Многие говорят, что сделать свою первую печатную плату очень сложно, но на самом деле это очень просто.

Сейчас я расскажу парочку известных способов, как изготовить печатную плату в домашних условиях.

Для начала коротенький план как изготавливается печатная плата:

1.Подготовка к изготовлению
2.Рисуются токопроводящие дорожки
2.1Рисуем лаком
2.2Рисуем маркером или нитрокраской
2.3Лазерная утюжка
2.4Печать с пленочным фоторезистом
3.Травление платы
3.1Травление хлорным железом
3.2Травление медным купоросом с поваренной солью
4.Лужение оловом
5.Сверление

1. Подготовка к изготовлению печатной платы

Для начала нам понадобится лист фольгированного текстолита, ножницы по металлу или ножовка по металлу, обычная терка для карандашей и ацетон.

Аккуратно вырезаем необходимый кусочек фольгированного текстолита. Затем необходимо зачистить аккуратно наш текстолит, с медной стороны, теркой для карандаша до блеска, потом протереть нашу заготовку ацетоном (это сделано для обезжиривания).

Рис 1. Вот моя заготовка

Все готово, теперь не прикасайтесь до блестящей стороны, а то опять придется обезжиривать.

2. Рисуем токопроводящие дорожки

Это дорожки, по которым будет проводится ток.

2.1 Рисуем дорожки лаком.

Этот способ самый давний и саамы простой. Нам понадобится самый простой лак для ногтей.

Аккуратненько рисуем лаком для ногтей дорожки токопроводящие дорожки. Будьте внимательны, поскольку лак иногда расплывается и дорожки сливаются. Даем лаку высохнуть. Вот и все.

Рис 2. Дорожки, рисованные лаком

2.2 Рисуем дорожки нитрокраской или маркером

Этот способ ничем не отличается от предыдущего, только рисуется все намного проще и быстрее

Рис 3. Дорожки, рисованные нитрокраской

2.3 Лазерная утюжка

Лазерная утюжка один из самых распространенных способов изготавливать печатные платы. Способ не трудоемок и занимает мало времени. Я лично не пробовал этот способ, но многие знакомые используют его с огромным успехом

Для начала нам необходимо распечатать на лазерном принтере чертеж нашей печатной платы. Если нет лазерного принтера, можно напечатать на струйном, а затем наделать копий на ксероксе Для составления чертежей я использую программу Sprint-Layout 4.0. Только при печати будьте внимательны с использованием зеркала, многие не раз убивали платы таким способом.

Печатать мы будем на каком-нибудь старом ненужном журнале с глянцевой бумагой. Перед печатью, настройте ваш принтер на максимальный расход тонера, это избавит от многих проблем.

Рис 4. Печать чертежа на глянцевой журнальной бумаге

Теперь аккуратненько вырезаем наш чертеж в виде конверта.

Рис 5. Конверт со схемой

Теперь вкладываем нашу заготовку в конверт и аккуратно заклеиваем ее сзади скотчем. Заклеиваем так, что бы текстолит ни шевелился в конверте

Рис 6. Готовый конверт

Теперь утюжим конверт. Стараемся не пропустить ни одного миллиметра. От этого зависит качество платы

Рис 7. Утюжка платы

Когда утюжка будет закончена, аккуратно ложем конверт в посуду с теплой водой

Рис 8. Размачиваем конверт

Когда конверт размок, скатываем бумагу без резких движений, что бы ни повредить тонер дорожек. Если есть дефекты, возьмите маркер для дисков cd или dvd, и поправьте дорожки.

Рис 9. Почти готовая плата

2.4 Изготовление печатной платы с помощью пленочного фоторезиста

Как и в предыдущем способе, изготавливаем чертеж с помощью программки Sprint-Layout 4.0 и нажимаем печать. Печатать мы будем на специальной пленке для печати на струйных принтерах. Поэтому настраиваем печать: Снимаем стороны ф1, м1, м2; В опциях ставим галочки Негатив и Рамка.

Рис 10. Настройка печати

Настраиваем принтер на черно белую печать и в настройке цветов выставляем максимальную интенсивность.

Рис 11. Настройка принтера

Печатаем на матовой стороне. Эта сторона рабочая, определить её можно по прилипанию её к пальцам.

После печати, наш шаблон ложем сохнуть.

