Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиотехническое конструирование. Учебно-методические рекомендации для магистров
.pdf
7. Внести изменения и дополнения в конструкторскую документацию.
Тема 3. Разработка и изготовление печатной платы
Современное промышленное производство радиоэлектронной аппаратуры
основано на применении печатного монтажа. Этот метод в основном
ориентирован на элементную базу микроэлектроники и характеризуется
высокой технологичностью в условиях серийного производства. Печатный
монтаж позволяет существенно снизить габаритные размеры аппаратуры и
повысить еѐ надежность.
Несмотря на то, что печатный монтаж технологически сложнее
проволочного, он очень широко распространен и практически незаменим при
создании высоконадѐжных, компактных устройств на основе микро-
электронных компонентов. Однако следует знать, что применение печатного
монтажа требует определенного опыта. Дело в том, что высокая плотность
печатного монтажа увеличивает вероятность возникновения паразитных связей
и электрического пробоя между элементами, может привести к перегреву и
другим нежелательным явлениям, нарушающим работоспособность устройства.
При этом ошибки, допущенные на этапе конструирования, исправить
практически невозможно — печатный монтаж не позволяет вносить
существенные изменения в изготовленную схему. Поэтому, прежде чем
приступить к работе, необходимо детально познакомиться с основными
правилами и технологическими приемами выполнения печатного монтажа.
При печатном монтаже соединение между деталями осуществляется с
помощью печатных проводников, т.е. дорожек из тонкой медной фольги,
наклеенной на поверхность пластины из гетинакса или стеклотекстолита.
Выводы радиодеталей пропускают через монтажные отверстия в плате и
припаивают к печатным проводникам, при этом навесные элементы
располагаются с одной стороны платы, а печатные проводники — с другой. Для
сложных схем применяют двусторонние и многослойные печатные платы.
Для этого на пластину (заготовку будущей печатной платы) со стороны
фольги наносят краской рисунок будущих электрических соединений между
выводами радиодеталей и погружают еѐ в специальный травильный раствор.
Фольга, не защищенная краской, вытравливается, и на плате остается медный
рисунок электрических соединений схемы.
Перед изготовлением печатной платы необходимо сделать ее чертеж. Это
достаточно трудоемкий процесс, поскольку детали необходимо расположить
таким образом, чтобы при максимальной плотности монтажа не допустить
пересечения печатных проводников. При компоновке печатных плат удобно
пользоваться аппликациями, которые представляют собой контурные
изображения радиодеталей, вырезанные из картона или плотной бумаги. На
аппликациях проставляют их схемные обозначения, цоколѐвку, полярность
выводов и т.п. Затем на листе бумаги чертят прямоугольник, соответствующий
по размерам будущей печатной плате, и внутри него раскладывают аппликации,
21
добиваясь наиболее оптимального их расположения и отсутствия пересечений
соединительных проводников. После того как аппликации разложены, можно
приступать к изображению печатных проводников, отмечая места соединений с
выводами навесных элементов и внешними устройствами. Готовый рисунок
печатной платы необходимо сверить с принципиальной схемой и убедиться в
отсутствии ошибок.
Проектировать печатные платы наиболее удобно в масштабе 2:1 на
миллиметровке или другом материале, на котором нанесена сетка с шагом 5
мм. При проектировании в масштабе 1:1 рисунок получается мелким, плохо
читаемым и поэтому при дальнейшей работе над печатной платой неизбежны
ошибки. Масштаб 4:1 приводит к большим размерам чертежа и неудобству в
работе.
Все отверстия под выводы деталей в печатной плате целесообразно
размещать в узлах сетки, что соответствует шагу 2,5 мм на реальной плате
(далее по тексту указаны реальные размеры). С таким шагом расположены
выводы у большинства микросхем в пластмассовом корпусе, у многих
транзисторов и других радиокомпонентов. Меньшее расстояние между
отверстиями следует выбирать лишь в тех случаях, когда это крайне
необходимо.
