Розробка друкованих плат. Програми для проектування друкованих плат

Зазвичай інженер з електроніки або електротехніки проектує схему, а фахівець з компонування виконує розробку друкованих плат. Їх дизайн є спеціалізованим навиком. Існує безліч методів і стандартів, що використовуються для проектування друкованої плати, яка проста у виготовленні, але при цьому є невеликою і недорогою.

ПП широко використовуються у всіх електронних продуктах, таких галузях, як машинобудування, енергетика, транспорт, бездротові пристрої, роботизовані програми та багатьох інших галузях науки і техніки. Вони забезпечують швидке функціонування, доступ, управління, моніторинг і точні результати в порівнянні з іншими пристроями підключення.

Індивідуальні друковані плати

Друкована плата (ПП) механічно підтримує і електрично з`єднує електронні компоненти, використовуючи провідні доріжки, з`єднання та інші елементи, витравлені з мідних листів, ламінованих на непровідній підкладці. Вона має попередньо розроблену конструкцію і дизайн мідних доріжок на провідному аркуші. Таким чином, розробка друкованої плати зменшує можливість появи несправностей, що виникають через слабкі з`єднань, при цьому збірка компонентів проста-радіоаматору залишається тільки розмістити компоненти і припаяти їх.

Багато розробників використовують індивідуальні ПП замість готового виробу через те, що призначений для користувача дизайн робить їх більш компактними, більш зручними у використанні, так як радіоаматор сам приймає рішення, де розмістити деталі. І нарешті, плата набагато міцніше, на відміну від готових виробів, які пронизані безліччю отворів, що роблять вироби слабкими.

Технологія виготовлення друкованих плат досить проста:

1. Розробка макета.
2. Роздруківка схеми.
3. Перенесення схеми термічним способом на мідну пластину.
4. Травлення ПП в спеціальному розчині хлорного заліза з подальшим промиванням її водою, щоб видалити залишки реактивів.
5. Видаляють залишилися чорнило за допомогою розчинника для розкриття незабарвленої мідної частини.
6. Після видалення чорнила знадобляться отвори для пайки компонентів на платі.
7. За виконаною схемою припаюють компоненти.

Інструменти та реактиви

Друковані плати виготовляються зі спеціальних матеріалів, що не проводять електрику, таких як волокно і скло. Ланцюги виконуються на ПП з мідними доріжками замість електропроводів, для зв`язку з компонентами.

Для того щоб виконати розробку друкованої плати своїми руками, необхідно попередньо придбати наступні Інструменти та матеріали:

• міні-дриль (Dremel);
• побутова праска;
• лазерний принтер / фотокопіювальна машина;
• латексні рукавички;
• захисні окуляри для очей;
• травильний розчин (хлорид заліза);
• маркер з тонкими наконечниками;
• лінійка;
• матовий / глянсовий папір;
• пластикові пінцети;
• пластикові соломинки;
• дрантя;
• шліфувальний папір.

Створення дизайну

Якщо у радіоаматора вже є макет для виконання друкованої плати своїми руками, він може просто пропустити цей крок і перейти до наступного або накреслити схему прямо на дошці, якщо у немає планів виконати ПП методом друку. Перш ніж створювати плату, спочатку розробляють схему. Краще виконати це за допомогою надійного програмного забезпечення для проектування, такого як Eagle layout Editor. Для людей, які шукають менш складне ПЗ, можна порадити Microsoft Powerpoint. При друку макета використовують лазерний принтер або фотокопіювальну машину. Струменеві принтери не працюватимуть, оскільки їх чорнило розчинні у воді і не переносяться на ПП. Використовують будь-яку глянсову папір, підійдуть навіть журнальні статті.

Далі використовують звичайний побутовий праска, пропрасовуючи роздруковану схему на дошці. При прасуванні роздрукованого макета чорнило переносяться з паперу на плату. Потрібно встановити максимальну температуру праски, якщо папір товста, але якщо ні - середній. Далі замочують дошку в посудині з водопровідною водою протягом 2-5 хвилин або ставлять її під проточну воду з раковини. Потім акуратно протирають поверхню, щоб не були видалені чорнило. Відпилюють зайву дошку ПП і шліфують тонкої наждачним папером. Якщо під час очищення деякі області з чорнилом були видалені ненавмисно, потрібно відновити схему маркером і лінійкою.

Травлення і відновлення плати

Існують різні варіанти травильного розчину, але найбільш поширеним є хлорне залізо, яке застосовують при виготовленні друкованої плати своїми руками. Використовують реагент в пластиковому контейнері і ніколи - в металевому посуді. Заливають реагент в ємність, залишають плату на 30-45 хвилин, потім виймають її з контейнера. Витравлюють захищену чорнилом область і видаляють її після закінчення.

