Компонування радіодеталей на платі

Найбільш поширеною помилкою початкуючого радіоаматора-конструктора є те, що при компонуванні елементів він прагне отримати як можна менші габарити пристрою, нехтує можливими паразитними взаємозв'язками між елементами різних каскадів, розташовуючи елементи без урахування принципу їх роботи. Щоб не допустити таких помилок, необхідно передусім ретельно розглянути можливі варіанти компонування елементів. Не розташовуйте друковану плату і інші деталі поблизу потужного резистора, який гріється в процесі роботи. При монтажі підсилювачів дуже важливо розміщувати входи і виходи окремо. Це сприятиме меншій кількості різних перешкод. У підсилювальній апаратурі рекомендується підводити дроти живлення в скрученому виді. Не забувайте розмічати на платі усі механічні кріплення і місця під гвинти і гайки, заклепки і так далі. З досвідом зборки різних саморобок ви і самі зможете визначити, що і як буде кращий зробити.

Розробка друкарського монтажу плати

Основні теоретичні відомості

Застосування друкованих плат створює передумови для механізації і автоматизації процесів зборки радіоелектронної апаратури, підвищує її надійність, забезпечує повторюваність параметрів монтажу (місткість, індуктивність) від зразка до зразка.

Простим елементом будь-якої друкованої плати є друкарський провідник - ділянка струмопровідного покриття, нанесеного на ізоляційну основу. Характерною особливістю друкарського провідника є те, що його ширина значно більше товщини.

Система друкарських провідників, можливість електричного з'єднання елементів, що забезпечує, схеми, які згодом будуть встановлені на друковану плату, а також екранування окремих провідників, утворює друкарський монтаж. Ізоляційна основа з нанесеним на нього друкарським монтажем утворює друковану плату.

Іноді безпосередньо на друкованій платі, використовуючи технологічні процеси нанесення струмопровідного або ізоляційного покриття, отримують окремі електрорадіоелементи (ЭРЭ) - індуктивні котушки, контакти роз'ємів і перемикачів та ін. Такі елементи також називають друкарськими.

Система друкарських провідників і електрорадіоелементів, нанесених на ізоляційну основу, утворює друкарську схему.

По конструкції друковані плати підрозділяють на одношарові і багатошарові (MПП).

Одношарові друковані плати завжди мають один ізоляційний шар, на якому знаходяться друкарські провідники. Якщо вони розташовані на одній стороні ізоляційної основи, то таку плату називають односторонньою (ОПП), якщо на двох сторонах, то - двосторонньою (ДПП).

Багатошарова друкована плата складається з декількох друкарських шарів, ізольованих склеюючими прокладеннями.

Багатошарові друковані плати мають з'єднання між провідниками, розташованими в різних шарах, або відкритий доступ до окремих ділянок провідників внутрішніх шарів для припаювання до них ЭРЭ.

Процес виготовлення ізоляційної плати з друкарським монтажем складається з двох основних операцій:

а) створення зображення друкарських провідників (копіюванням зображення з негативу на світлочутливий шар, друкуванням зображення захисною фарбою через сітчастий трафарет або за допомогою офсетної форми);

б) створення струмопровідного шару на ізоляційній основі.

Широке поширення отримали три методи створення струмопровідного шару:

хімічний, при якому робиться витравлення незахищених ділянок фольги, заздалегідь наклеєної на діелектрик;

електрохімічний, при якому методом хімічного осадження створюється шар металу завтовшки 1-2 мкм|, що нарощується потім гальванічним способом до потрібної товщини. При електрохімічному методі одночасно з провідниками металізують стінки отворів, які можна використати як перемички для з'єднання провідників, розташованих на різних сторонах плати;

комбінований, суть якого полягає в поєднанні хімічного і електрохімічного методів. При використанні комбінованого методу провідники отримують таким, що труїть фольги, а металізовані отвори - електрохімічним методом.

Щоб до друкарського провідника можна було припаяти об'ємний провідник або виведення навісного ЭРЭ, на провіднику роблять контактний майданчик у вигляді ділянки зі збільшеною шириною (мал. 5.1).