Если размеры печатной платы заданы, вначале необходимо начертить ее
контур и крепежные отверстия. Вокруг отверстий выделяют запретную для
проводников зону с радиусом, несколько превышающим половину диаметра
металлических крепежных элементов.
Далее следует примерно расставить наиболее крупные детали - реле,
переключатели (если их впаивают в печатную плату), разъемы, большие детали
и т.д. Их размещение обычно связано с общей конструкцией устройства,
определяемой размерами имеющегося корпуса или свободного места в нем.
Часто, особенно при разработке портативных приборов, размеры корпуса
определяют по результатам разводки печатной платы.
Цифровые микросхемы предварительно расставляют на плате рядами с
межрядными промежутками 7,5 мм. Если микросхем не более пяти, все
печатные проводники обычно удается разместить на одной стороне платы и
обойтись небольшим числом проволочных перемычек, впаиваемых со стороны
деталей. Попытки изготовить одностороннюю печатную плату для большего
числа цифровых микросхем приводят к резкому увеличению трудоемкости
разводки и чрезмерно большому числу перемычек. В этих случаях разумнее
перейти к двусторонней печатной плате.
Радиодетали обычно располагают параллельно поверхности платы
(рис. 3.1,а). Для увеличения плотности монтажа иногда применяют
вертикальную установку (рис. 3.1,6), однако следует иметь в виду, что в этом
случае детали должны иметь достаточно жесткие выводы. Корпуса навесных
элементов должны располагаться параллельно или перпендикулярно друг к
другу и краям платы (рис. 3.2).
22
а б
Рис. 3.1 Рис. 3.2
При этом расстояние между корпусом элемента и краем печатной платы
должно быть не менее 1 мм, а между выводом элемента и краем платы—не
менее 2 мм. Расстояние между корпусами соседних элементов в следует
выбирать не менее 0,5 мм. Микросхемы размещают так, чтобы все соединения
на плате были возможно короче, а число перемычек было минимальным.
Расстояние между токопроводящими дорожками должно удовлетворять
условиям электрической прочности изолирующих промежутков и его
выбирают в зависимости от разности потенциалов между выводами.
Ширина печатных проводников должна быть не менее 1,5...2 мм, а расстояние между соседними проводниками — не менее 1 мм (рис. 3.3).
Рис. 3.3.
Контактные площадки — участки, окружающие монтажные отверстия и
предназначенные для присоединения выводов навесных элементов, делают
более широкими (3...4 мм) для того, чтобы во время пайки не происходило
отслаивание медной фольги. При этом на каждой контактной площадке
допускается крепление вывода только одного навесного элемента. Шины
питания обычно располагают вдоль краев печатной платы, их делают более
широкими по сравнению с другими проводниками.
Если при компоновке платы не удается избежать пересечения печатных
проводников, то в месте пересечения следует разорвать проводник и сделать
две контактные площадки, которые впоследствии соединяют проволочной
перемычкой, впаянной со стороны навесного монтажа. При разработке
двусторонних печатных плат нужно стремиться обойтись без специальных
перемычек между сторонами платы, используя для этого контактные площадки
23
соответствующих выводов монтируемых деталей; выводы в этих случаях
пропаивают с обеих сторон платы. На сложных платах иногда удобно
некоторые детали подпаивать непосредственно к печатным проводникам.
При разработке двусторонней платы надо постараться, чтобы на стороне
деталей осталось возможно меньшее число соединений. Это облегчит
исправление возможных ошибок, налаживание устройства и, если необходимо,
его модернизацию. Под корпусами микросхем проводят лишь общий провод и
провод питания, но подключать их нужно только к выводам питания
микросхем. Проводники к входам микросхем, подключаемым к цепи питания
или общему проводу, прокладывают на стороне проводников, причем так,
чтобы их можно было легко перерезать при налаживании или
усовершенствовании устройства.
