сборки и кратко обсудим процесс проектирования, лежащий в основе создания новой печатной платы.

Рекомендуемая литература

Перед тем, как начать, вы можете ознакомиться с некоторыми концепциями, которые мы используем в этом руководстве:

---

Переводы

Минь Туун любезно перевел этот учебник на вьетнамский язык.Посмотреть перевод можно здесь.

Что такое печатная плата?

Печатная плата — наиболее распространенное название, но ее также можно назвать «печатными монтажными платами» или «печатными монтажными платами». До появления печатных плат схемы создавались посредством трудоемкого процесса двухточечной проводки. Это приводило к частым отказам в местах соединения проводов и коротким замыканиям, когда изоляция проводов начинала стареть и трескаться.

->
любезно предоставлено пользователем Википедии Wikinaut <-

Значительным достижением стала разработка обмотки проводов, при которой провод небольшого калибра буквально наматывается на столб в каждой точке соединения, создавая газонепроницаемое соединение, которое является очень прочным и легко заменяемым.

По мере того, как электроника перешла от электронных ламп и реле к кремниевым и интегральным схемам, размер и стоимость электронных компонентов начали уменьшаться. Электроника стала более распространенной в потребительских товарах, и давление, направленное на уменьшение размеров и затрат на производство электронной продукции, побудило производителей искать лучшие решения. Так родилась печатная плата.

PCB — это аббревиатура от печатной платы . Это доска, на которой есть линии и контактные площадки, соединяющие различные точки вместе.На изображении выше есть следы, которые электрически соединяют различные разъемы и компоненты друг с другом. Печатная плата позволяет передавать сигналы и питание между физическими устройствами. Припой — это металл, который обеспечивает электрические соединения между поверхностью печатной платы и электронными компонентами. Припой, являясь металлом, также служит прочным механическим клеем.

Композиция

Печатная плата похожа на слоеный пирог или лазанью — есть чередующиеся слои разных материалов, которые ламинируются вместе с помощью тепла и клея, так что в результате получается один объект.

Давайте начнем с середины и продолжим работу.

FR4

Основным материалом или подложкой обычно является стекловолокно. Исторически наиболее распространенным обозначением для этого стекловолокна является «FR4». Этот прочный сердечник придает печатной плате жесткость и толщину. Существуют также гибкие печатные платы, построенные на гибком жаропрочном пластике (каптон или аналог).

Вы найдете много печатных плат разной толщины; наиболее распространенная толщина продуктов SparkFun — 1,6 мм (0.063 «). В некоторых наших продуктах — платах LilyPad и Arudino Pro Micro — используется плата толщиной 0,8 мм.

Более дешевые печатные платы и перфорированные платы (показанные выше) будут изготавливаться из других материалов, таких как эпоксидные смолы или фенолы, которые не обладают долговечностью FR4, но намного дешевле. Вы поймете, что работаете с этим типом печатной платы, когда припаяете к ней — они имеют очень неприятный запах. Эти типы подложек также обычно встречаются в бытовой электронике низкого уровня. Фенольные смолы имеют низкую температуру термического разложения, что приводит к их расслаиванию, дымлению и обугливанию, когда паяльник слишком долго удерживается на плате.

Медь

Следующий слой представляет собой тонкую медную фольгу, которую ламинируют на плату с помощью тепла и клея. На обычных двусторонних печатных платах медь наносится на обе стороны подложки. В более дешевых электронных устройствах печатная плата может иметь медь только с одной стороны. Когда мы говорим о двухсторонней плате или двухслойной плате , мы имеем в виду количество слоев меди (2) в нашей лазаньи. Это может быть всего лишь 1 слой или целых 16 или более слоев.

Печатная плата с открытой медью, без паяльной маски и шелкографии.

Толщина меди может варьироваться и указывается по весу в унциях на квадратный фут. Подавляющее большинство печатных плат содержат 1 унцию меди на квадратный фут, но некоторые печатные платы, которые работают с очень высокой мощностью, могут использовать 2 или 3 унции меди. Каждая унция на квадрат соответствует примерно 35 микрометрам или 1,4 тысячным дюйма толщины меди.

Паяльная маска

Слой поверх медной фольги называется слоем паяльной маски. Этот слой придает печатной плате зеленый (или, в SparkFun, красный) цвет.Он накладывается на медный слой, чтобы изолировать медные следы от случайного контакта с другим металлом, припоем или токопроводящими насадками. Этот слой помогает пользователю паять в правильных местах и ​​предотвращает возникновение перемычек.

В приведенном ниже примере зеленая паяльная маска применяется к большей части печатной платы, закрывая небольшие следы, но оставляя серебряные кольца и контактные площадки SMD открытыми, чтобы их можно было припаять.

Паяльная маска чаще всего зеленого цвета, но возможен почти любой цвет.Мы используем красный почти для всех плат SparkFun, белый для платы IOIO и фиолетовый для плат LilyPad.