Рис 12. Сушим наш шаблон

Теперь отрезаем нужный нам кусочек пленки фоторезиста

Рис 13. Пленка фоторезиста

Аккуратно снимаем защитную пленку (она матовая), приклеиваем его к нашей заготовке текстолита

Рис 14. Клеим к текстолиту фоторезист

Клеить нужно аккуратно, и помните, чем лучше вы прижмете фоторезист, тем качественней будут дорожки на плате. Вот примерно, что должно получится.

Рис 15. Фоторезист на текстолите

Теперь с пленки, на которой мы печатали, вырезаем наш чертеж и прикладываем его на наш фоторезист с текстолитом. Не перепутайте стороны, а то получится зеркало. И накрываем стеклом

Рис 16. Прикладываем пленку с чертежом и накрываем стеклом

Теперь берем ультрафиолетовую лампу и засвечиваем наши дорожки. Для каждой лампы, свои параметры для проявления. Поэтому расстояние до платы и время свечения выбирайте сами

Рис 17. Засвечиваем дорожки ультрафиолетовой лампой

Когда засветились дорожки, берем небольшую пластмассовую посуду делаем раствор 250 грамм воды ложка соды и опускаем туда нашу плату уже без шаблона нашей платы и второй прозрачной пленки фоторезиста.

Рис 18. Ложем плату в содовый раствор

Секунд через 30, проявляется наша печать дорожек. Когда закончится растворение фоторезиста, получится наша плата, которую и хотели. Промываем тщательно под струей воды. Все готово

Рис 19. Готовая плата

3. Травление новой печатной платы. Травление – это способ убрать лишнюю медь с текстолита.

Для травления используют специальные растворы, которые делаются в пластмассовой посуде.

После изготовление раствора, туда опускается печатная плата и травится в течении определенного времени. Ускорить время травления можно, поддерживая температуру раствора в районе 50-60 градусов и постоянном перемешивании.

Не забывайте использовать резиновые перчатки при работе, а затем хорошо мыть руки с мылом.

После протравки платы, нужно хорошо промыть плату под водой и снять остатки лака (краски, фоторезиста) обычным ацетоном или жидкостью для снятия лака.

Теперь немного о растворах

3.1 Травление хлорным железом

Один из самых известных способов травления. Для травления используется хлорное железо и вода с отношением 1:4. Где 1 это хлорное железо, 4 – вода.

Готовится просто: в посуду насыпается нужное количество хлорированного железа и заливается теплой водой. Раствор должен получится зеленого цвета.

Время травления платы размером 3х4 сантиметра, в районе 15 мин

Достать можно хлорное железо на рынке или в магазинах радиоэлектроники.

3.2 Травление медным купоросом

Этот способ не так распространен, как предыдущий, но тоже встречается часто. Я лично пользуюсь этим способом. Этот способ намного дешевле предыдущего, да и достать компоненты проще.

В посуду засыпаем 3 ложки столовой поваренной соли, 1 ложку медного купороса и заливаем водой 250 грамм температурой 70 градусов. Если все правильно, раствор должен стать бирюзовым, а чуть погодя зеленым. Для ускорения процесса надо перемешивать раствор.

Время травления платы размером 3х4 сантиметра, в районе одного часа

Достать медный купорос можно в магазинах сельхоз продукции. Медный купорос — это удобрение синего цвета. Имеет форму кристального порошка. Устройство защиты АКБ от полной разрядки

Здравствуйте уважаемый посетитель. Я знаю зачем вы читаете эту статью. Да да знаю. Нет что вы? Я не телепат, просто я знаю почему вы попали именно на эту страничку. Наверняка…….

И снова мой знакомый Вячеслав (SAXON_1996) Хочет поделится своей наработкой по колонкам. Слово Вячеславу Досталась как — то мне одна колонка 10МАС с фильтром и высокочастотным динамиком. Я долго не…….

Сущность печатного монтажа заключается в формировании на изоляционном основании тонких электропроводящих покрытий, выполняющих функции монтажных проводов и элементов схемы - резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, контактных Деталей и др.

Ниже приведены основные термины, Которые используются при описании Документации.

Печатный проводник - участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционное основание, выполняющий функции обычного монтажного провода.

Печатный монтаж - система печатных проводников, обеспечивающих электрическое соединение элементов схемы.

Печатная плата - изоляционное основание с нанесенным на нем печатным монтажом.

Навесные элементы - объемные электро- и радиоэлементы, установленные и закрепленные на печатной плате и имеющие электрический контакт с печатными проводниками.

Контактная площадка - металлизированный участок вокруг монтажного отверстия, имеющий электрический контакт с печатным проводником и обеспечивающий электрическое соединение навесных элементов схемы с печатным монтажом.

