Печа́тная пла́та (англ. printed circuit board, PCB) — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объеме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.
В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения разных слоёв фольги. Завершающим штрихом являются защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка.
Виды печатных плат:
В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:
односторонние (ОПП; имеется только один слой фольги);
двухсторонние (ДПП; два слоя фольги);
многослойные (МПП, англ. multilayer printed circuit board; фольга не только на двух сторонах платы но и во внутренних слоях диэлектрика).
Многослойные ПП применяются в случаях, когда разводка соединений на двусторонней плате становится слишком сложной; по мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах.
Для соединения проводников между слоями используются переходные металлизированные отверстия.
По свойствам материала основы ПП могут быть:
· Жёсткие
· Теплопроводные
· Гибкие
Печатные платы могут иметь свои особенности, в связи с требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, в приборах, работающих на высоких частотах).
Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.
Так же основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированныйалюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.
В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д) и керамика.
Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.
Конструирование плат происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования. Наиболее известны P-CAD, OrCAD, TopoR, Altium Designer и др. Сам процесс конструирования часто именуют сленговым словом разводка, подразумевая процесс прокладки проводников.
Рассмотрим типичный процесс разработки платы из готовой принципиальной электрической схемы:
§ Трансляция принципиальной электрической схемы в базу данных САПР разводки печатной платы. Заранее определяются чертежи каждого компонента, расположение и назначение выводов и др. Обычно используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.
§ Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоев, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т.п.).
§ Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и отверстий, областей запрета размещения компонентов.
§ Расположение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др.
§ Выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и толщины фольги (наиболее часто используется плата толщиной 1,55 мм и фольга 35 мкм).
§ Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить компоненты на одной стороне платы поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.
§ Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате — перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.
§ Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.
§ Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber.
§ Подготовка сопроводительной записки в которой, как правило, указывают тип фольгированного материала, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые лаком или открытые, луженые), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски, необходимость маркировки, способ разделения плат (фрезеровка или скрайбирование) и т.п..
Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.
Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:
§ Обработка заготовки с целью получения нужных электрического и механического вида.
§ Монтаж компонентов.
§ Тестирование.
Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путем удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки. Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.
Основным методом монтажа является Пайка компонентов на печатные платы. Пайка может выполняться как вручную паяльником так и с помощью специально разработанных специфических технологий.
В этой работе мы будем изготавливать печатную плату в лабораторных условиях.
Ход выполнения работы:
Разработать устройство с двумя светодиодами, зажигающимися при замыкании ключа и питающееся от USB порта компьютера.
USB-разъем выдает постоянное напряжение 5В.
Получаем следующую схему:
Разводку полученной схемы выполним в программе Sprint Layout(в приложенной папке файл layout50.exe) она необходима для прорисовки дорожек печатной платы.
Для создания расположенных в ряд контактов пользуемся макросами(Опции/Создатель макросов). Электронные компоненты берем в библиотеке в правой части экрана. Соединяем части схемы проводником.
Для экономии времени травления и раствора заполним проводником пустую часть печатной платы (внизу окна программы кнопка Металлизация, выделяем все компоненты, щелкаем ее и выбираем нужное значение отступа, например 0.8)
Теперь по линейкам слева и сверху от полученного рисунка платы определяем размеры необходимого куска фольгированного текстолита.
Размечаем текстолит и отрезаем необходимую часть (например, пропилить тонкий слой фольги напильником, а сам текстолит довольно хрупкий и его можно осторожно сломать)
Затем тампоном, смоченным ацетоном или нитро растворителем, обезжириваем слой медной фольги. После обработки фольги не касаться!
Далее вставьте в лоток лазерного принтера листок глянцевой бумаги (он должен быть ровным и без сгибов) и нажмите кнопку печать в меню Sprint Layout(Файл/печать)
Откроется диалоговое окно печати
Снимите лишние галочки в группе «Слой», у слоя М2 выберите черный цвет и сдвиньте рисунок платы подальше от края
В настройках принтера(кнопка «Принтер») поставьте как можно более насыщенный черный цвет, затем нажмите кнопку «Печать».
Аккуратно вырежьте получившийся прямоугольник, затем аккуратно приложите к слою медной фольги текстолита, положите сверху лист чистой бумаги о прогладьте утюгом на самой большой мощности около 5 минут. При этом тонер лазерного принтера, который по сути является кислотостойким полимером, переведется на фольгу. После того как уберете утюг – положите вместо него другой холодный утюг или просто достаточно тяжелую книгу или доску. После остывания до комнатной температуры тонер закрепится на медной фольге и нам предстоит удалить бумагу. Для этого смочим ее теплой водой из под крана и держа под струей воды аккуратно начнем скатывать бумагу от центра к краям(иначе можно сорвать дорожку). Не обязательно скатывать всю бумагу, достаточно, что бы в тех местах, где тонера не было – бумаги тоже не осталось. Из круглых контактов лучше ее удалить с помощью иголки после высыхания.
