Проектируем печатную плату. Часть 1

Печатные платны в Суперайс

Вы трудились долго и упорно и вот, наконец, спроектировали устройство, взяли готовую схему или разработали свою и, возможно, даже создали рабочий прототип навесным монтажом или в макетной плате. Ну а теперь пора превратить «черновик» в печатную плату. Для специалистов с опытом её проектирование станет естественным и простым продолжением, чтобы создать схему устройства. Но для большей части любителей и даже профессионалов нередко это — сложная задача. Есть опытные разработчики электронных схем, немного знающих об этом, поэтому, оставляющих этот этап на усмотрение «прожжёных» специалистов. Многие компании даже держат свои отделы и конструкторские бюро проектирования печатных плат. Это логично, ведь часто требуется много знаний, опыта и творческого таланта, чтобы разместить сотни компонентов и тысячи дорожек в сложной (и весьма высокохудожественной) конструкции, отвечающей множеству геометрических, физических и электрических требований. Грамотное проектирование является частью проекта. Во многих конструкциях (высокоскоростные цифровые, чувствительные аналоговые, радиочастотные и других) компоновка влияет на работу и электрические характеристики готового изделия. Даже дорожки имеют свое сопротивление, индуктивность и ёмкость, как и электронные компоненты, и тоже являются элементами схемы, влияющими на её работоспособность.

Статья имеет целью приоткрыть часть «тайны» проектирования печатных плат. Опишем их устройство, дадим советы и практические рекомендации по грамотному проектированию с самого начала. Только советы и рекомендации: «научить» проектировать электронику непросто. Есть много основных правил и передового опыта многих специалистов, но также это творчество, и здесь всё индивидуально. Обучить проектированию — это всё равно, что пытаться научить кого-то рисовать картину; у каждого художника уникальный стиль, а у части людей творческого стремления может и не быть. Действительно, многим разработчикам (в англоязычной литературе таких специалистов называют дизайнерами) нравится думать о топологии печатной платы как о произведении искусства, красотой и элегантностью которых восхищаются. «Если это выглядит хорошо, значит, оно будет хорошо и работать» утверждает старая крылатая фраза, популярная в среде инженеров-электроников.

Статья рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся темой проектирования печатных плат: будут освещены главные вопросы и даны рекомендации по многим аспектам.

Время чтения: 22 минуты

Печатная плата? Это очень просто!

Анатомия печатной платы

Изображение схемы печатной платы
Навесной монтаж и макетные платы неплохо подходят для прототипирования и это отличный инструмент для любого «электронщика». Но если хотите заняться серьезным делом, нужно научиться разрабатывать печатные платы. Изготавливать их непросто, однако при должном подходе, терпении и следовании советам из статьи вы создадите работающее решение с первого раза. А если вы проявите творческую настойчивость, то первая плата будет не только работать, но и хорошо выглядеть.

Когда вы проектируете печатную плату на компьютере, действия происходят на абстрактном уровне, и легко забыть, что вы прежде всего работаете над физическим носителем. До того как приступить к разработке проекта, я думаю, окажется полезно знать, чем вы в действительности заняты.

изображение платы в разрезе
Разрез печатной платы, открывающий её внутреннее устройство

Что вообще такое печатная плата?

Это пластина из диэлектрического материала, на поверхности (и, возможно, во внутренних слоях) сформированы медные токопроводящие контактные дорожки, металлизированные межслойные соединительные проходы, площадки для пайки выводов электронных и коммутационных элементов, а также различные монтажные и вспомогательные отверстия. Нужна для формирования электрических цепей и механических соединений компонентов пайкой, образуя так рабочее устройство.

Материалы для изготовления печатных плат

Сначала разберёмся, какие материалы входят в состав. На самом базовом уровне основа изготавливают из какого-то твёрдого электроизоляционного материала. Затем его полностью ламинируют медной фольгой, создавая электропроводящую поверхность.

На заре технологии в качестве основы чаще выступал картон, пропитанный эпоксидными синтетическими смолами. Он носил название гетинакс. Имея ряд недостатков, гетинакс уступил место композитному стеклотекстолиту – «пирогу» из множества слоёв стеклоткани, прочно склеенных между собой полиэфирной смолой.

Изображение макетной платы
Макетная плата из гетинакса

Название материала

Свойства этого материала

FR1

Пропитанная фенольными смолами бумага. Кроме дешевизны более достоинств нет.