Монтажное отверстие - отверстие в печатной плате предназначенное для закрепления выводов навесных элементов и электрического соединения их с печатными проводниками.

Координатная сетка - сетка, наносимая на изображение платы и служащая для определения положения монтажных отверстий, печатных проводников и других элементов платы.

Шаг координатной сетки - расстояние между соседними линиями координатной сетки. Шаг координатной сетки должен быть кратным 0,625 мм (0,625; 1,25; 1,875; 2,5 и т.д.).

Узел координатной сетки - точка пересечения линий координатной сетки.

Свободные места - участки печатной платы, где при размещении проводников могут быть выдержаны рекомендуемые значения ширины проводников и расстояния между проводниками и контактными площадками.

Узкие места - участки печатной платы, где при размещении проводников их ширина и расстояния между ними и контактными площадками выполняются меньше рекомендуемых (вплоть до минимально допустимых).

Печатный блок - печатная плата с печатной схемой, навесными элементами и другими деталями, прошедшая все стадии изготовления.

Конструкторская документация на печатные платы и блоки оформляется в соответствии с требованиями ГОСТ 2.109-73, ГОСТ 2.417-91 и действующими нормативно-техническими документами. Чертеж печатной платы односторонней или двусторонней классифицируется как чертеж детали. Чертеж печатной платы должен содержать все сведения, необходимые для ее изготовления и контроля: изображение печатной платы со стороны печатного монтажа; размеры, предельные отклонения и шероховатость поверхностей печатной платы и всех ее элементов (отверстий, проводников), а также размеры расстояний между ними; необходимые технические требования; сведения о материале.

Размеры каждой стороны печатной платы должны быть кратными 2,5 при длине до 100 мм, 5 при длине до 350 мм, 20 при длине более 350 мм. Максимальный размер любой из сторон печатной платы не должен превышать 470 мм. Соотношение линейных размеров сторон печатной платы должно быть не более 3:1 и выбирается из ряда 1:1; 1:2; 2:3; 2:5. Толщину плат определяют исходя из механических требований, предъявляемых к конструкции печатного блока, с учетом метода изготовления. Рекомендуются платы толщиной 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм. Чертежи печатных плат выполняют в натуральную величину или с увеличением 2:1, 4:1. 5:1. 10:1.

Разработку чертежа печатной плат начинают с нанесения координат сетки. За основной шаг прямоугольной координатной сетки по ГОСТ 10317-7 принимается 2,5 мм. Для малогабаритной аппаратуры и в технически обоснованных случаях допускается применять дополнительные шаги 1,25 и 0,5 мм.

Центры всех отверстий на печати плате должны располагаться в узле координатной сетки. Если из-за конструктивных особенностей навесного элемента этого сделать нельзя, то центр отверстий располагают согласно указаниям чертежа на этот элемент. Так расположение центров отверстий используют для ламповых панелей, малогабаритных реле, разъемов и других элементов. При этом должны соблюдаться следующие требования: центр одного из отверстий, принятого за основное, должен быть расположен в узле координатной сетки; центры остальных отверстий нужно по возможности располагать на вертикальных или горизонтальных линий координатной сетки. На рис. 4.18 показано расположение отверстий на печатной плате.

Диаметры монтажных и переходник металлизированных и неметаллизированных отверстий выбирают из ряда (0,2); 0,4; (0,5); 0,6; (0,7); 0,8; (0,9); 1, (1,2); 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,2; (2,4); (2,6)

(2,8); (3,0). Диаметры, не взятые в скобки, являются предпочтительными. Не рекомендуется на одной печатной плате иметь более трех различных диаметров отверстий. Диаметры металлизированных отверстий выбирают в зависимости от диаметров выводов навесных элементов и толщины платы, а диаметры неметаллизированных отверстий - в зависимости от диаметров выводов навесных элементов, устанавливаемых в эти отверстия (табл. 4.1).

Необходимость зенковки монтажных и переходных отверстий диктуется конкретными конструктивными требованиями и методом изготовления платы.

При применении других диаметров металлизированных отверстий по ГОСТ 10317-79* разница между диаметром металлизированного отверстия и диаметром вывода должна быть не более 0,4 мм для выводов диаметром от 0,4 до 0,8 мм и 0,6 мм для выводов диаметром свыше 0,8 мм.

Шероховатость поверхности монтажных неметаллизированных отверстий и торцов печатных плат должна быть Rz< 80 по ГОСТ 2789-73*. Шероховатость поверхности монтажных и переходных металлизированных отверстий - Rz< 40.