Затем приготовим кислый раствор.
Химическое травление:
1) Либо залить немного хлорного железа кипятком до получения насыщенного темно-ржавого цвета и перемешать(осторожно, пятна от него не отстирываются!)
2) Либо смешать одну часть медного купороса с двумя частями поваренной соли, залить все кипятком и перемешать до насыщенного темно-зеленого цвета(этот раствор отстирывается, но ядовит)
3) Либо просто влить чуть-чуть кипятка в готовую кислоту, либо просто ее нагреть до ~50 градусов
После этого к обратной(чистой) стороне текстолита приклейте(например, двусторонним скотчем или водостойким клеем) кусок пенопласта или другой поплавок и погрузите в раствор текстолитом вниз. При этом осадок, получающийся при растворении меди, будет сразу опускаться на дно емкости с раствором. Травление хлорным железом или концентрированной соляной кислотой займет около получаса, медным купоросом – чуть дольше. Почаще проверяйте свою печатную плату и не допускайте подтравливания дорожек под слоем тонера. После готовности промойте под теплой водой и отделите поплавок.
Гальваническое травление:
Подготовьте металлическую емкость с насыщенным раствором поваренной соли, затем положительный выход источника питания соедините с «не закрашенными» участками фольги, а отрицательный – к емкости. Запустите источник, время травления около 15 минут.
Затем, после высыхания, сотрите тонер и следы клея с обратной стороны с помощью ацетона или нитрорастворителя. У вас должен получиться медный рисунок дорожек, зеркальный по отношению к файлу на компьютере. Затем с помощью дрели и тонкого сверла, либо шила просверлите отверстия в тех местах текстолита, где находятся круглые контакты.
Теперь плату необходимо залудить, т.е покрыть слоем припоя для лучшего монтирования компонентов. Для этого сначала включите паяльник, затем подложите под плату ненужный лист плотной бумаги или картона, положите сверху свою плату и с помощью кисточки покройте ее слоем глицерина. Затем наберите на жало паяльника немного припоя и приложите к фольге. Двигайте паяльник по поверхности платы, припой, благодаря флюсу (глицерину) будет сам прилипать к металлическим участкам платы и растекаться тонким слоем, а к протравленным участкам приставать не будет, т.о. можно водить паяльником поперек дорожек. Осторожно! При слишком сильном нагревании дорожки она может отвалиться от текстолита. После окончания облуживания смойте глицерин теплой водой и сразу насухо вытрите плату.
Смонтируйте электронные компоненты в отверстия платы, при необходимости соблюдая полярность. Компоненты должны находиться с чистой стороны платы, а их выводы – со стороны дорожек. Затем припаяйте выводы компонентов к дорожкам до появления устойчивого контакта (проверяется тестером).
При желании можно покрыть плату цапон-лаком в несколько слоев, но вообще говоря, после остывания она готова.
Контрольные вопросы и задания.
1) Разработать 4-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, с помощью 4 ключей управляющий яркостью светодиода с питанием от батареек в 3В. (2 чел)
2) Разработать мультивибратор, питающийся от батареек в 12В. (3 чел)
3) Разработать выпрямитель, включающийся в 220В (1 чел)
4) Разработать 3-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, я помощью 3 ключей управляющий яркостью светодиода с питанием от USB. (2 чел)
5) Разработать усилитель звукового сигнала с входом и выходом в виде разъемов типа Jack(любого диаметра), используя операционный усилитель и питание от батареек. (2 чел)
6) Разработать генератор меандра на операционном усилителе с питанием от батареек и выходом на аудиоразъем типа Jack(любого диаметра) (3 чел)
7) Разработать светодиодный индикатор сигналов на пинах LPT порта компьютера. На каждый пин(кроме земляных) один светодиод, сигналы на пины подавать с помощью программы xplpt или другой подобной, либо разработать так же программу, подающую сигналы на пины порта. (2 чел)
8) Разработать 5-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, управляющий яркостью светодиода при помощи LPT порта компьютера. сигналы на пины подавать с помощью программы xplpt или другой подобной, либо разработать так же программу, подающую сигналы на пины порта. (2 чел)