У зоні контактного майданчика може знаходитися монтажний отвір, в який вставлятиметься об'ємний провідник або виведення ЭРЭ. За наявності отвору контактний майданчик оточує його з усіх боків, монтажний отвір може мати металізовані стінки.

Мал. 5.1. Друкарські провідники (а, б) і контактні майданчики (в) для пайки виводів електорадіоелементів| : 1 - друкарський провідник; 2 - контактний майданчик для елементів з штирьовими виводами; 3 - контактні майданчики для елементів з планарными| виводами; 4 - ключ у майданчика, до якого припаюватиметься виведення № 1 мікросхеми; 5 - лінії координатної сітки

У останньому випадку метал, нанесений на циліндричну поверхню отвору, має бути сполучений з контактним майданчиком по усьому периметру отвору.

Мал. 5.2. Пайка провідників : а) в металізованому отворі; б) в неметалізованому отворі

         При установці об'ємних провідників і виводів елементів в металізований монтажний отвір забезпечується найбільш надійний паяний електричний контакт. Як видно з мал. 5.2, а, в цьому випадку припій затікає в отвір і контактує не лише з частиною виводу, що виступає, і контактним майданчиком, але і із стінкою отвору і тією частиною виводу, яка розташована в нім.

     Використання неметалізованих отворів (мал. 5.2, б) призводить до меншої надійності пайки

Мал. 5.3. Перетини друкарських провідників на двосторонній друкованій платі.

        Металізований отвір може бути використаний також і для електричного з'єднання двох провідників, що знаходяться на різних сторонах ізоляційної основи (мал. 5.3) двосторонньої друкованої плати, і для з'єднання двох і більше провідників, розташованих на різних шарах багатошарової плати.

Для виготовлення друкованих плат найширше використовує комбінований і хімічний методи. Хімічний метод забезпечує велику продуктивність, але дозволяє отримати фольгу, розташовану тільки на одній стороні друкованої плати. При цьому не може бути отримана висока щільність монтажу. Крім того, він не може забезпечити таку ж високу надійність пайки, яку дають плати з металізованими отворами, виготовлені комбінованим методом. Тому хімічний метод використовують для отримання односторонніх друкованих плат побутової апаратури. Комбінований метод використовують для отримання одно- і двосторонніх друкованих плат в апаратурі, до якої пред'являють жорсткіші вимоги по надійності.

Матеріал для виготовлення друкованих плат. Для виготовлення друкованих плат хімічним і комбінованим методами необхідно мати листовий матеріал у вигляді ізоляційної основи з приклеєною до нього металевою фольгою. Залежно від призначення друкованої плати в якості ізоляційної основи використовують частіше гетинакс і склотекстоліт різної товщини. Фольгу роблять з міді, оскільки вона має хороші властивості, що проводять. Для багатошарових друкованих плат, окрім фолізірованого матеріалу, застосовують ізоляційні прокладення із склотканини і мідну фольгу. Номенклатура найширше вживаних матеріалів приведена в таблицю. 5.1.

Таблиця 5.1

Фолізіровані матеріали і прокладення для друкованих плат

Фолізірований матеріал може бути одностороннім (наприклад СФ-1-35) або двостороннім (наприклад СФ-2-35). У останньому випадку фольгу наносять на дві сторони ізоляційної основи. Такі матеріали використовують для виготовлення двосторонніх друкованих плат. Фолізірований гетинакс (ГФ) поступається іншим матеріалам як за фізико-механічним|, так і по електричними властивостями. У таблиці. 5.2 приведені деякі параметри, що характеризують властивості цих матеріалів.