Для упрощения изображения платы отверстия показывают окружностями одинакового диаметра с обозначением по табл. 4.2.

При выполнении отверстий таким способом на поле чертежа помещают таблицу отверстий (рис. 4.19). Размеры

граф и форма таблицы ГОСТом не устанавливаются.

Все монтажные отверстия должны иметь контактные площадки. Форма контактной площадки может быть произвольной, круглой, прямоугольной или близкой к ним. Центр контактной площадки симметричной формы должен совпадать с центром монтажного отверстия, для контактных площадок прямоугольной и овальной форм центр монтажного отверстия может быть смещен

(рис. 4.20). Круглые контактные площадки и отверстия с зенковкой изображают одной окружностью, диаметр которой должен соответствовать минимальному размеру контактной площадки. Диаметр контактных площадок следует указывать в технических требованиях чертежа. При наличии на плате контактных площадок неоговоренных размерами, или по форме отличных от круглых допускается все контактные площадки изображать окружностью, равной диаметру отверстия. Форму и размеры следует задавать записью в технических требованиях «Форма контактных площадок произвольная, i> mjn = = ...мм».

Для простановки размеров групповых контактных площадок рекомендуется вынести изображение контактной группы в увеличенном масштабе с простановкой необходимых размеров на поле чертежа (рис. 4.21). Рекомендуется делать плавный переход контактной площадки в проводник. При этом ось симметрии печатного проводника должна быть перпендикулярна касательной к контуру контактной площадки или самому контуру контактной площадки (рис. 4.22). Расстояние от края проводника и контактной площадки неметалли-зированного отверстия до края платы должно быть не менее толщины платы Т. Печатные проводники следует изображать в виде отрезков линий, совпадающих с линиями координатной сетки или под углом, кратным 15°. Допускаются выполнение проводников произвольной конфигурации и округление перегибов проводников (рис. 4.23).

Печатные проводники следует выполнять одинаковой ширины на всем протяжении. В узких местах сужают проводники до минимально допустимых значений на возможно меньшей длине. Взаимное расположение проводников не регламентируется. При необходимости прокладки проводников шириной 0,3-0,4 мм на всем протяжении рекомендуется через 25-30 мм предссматривать расширение проводника типа контактной площадки.

Проводники шириной менее 2,5 мм изображают одной линией, являющейся осью симметрии проводника, более 2,5 мм - двумя линиями и штрихуют j под углом 45° или зачерняют. Проводники шириной более 5 мм следует выполнять как экран (рис. 4.24). Форма вырезов в широких проводниках и экранах должна быть показана на чертеже и определена размерами (см. рис. 4.21). В целях упрощения чертежа допускается выполнять проводники любой ширины одной линией, при этом в технических требованиях чертежа указывав ширину проводника.

При прокладке печатных проводников следует по возможности избегать ответвлений проводников (рис. 4.25); концы печатных проводников, предназначенные для подключения печатной схемы, рекомендуется располагать с

Рис. 4.25. Примеры трассировки печатных проводников:

а - правильное; б - неправильное

На рис. 4.29 приведен пример выполнения чертежа печатной платы комбинированным способом простановки размеров - с помощью размерных и выносных линий и координатной сетки. Линии координатной сетки нанесены через одну, и поэтому приведена соответствующая запись в технических требованиях чертежа. На поле чертежа выполнена таблица отверстий. Все недостающие данные относительно печатного монтажа указаны в технических требованиях чертежа.

Пример выполнения чертежа печатной платы с указанием размеров в таблице координат приведен на рис. 4.23. Диаметры отверстий указаны на чертеже, относительное расположение отверстий - в таблице координат; все отверстия обозначены арабскими цифрами согласно ГОСТ 2.307-68*.

На чертеже печатной платы указывают габаритные размеры платы, проводников, имеющих строго определенную или переменную ширину (при этом расчетную ширину следует указывать на каждом участке между двумя соседними контактными площадками, переходными или монтажными отверстиями), диаметры и координаты крепежных, технологических и других отверстий, не связанных с печатным монтажом.

На поле чертежа указывают метод изготовления платы, технические условия (если не все данные содержатся на чертеже), шаг координатной сетки, ширину проводников и расстояния меж ду ними, расстояния между контактными площадками, между контактной площадкой и проводником, допуски на выполнение проводников, контактных Площадок, отверстий и расстояний меж ду ними, особенности конструкции, технологии и другие параметры печатных плат.