шелкография

Белый слой шелкографии наносится поверх слоя паяльной маски. Шелкография добавляет к печатной плате буквы, числа и символы, которые упрощают сборку, и индикаторы для лучшего понимания платы людьми. Мы часто используем шелкографические метки, чтобы указать, какова функция каждого контакта или светодиода.

Шелкография чаще всего белая, но можно использовать чернила любого цвета.Широко доступны черный, серый, красный и даже желтый цвета шелкографии; Однако редко можно увидеть более одного цвета на одной доске.

Терминология

Теперь, когда у вас есть представление о структуре печатной платы, давайте определим некоторые термины, которые вы можете услышать при работе с печатными платами:

• Кольцевое кольцо — кольцо из меди вокруг металлического сквозного отверстия в печатной плате.

Примеры кольцевых колец.

• DRC — проверка правил проектирования.Программная проверка вашего дизайна, чтобы убедиться, что он не содержит ошибок, таких как неправильно соприкасающиеся следы, слишком тонкие следы или просверливание слишком маленьких отверстий.
• Drill hit — места на конструкции, в которых следует просверлить отверстия или где они действительно были просверлены на доске. Неточные удары сверла, вызванные затупившимися сверлами, являются распространенной производственной проблемой.

Не очень точные, но функциональные попадания сверла.

• Finger — открытые металлические площадки по краю платы, используемые для соединения двух печатных плат.Распространенные примеры — по краям компьютерных плат расширения или памяти, а также старых видеоигр на основе картриджей.
• Мышиные укусы — альтернатива v-score для отделения досок от панелей. Несколько ударов сверла сгруппированы близко друг к другу, создавая слабое место, где доску можно легко сломать. См. Хороший пример на досках SparkFun Protosnap.

Укусы мыши на LilyPad ProtoSnap позволяют легко отделять печатную плату.

• Контактная площадка — участок обнаженного металла на поверхности платы, к которому припаян компонент.

Контактные площадки PTH (сквозное отверстие) слева, контактные площадки SMD (устройство для поверхностного монтажа) справа.

• Панель — большая печатная плата, состоящая из множества меньших плат, которые перед использованием будут разобраны. У автоматизированного оборудования для работы с печатными платами часто возникают проблемы с меньшими платами, и, объединяя несколько плат одновременно, процесс можно значительно ускорить.
• Трафарет для пасты — тонкий металлический (или иногда пластиковый) трафарет, который накладывается на плату и позволяет наносить паяльную пасту на определенные участки во время сборки.

ReplaceMeOpen

ReplaceMeClose

Abe быстро демонстрирует, как выровнять трафарет с пастой и нанести паяльную пасту.

• Самовывоз — машина или процесс, с помощью которого компоненты размещаются на печатной плате.

ReplaceMeOpen

ReplaceMeClose

Боб показывает нам машину SparkFun MyData Pick and Place. Это довольно круто.

• Плоскость — сплошной медный блок на печатной плате, обозначенный границами, а не дорожкой. Также обычно называют «заливкой».

Различные части печатной платы, на которых нет следов, но вместо них нанесен грунт.

• Металлическое сквозное отверстие — отверстие на плате, имеющее кольцевое кольцо и покрытое металлической пластиной насквозь.Может быть точкой соединения для компонента со сквозным отверстием, переходным отверстием для передачи сигнала или монтажным отверстием.

Резистор PTH, вставленный в печатную плату FabFM, готовый к пайке. Ножки резистора продеваются сквозь отверстия. К металлическим отверстиям могут быть прикреплены следы на передней и задней части печатной платы.

• Pogo pin — подпружиненный контакт, используемый для временного подключения в целях тестирования или программирования.

Популярная булавка с заостренным концом.Мы используем их огромное количество на наших испытательных стендах.

• Reflow — плавление припоя для создания стыков между контактными площадками и выводами компонентов.
• Silkscreen — буквы, цифры, символы и изображения на печатной плате. Обычно доступен только один цвет и разрешение обычно довольно низкое.

Шелкография, идентифицирующая этот светодиод как светодиод питания.

• Прорезь — любое отверстие в плате некруглой формы.Слоты могут быть покрыты, а могут и не быть. Слоты иногда увеличивают стоимость платы, поскольку требуют дополнительного времени на вырезку.

В ProtoSnap — Pro Mini прорезаны сложные слоты. Также показано множество укусов мышей. Примечание: углы пазов не могут быть полностью квадратными, потому что они прорезаны круговой фрезой.

• Паяльная паста — маленькие шарики припоя, взвешенные в гелевой среде, которые с помощью трафарета для пасты наносятся на контактные площадки для поверхностного монтажа на печатной плате перед размещением компонентов.Во время оплавления припой в пасте плавится, создавая электрические и механические соединения между контактными площадками и компонентом.

