12.05. Проектирование плат с печатным монтажом

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

Чертеж платы ПС.

Чтобы изготовить плату ПС, вы должны принципиальную электрическую схему преобразовать в соответствующий рисунок требуемых линий соединений из медной фольги, которые составят конечный вариант платы. Это можно сделать двумя способами:

(а) Работая с эскизом схемы, нарисованной от руки, вы выделяете требуемые межсоединения , пользуясь карандашом, бумагой (и комплектом ); затем на чистую полиэстерную пленку аккуратно накладываете непрозрачные полоски, заранее изготовленные шаблоны соединений и получаете окончательный эталонный майларовый плакат.

(б) Вы составляете для схемы, нарисованной вручную, таблицу соединений , а затем, используя программу САПР для вычерчивания трасс, вы сразу получаете комплект точных «фотоплакатов» в машинном исполнении. Еще лучше, если можно вместо ручного изготовления эскиза схемы использовать пакет программ САПР для ввода описания. При этом с помощью графического планшета или «мышки» вы создаете схему непосредственно на графическом автоматизированном рабочем месте (АРМ).

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

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

От принципиальной схемы до получения законченной монтажной ПС проходит несколько стадий. Имея вначале только принципиальную схему, вы обычно разрабатываете пробный карандашный эскиз размещения компонентов и межсоединений. В конце концов получается карандашный рисунок, на котором все вместе - компоненты и межсоединения - располагаются в рабочем виде. На его основе вы изготавливаете плакат, на котором показаны точно выстроенные в ряды контактные площадки и полоски межсоединений. Для выводов ИМС и транзисторов, а также межсоединений и контактов разъемов используются предварительно разрезанные шаблоны, так как они имеют стандартные местоположения и размеры. Карандашный эскиз и плакаты делаются в масштабе , что позволяет повысить точность (а также уменьшить усталость ваших глаз). Когда плакат завершен (а для двусторонних плат - два плаката), его фотографически уменьшают до рабочего размера негатива, с которого изготавливается по описанной выше методике пробная плата.

Образец платы «заполняется» элементами, подводится питание, и затем отыскиваются ошибки. Это позволяет скорректировать разводку плакатов и изготовить окончательный вариант платы. В следующих подразделах даются дополнительные подробности и рекомендации.

Предварительный эскиз.

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

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

Размеры плаката и некоторые рекомендации.

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

Размеры и пространственное расположение: на плате ПС, имеющей рабочие размеры, мы советуем отверстия под пайку резисторов сверлить на расстоянии 10 мм (для , а расстояние между резисторами должно быть 2,5 или 3,75 мм (при расстоянии 3,75 мм вы можете провести проводник между соседними контактными площадками). Мы предпочитаем керамические конденсаторы типа и СКОб с расстоянием между выводами, равным 5 мм или 7,5 мм, как в корпусе типа они также могут располагаться на расстоянии 2,5 мм от других конденсаторов или резисторов. Оставьте некоторое пространство вокруг ИМС для логических соединений: минимум 5 мм до контактных площадок соседней ИМС и минимум 3,75 мм до ближайших контактных площадок резистора или конденсатора.

Между ленточными проводниками следует оставлять 0,75 мм, и все линии должны отстоять от края платы на расстояние не меньше, чем 6,25 мм. Это пространство отводится на крепление ручки для установки платы, для направляющих, для креплений и т.д. Если нет особой необходимости, то избегайте прокладывать проводники в промежутках 2,5 мм между контактными площадками ИМС. Вы можете поместить 6 ленточных проводников между рядами контактных площадок плаката стандартного двухрядного корпуса ИМС (DIP) (они разнесены на 7,5 мм).

Для современных плат ПС обычно предпочитают более высокую плотность линий (за счет их утонынения и более тесного расположения), чем рекомендуется выше; позже мы будем называть это нормой проектирования «15-15», обозначающей, что минимальная ширина линии 0,375 мм (0,015 дюйма) и минимальное расстояние между проводниками 0,375 мм (0,015 дюйма). В промышленных платах ПС норма «15-15» считается довольно слабой по сравнению с более часто встречающейся нормой 12-12 (0,3 мм ширина линии и 0,3 мм зазор). При проектировании по норме 12-12 можно провести один трек между соседними контактными площадками ИМС, расстояние между центрами которых 2,5 мм (для себя вы должны помнить, что это допускается, если диаметр самой площадки не более 1,6 мм). В высокоплотных платах часто пользуются нормой 10-10 или 8-8. В таких платах можно вместить две дорожки между соседними контактными площадками ИМС (максимальный диаметр площадок 1,25 или 1,5 мм соответственно). В исключительных случаях можно встретить платы с шириной дорожек 0,15 мм и еще тоньше. Разработчикам таких плат ради высокой плотности (три дорожки между контактными площадками, -между центральными каналами!) приходится идти на некоторые уступки, например уменьшать размеры металлизированных отверстий. В результате производственный выход таких плат невелик и они недостаточно надежны.

Подсоединения к плате.