Корпуса массивных деталей (подстроечных резисторов, конденсаторов,
трансформаторов, реле и т.п.) необходимо механически закрепить но плате с
помощью хомутов, скоб или держателей. Для повышения механической
прочности конструкции такие детали следует располагать недалеко от точек
крепления платы к шасси. Расположение подстроечных элементов должно
обеспечивать свободный доступ к ним при регулировке устройство.
На печатной плате следует предусмотреть выводы для соединения с
другими платами и внешними деталями (силовым трансформатором, входными
и выходными клеммами, переключателями и т.п.). Для этой цели используют
разъемы или контактные опоры (шпильки, лепестки), впаянные в монтажные
отверстия.
После того как выполнен чертеж печатного монтажа, его с помощью
копировальной бумаги переносят, но пластину из фольгированного гетинакса
или стеклотекстолита.
Следует помнить, что рисунок всегда наносится со стороны фольги. В
местах крепления выводов деталей кернером делают углубления и сверлят
отверстия 0 0,8... 1,5 мм. Для сверления плат удобно пользоваться самодельной
миниатюрной электродрелью. Ее изготавливают на основе небольшого электро-
двигателя, лучше низковольтного. На его валу укрепляют сменные латунные
патроны-втулки (рис. 3.4) на разные
диаметры D сверла (например, 0,8, 1,
1, 2 мм). Обычные свѐрла при
обработке стеклотекстолита доволь-
но быстро тупятся; затачивают их
небольшим мелкозернистым брус-
ком, не вынимая сверла из патрона.
После сверления платы заусенцы с
краев отверстий снимают сверлом
большего диаметра или мелкозернистым бруском.
Рис. 3.4.
24
Плату обезжиривают, протерев салфеткой, смоченной спиртом или
ацетоном, после чего, ориентируясь на положение отверстий, переносят на нее
нитрокраской рисунок печатных проводников в соответствии с чертежом.
Затем те части фольги, которые должны оставаться на плате в виде
печатных проводников, закрашивают нитрокраской или лаком. В качестве
краски можно использовать клей БФ-2, подкрашенный небольшим количеством
темной пасты от шариковой ручки. Обычно краску наносят с помощью
стеклянного рейсфедера. Самодельный рейсфедер можно изготовить из
пластмассового стержня шариковой авторучки. Для этого нужно нагреть конец
стержня и, когда он размягчится, оттянуть пинцетом таким образом, чтобы
конец принял конусообразную форму, а затем отрезать излишек в том месте,
где диаметр трубки равен 1...1,5 мм.
В первую очередь рисуют контактные площадки, а затем проводят
соединения между ними, начиная с тех участков, где проводники расположены
тесно. После того, как рисунок в основном готов, следует по возможности
расширить проводники общего провода и питания, что уменьшит их
сопротивление и индуктивность, а значит, повысит стабильность работы
устройства. Целесообразно также увеличить контактные площадки, особенно
те, к которым будут припаяны стойки и крупногабаритные детали. Для защиты
больших поверхностей фольги от травильного раствора их заклеивают любой
липкой пленкой.
В случае ошибки при нанесении рисунка не торопитесь сразу же
исправлять ее - лучше поверх неверно нанесенного проводника проложить
правильный, а лишнюю краску удалить при окончательном исправлении
рисунка (его проводят, пока краска не засохла). Острым скальпелем или
бритвой прорезают удаляемый участок по границам, после чего его
выскребают.
После высыхания краски плату помещают в фотокювету с раствором
хлорного железа плотностью 1,3 г/см 3 (150 г хлорного железа на 200 см
2
раствора) для травления незащищенных краской участков фольги. Процесс
травления обычно продолжается 1...2 ч. Чтобы увеличить скорость травления,
следует периодически покачивать кювету или подогревать раствор (с учетом
теплостойкости защитного покрытия). Процесс травления необходимо время от
времени контролировать, вынимая плату из раствора. Травление проводят под
вытяжкой или в хорошо проветриваемом помещении. Для того чтобы не
произошло подтравливание печатных проводников под защитным покрытием,
плату нужно вынуть из раствора сразу же после того, кок будут удалены все
незащищенные участки фольги, и тщательно промыть водой.