Паяльная паста на печатной плате незадолго до установки компонентов. Обязательно ознакомьтесь с описанием * пасты трафарета выше. *

• Горшок для припоя — горшок, используемый для быстрой пайки плат со сквозными отверстиями. Обычно содержит небольшое количество расплавленного припоя, в который плата быстро погружается, оставляя паяные соединения на всех открытых площадках.
• Soldermask — слой защитного материала, нанесенный на металл для предотвращения коротких замыканий, коррозии и других проблем. Часто зеленый, хотя возможны другие цвета (красный SparkFun, синий Arduino или черный Apple). Иногда упоминается как «сопротивляться».

Паяльная маска закрывает сигнальные дорожки, но оставляет контактные площадки для пайки.

• Перемычка припоя — небольшая капля припоя, соединяющая два соседних контакта на компоненте на печатной плате.В зависимости от конструкции, паяльная перемычка может использоваться для соединения двух контактных площадок или контактов. Это также может стать причиной нежелательных коротких замыканий.
• Поверхностный монтаж — метод конструкции, позволяющий просто устанавливать компоненты на плату, не требуя, чтобы провода проходили через отверстия в плате. Сегодня это преобладающий метод сборки, который позволяет быстро и легко устанавливать платы.
• Thermal — небольшой след, используемый для соединения контактной площадки с плоскостью. Если контактная площадка не подвергается термической разгрузке, становится трудно нагреть контактную площадку до достаточно высокой температуры для создания хорошего паяного соединения.Контактная площадка с неправильной термической разгрузкой будет казаться «липкой» при попытке припаять ее, и на ее оплавление уйдет слишком много времени.

Слева паяльная площадка с двумя небольшими дорожками (термиками), соединяющими контакт с заземляющей пластиной. Справа — переходное отверстие без термиков, полностью соединяющее его с заземляющей пластиной.

• Воровство — штриховка, линии сетки или точки из меди, оставленные в областях платы, где нет плоскости или следов.Снижает сложность травления, поскольку для удаления ненужной меди требуется меньше времени в ванне.
• Trace — непрерывный путь меди на печатной плате.

-> Небольшая дорожка, соединяющая площадку Reset с другим местом на плате. Более крупная и толстая дорожка подключается к выводу питания 5V . <-

• V-образный разрез — частичный разрез доски, позволяющий легко защелкнуть доску вдоль линии.
• Через — отверстие в плате, используемое для передачи сигнала от одного уровня к другому. Переходные отверстия закрыты паяльной маской для защиты от припаивания. Переходные отверстия, к которым должны быть прикреплены соединители и компоненты, часто открыты (открыты), чтобы их можно было легко припаять.

Передняя и задняя части одной и той же печатной платы со сквозным соединением. Это переходное отверстие передает сигнал с передней стороны печатной платы через ее середину на заднюю сторону.

• Волновой припой — метод пайки, используемый на платах с компонентами со сквозными отверстиями, когда плата пропускается над стоячей волной расплавленного припоя, который прилипает к открытым контактным площадкам и выводам компонентов.

Создайте свой собственный!

Как вы подходите к разработке своей собственной печатной платы? Все тонкости проектирования печатных плат слишком подробны, чтобы здесь углубляться, но если вы действительно хотите начать, вот несколько советов:

1. Найдите пакет САПР: на рынке существует множество недорогих или бесплатных вариантов проектирования печатных плат.На что следует обратить внимание при выборе пакета:
   • Поддержка сообщества: много ли людей используют этот пакет? Чем больше людей будет им пользоваться, тем больше у вас шансов найти готовые библиотеки с нужными вам частями.
   • Простота использования: если пользоваться им больно, не откажитесь.
   • Возможности: некоторые программы накладывают ограничения на ваш дизайн — количество слоев, количество компонентов, размер платы и т. Д. Большинство из них позволяют вам платить за лицензию для обновления их возможностей.
   • Переносимость: некоторые бесплатные программы не позволяют экспортировать или преобразовывать ваши проекты, ограничивая вас только одним поставщиком.Может быть, это справедливая цена за удобство и цену, а может, и нет.
2. Посмотрите на макеты других людей, чтобы увидеть, что они сделали. Оборудование с открытым исходным кодом делает это проще, чем когда-либо.
3. Практика, практика, практика.
4. Сохраняйте низкие ожидания. У вашего первого дизайна доски будет много проблем. У вашего 20-го дизайна доски будет меньше, но все равно будет. Вы никогда не избавитесь от них всех.
5. Схемы важны. Пытаться сначала спроектировать плату без хорошей схемы — бесполезное занятие.

Наконец, несколько слов о полезности разработки собственных печатных плат. Если вы планируете выполнить более одного или двух проектов в рамках одного проекта, окупаемость разработки платы будет довольно хорошей — схемы подключения точка-точка на прототипной плате — это хлопот, и они, как правило, менее надежны, чем специально разработанные. доски. Это также позволяет вам продавать свой дизайн, если он окажется популярным.

Как разработать макет печатной платы

Макетные платы

отлично подходят для создания прототипов схем, но они не так хороши для фактического использования того, что вы создаете.В какой-то момент вы, вероятно, захотите сделать проект более постоянным. Лучше всего это сделать на печатной плате.