Технологія виготовлення друкованих плат:

1. Промивають друковану плату водопровідною водою після травлення в розчині, при чищенні обов`язково надягають рукавички і окуляри. Також рекомендується використовувати пластиковий пінцет і не застосовувати металеві інструменти.
2. Очищають залишилися чорнило з милом для прання після травлення, щоб оголити мідну частину плати, можна почистити її невеликим шматочком дрібної шліфувального паперу, надаючи їй блиск.
3. Далі просвердлюють отвори міні-свердлом за схемою і знову обполіскують водою. Свердління виконують на мідній стороні, так як так там розміщена схема, яка послужить керівництвом.

Ефективне розміщення слідів на друкованій платі є складним навиком і вимагає великого терпіння. Це завдання значно спростилася завдяки появі легкодоступного безкоштовного програмного забезпечення Diptrace російською (версія 2.0.1.7) для проектування макетів, яке можна завантажити з офіційного сайту.

Перевірка вимог проектування

Функції перевірки схеми рекомендується виконати до того, як вона буде вбудована в друковану плату. Вивчаючи типи компонентів з використанням програмного забезпечення, можна гарантувати, що інтервал схеми знаходиться в межах допусків, немає проблем з обмеженнями розміру і виконуються інші вимоги до розміщення, які обов`язкові для даного типу об`єктів, для забезпечення надійності і безпеки функціонування. Якість плати і простота розміщення підвищують ефективність готового виробу.

Програма для розробки друкованих плат може виявити складні конструкції, які в процесі виробництва здатні привести до конфліктів між компонентами або електричними ланцюгами, викликати проблеми з шириною доріжки, розміром фізичного компонента плати і навіть електромагнітними перешкодами від інших елементів.

Тому макет ПП повинен бути оптимізований за допомогою ПЗ, яке найкращим чином відповідає потребам дизайнера. Деякі функції присутні в багатьох пропозиціях, але мало хто володіє поліпшеними інструментами для проектування друкованих плат, в зв`язку з чим дизайнеру краще перед вибором програми скористатися порадами спеціалістів.

Вибір програмного забезпечення

Найбільш важливим елементом в електронних схемах і обладнанні є друкована плата. Можливо побудувати електронну схему з макетними та нульовими платами, але цей метод є низькорівневим і менш ефективним, оскільки схема проектування буде схильна до пошкоджень, а результат може бути плачевним, оскільки проектування включає складний процес розміщення компонентів схеми. Сьогодні в інтернеті пропонують безліч програм для виробництва друкованих плат.

Вимоги до вибору ПО:

1. Функціональність повинна відповідає стилю роботи дизайнера. Багато розробників починають зі схеми і переносять результати в дизайн макета ПП. Якщо розглянуте ПЗ не підтримує цей напрямок, ймовірно, краще вибрати іншу програму.
2. Гнучкість. Створення відмінного макета-це одне, але якщо він виконується малофункціональної програмою, це не принесе велику цінність виробу. За верстки має відповідати проектам, як для жорстких, так і для гнучких плат, згідно вибору дизайнера.
3. Підтримка по-постачальник зобов`язаний забезпечити ефективну підтримку, особливо важливо для дизайнерів, нові знайомі з інструментами САПР.
4. Оновлення-мінімальна частота оновлення програми постачальником 1 раз на півроку. Компонування і дизайн ПП постійно розвиваються разом з технологіями. Програмне забезпечення, яке не змінюється з часом, буде марним у відносно короткий період.

Впровадження програмного забезпечення макета в процесі проектування друкованої плати підвищить ефективність розміщення компонентів і зменшить кількість проблем, що виникають при переході плат до етапів створення прототипу і остаточного виготовлення. Чим раніше в процесі виявляються проблеми, тим дешевше їх усунення. Це стає ще більш важливим, оскільки перед інженерами стоїть завдання розробляти більш складні, багатошарові і тонкі ПП для сучасної електроніки і мініатюрних пристроїв. Смартфони та смарт-телевізори з плоским екраном - це лише деякі приклади додатків для все більш складних макетів ПП.

Багато розробників раджу використовувати для друкованих плат Sprint-Layout - це програмний інструмент, застосовуваний для виготовлення макетів односторонніх, двосторонніх і навіть багатошарових ПП. З ним можна швидко і легко проектувати плату, так як інструмент не має обмежень щодо того, як потрібно проектувати свою друковану плату.