FR2

То же, что и FR1, но с высокой влагостойкостью.

FR3

Пропитанная эпоксидными смолами бумага. Имеет хорошую электроизоляцию и прочная.

FR4

Сегодня он — самый распространённый материал. Состоит из множества слоёв стеклоткани, пропитанной эпоксидными смолами. Имеет высокие электроизоляционные и механические свойства.

FR5

Более дорогой, чем FR4. Показывает отличные диэлектрические и прочностные свойства, стойкость к высокотемпературному воздействию и способность не поддерживать горение.

G10

Пропитанная эпоксидными смолами стеклоткань. Имеет высокое электрическое сопротивление, прочное соединение основы и медного слоя, а также повышенную влагостойкость.

G11

То же, что и G10, но отличается повышенной гибкостью и стойкостью к химическому воздействию.

Изображение макетной платы FR4
Макетная плата из стеклотекстолита FR4

Сегодня базовым материалом является FR4. Его применяют «по-умолчанию» при выпуске печатных плат в специализированных производствах, его будем рассматривать в рамках статьи. Он самый распространённый, поскольку дёшев, прочен и с низкой электропроводностью. Для схем с особыми требованиями основой есть специальные материалы — допустим, керамика для высокочастотных схем, алюминий для схем с высоким тепловыделением, каптон для особо гибких печатных плат, а также политетрафторэтилен (ПТФЭ) для плат, устойчивых к химическому и температурному воздействию. В статье платы из спецматериалов рассматриваться не будут. Если нужно решение из такого материала, значит вы уже точно не новичок и есть начальный опыт в проектировании.

Изображение гибкой печатной платы
Гибкая печатная плата из каптоновой плёнки

Стеклоткань и сплошной слой меди – это все, что входит в состав голой печатной платы. Когда проект направляется на производство (или изготавливается самостоятельно), электрические соединения получают, удаляя лишнюю медь физическим или механическим способом, формируя токопроводящие дорожки и контактные площадки.

Количество слоёв

Наиболее простые — это однослойные (односторонние) платы. В них базовый материал имеет металлизацию только с одной стороны. С ними невероятно легко работать. Если вы делаете печатную плату самостоятельно дома, вы, вероятно, станете проектировать одностороннюю, так как изготовить её более-менее приемлемого качества удастся и на дому.

Хотя односторонние платы просты в изготовлении, они одновременно создают множество проблем при разводке. Поскольку предстоит работать только с одним слоем металлизации, вы не сумеете организовать перекрёстные электрические соединения без помощи каких-то внешних элементов, к примеру, перемычек, что увеличивает трудоёмкость электрического монтажа. Из-за этого недостатка большинство простых коммерческих и любительских схем реализуются на двухслойных (двусторонних) основах, а также платах со множеством слоёв. На них легко создать перекрёстные электросоединения, что позволяет создавать более сложную, но элегантную топологию.

Изображение слоев печатной платы
Однослойная, двухслойная и многослойная печатные платы

Для всех проектов, кроме самых простых, рекомендуется проектировать именно двухстороннюю основу. Это наиболее рациональный и экономически оправданный метод. Многослойные основы рекомендуется применять только при сложных путях движения сигналов, когда даже двухслойной компоновки не хватает. Большинству начинающих проектировщиков не стоит делать больше двух слоев. Применение четырёхслойных, шестислойных и более очень скачкообразно увеличивает стоимость производства при очевидной невозможности изготовления дома.

Медные токопроводящие дорожки

Медные дорожки — самая важная часть конструкции. Поэтому нужно понимать ограничения при проектировании этих дорожек.

Как упоминалось выше, медные следы создают удалением ненужной меди из сплошной толщи фольги, находящейся поверх стеклотканевого основания. Выходит, дорожки — тончайшие медные «прожилки», «оставшиеся» после удаления ненужной меди. Среди новичков популярно мнение, что дорожки изготавливаются путём напыления или литья меди в заранее отфрезерованные каналы в стеклотекстолите. Это категорически неверно. Малая толщина слоя меди вносит ограничение при трассировке дорожек: важно представлять себе техническую возможность нанесения дорожек нужной конфигурации, прокладки их в нужных местах, учитывать электрическую нагрузочную способность. Подробнее будет описано далее.