В этом руководстве я расскажу вам, как разработать макет печатной платы и напечатать ее на заказном изготовителе печатной платы. Производительность вашей схемы будет во многом зависеть от того, как она размещена на печатной плате, поэтому я дам вам много советов, как оптимизировать вашу конструкцию.

Вы всегда можете протравить печатные платы дома с помощью процесса, аналогичного проявлению отпечатков с фотопленки.Но этот метод грязный и требует использования большого количества химикатов. Гораздо проще (и дешевле) получить печатную плату от профессионального производителя. Чтобы продемонстрировать процесс, я воспользуюсь онлайн-сервисом EasyEDA для разработки макета печатной платы для аудиоусилителя LM386, затем я изготовлю его и покажу вам результаты. Их бесплатное программное обеспечение для онлайн-дизайна прост в использовании, а цены очень доступны.

Все начинается со схемы

Перед тем, как приступить к проектированию печатной платы, неплохо было бы сделать схему вашей схемы.Схема будет служить планом для разметки трасс и размещения компонентов на печатной плате. Кроме того, программное обеспечение для редактирования печатных плат может импортировать все компоненты, посадочные места и провода в файл печатной платы, что упростит процесс проектирования (подробнее об этом позже).

Начните с входа в EasyEDA и создайте новый проект:

Находясь на стартовой странице, щелкните вкладку «Новая схема»:

Теперь вы увидите пустой холст, на котором можно нарисовать схему:

Лучше всего разместить все схематические символы на холсте, прежде чем рисовать какие-либо провода.В EasyEDA условные обозначения находятся в «Библиотеках». Библиотека EasyEDA по умолчанию содержит большинство общих символов, но есть также «библиотеки, созданные пользователем» с множеством других символов:

С каждым используемым вами схематическим обозначением должно быть связано посадочное место на плате. Посадочное место на печатной плате будет определять физические размеры компонента и размещение медных площадок или сквозных отверстий. Сейчас хорошее время, чтобы решить, какие компоненты вы будете использовать.

Схематические символы в библиотеке EasyEDA уже имеют связанные с ними посадочные места, но их можно изменить, если вы используете другой размер или стиль:

Чтобы изменить посадочное место, связанное со схематическим символом, найдите в библиотеках «Создано пользователем» посадочное место, которое соответствует используемому вами компоненту.Как только вы найдете его, нажмите на значок сердца, чтобы добавить его в избранное:

Затем скопируйте имя компонента:

Теперь щелкните символ в редакторе схем и вставьте имя нового посадочного места в поле «package» в меню правой боковой панели (см. Видео ниже для демонстрации):

После того, как все ваши символы размещены на схеме и вы назначили посадочные места для каждого символа, пора приступить к рисованию проводов.Вместо того, чтобы объяснять детали всего этого в этой статье, я снял видео, чтобы вы могли посмотреть, как я рисую схему моего аудиоусилителя LM386:

После того, как все подключения выполнены, рекомендуется промаркировать символы. Этикетки будут перенесены на макет печатной платы и в конечном итоге будут напечатаны на готовой печатной плате. У каждого символа есть имя (R1, R2, C1, C2 и т. Д.) И значение (10 мкФ, 100 Ом и т. Д.), Которые можно редактировать, щелкнув по метке.

Следующим шагом является импорт схемы в редактор плат, но прежде чем мы это сделаем, давайте поговорим о некоторых вещах, которые следует учитывать при проектировании печатной платы.

Оптимизация конструкции печатной платы

Определите, что делает каждая часть вашей схемы, и разделите схему на секции в соответствии с функциями. Например, моя схема аудиоусилителя LM386 состоит из четырех основных частей: источника питания, аудиовхода, LM386 и аудиовыхода. На этом этапе может помочь нарисовать несколько диаграмм, которые помогут вам визуализировать дизайн, прежде чем вы начнете его выкладывать.

Держите компоненты в каждой секции сгруппированными вместе в одной и той же области печатной платы, чтобы токопроводящие дорожки были короткими.Длинные следы могут улавливать электромагнитное излучение от других источников, что может вызывать помехи и шум.

Различные участки вашей цепи должны быть расположены так, чтобы путь электрического тока был как можно более линейным. Сигналы в вашей цепи должны проходить по прямому пути от одной секции к другой, что позволит сократить длину следа.

На каждую секцию цепи должно подаваться питание с отдельными трассами одинаковой длины. Это называется звездообразной конфигурацией , и она гарантирует, что каждая секция получает одинаковое напряжение питания.Если секции соединены в гирляндную конфигурацию, ток, потребляемый из секций, расположенных ближе к источнику питания, вызовет падение напряжения и приведет к снижению напряжения на участках, удаленных от источника питания:

Форма и размер печатной платы

Нередко можно увидеть печатную плату круглой, треугольной или другой интересной формы. Большинство печатных плат имеют минимально возможные размеры, но в этом нет необходимости, если ваше приложение этого не требует.