Таблиця 5.2

Порівняльні характеристики матеріалів типу ГФ і СФ

Характеристики матеріалів	Тип фолізірованого матеріалу
	ГФ	СФ
Після витримки впродовж 24 ч| при t = 40 °C і відносній вологості до 98 %: питомий об'ємний опір, Ом- см, не менше; тангенс кута втрат не більший; міцність зчеплення фольги з основою, Н|/см2|	1–109 0,07 9,0	5-1012 0,03 10,0

Фолізірований гетинакс рекомендується використати для апаратури, працюючої при нормальній вологості навколишнього повітря, наприклад для побутової апаратури. Фолізірований склотекстоліт марок СФ-1Н і СФ-2Н має підвищену нагрівостійкість і може працювати при температурі 180 °С не більше 100 ч.| Фолізірований матеріал типу ФДМ-2 також має в якості ізоляційної основи склотекстоліт і відрізняється від матеріалу марок СФ-1 і СФ-2 в основному завтовшки.

Основною відмінністю матеріалів марки ФТС і СПТ-3 являється те, що ізоляційний шар може бути витравлений за допомогою спеціальних хімічних речовин, що необхідно для виготовлення окремих типів багатошарових друкованих плат.

Товщину ізоляційної основи вибирають, виходячи з вимог до механічної жорсткості готової друкованої плати і її розмірів. Матеріали з великою товщиною фольги дозволяють пропускати по провідниках великі струми при тій же ширині провідника.

Розробка і оформлення креслень на друковані плати. Процес розробки креслення друкованої плати складається з наступних операцій:

а) компонування друкованої плати, в процесі якої знаходять оптимальне розміщення навісних елементів на друкованій платі. Компонування зазвичай виконують за допомогою шаблонів елементів, що встановлюються на платі, виготовлених з паперу або іншого матеріалу. Шаблони виконують в тому ж масштабі, в якому оформляється креслення друкованої плати. Ці шаблони розміщують на аркуші паперу або іншого матеріалу з нанесеною координатною сіткою і шукають таке розташування деталей, при якому довжина провідників, що сполучають їх, мінімальна. В результаті компонування знаходять положення контактних майданчиків для підключення усіх елементів;

б) розводка друкарських провідників ("трасування"). Мета цієї операції - провести провідники, що сполучають контактні майданчики, так, щоб вони мали мінімальну довжину і мінімальне число переходів на інші шари з метою усунення перетинів;

в) оформлення креслення з дотриманням вимог стандартів.

Перші два процеси - компонування і розводка - нерозривно пов'язані між собою, оскільки іноді в процесі розводки конструктор виявляє, що компонування треба змінити. На виконання цих двох процесів при розробці складних плат витрачається багато часу.

Тому при розробці друкованих плат використовують автоматизовані методи проектування. Для проведення таких робіт використовують автоматизоване робоче місце (АРМ), оснащене відповідними програмами. Наприклад, для розробки двошарових друкованих плат застосовують пакет застосовних програм "Рапіра /ДПП". Він проектує ДПП з металізованими отворами і дозволяє робити розміщення різногабаритних елементів і трасування з'єднань.

Розмір плати не повинен перевищувати 511Н|, де Н| - крок координатної сітки. Програми орієнтовані на прокладення провідників у вузьких місцях шириною 0,3 мм і мінімальний проміжок між провідниками також 0,3 мм, тобто на проектування плат 2-го класу складності.

Заздалегідь в пам'ять ЕОМ АРМ має бути записана електрична схема проектованого пристрою у вигляді переліку тих, що входять в неї ЭРЭ і таблиці з'єднань між їх контактами. Крім того, в пам'яті ЕОМ повинне знаходитися габаритне креслення друкованої плати, на якому мають бути визначені :

1) зона розташування проектованої друкарської схеми;

2) допоміжні зони, що служать для закріплення друкованої плати у виробі з усіма кріпильними і технологічними отворами;

3) зона розташування з'єднувача, що служить для підключення друкарського вузла до інших облаштувань виробу, і розташування контактних майданчиків для припаювання його виводів.

Залежно від розмірів плати, числа ЭРЭ, їх габаритних розмірів, складності схеми процес автоматизованого проектування може завершитися успішно або ж виявиться, що існуюча програма не в змозі прокласти усі необхідні провідники. Тоді в процес проектування доведеться втручатися конструктору: вводити перемички з дроту в тих місцях, де не вдається прокласти друкарські провідники, а може бути і шукати оптимальніше розміщення елементів.