После этого плату сушат и удаляют защитное покрытие. Основной слой
краски обычно срезают скальпелем, затем промывают плату соответствующим
растворителем (спиртом или ацетоном) и защищают наждачной бумагой.
Чтобы поверхность печатных проводников не окислялась, печатную плату
25
следует покрыть тонким слоем спиртоканифольного флюса и сразу залудить
контактные площадки.
При лужении печатных проводников нужно применять легкоплавкие
припои (ПОС-61, ПОСВ-32 и т.п.) и не допускать перегрева фольги. На готовой
плате необходимо внимательно проверить качество печатных проводников и
устранить обнаруженные недостатки — соединить пайкой возможные разрывы
печатных линий, удалить замыкающие «мостики» между соседними проводниками и т.п.
При установке радиодеталей на печатную плату их выводы залуживают,
пропускают через монтажные отверстия и подгибают к контактным площадкам
(рис. 3.5).
Рис 3.5.
Длина подогнутого отрезка вывода должно быть такой, чтобы он не
выходил за пределы контактной площадки, остальную часть вывода обрезают.
Выводы диаметром более 0,8 мм не подгибают, при этом выступающая над
контактной площадкой часть выводов должна иметь длину 0,5..1 мм. Положе-
ние корпуса детали должно быть таким, чтобы выводы, подпаянные к
контактным площадкам, не отрывали их от платы при нажатии на корпус.
Распайку навесных элементов можно проводить по мере их установки в
монтажные отверстия или сразу установить все радиодетали, закрепив их путем
подгиба концов, и после этого приступать к пайке.
При монтаже печатных плат обычно пользуются паяльником мощностью
не более 40 Вт и припоями с температурой плавления 130...180° С. Пайка
проводится кратковременным (2...3 с) прикосновением жала паяльника к
контактной площадке и концу вывода (рис. 3.6).
Рис. 3.6.
При монтаже полевых транзисторов с изолированным затвором и
микросхем структуры МОП и КМОП для исключения случайного пробоя их
статическим электричеством нужно уравнять потенциалы монтируемой платы,
паяльника и тела монтажника. Для этого на ручку паяльника достаточно
намотать бандаж из нескольких витков неизолированного провода (или
укрепить металлическое кольцо) и соединить его через резистор
26
сопротивлением 100...200 кОм с металлическими частями паяльника. Конечно,
обмотка паяльника не должна иметь контакта с его жалом. Во время монтажа
следует касаться свободной рукой проводников питания на монтируемой плате.
Если микросхема хранится в металлической коробке или ее выводы защищены
фольгой, прежде чем взять микросхему, нужно дотронуться до коробки или
фольги и "снять" статическое электричество.
Припой должен равномерно заполнить зазоры между выводом и
контактной площадкой и закрыть монтажное отверстие. Нельзя допускать
проникновения припоя на обратную сторону платы, затекания под корпуса
радиодеталей, отслаивания печатных проводников, образования иглообразных
выступов припоя и перемычек между соседними проводниками.
После окончания пайки с поверхности платы удаляют остатки флюса и
окончательно проверяют качество и надежность монтажа.
Практическая работа № 3.
Изготовление печатной платы
Если вы решили собрать понравившуюся электрическую схему, а раньше
этим никогда не занимались, то вам пригодятся приводимые ниже советы, а со
временем, при появлении опыта, вы сможете выбрать наиболее удобную для
себя методику.
Вся современная радиоаппаратура собирается на печатных платах, что
позволяет повысить ее надежность, а также упростить сборку. Несложно
научиться делать печатные платы своими руками, тем более что особых
секретов в технологии нет.
Итак, вы выбрали нужную схему и нашли необходимые детали. Теперь
можно приступать к разводке топологии печатных проводников, учитывая
реальные габариты деталей. Удобнее это делать на миллиметровой бумаге, но
можно взять и обычный лист в клеточку. Рисуем контуры платы, габариты
которой будут определяться с учетом размещения ее в каком-то готовом
корпусе, что наиболее удобно, так как изготовление самодельного потребует
много времени и не каждый сможет его сделать аккуратно и красиво.