Если вы планируете разместить печатную плату в корпусе, размеры могут быть ограничены размером корпуса.В этом случае вам нужно будет узнать размеры корпуса, прежде чем устанавливать печатную плату, чтобы все поместилось внутри.

Компоненты, которые вы используете, также будут влиять на размер готовой печатной платы. Например, компоненты для поверхностного монтажа имеют небольшой размер и низкий профиль, поэтому вы сможете уменьшить размер печатной платы. Компоненты со сквозными отверстиями больше по размеру, но их часто легче найти и легче паять.

Пользовательские интерфейсы

Расположение компонентов, таких как разъемы питания, потенциометры, светодиоды и аудиоразъемы в вашем готовом проекте, повлияет на расположение вашей печатной платы.Нужен ли вам светодиод рядом с выключателем питания, чтобы указать, что он включен? Или вам нужно поставить потенциометр громкости рядом с потенциометром усиления? Для лучшего взаимодействия с пользователем вам, возможно, придется пойти на некоторые компромиссы и спроектировать остальную часть вашей печатной платы с учетом расположения этих компонентов.

Слои печатной платы

Схемы большего размера сложно спроектировать на однослойной печатной плате, потому что сложно провести трассы, не пересекая друг друга. Возможно, вам придется использовать два медных слоя с трассировками, проложенными с обеих сторон печатной платы.

Трассы на одном слое могут быть соединены с другим уровнем с помощью через . Переходное отверстие представляет собой покрытое медью отверстие в печатной плате, которое электрически соединяет верхний слой с нижним слоем. Вы также можете соединить верхнюю и нижнюю дорожки в сквозном отверстии компонента:

Слои земли

Некоторые двухслойные печатные платы имеют слой заземления, где весь нижний слой покрыт медной пластиной, соединенной с землей. Положительные дорожки прокладываются сверху, а соединения с землей выполняются через сквозные отверстия или переходные отверстия.Слои заземления хороши для схем, которые подвержены помехам, потому что большая площадь меди действует как экран от электромагнитных полей. Они также помогают рассеивать тепло, выделяемое компонентами.

Толщина слоя

Большинство производителей печатных плат разрешают заказывать слои разной толщины. Вес меди — это термин, который производители используют для описания толщины слоя, и он измеряется в унциях. Толщина слоя влияет на то, сколько тока может протекать по цепи, не повреждая следы.Ширина дорожки — еще один фактор, который влияет на то, сколько тока может безопасно проходить через цепь (обсуждается ниже). Чтобы определить безопасные значения ширины и толщины, вам необходимо знать силу тока, которая будет протекать через рассматриваемую дорожку. Используйте онлайн-калькулятор ширины дорожки, чтобы определить идеальную толщину и ширину дорожки для заданной силы тока.

Следы печатной платы

Если вы посмотрите на профессионально разработанную печатную плату, вы, вероятно, заметите, что большинство медных дорожек изгибаются под углом 45 °.Одна из причин этого заключается в том, что углы 45 ° сокращают электрический путь между компонентами по сравнению с углами 90 °. Другая причина заключается в том, что высокоскоростные логические сигналы могут отражаться от задней части угла, вызывая помехи:

Если в вашем проекте используется цифровая логика или высокоскоростные протоколы связи выше 200 МГц, вам, вероятно, следует избегать углов 90 ° и переходных отверстий в ваших трассировках. Для более медленных трасс трассы под углом 90 ° не сильно повлияют на характеристики вашей цепи.

Ширина следа

Как и толщина слоя, ширина ваших следов будет влиять на то, сколько тока может протекать через вашу цепь, не повреждая цепь.

Близость трасс к компонентам и соседним трассам также определяет ширину трассы. Если вы разрабатываете небольшую печатную плату с большим количеством дорожек и компонентов, вам может потребоваться сузить дорожки, чтобы все подходило.

Создание макета печатной платы

Теперь, когда мы обсудили некоторые способы оптимизации конструкции печатной платы, давайте посмотрим, как компоновка печатной платы в EasyEDA.

Откройте схему в редакторе схем и нажмите кнопку «Преобразовать проект в плату»:

Посадочные места, связанные с каждым условным обозначением схемы, будут автоматически перенесены в редактор плат:

Обратите внимание на тонкие синие линии, соединяющие компоненты. Они называются ratsnest линиями. Линии Ratsnest — это виртуальные провода, которые представляют соединения между компонентами. Они показывают вам, где вам нужно проложить трассы в соответствии с проводными соединениями, которые вы создали в своей схеме:

Теперь вы можете приступить к расположению компонентов, учитывая приведенные выше советы по проектированию.Возможно, вы захотите провести небольшое исследование, чтобы выяснить, есть ли какие-либо особые требования к конструкции для вашей схемы. Некоторые схемы лучше работают с определенными компонентами в определенных местах. Например, в схеме усилителя LM386 развязывающие конденсаторы источника питания необходимо размещать близко к микросхеме, чтобы уменьшить шум.