Переходные межслойные отверстия

Последней «основной» частью являются переходные межслойные отверстия. Эти отверстия используются в многослойных платах и электрически соединяют между собой разные слои. По сути, существует всего три типа переходных межслойных отверстий:

  • Сквозное переходное отверстие. Самый распространенный тип: отверстие сверлится через всю толщу, затем на внутреннюю поверхность гальваническим методом наносится медный слой, делающий его токопроводящим;
  • Глухое отверстие. Встречается в платах с более чем двумя слоями для соединения поверхностного слоя с внутренним;
  • Скрытое отверстие. Оно отверстие аналогично глухому, но используется для соединения внутренних слоев между собой.

Декоративные и информационные элементы

Все рассмотренные компоненты анатомии печатной платы несут чисто функциональную роль и работоспособность без любого из них невозможна. Но кроме «базовых» элементов, существует ряд вспомогательных элементов, несущих вспомогательную роль:

  • Паяльная маска. Если неискушённый человек слышит словосочетание «печатная плата» в его голове сразу вырисовывается нечто непременно зелёного цвета. Ну а вы, дорогой читатель этой статьи, знаете, что цвет определяется не материалом, из которого она сделана, а лишь цветом лака на одном из финишных слоёв? Лак нужен для ограничения растекания паяльной пасты или припоя (смотри статью «Несколько слов о флюсах для пайки»), защиты меди от окисления, для придания эстетики готовому продукту.
Изображение платы без паяльной маски и без шелкографии
Плата без паяльной маски и без шелкографии
Изображение плат с разным цветом паяльной маски и белой шелкографией
Платы с разным цветом паяльной маски и белой шелкографией
  • Шелкография. Является заключительным слоем. Даёт пользователю визуальные подсказки, нужна для маркировки компонентов, а также размещения информации, цоколёвки электронных компонентов или для брендирования. Чуть подробнее о шелкографии будет рассказано далее.
  • Медные полигоны. Сформированные при проектировании и оставшиеся после травления дорожек, они предназначены для целей:
    • Экранирование от помех и шумов. Тогда полигон подключается к общему или заземляющему проводнику;
    • Создание «встроенных» радиаторов для теплонагруженных компонентов, с корпусами, специально спроектированными для работы с такими видами радиаторов, к примеру, типа TO-252 (D-PAK);
    • Экранирование от помех и шумов. Тогда полигон подключается к общему или заземляющему проводнику;
    • С целью уменьшения расхода химикатов для травления.

Первые шаги проектирования

Перед проектированием и воплощением идеи в виде физического носителя, нужно иметь четкое представление, как будет выглядеть конструкция, и какие функции выполнять. Нужно время, чтобы сесть и определить, чего хотите достичь, рассмотреть сложности, составить список, что потребуется для реализации проекта.

Постановка целей

Первый шаг создания идеального устройства — составление чёткого набора целей, которых вы хотите достичь с помощью своей конструкции. Цели проекта должны быть аналогичны SMART-целям, применяемым в бизнесс-процессах:

Изображение расшифровки аббревиатуры SMART
  • Конкретные (Specific);
  • Измеримые (Measurable);
  • Достижимые (Attainable);
  • Актуальные (Relevant);
  • Ограниченные по времени (Time-bound).

В качестве иллюстрации приведу пример работы над одним из собственных небольших проектов. В ванной комнате в моей квартире ночью совершенно темно, и передвигаться приходится с трудом, а верхний свет слишком яркий и вызывает дискомфорт. Чтобы решить эту проблему, я решил просто пойти в магазин и купить светильник-ночник. К сожалению, я слишком придирчив и не смог найти лампу, устроившую меня. Тогда возникла идея создать собственный светильник: мне нужна была многоцветная лампа с регулируемой яркостью и беспроводным управлением. Звучит отлично, правда? Идея была записана в блокнот и я стал думать над ней. Тогда цели не отличались чёткостью:

  • Многоцветная лампа;
  • С регулируемой яркостью;
  • С беспроводным управлением.

Но эти цели не являются конкретными. Что я подразумеваю под «многоцветная»? Два цвета, три или, скажем, любой из существующих? А что такое «регулируемая яркость»? Два или три режима яркости или бесступенчатая регулировка? Ну а «беспроводное управление»? Wi-Fi, Bluetooth, RF (смотри статью «Телекоммуникационные сети: история появления, разновидности») или включение по хлопку? Любой из этих вариантов подходит под мои нечёткие требования.