В результаті автоматизованого проектування розробляються наступні конструкторські і технологічні документи:

– складальне креслення друкарського вузла;

– специфікація;

– креслення друкованої плати;

– фотооригінал друкованої плати;

– таблиця ланцюгів для перевірки друкованої плати на установках автоматизованого контролю.

Аналогічні програми є для проектування багатошарових друкованих плат.

Креслення друкованої плати повинне містити основні проекції плати з друкарськими провідниками і отворами. Його виконують в масштабі 2:1| або 4:1|. На кресленні плати лініями типу виносних наносять координатну сітку відповідно до вибраного масштабу. Приклад оформлення креслення друкованої плати наведений на мал. 5.4.

Мал. 5.4. Приклад креслення друкованої плати

Розміри на кресленні друкованої плати вказують одним з наступних способів : за допомогою розмірних і виносних ліній; нанесенням координатної сітки в прямокутній або в полярній системі координат; комбінованим способом за допомогою розмірних і виносних ліній і координатної сітки.

При завданні розмірів координатної сітки її лінії нумерують.

Провідники на кресленні друкованої плати слід зображувати однією лінією, що є віссю симетрії провідника. При цьому в технічних вимогах креслення має бути вказана ширина провідника.

У багатьох випадках для плат обмежується тільки мінімальна ширина провідника. Її вказують окремо для вільних і вузьких місць, як, наприклад, показано на мал. 5.4 в таблиці. 2.

Провідники шириною більше 2,5 мм можна зображувати двома лініями, при цьому, якщо вони співпадають з лініями координатної сітки, числове значення ширини на кресленні не вказують.

Окремі елементи малюнка друкованої плати (широкі провідники, контактні майданчики, екрани, ізоляційні ділянки і тому подібне) можна виділяти штрихуванням, чорнінням.

Круглі отвори, що мають зенкування, і круглі контактні майданчики з круглими отворами зображують одним колом.

Розмір діаметрів круглих контактних майданчиків вказують в технічних вимогах.

Якщо у контактного майданчика регламентується тільки мінімальна радіальна ширина bmin, то такий майданчик показують колом, діаметр якого дорівнює діаметру отворів, а в технічних вимогах вказують: "Форма контактних майданчиків довільна, bmin=.". Контактні майданчики для припаювання виводів планарних| корпусів мікросхем виконують як показано на мал. 5.4.

Параметри отворів (діаметр, допуск на діаметр, зенкування і допуск на неї, наявність і відсутність металізації) безпосередньо біля кожного отвору не проставляють. Отвори, що мають однакові параметри, означають одним і тим же умовним значком, а параметри, що характеризують цей значок, об'єднують в таблицю, яку включають в технічні вимоги креслення (мал. 5.4 в таблиці. 1).

Ділянки плати, по яких не повинні проходити друкарські провідники, обводять штрихпунктирною лінією і відповідну вказівку дають в технічних вимогах. Зенкування на отворах графічно не показують.

Окрім перерахованих даних, в технічних вимогах креслення мають бути вказані:

а) номер державного стандарту або технічних умов, яким повинна відповідати плата;

б) крок координатної сітки;

в) граничні відхилення відстаней між центрами отворів (окрім обумовлених особливо на кресленні);

г) сумарна площа металізації плати;

д) вказівки про гальванічне покриття провідників друкованої плати, наприклад: "Друкарський монтаж сріблити Ср9". При необхідності в технічних вимогах вказують спосіб виготовлення друкованої плати.

Для поверхонь друкованої плати (контур плати, отвору, пази і тому подібне), які в процесі виготовлення піддаються механічній обробці, встановлюють норму на шорсткість.

Шорсткість обмежують, нормуючи максимально допустиме значення параметра шорсткості Rz (висота нерівностей, вичислена по десяти точках профілю); зазвичай Rz не повинна перевищувати 40 мкм|.

У відповідній графі основного напису креслення має бути вказана марка матеріалу, з якого зроблена друкована плата або зображена на кресленні деталь МПП, а також номер державного стандарту на цей матеріал.