После того, как вы расставили все компоненты, пора начинать рисовать следы. Используйте провода ratsnest в качестве приблизительного ориентира для прокладки каждой дорожки. Однако они не всегда показывают лучший способ прокладки трасс, поэтому рекомендуется вернуться к своей схеме, чтобы проверить правильность соединений.

Трассы

также можно маршрутизировать автоматически с помощью программного обеспечения auto-router . Для сложных цепей, как правило, лучше маршрутизировать трассы вручную, но попробуйте автоматический маршрутизатор на более простых схемах и посмотрите, что у него получится. Вы всегда можете настроить отдельные трассы позже.

Это видео покажет вам, как рисовать следы в редакторе плат EasyEDA:

Теперь пора определить размер и форму контура печатной платы.Щелкните контур платы и перетащите каждую сторону, пока все компоненты не окажутся внутри:

Последнее, что нужно сделать перед размещением заказа, — это запустить проверку правил проектирования . Проверка правил проектирования покажет вам, перекрываются ли какие-либо компоненты или трассы трассируются слишком близко друг к другу. Проверку правил проектирования можно найти, нажав кнопку «Диспетчер дизайна» в правом боковом окне:

Элементы, не прошедшие проверку правил проектирования, будут перечислены под папкой «Ошибки DRC».Если вы нажмете на одну из ошибок, трассировка проблемы или компонент будут выделены в обзоре платы:

Вы можете указать свои собственные настройки для проверки правил проектирования, щелкнув раскрывающееся меню в верхнем правом углу и выбрав Разное> Настройки правил проектирования:

Откроется окно, в котором вы можете установить правила проектирования для ширины трассы, расстояния между трассами и других полезных параметров:

На этом этапе рекомендуется дважды сверить компоновку печатной платы со схемой, чтобы убедиться, что все подключено правильно.Если результат вас устраивает, следующим шагом будет заказ печатной платы. EasyEDA делает эту часть очень простой…

Заказ печатной платы

Начните с нажатия кнопки «Fabrication Output» в верхнем меню редактора плат:

Это перенесет вас на другой экран, где вы можете выбрать опции для вашего заказа печатной платы:

Вы можете выбрать количество плат, которые хотите заказать, количество слоев меди, толщину печатной платы, вес меди и даже цвет печатной платы.После того, как вы сделали свой выбор, нажмите «Сохранить в корзину», и вы попадете на страницу, где можете ввести свой адрес доставки и платежную информацию.

Вы также можете загрузить файлы Gerber своей печатной платы, если хотите отправить их другому производителю:

Gerber-файлы — это набор файлов изображений, содержащих шаблоны, используемые для изготовления вашей печатной платы. Все файлы сжаты в один файл .zip. Есть отдельный файл для медных дорожек, шелкографии и расположения просверленных отверстий и переходных отверстий:

Я заказал 15 печатных плат для схемы усилителя звука LM386, и их стоимость составила около 15 долларов США.Изготовление и доставка заняли около двух недель. Печатные платы были сделаны хорошо, и я не смог найти никаких дефектов. После того, как я припаял компоненты и протестировал усилитель, он отлично заработал. Вы можете клонировать мою схему усилителя LM386 и печатную плату здесь, если хотите.

Создание собственной нестандартной печатной платы — это очень весело, и результаты могут быть очень полезными. Надеюсь, эта статья поможет вам перенести прототип схемы на печатную плату. Сообщите нам в комментариях, если у вас есть какие-либо вопросы, и сообщите нам, какие проекты дизайна печатных плат вы запланировали.Если вам понравился этот урок и вы хотите, чтобы он понравился еще больше, обязательно подпишитесь!

Как разработать печатную плату, печатную плату »Электроника

При проектировании базовых плат печатных плат необходимо знать, как выполнить несколько ключевых этапов, чтобы создать наилучшую конструкцию печатной платы для конкретного приложения.

---

Конструкция печатной платы Включает:
Основы конструирования печатной платы Схема захвата и рисования Компоновка / разводка печатной платы Рекомендации по проектированию печатных плат Целостность сигнала печатной платы

---

Зная, как спроектировать печатную плату, печатная плата является ключевым элементом любого процесса проектирования электронных схем.

Компоновка и конструкция печатной платы имеют большое влияние на способ работы схемы, и поэтому, если печатная плата спроектирована эффективным образом, схема будет работать более надежно и в пределах своих технических характеристик.

Типовая сложная конструкция печатной платы

Оборудование для проектирования печатной платы

Для программ коммерческой разработки могут быть доступны САПР, пакеты автоматизированного проектирования, которые необходимы из-за сложности.

Даже для студентов и любителей есть много очень хороших пакетов, которые можно получить бесплатно по умеренной цене.

Старый процесс проектирования печатных плат с использованием ленты, помещенной на лист чертежа-эталона, давно ушел, хотя возможно, что это все еще может быть сделано в ряде очень ограниченных случаев.

Возможности программного обеспечения печатной платы значительно различаются. Бюджетное или даже бесплатное программное обеспечение обеспечивает основные функции, тогда как пакеты высшего уровня позволяют включить в дизайн гораздо больше возможностей. Доступны симуляции, сложная маршрутизация и многие другие возможности.