Доработка моих идей до SMART-целей привела к списку целей:

  • Плавно регулируемые RGB-светодиоды высокой яркости, где свет рассеивается с помощью матового белого светофильтра;
  • Плавная регулировка яркости, которая позволит установить любую между выключенным и включенным;
  • Беспроводной интерфейс связи Bluetooth Low Energy 4.0, управляемый с устройств iOS или Android, а также с помощью дополнительного специального контроллера.

Теперь мои цели соответствуют SMART-целям и позволяют двигаться вперед с чётким видением того, чего требуется достичь. Проведение исследования и формирование SMART-целей позволит встать на правильный путь к созданию идеального проекта.

Визуализация

Теперь, при чётком понимании, что хотите, время приступить непосредственно к проектированию. Прежде чем начнете, как инженер Тимофеев, персонаж известного кинофильма «Иван Васильевич меняет профессию», бегать по магазинам в поисках нужных электронных компонентов или приступите к зарисовке эскизов схем на бумаге (смотри статью «ТОП-10 практических советов начинающему разработчику электронных устройств»), рекомендуется потратить время, чтобы составить ясное представление, как должно работать устройство. Создайте прототип в голове, а затем перенесите на бумагу! Нужно определить, как отдельные модули устройства будут согласованно работать вместе. Это то, чем заняты инженеры-системотехники.

Изображение схемы взаимодействия модулей
Блок-схема взаимодействия модулей рассматриваемого проекта

Вы можете не знать технических подробностей, но уже продумаете, как каждый компонент или модуль будет взаимодействовать, какие дополнительные компоненты или модули потребуются, а какие, наоборот, не нужны.

Теперь пора рассмотреть эстетический аспект проекта. Хотите соответствовать определенному форм-фактору и дизайну? Уверен, не хотите, чтобы, проект выглядел как нагромождение деталей и лапша из проводов, обильно стянутые синей изолентой и пластиковыми хомутами. Ну, а нужно ли учитывать эргономику (допустим, когда разрабатываете игровой контроллер)? Сможете ли взять готовое устройство через год и понять, как оно работает? Если нет, то значит, этап работы над дизайном и эргономикой явно был упущен. А эти шаги, хотя и кажущиеся незначительными, отличают плохой проект от хорошего.

Фото Николы Теслы
Изобретатель и инженер-электротехник Никола Тесла

Да, этот этап кажется лишним: хочется его пропустить и пойти дальше, но уверяю, что он чрезвычайно важен. На этапе представления и визуализации закладывается фундамент для хода работы. Если не верите мне, то прочтите слова выдающегося изобретателя и инженера Николы Теслы, описывающие его творческий процесс:

...У меня другой подход. Я не тороплюсь с реальной работой. Когда у меня появляется идея, я сразу начинаю воплощать её в воображении. Я меняю конструкцию, вношу улучшения и управляю устройством в уме. Мне совершенно безразлично, запускать машину в мыслях или испытывать её в реальности...

Конечно, многие мастера и инженеры не на том уровне гениальности, каким является Никола Тесла, но следовать его принципам по силам каждому. Обдумывайте и визуализируйте свой проект — это сэкономит силы, время и деньги.

Выбор электронных компонентов

Изображение электронных компонентов
Современные электронные компоненты

Это самый утомительный этап, но он одновременно важнейший. Подбор компонентов для проекта становится решающим фактором, который приведёт к успешному завершению проекта, а не к разочарованию.

Все производители электронных компонентов, стараются, чтобы сделать свою продукцию надёжной и наименее затратной. Но продукцию не всех компаний стоит сравнивать. Это актуально, когда требуется сделать предельно дешёвое устройство. Поскольку на рынке сотни тысяч (или даже миллионов) различных электронных компонентов, сложно дать описание всех, но показать принципы подбора запчастей для своего проекта вполне возможно.