Процес проектування Eagle та Multisim

Виготовлення друкованої плати, яка підтримує фізичні електронні компоненти та їх проводку через мідні доріжки поверхневого монтажу, дійсно примітно. Для того щоб домашня ПП відповідала сучасному рівню техніки, була функціональною і надійною, найкраща процедура проектування ПП виконується з програмним забезпечення CAD, наприклад Eagle. Цей тип програмне забезпечення для проектування друкованих плат містить бібліотеку компонентів, які можна використовувати для побудови схеми. Також можливо змінити положення конструкції схеми, а потім змінити відповідно до вимог стандарту і зручністю.

Технологія виготовлення друкованих плат з Eagle:

1. Відкривають програму проектування плат Eagle.
2. З`явиться вікно з рядком меню.
3. Натискають на меню файлу.
4. Вибирають "новий дизайн" зі спадного меню.
5. Натискають на меню бібліотеки.
6. Виберіть "пристрої / символ"зі спадного меню.
7. Виберіть відповідний коментар, двічі клацнувши на ньому, щоб компонент з`явився у вікні.
8. Додають всі компоненти і малюють схему з правильними сполуками.
9. Вводять рейтинг кожного компонента відповідно до вимоги.
10. Переходять на панель інструментів команди і натискають "Текстові редактори" « "варіанти" і закривають вікно.
11. Потім з`являється чорний екран з макетом або схемою, його зберігають у форматі зображення.
12. Макет генерується з остаточної схеми плати ПО для її розмітки, яка відправляється виробничому блоку, де негативне зображення або маска роздруковуються на пластиковому аркуші.
13. Вибирають сировину.
14. Підстава ПП виготовляється з небиткого скла або скловолокна з мідним покриттям з однієї або обох сторін плати.
15. ПП, які виготовляються з небиткого фенольного паперу, є менш дорогими і часто застосовуються в побутових приладах. Можливе застосування тонкого промислового ламінату, покритий міддю, з однієї або двох сторін.
16. Далі проходять стандартну процедуру виготовлення ПП, описану вище.

Різні способи виготовлення

Радіоаматору легко зробити друковані плати будинку. Це заощадить багато часу на процесах Налагодження та подвійної перевірки з`єднань на макеті. Можна зробити власний Arduino.

Існує три основних способи виготовлення:

1. Праска на глянцевому папері методом нагріву.
2. Схема від руки на ПП.
3. Лазерне травлення. Оскільки лазерний метод є промисловим методом виготовлення плат, домашні умільці використовують перші два.

Дизайн друкованої плати:

1. Проектування ПП зазвичай виконується шляхом перетворення принципової схеми в макет з використанням програмного забезпечення.
2. Існує безліч класних програмних пакетів з відкритим кодом для створення та дизайну макетів ПП.

Багато розробників електронних пристроїв в домашніх умовах рекомендують ті, що дають найбільша перевага:

• Cadsoft Eagle;
• PCBWizard.

Принципова схема в Cadsoft Eagle

Використання програмного забезпечення верстки для роботи в процесі проектування друкованих плат поліпшить якість, дозволить створювати проекти, готові до виробництва, прискорити вихід на ринок і скоротити витрати. Cadsoft Eagle-одна з найбільш якісних програм для створення плат. Для прикладу розглянемо створення ПП-сенсорного перемикача з використанням IC555.

Алгоритм виконання:

1. Входять в Eagle: File > Export > Image і виконують макет.
2. Роздруковують макет ПП за допомогою лазерного принтера і фотопаперу А4 або глянцевого паперу і переконуються, що роздруківка зроблена на глянцевому боці паперу.
3. Обрізають мідну дошку відповідно до розміру макета, використовуючи ножівку або різак.
4. Обробляють мідну сторону друкованої плати, використовуючи наждачний папір або абразивні губчасті скраби. Це видаляє верхній оксидний шар міді, а також шар фоторезисту. Відшліфовані поверхні також дозволяють краще наклеювати зображення з паперу.
5. Переносять ПП на мідну пластину. Обов`язково перевертають верхній шар по горизонталі. Кладуть мідну поверхню дошки на роздрукований макет, переконуються, що дошка правильно вирівняна по меж друкованого макета, і використовують стрічку, щоб утримувати дошку і надрукований папір в правильному положенні.
6. Після друку на глянцевому папері пригладжують праскою її стороною зображення вниз до мідної стороні, потім нагрівають електричний праска до максимальної температури.
7. Кладуть дошку і фотопапір на чистий дерев`яний стіл, накритий скатертиною, зворотною стороною фотопаперу до себе, гладять фотопапір, докладаючи невеликий тиск, протягом приблизно 5-15 хвилин.
8. Після прасування поміщають віддруковану пластину в теплу воду приблизно на 10 хвилин. Папір розчиниться, потім можна акуратно видалити її. У деяких випадках при видаленні паперу окремі доріжки втрачають колір, тому можна використовувати чорний маркер, щоб затемнити їх.
9. Перед травленням дошки спочатку надягають гумові рукавички.
10. Поміщають газету на підлогу, щоб травильний розчин не зіпсував його.
11. Наповнюють пластикову коробку водою.
12. Розчиняють 2-3 чайні ложки хлористого заліза у воді.
13. Відпускають друковану плату в розчин для травлення (розчин хлориду заліза, FeCl3) приблизно на 30 хвилин, реактив реагує з немаскованої міддю і видаляє небажану мідь з плати.
14. Використовуйте плоскогубці, щоб вийняти ПП і перевірити, чи вся немаскована область витравлена чи ні, можна залиште її в розчині ще на деякий час.