Возможность проводить моделирование становится все более требовательной по мере увеличения скорости цифровых плат, а радиочастотные конструкции достигают все более высоких частот.

Схема захвата

Первым этапом разработки дизайна печатной платы является создание схемы схемы. Этого можно добиться разными способами. Схемы могут быть введены в средство схематического захвата. Это может быть частью набора для проектирования печатных плат, или это может быть внешний пакет, выходные данные которого можно экспортировать в подходящем формате.

Помимо простого выполнения схематического захвата, на этом этапе может быть выполнено моделирование схемы.Некоторые пакеты могут иметь возможность взаимодействовать с пакетами моделирования. Для таких приложений, как моделирование конструкции ВЧ-схемы, можно будет оптимизировать окончательную схему без создания прототипа.

После завершения захвата схемы электронный дизайн схемы содержится в файле и может быть преобразован в так называемый «список соединений». Список соединений — это информация о взаимосвязях, и по сути это выводы компонентов и узлы схемы, или цепи, к которым подключается каждый вывод.

Дизайн печатной платы с указанием компонентов и дорожек

Первоначальное размещение компонентов на печатной плате

Прежде чем приступить к детальному проектированию и компоновке печатной платы, необходимо получить приблизительное представление о том, где будут располагаться компоненты и достаточно ли на плате места для размещения всех необходимых схем. Это позволит принять решение о количестве слоев, необходимых на плате, а также о том, достаточно ли места для размещения всех схем, которые могут потребоваться.

После того, как была сделана приблизительная оценка пространства и примерного расположения компонентов, можно сделать более детальную компоновку компонентов для проекта печатной платы.Это может учитывать такие аспекты, как близость устройств, которым может потребоваться связь друг с другом, и другую информацию, относящуюся, например, к любым соображениям RF.

Для того, чтобы компоненты могли быть включены в конструкцию печатной платы, они должны иметь всю соответствующую информацию, связанную с ними. Это будет включать площадь основания для контактных площадок печатной платы, любую информацию о сверлении, запрещенные зоны и т.п. Обычно несколько устройств могут иметь одну и ту же посадочную площадь, поэтому эту информацию не нужно вводить для каждого номера детали компонента.Однако библиотека для всех используемых устройств будет создана в системе проектирования компоновки печатных плат. Таким образом можно легко вызвать компоненты, которые использовались ранее.

Маршрут

После того, как базовое размещение завершено, следующим этапом проектирования печатной платы является разводка соединений между всеми компонентами. Затем программное обеспечение печатной платы направляет физические соединения на плате в соответствии со списком соединений на схеме. Для этого он будет использовать количество слоев, доступных для соединений, при необходимости создавая сквозные отверстия.Часто один слой выделяется для использования в качестве заземляющего слоя, а другой — для использования в качестве слоя питания. Это не только снижает уровень шума, но и позволяет подключать источник питания с низким сопротивлением.

Маршрутизация может использовать значительную вычислительную мощность. Это особенно верно для больших проектов, где может быть от трех до четырех тысяч компонентов. Если маршрутизация затруднена из-за высокой плотности компонентов, это может привести к тому, что маршрутизация займет значительное количество времени.

Файлы печатной платы: файлы Gerber и т. Д.

Информация для фото-схем разводки печатной платы выводится в виде файлов Gerber. Этот формат является стандартом для файлов печатных плат и представляет собой форму файла с числовым программным управлением, используемого фотоплоттером. В дополнение к файлам Gerber, также создается информация о сверлении, а также информация о снимках экрана и фоторезисте.

Одним из основных элементов стоимости печатной платы является сверление. В любой конструкции требуются отверстия для крепления, а также отверстия для любых необходимых компонентов.Однако для снижения затрат разумно использовать отверстия как можно меньшего размера. Таким образом, сверло нужно будет реже менять, а время сокращается.

После завершения информация о печатной плате будет использоваться во многих областях производственного процесса. Он будет использоваться не только для изготовления самой печатной платы, но и файлы будут использоваться в других областях производственного процесса. Их можно использовать для разработки программы выбора и размещения, и в дополнение к этому файлы могут использоваться при изготовлении паяльной маски для печатной платы для добавления паяльной пасты на плату перед размещением компонентов.Файлы также могут быть использованы для разработки различных форм тестовых программ, таких как «внутрисхемный тест» (ICT), и, в частности, при разработке любого устройства для тестирования гвоздей. Таким образом, конструкция печатной платы является важным элементом всего производственного процесса для любого продукта. Дизайн печатной платы — это больше, чем просто дизайн базовой платы.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Как сделать печатную плату (PCB) | Печатная плата

Если вы увлекаетесь электроникой, печатные платы являются одними из самых распространенных вещей, которые вы увидите. Эти платы облегчают нашу жизнь, устраняя все эти соединительные провода и макеты. При правильном дизайне он уменьшит размер вашего устройства и может выглядеть очень сексуально.