  • Используйте доступные компоненты, которые легко достать. Уверен, что не хочется после недель или месяцев, потраченных на проектирование схемы и платы, узнать, что компонент более недоступен для заказа или имеется в меньшем количестве, чем нужно. Берите компоненты, которые есть в избытке.
  • Используйте фильтры при поиске компонентов. Большинство дистрибьюторов и интернет-магазинов применяют разные критерии при поиске. Используйте это для уменьшения номенклатуры подбираемых деталей и для поиска компонентов-аналогов. Для примера, предположим, что нужен светодиод с номинальной яркостью не менее 80 милликандел (мкд). Вместо выборки компонентов с номиналом ровно 80 мкд, отфильтруйте санчала все светодиоды с яркостью менее 80 мкд, а затем сортируйте по цене, прямому падению напряжения или потребляемому току. Этот метод поможет сэкономить, подбирая компоненты.
  • Помните о минимальном доступном количестве для покупки. Некоторые компоненты, особенно миниатюрные, выпущенные для поверхностного монтажа (SMD) продаются только большими партиями, например, от 100 единиц. Учитывайте это при подборе компонентов, чтобы не приходилось вносить изменения в конструкцию проекта, когда узнаете, что не получится купить один-два SMD-резистора.
  • Учитывайте тип корпусов заказываемых компонентов. Многие компоненты доступны в разных корпусах. Отдельные крупные типы корпусов монтируются ручной пайкой паяльником, другие — паяльными станциями, иные же, особо миниатюрные — только автоматической пайкой на специальных станках (смотри статью «Лучшие паяльные инструменты, оборудование и аксессуары») Если планируете изготовить основу, а компоненты смонтировать дома, избегайте сверхмалых корпусов для пайки бессвинцовым припоем. Без соответствующего оборудования пайка таких деталей непроста.
  • Разберитесь, как работает компонент. Это последнее и важнейшее правило. Нужно совершенно ясно понимать как работает каждая деталь, прежде чем использовать её в проекте. Для работы некоторых компонентов требуется микроконтроллер или микропроцессор, часы реального времени или специальная конструкция печатной платы. Знание этих требований заранее убережёт головной боли в будущем.
Изображение типоразмеров SMD-светодиодов
Различные типоразмеры SMD-светодиодов

При переходе к поиску запчастей рабочим способом становится анализ каталога любимого поставщика электронных компонентов. Так вы со 100% точностью будете знать их стоимость и наличие на складе. Но информационное сопровождение продукции у поставщиков не всегда на нужном уровне.

Другой способ поиска запчастей – зайти на сайт конкретной компании-производителя и посмотреть каталог компонентов в поисках нужного решения. Например, если для проекта нужен аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) (смотри статью «ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств»), я начинаю поиск с сайта компании, известной богатой номенклатурой и качеством выпускаемых АЦП, например Texas Instruments. Информационные ресурсы именно производителей помогают легче подобрать компонент для конкретной инженерной задачи.

Эскизирование электросхемы

Последний шаг перед тем, как перейти к отрисовке схемы и создании печатной платы на компьютере в специальном ПО — это эскизирование соединений на бумаге. Никола Тесла не одобрил бы это и предпочёл бы всё сделать в воображении. Но его нет рядом, чтобы остановить нас, так что не волнуйтесь и возьмите карандаш. Эскизирование — хороший способ последовательной организации нюансов проекта. Каждый логически обособленный модуль размещайте на отдельной странице, а для каждого крупного проекта заводите отдельную эскизную тетрадь или книгу.

В эскизную тетрадь нелишне включить всю необходимую справочную информацию, например, цоколёвки устанавливаемых компонентов. Ещё не помешает составить спецификацию всех монтируемых компонентов с указанием их характеристик, типов корпусов, количества. Эта спецификация будет необходима при заказе электронных компонентов у поставщика.

Дополнительно к основной, включите расширенные сведения о той части проекта, которая важна и понадобится. Например, удобно хранить список адресов устройств, использующих протокол I2C для связи или таблицы расчётов резистивных делителей (смотри статью «Как проверить резистор мультиметром?»).

Изображение тетради для эскизирования
Тетрадь для эскизирования

Закончив эскиз проекта и выполнив все предварительные проверки, переходим непосредственно к физическому проектированию печатной платы.

Ждите продолжения статьи во второй части, которая совсем скоро выйдет.

Проектирование электроники — увлекательный процесс, и труд одновременно в разных сферах человеческой занятости: здесь вы одновременно почувствуете себя изобретателем, придумавшим что-то с нуля; системотехником, создавшим работающую систему; электронщиком, трансформировавшим абстрактное представление системы в реализацию на существующих электронных компонентах; сыщиком, который нашёл все нужные запчасти; дизайнером, «нарисовавшим» идеальный корпус с высокой эргономикой и ещё многими другими специалистами. А создание хорошей печатной платы потребует многих знаний, опыта и терпения. Но оно этого стоит!


Количество показов: 169
11.07.2024
Понравилась статья? Поделитесь ей в ваших социальных сетях:

Возврат к списку