Разводку топологии платы выполняют карандашом, отмечая места
отверстий для выводов радиоэлементов и пунктиром контуры самих элементов.
Линии соединения элементов выполняются в соответствии с электрической
схемой по кратчайшему пути при минимальной длине соединительных
проводников. Входные и выходные цепи схемы должны быть разнесены друг
относительно друга по возможности дальше, что исключит наводки и
самовозбуждение схем усилителей.
Наилучшее размещение элементов с первой попытки, как правило, не
получается, и приходится пользоваться ластиком при изменении компоновки
деталей.
27
После размещения всех элементов необходимо еще раз проверить
соответствие топологии платы электрической схеме и устранить все
выявленные ошибки (они будут).
Теперь можно приступать к изготовлению платы. Для этого из
фольгированного стеклотекстолита вырезается заготовка печатной платы
(ножовкой, резаком или ножницами по металлу). К заготовке закрепляем
рисунок топологии (липкой лентой или пластырем). По рисунку, с помощью
керна или шила, намечаются отверстия для выводов радиоэлементов и
крепления платы.
Сверлим отверстия, сняв бумагу, сверлом диаметром 0,9...1,5 мм для
радиоэлементов и 3...3,5 мм — для крепления платы. Иногда я сверлю плату по
бумаге. Это несколько ускоряет изготовление, однако в случае необходимости
рисунок топологии будет уже трудно использовать во второй раз, причем
пострадают точность расположения отверстий и аккуратность исполнения.
После сверления мелкой наждачной шкуркой (нулевкой) слегка зачищаем
фольгу, чтобы снять заусенцы и окисную пленку, — это ускоряет процесс
травления.
Перед нанесением рисунка топологии плату нужно обезжирить
техническим спиртом или ацетоном (протерев поверхность смоченной
тряпкой), подойдут и многие другие растворители.
Для выполнения рисунка проводников используется любой быстро
сохнущий лак, например, женский лак для ногтей или мебельный (его можно
подкрасить пастой от шариковой авторучки, чтобы было хорошо видно на
плате). Очень удобно рисовать печатные соединения тонким водостойким
маркером (не каждый тип подойдет).
Рис. 3.7.
Для нанесения рисунка можно воспользоваться двумя методами:
— берется рейсфедер или перо (или маркер) и рисуются проводники от
отверстия к отверстию (рис. 3.7 а) в соответствии с рисунком топологии;
28
— во втором методе покрывается лаком вся поверхность платы и при его
подсыхании счищаются лишние участки лака при помощи скальпеля и
линейки, оставляя закрашенными только токопроводящие дорожки (рис. 3.76).
Первый метод более быстрый, и чаще используется именно он, а второй
иногда необходим для изготовления различных высокочастотных схем и схем с
очень высокой плотностью монтажа.
После нанесения рисунка, когда лак подсохнет, топологию проводников
можно подретушировать и скорректировать, аккуратно соскоблив скальпелем
лишние участки лака. Затем плату помещаем в ванночку с раствором хлорного
железа. Если плата двухсторонняя, чтобы заготовка не легла рисунком
проводников на дно, необходимо в крепежные отверстия вставить
диэлектрические клинья или любым другим способом обеспечить зазор.
Весь процесс травления займет около часа, но если вы хотите его ускорить,
то раствор должен быть слегка теплым и при травлении иногда его помешивайте (время зависит и от концентрации раствора хлорного железа в воде).
После окончания травления заготовку промываем под струѐй воды и
отверткой соскабливаем лак с платы (его можно также растворить, например
ацетоном, но это дольше и создает больше грязи).