Что такое печатная плата?

Печатная плата (PCB) механически поддерживает и электрически соединяет электронные компоненты с помощью токопроводящих дорожек, контактных площадок и других элементов, вытравленных с медных листов, нанесенных на непроводящую подложку.Печатная плата имеет заранее спроектированные медные дорожки на проводящем листе. Предварительно определенные дорожки уменьшают количество проводов, тем самым уменьшая количество неисправностей, возникающих из-за ненадежных соединений. Достаточно просто разместить компоненты на печатной плате и припаять их.

В этом уроке я покажу вам, как легко сделать печатные платы в домашних условиях. Это сэкономит вам много времени на отладку и двойную проверку соединений на макетной плате. Вы даже можете создать свой собственный Arduino после прохождения этого руководства DIY Arduino после этого.Итак, сядьте и посмотрите, как это делается!

Какие существуют способы изготовления печатной платы?

Существует три основных метода изготовления печатной платы:

1. Метод утюга на глянцевой бумаге.
   
2. Схема вручную на печатной плате.
   
3. Лазерное травление режущей кромки.
   

Поскольку лазерный метод является промышленным методом изготовления печатных плат, мы подробно рассмотрим первые два метода.

Дизайн печатной платы:

Дизайн печатной платы обычно выполняется путем преобразования принципиальной схемы вашей схемы в компоновку печатной платы с помощью программного обеспечения для компоновки печатных плат.Существует множество интересных программных пакетов с открытым исходным кодом для создания и проектирования разводки печатных плат.

Некоторые из них перечислены здесь, чтобы дать вам фору:

1. Autodesk Eagle
   
2. PCBWizard
   

Проектирование электрической схемы в Autodesk Eagle:

В Eagle: Файл> Экспорт> Изображение Обязательно установите DPIG до 1200 для лучшего качества

Какие материалы необходимы для изготовления печатной платы?

7 советов по разработке печатной платы для начинающих | Ардуино

Кроме того, вы будете знать сопротивление, падение напряжения и потери мощности на трассе.

Таким образом, из этого приложения вы сможете определять ширину и другие свойства дорожек вашего проекта с хорошей безопасностью.

4 — Автоматический маршрутизатор и автоматическое размещение в дизайне печатной платы

Это два инструмента, которые широко используются многими новичками: автоматический маршрутизатор и автоматическое размещение. Однако будьте очень осторожны. Использовать их в своих проектах не очень удобно.

Автоматическая маршрутизация — это процесс, в котором программное обеспечение направляет все треки за вас.

В некоторых программах есть автоматический роутер, однако в процессе использования мы заметили большой беспорядок на дорожках при применении этого инструмента. Несмотря на то, что программа имеет отличную систему маршрутизации следа, мы поняли, что использовать ее для этого рискованно.

Помимо того, что это рискованно, многие разработчики не рекомендуют и не используют его, так как само программное обеспечение не понимает рабочих характеристик, уровней сигналов, технических характеристик электронных компонентов и других характеристик, влияющих на организацию трасс.

Как мы знаем, некоторые трассы, по которым проходят определенные сигналы, не могут быть близкими и должны быть построены с большой осторожностью. Поэтому мы рекомендуем вам всегда выполнять процесс маршрутизации вручную. Это помогает избежать ошибок, помех и помогает улучшить конструкцию печатной платы.

Благодаря ручному процессу мы смогли проанализировать структуру каждой тропы, выполнить индивидуальную маршрутизацию на основе ее сигналов и обеспечить лучшую организацию и безопасность в структуре троп нашего проекта.

Помимо авто-роутера многие используют авто-размещение.Эта функция — еще одна проблема, которая может возникнуть в ваших проектах печатных плат. Не рекомендуется использовать его, потому что еще раз мы цитируем: цель размещения — автоматическая организация его компонентов, и это может вызвать серьезные проблемы.

При использовании этой функции некоторые компоненты могут столкнуться с серьезными проблемами, так как некоторые, например, рассеивают много тепла, а другие чувствительны к теплу.

Анализируя эти компоненты, их размещение не понимает и может оставить их близко друг к другу и, как следствие, вызвать повреждение чувствительных компонентов схемы.А также порождают другие проблемы дизайна.

Поэтому избегайте использования автоматического размещения и автоматического маршрутизатора. Всегда отдавайте приоритет выполнению своей работы вручную, и вы получите максимально возможный контроль над электронными компонентами и дорожками ваших проектов печатных плат.

5 — Рассеивание тепла на конструкции печатной платы

Некоторые электронные компоненты рассеивают много тепла, когда они работают в схемах. Среди этих устройств мы выделяем, например, регуляторы напряжения, резисторы и драйверы привода.

Чтобы избежать этой проблемы, мы можем использовать прямоугольные медные области под ИС, которые рассеивают высокотемпературное значение. Таким образом вы снижаете температуру и гарантируете срок службы CI. Это показано на рисунке ниже.

.