Для большинства плат, вероятно, все внешние соединения лучше всего осуществить через печатные разъемы, непосредственно вставляемые в гнезда, у которых расположение контактов может варьироваться. Чаще используются разъемы с промежутками между контактными ламелями, равными 3,8, 3,125 и 2,5 мм. Печатный разъем обычно располагается с одного конца карты. Через него подаются напряжение питания и сигналы. Плата закрепляется механически, когда вставляется этим концом (более короткой частью) в гнездо.

Очень часто можно встретить шаблон печатного разъема и на другом конце карты, используемого для плоского ленточного жгута и служащего для подачи некоторых внешних сигналов на плату или передачи их на другую плату. Для снятия сигнала можно использовать плоский ленточный кабель, заканчивающийся во вставке DIP; такой кабель вставляется непосредственно в гнездо ИМС на плате. Эти кабели выпускаются различной длины, или же их можно сделать самим с помощью комплекта, в который входят плоский кабель, неприсоединенная вставка DIP и инструмент для навивки. Плоский кабель можно также подсоединять к плате через входную шину или многоконтактный разъем, в котором один или два ряда штырьков расположены через 2,5 мм.

Простые платы лучше всего соединять с помощью разъемов, в которых используются штампованные клеммы или печатные полоски с покрытием и винтовыми зажимами. Старайтесь не пользоваться одиночными большими контактными площадками для подсоединения внешних проводов к плате ПС. На рис. 12.7 показаны варианты соединений ПС-плат.

Дополнительные замечания.

На платах со сквозной металлизацией некоторые отверстия используются для проведения земляной шины на противоположную сторону платы. Избегайте многократных переходов сквозь плату, поскольку соединения через сквозную металлизацию могут создавать помехи даже там, где элементы отсутствуют.

Рис. 12.7. Печатная плата цифрового магнитного регистратора, на которой осуществлено несколько видов внешних соединений. Магнитная головка присоединена через однорядный разъем (который соответствует ряду штырьков для накрутки), а другие цепи - с помощью многоконтактных разъемов и разъема с двухрядной вставкой DIP (впаивается на место ИМС). показан подсоединенным к выводу контрольной точки. На примере этой платы можно видеть установку элемента с теплоотводом (слева вверху), индикатора логических состояний (справа вверху), миниатюрных однооборотных потенциометров и монтаж резисторов «в линию».

На двусторонних платах ленточные проводники, как правило, ведите горизонтально по одной стороне и вертикально по другой.

Основные правила: при нанесении на чертеж ленточных дорожек делайте плавные закругления или повороты на 45°, а не прямоугольные. Проводники, ведущие к контактным площадкам, должны идти прямо по направлению к центру контакта, а не под косым углом. Не монтируйте на плате тяжелые элементы (вес не должен превышать 60 г); предположите, что прибор будет периодически в течение работы сбрасываться с высоты на твердую поверхность! На компонентной стороне указывайте полярность диодов и электролитических конденсаторов, а также номера ИМС и локализацию штырька (если есть место). Всегда удобно, когда обозначены контрольные точки, функции подстроечных элементов (например, «О ), входы и выходы, функции световой индикации, если, конечно, позволяет место.

Нанесение линий на майлар.

Основной совет: пользуйтесь специальным столом с подсветкой, работая с майларовой пленкой с прецизионной сеткой. Не путайте майлар с дешевой пластиковой пленкой с нанесенной сеткой, которая не обладает ни точностью, ни стабильными размерами; кусок прецизионной пленки остановит вас, во всяком случае, ценой (около 20 долларов!). Положите майлар чистой стороной кверху и точно нанесите на него контактные площадки ИМС. Используйте карандашный эскиз в качестве руководства при разводке схемы. Тщательно вымойте руки, чтобы на майларе не оставить жирных пятен, или, если они возникли, воспользуйтесь спиртом для их удаления. Для разрезания лент и контуров пользуйтесь ножом с кривым лезвием и научитесь не делать сквозные порезы на майларе. После установки клейкой ленты крепко придавите ее, иначе она в конце концов начнет скручиваться.

Таблица 12.1. Некоторые шаблоны для проектирования ПС

Обеспечьте хорошее перекрытие на участках, где проводник должен пройти через контактную площадку или через что-либо другое. В процессе разводки ленты держите в свободном, а не натянутом состоянии, иначе лента будет отскакивать и тянуться назад от контакта. Используйте предварительно нарезанные колена и кружки для увеличения ширины ленты (1,55 мм или шире), когда при проведении приходится делать крутые повороты. После того, как нанесение линий на майлар закончено, оно сверяется со схемой, при этом красным карандашом отмечайте каждое пройденное соединение на принципиальной схеме. Если все окажется в порядке, замазываются возможные щели на майларе несмываемым черным фламастером.

Предварительно разрезанные шаблоны для ПС поставляют несколько фирм. В табл. 12.1 приведены некоторые рекомендуемые типы. Каталог Bishop Graphics (5388 Sterling Center Drive, Westiake Village, CA 91359) содержит обширную информацию о платах ПС.