Для удобства монтажа, проводники платы необходимо облудить припоем
ПОС-61 с использованием жидкого спирто-канифольного флюса (для лучшей
пайки плату можно слегка зачистить мелкой шкуркой). Прикосновения
паяльника должны быть легкими и недолгими, иначе медная фольга дорожек
начнет отслаиваться. Остатки канифоли после облуживания удаляют с платы
ацетоном или спиртом. На этом процесс изготовления печатной платы
считается законченным и можно приступать к монтажу элементов на ней.
В заключение отметим, что существует способ изготовления печатной
платы без использования химических реактивов. При этом зазоры между
контактными дорожками выполняются резаком при помощи металлической
линейки, но этот метод требует больше сил и определенных навыков, так как
резак может соскочить и порезать нужные участки фольги. Поэтому этим
методом обычно пользуются очень редко, когда топология очень простая, а
хлорного железа нет под руками.
Хлорное железо нетрудно изготовить самостоятельно. Для этого берется
соляная кислота с концентрацией около 9% (ее можно приобрести в
хозяйственных магазинах) и железные опилки (или тонкие листовые кусочки).
Опилки заливаем кислотой и оставляем в открытой емкости на несколько дней.
Если кислота имеет низкую концентрацию, то ее берется 25 частей на 1 часть
объема опилок для получения водного раствора хлорного железа сразу нужной
плотности. По окончании реакции получается светло-зеленый раствор,
который, постояв еще несколько дней, становится желто-бурым.
29
Практическая работа №4.
Сборка и монтаж электрических схем
В заметке невозможно рассказать обо всех особенностях данной работы,
однако наиболее важные правила необходимо знать, перед тем как вы первый
раз приступите к изготовлению любой радиотехнической конструкции. Это
позволит сэкономить время и деньги при настройке.
Во многих схемах применяются микромощные микросхемы,
изготовленные по КМОП технологии (серии 561, 1561, 564), а также полевые
транзисторы. Все эти детали, пока они не установлены в плату, боятся
статического электричества. На человеке оно образуется из-за трения одежды и
может превышать потенциал 1000 В. Поэтому до прикосновения к этим
деталям необходимо надеть заземленный браслет или хотя бы коснуться рукой
металла батареи отопления. Детали, боящиеся статического электричества,
должны храниться в металлической фольге или в специальных коробках. Для
защиты полевых транзисторов выводы у них можно обмотать оголенным
проводом, который снимается при монтаже. Монтаж этих деталей на плату
лучше выполнять в последнюю очередь, после установки всех остальных
деталей.
Сборку печатной платы начинают с установки элементов, требующих
механического крепления. При этом приходится иногда расширять отверстия и
пазы, а делать это с уже установленными деталями неудобно.
Все устанавливаемые детали не должны иметь на корпусе царапин,
трещин, вмятин или каких-то других механических повреждений. Даже если
такие детали и работают, то еще не значит, что это продлится долго. Детали
устанавливаются так, чтобы они не касались друг друга.
Паяльник лучше использовать с заземляемым жалом, а температура жала
должна быть около 270°С. Если она значительно выше, то припой на жале
быстро выгорает и приобретает серый цвет, а при нормальной температуре
расплавленный припой не теряет зеркального блеска, который остается и после
его остывания. Такая пайка обеспечивает качественное электрическое
соединение.
Для ускорения пайки используют жидкий спирто-канифольный флюс —
он разрушает окисную пленку на поверхности выводов деталей. Флюс легко
можно сделать самостоятельно, растворив кусок канифоли в спирте в
пропорции примерно 1:10.
При пайке элементов, чтобы их не перегревать, паяльником с припоем на
жале касаются выводов не более чем в течение 3 секунд. Сами элементы при
этом удобно придерживать пинцетом. Для лучшей пайки выводы деталей полезно до установки на плату предварительно облудить. При установке элемен-
тов их выводы загибаются так, чтобы была видна маркировка. Это пригодится,
когда будете настраивать устройство и разбираться в ошибках монтажа.
Некоторые детали (диоды, стабилитроны, электролитические
конденсаторы и др.) имеют полярность, и ее необходимо соблюдать при
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]