О печатных пластинах

Печатная плата — это пластина, сделанная из диэлектрического вещества (материал, который плохо проводит ток). Чаще всего это стеклотекстолит (стекловолокно с вяжущим материалом) или гетинакс (прессованная бумага, пропитанная эпоксидной/фенольной смолой). Электрическим или механическим способом соединяет разные электронные компоненты.

Для печатных плат, которые будут работать в радиусе воздействия СВЧ, повышенных температурных режимов, других экстремальных условиях в изготовлении используется фторопласт (армированный стекловолокном) — или керамика. Они не могут сами служить несущей частью, потому крепятся к какому-то основанию. Кроме того, для прорези сквозных отверстий в этих пластинах требуется специальные технологии.

Проводящий энергию узор сделан из алюминия — она располагается на крепком остове с изолирующими свойствами. В пластине есть сквозные отверстия, через которые соединяются участки металла, находящиеся на различных ее уровнях. Наносится узор двумя способами. В первом на нефольгируемом материале создается узор путем химического меднения сквозь заранее нанесенную на него маску. Во втором ненужная фольга убирается с лишних участков.

Иногда на металлическое основание наносят диэлектрик, а уже на него — проводниковые материалы. Основа в таких конструкциях прикрепляется к радиатору.

По контуру плата покрывается защищающей ее паяльной маской, а также вспомогательным рисунком с текстом, соответствующим документации.

Какие бывают платы

Исходя из того, из скольких прослоек составлены, ПП делятся на:

• Односторонние — один слой алюминиевой пленки на одной стороне диэлектрика. Используются для низкочастотных схем;
• Двухсторонние — соответственно два прослоя на обеих сторонах. В них легче развести пересекающиеся трассы. Механическая прочность более высокая, если сравнить с однослойной. Меньше сопротивления для всех подключений, следовательно, уменьшается помехи и наводки;
• Многослойные — проводник не только на сторонах, но и внутри пластины. Получаются путем склейки нескольких плат. Проще подвести питание к каждому компоненту. Уменьшается высокочастотный шум, радиопомехи из-за явления отражения.

Чем сложнее проектируемое устройство, тем больше слоев склеивается.

Основы бывают жесткими или гибкими — зависит от назначения или требований в эксплуатации. Некоторые могут быть рассчитаны на сопротивление воздействию высоких температур. Эластичные платы производят из полиимидных материалов — гибкое термостойкое вещество.

Разводка плат: пример

Процедура конструирования пластин называют «разводкой» — имеется ввиду процедура прокладывания проводниковых веществ. Грубо говоря, формирование подходящего узора ПП. Существенной разницы нет, делать ли это на листочке с картонными составными или с помощью какой-то специальной программы. В силу того, что компьютер/ноутбук есть практически в любом доме, второй вариант будет более актуален. Тем более, что проектировать большие схемы удобнее виртуально.

При разводке плат прокладываются проводники от одного компонента к другому. Разводка совершается после сбора и расстановки элементов. В это время их расположение способно поменяться для усовершенствования устройства.

Автоматизация производства значительно упрощает этот щепетильный процесс. Человек только выставляет границы ширины, зазора проводников, расстояния от проводника до крепежного отверстия, длина цепочки — и отслеживает выполнение задачи.

По факту, при создании больших сложных проектов требуется разумное сочетание автоматического процесса с механической работой. Во многих случаях используется комбинированная система — САПР прокладывает цепочку до определенного узла, трассирует от определенных компонентов с большим количеством выходов, следит за соблюдением ограничений в настоящем времени и пр.

Схематическая часть

Схема проектирования (включая подготовку, конструирование) такова:

• Крепятся электросхемы к базе данных САПР. Некоторые САПРы уже имеют элементы схемотехники и конструирования. Большинство нет;
• С помощью готовых библиотек от разработчиков вводятся чертежи для составляющих, местоположения, т.п.;
• Сбор данных для заблаговременного подбора пластины, сколько используется проводников, класс точности — вся информация для работы над DRC. Используются чтобы автоматическим способом протестировать готовую плату;
• Определяются детали конструкции пластины: контур, габариты, максимальная высота, крепежные отверстия. После чего по готовым чертежам вырезается и вытачивается нужная основа. Выделяются области прокладывания проводников сильного тока, шин питания. Компонуются высокочастотные и дифференциальные линий. Определяются методы прокладывания и экранирования чувствительных к помехам цепей — и цепочек, которые эти помехи создают;
• Размещаются индикаторы, кнопки, разъемы. Автоматически или вручную размещаются элементы. Стандартно все устанавливается с одной стороны пластины;
• Запускается автоматический трассировщик. Если результат оказывается неудовлетворительный — компоненты переразмещаются. Эти действия могут повторяться много раз. Иногда целиком или по частям платы прорисовываются вручную;
• Плата проверяется на ошибки, зазоры, замыкания, наложения компонентов друг на друга и пр.;
• Иногда рассчитываются выдержка и запас прочности продукта. Могут изменяться точки опоры или местоположение утяжеленных элементов;
• Форматируется файл для изготовителя, оформляется конструкторская отчетность с указанием технических требований.