Потрібно бути обережним при утилізації травильного розчину, він токсичний для риб та інших організмів у водному середовищі. Категорично заборонено виливати його в раковину, замість цього розбавляють багаторазово і виливають в безпечне місце.

Практичний дизайн з DesignSpark PCB

DesignSpark PCB-це інструмент проектування друкованих плат RS Components. Він є частиною набору додатків, призначених для підтримки швидкого створення прототипів за допомогою механічного та електронного проектування і був випущений на ринок в 2010 році.

Компанія RS Components розробила онлайнове співтовариство, яке активно розвиває проект, що не дивно, оскільки RS-всесвітньо відома і шанована організація, що публікує свої рішення для електронного дизайну. Інструмент надається безкоштовно, але є варіант для комерційного використання.

Незважаючи на свою безкоштовність, це повна і професійна програма, яка дозволяє створювати кілька сторінок схематичних моделей, не має обмежень за розміром друкованої плати і видає стандартні файли остаточного формату.

Поради умільців

Проста схема може бути розроблена після декількох годин навчання. Більш складні проекти, що використовують складне ПЗ, вимагають більшої самовіддачі і терпіння, тому краще скористатися порадами професіоналів.

Поради початківцям:

1. Завантажують і встановлюють ПЗ для друкованої плати за вибором.
2. Запускають конструктор схеми ПП. У Eagle це можна зробити, перейшовши до "Файл", "Новий" та»Схема".
3. Додають все необхідні деталі з бібліотеки на плату схеми і з`єднують їх разом відповідно до дизайну. Якщо деталь недоступна в бібліотеці, доведеться її створити. Для цього слідують інструкціям в розділі довідки про те, як додати нову частину в бібліотеку.
4. Перевіряти наявність помилок підключення, натиснувши "Інструменти", потім»ERC". Якщо є помилки, виправляють їх, перш ніж переходити до наступного кроку.
5. Доручають програмі створити макет безпосередньо зі схеми.
6. За допомогою миші переносять всі компоненти в те місце, де потрібно, щоб вони розташовувалися на друкованій платі. При цьому рекомендується слідувати схемі і не турбуватися про лініях, що з`єднують компоненти.
7. З цього моменту ПП в різних програмах обробляються по-різному, наприклад, в Eagle натискають «Rasnest» в лівій панелі меню, щоб очистити з`єднувальні повітряні дроти, в інших програмах можна звернутися до файлів довідки.
8. Потрібно знайти режим "Авто" в рядку меню, щоб по могло автоматично виконувати трасування. Ця функція ніколи не працює ідеально, тому деякі колодки повинні бути залишені для підключення.
9. Змінюють розмір панелі, переміщаючи кордону відповідно до потреб. Хороша практика-залишити приблизно 1/2 дюйма місця з кожного боку прямокутної дошки.
10. Якщо використовується Sprint Layout 6 і потрібно створити заземлення, використовують команду "polygon gnd", натискають "Enter" і за допомогою миші створюють обрану область. Вибирають "Авто" в лівому меню, щоб автоматично налаштувати полігон для трансів, майданчиків і переходів. В принципі, все, після цього макет ПП готовий.

Таким чином, можна підвести підсумок, що проектування друкованої плати не вимагає спеціальних навичок і великого терпіння. Для цього необов`язково проходити спеціальну підготовку, оскільки більшість програм для розмітки поставляється з навчальними посібниками і покроковими прикладами, які успішно використовуються для вивчення основ.