САПР — это система проектировки, которая выполняется сугубо с помощью автоматов. Это полная автоматизация производства. Состоит из тандема технических приемов и автоматических программ.

Трассировка

Самая трудозатратная из частей при автоматизации работы — это, обычно, завершающий этап конструкторной разработки электроники. Трассировка определяет линейки, которые соединяют потенциальные соединения частей — и компоненты, из которых состоит проектируемое устройство. Сложность состоит в большом выборе возможностей соединений, поскольку для каждого алгоритма решений задействуются особые оптимизирующие их решения. Это задача по выбору оптимального решения из большого количества ответов.

Одновременная прокладка трасс перебором вариантов пока невозможна. Срабатывается система пошагово: компоновка возможно лишь тогда, когда предыдущий элемент уже находится на своем месте.

По существующей схеме проложить нужные токопроводящие части на плоскости, тогда осуществляются заданные условия, ограниченные условиями задачи. Основными ограничениями являются ширина проводников и минимальное между ними расстояние.

Способы трассировки

Трассировать платы можно тремя способами:

• Ручным — используя определенные программные инструменты вручную наносится чертеж на поверхность;
• Автоматическим — программа самостоятельно прокладывает проводники на чертежах, которые наложил разработчик. При необходимости исходные параметры корректируются — то есть, меняется местоположение компонентов — трассировка повторяется;
• Интерактивным — черновая работа по прорисовке цепей и контролю правил выполняется автоматически, а последовательность действий на сложных участках контролируется человеком. Может быть использован для полностью ручной прорисовки или доработки платы после автоматической работы.

Алгоритмы трассирования:

• Волновые — клетки пространства разбиваются на занятые и свободные. В первых уже находятся проводники. Проводя трассу возможно использовать только свободные клетки. На поле со свободными ячейками создается волна влияния из одной ячейки в другую. После этого они соединяются проводником. Первая ячейка будет источником, вторая — преемником волны;
• Ортогональные — действуют быстрее. Их реализация использует гораздо меньше расчетов. Применяются для разработок пластин со сквозными отверстиями. Есть минусы. Это большое количество переходов между слоями, большое число параллельных проводящих элементов, невозможно стопроцентно гарантировать трассировку;
• Эвристического типа — достижение конечного результата предопределено, последовательность действий не обозначена, все действия исполнителя не выявлены;
• Метод встречной волны — аналог волновому алгоритму, но волна идет сразу от двух ячеек.

Размещение объемных компонентов

Для того, чтобы поместить на пластине какие-либо объемные компоненты, нужно в ней просверлить дополнительные отверстия. Если специальных требований к плате нет — их можно использовать.

Переходные отверстия имеют собственную индуктивность, это тоже может наложить отпечаток на динамику процесса. Если разводятся высокочастотные, высокоскоростные логические или аналоговые схемы — большие навесные элементы, пассивные компоненты с проволочными выводами и тому подобное нужно исключить.

Иногда, чтобы уменьшить длину проводника, трассу размещают вертикально. Это сокращает ее только визуально. Фактический путь увеличивается за счет того, что резисторы превращаются в петли индуктивности. В следствие этого теряется производительность, поскольку излучающие и принимающие способности увеличиваются, что сильно замедляет скорость работы.

Заземление системы

Разделение земли на цифру и аналог — самый простой способ подавить возможные помехи. Несколько слоев (реже один) отводится под земляные полигоны. Если аналоговое заземление будет подключено к ним, то аналоговый возвратный ток будет идти по той же цепочке, что и цифровой. Каждый источник должен быть подключен к своему полигону.

Погрешности при трассировке

Качественные характеристики плат значительно понижают шумы. За счет технологических особенностей производства понижаются помехи, излучаемые высокочастотными логическими сигналами.

Источники шумов разнообразны: ключевые источники питания цифровых систем или ламп дневного света, мобильники, радио, телевизор, компьютер, сильные грозовые разряды.

Системы, работающие в звуковых диапазонах, также подвержены воздействию радиопомех, которые способны создавать шумы в выходящем сигнале.

Ошибки в конструировании

Создавая платы, можно допустить определенные погрешности. Самые частые из них:

• Неправильный выбор диаметра отверстия для монтажа элементов. В таком случае при металлизации половина отверстия зальется и прикрепить элемент будет невозможно;
• Несогласованность между размером латы и способом обработки. Для разных методов обработки нужно по-разному делать приспуск — механически снять слой материала;
• Неверный выбор размера мелких элементов. Неправильно выбрав проводник, или неверно высчитав зазор и окантовку можно категорически сменить свойства платы и, следовательно, ее стоимость;
• Неравномерно проложенные трассы, полигоны, точки пайки. Это приводит к повреждениям после пропайки в печах;
• Отсутствие термозазора вокруг монтажных точек во время крупных заливов фольгой. Растет процент брака, пропаять точки становится труднее;
• Не учитывается расположение разъемов и прочих компонентов, которые во время лакировки не должны попасть под лак.

Заключение

Изготовление и разводка печатных плат — дело кропотливое, требующее внимательности и современных технологий. Благодаря множеству разнообразных материалов количество помех и шумов постоянно уменьшается, частота работы увеличивается, а размеры устройств становятся компактными. Внимание к каждой детали — вот залог качественно разведенной пластины.