Технические требования располагают над основной надписью, формулируют и излагают в следующей последовательности:

1. Плату изготовить... методом.

2. Плата должна соответствовать (ГОСТ, ОСТ).

3. Шаг координатной сетки... мм.

4. Конфигурацию проводников выдерживать по координатной сетке с отклонением от чертежа... мм.

5. Допускается скругление углов контактных площадок и проводников.

6. Места, обведенные штрихпунктирной линией, проводниками не занимать.

7. Требования к параметрам элементов платы - в соответствии с конструктивными данными.

8. Ширина проводников в свободных местах... мм, в узких... мм.

9. Расстояние между двумя проводниками, между двумя контактными площадками или проводником и контактной площадкой в свободных местах... мм, в узких - ... мм.

10. Форма контактных площадок произвольная.

11. Допускается занижение контактных площадок металлизированных отверстий: на наружных слоях до зенковки, на внутренних слоях...

12. Предельные отклонения расстояний между центрами отверстий, кроме оговоренных особо, в узких местах ± ... мм, в свободных местах ± ... мм.

13. Предельные отклонения расстояний между центрами контактных площадок в группе ± ... мм.

14. Маркировать эмалью... ГОСТ..., шрифт... по ГОСТ...

Пример записи технических требований в зависимости от содержания чертежа печатной платы приведен на рис. 4.23, 4.27, 4.29.

К числу особенностей печатного монтажа относятся: плоское расположение печатных проводников, что не позволяет осуществлять переход с одной платы на другую без перемычек, переходных колодок или разъемов; установка навесных элементов и крепление выводов только путем пропускания их в отверстия; одновременная пайка всех элементов, установленных на печатной плате.

Навесные элементы следует размещать правильными рядами, параллельно один другому, на той стороне платы, где отсутствуют печатные проводники (рис. 4.30). Такое размещение позволяет устанавливать и закреплять навесные элементы на автоматических линиях и выполнять пайку погружением или волной, исключая воздействие припоя на навесные элементы.

Все навесные элементы крепятся на плате с помощью выводов, которые вставляют в монтажные отверстия и подгибают. Не рекомендуется в монтажном отверстии размещать два и более выводов. Некоторые элементы, например, маломощные транзисторы, крепят клеем.

Сборочный чертеж печатной платы при минимальном количестве изображений должен давать полное представление о расположении и выполнении всех печатных и навесных элементов и деталей. Сборочный чертеж выполняют в соответствии с требованиями ГОСТ 2.109-73* учетом требований ГОСТ 2.413-72*. Конструкции навесных элементов вычерчиваются в виде упрощенных изображений, им присваивается буквенно-цифровое позиционное обозначение в соответствии с электрической принципиальной схемой, по которой выполняют электрический монтаж платы (рис. 4.31). На сборочном чертеже печатной платы должны быть указаны номера позиций всех составных частей, габаритные и присоединительные размеры, должны содержаться сведения о способах присоединения навесных элементов к печатной плате.

В технических требованиях сборочного чертежа должны быть ссылки на документы (ГОСТ, ОСТ), устанавливающие правила подготовки и закрепления навесных элементов, сведения о припое и др.

Основным конструкторским документом сборочного чертежа печатной платы является спецификация, оформляемая в виде таблицы по правилам ГОСТ 2.106-96. При записи в спецификацию составных частей, являющихся элементами электрической принципиальной схемы, в графе «Примечание» указывают буквенно-цифровые позиционные

обозначения этих элементов (рис. 4.32, 4.33).

Разработка конструкторской документации печатных плат может осуществляться ручным, полуавтоматическим или автоматизированным методом.

Ручной метод предусматривает разбивку навесных элементов на функциональные группы, размещение групп элементов на площади платы, трассировку печатных проводников и обеспечивает оптимальное распределение проводящего рисунка.

При ручном методе конструирования разрабатывается чертеж платы содержащий изображение платы с проводящим рисунком и отверстиями, а также, при необходимости, дополнительное отдельное изображение части платы, требующей графического пояснения или нанесения размеров, координатную сетку, выполненную в соответствии с требованиями ГОСТ 2.417-91, размеры всех элементов проводящего рисунка и их предельные отклонения; технические требования. Чертеж платы должен выполняться в масштабе не менее 2:1, максимальный формат А1.

ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешости общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.

Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем.

Печатная плата - компонент схемы

Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.

Макетирование

Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком.

Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы. Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы.

Источники шума и помех

Шум и помехи являются основнымм элементами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнал-процессоры (DSP ).

Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI ). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находиться неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной - основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель компонентов, используемых при производстве печатных плат.

Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению ) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 - наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.

Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.

FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время, как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.

При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр може оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы - поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.

Таблица 1

	Компоненты, комментарии
	бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности
	бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности
	бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками
	стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства
	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения
	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности
	стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям

После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.

КОЛИЧЕСТВО СЛОЕВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.

Однослойные печатные платы

Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже, односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам . Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.

Двухслойные печатные платы

На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 более предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются более лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom ) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top ). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

• общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь "много" общего провода для упрощения разводки.
• увеличивается механическая прочность платы.
• уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.
• увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.
• полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.

Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала из-за такого большого интервала.

Многослойные печатные платы

Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:

• такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;
• сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;
• между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум.

Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:

• лучшее подавление электромагнитных (EMI ) и радиочастотных (RFI ) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect ), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.
• снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат. Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ по сравнению с двухслойными платами.

Порядок следования слоев

У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную палату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя - слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?

При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.

Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.

Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Хорошее заземление - общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.

Основное правило: разделение земли .

Разделение земли на аналоговую и цифровую части - один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.

Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого прозводятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.

Другие правила формирования земли:

Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота может вызывать проблему, но и ее высшие гармоники.

Пример хорошего размещения компонентов

На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастоный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей отнесены друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.

Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключенны к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.

Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.

Необходимо учитывать то, что цифровая элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАССИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.

Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так - высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.

Резисторы

Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.

Обычно применяются резисторы трех типов: 1) проволочные, 2) углеродные композитные и 3) пленочные. Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.

Конденсаторы

Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.

Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:

Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?

При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.

В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.

Индуктивности

Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:

Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц - сопротивлением 6,28 МОм. Верно?

Печатная плата

Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.

Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.

Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образовывают своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.

Немного из теории антенн

На постоянном токе или низких частотах преобладает активная составляющая. При повышении частоты реактивная составляющая становится все более и более значимой. В диапазоне от 1 кГц до 10 кГц индуктивная составляющая начинает оказывать влияние, и проводник более не является низкоомным соединителем, а скорее выступает как катушка индуктивности.

Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:

Обычно, трассы на печатной плате обладают значениями от 6 нГн до 12 нГн на сантиметр длины. Например, 10-сантиметровый проводник обладает сопротивлением 57 мОм и индуктивностью 8 нГн на см. На частоте 100 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 мОм, а на более высоких частотах проводник будет представлять собой скорее индуктивность, чем активное сопротивление.

Правило штыревой антенны гласит, что она начинает ощутимо взаимодействовать с полем при своей длине около 1/20 от длины волны, а максимальное взаимодействие происходит при длине штыря, равной 1/4 от длины волны. Поэтому 10-сантиметровый проводник из примера в предыдущем параграфе начнет становиться довольно хорошей антенной на частотах выше 150 МГц. Необходимо помнить, что несмотря на то, что генератор тактовой частоты цифровой схемы может и не работать на частоте выше 150 МГц, в его сигнале всегда присутствуют высшие гармоники. Если на печатной плате присутствуют компоненты со штыревыми выводами значительной длины, то такие выводы также могут служить антеннами.

Другой основной тип антенн - петлевые антенны. Индуктивность прямого проводника сильно увеличивается, когда он изгибается и становится частью дуги. Увеличивающаяся индуктивность понижает частоту, на которой начинает происходить взаимодействие антенны с линиями поля.

Опытные дизайнеры печатных плат, достаточно хорошо разбирающиеся в теории петлевых антенн, знают, что нельзя создавать петли для критичных сигналов. Некоторые разработчики, однако, не задумываются об этом, и проводники возвратного и сигнального тока в их схемах представляют собой петли. Создание петлевых антенн легко показать на примере (рис. 8). Кроме того, здесь показано и создание щелевой антенны.

Рассмотрим три случая:

Вариант A - пример скверного дизайна. В нем вовсе не используется полигон аналоговой земли. Петлевой контур формируется земляным и сигнальным проводником. При прохождении тока возникают электрическое и перпендикулярное ему магнитное поля. Эти поля образовывают основу петлевой антенны. Правило петлевой антенны гласит, что для наибольшей эффективности длина каждого проводника должна быть равно половине длины волны принимаемого излучения. Однако, следует не забывать, что даже при 1/20 от длины волны петлевая антенна все еще остается достаточно эффективной.

Вариант Б лучше варианта A, но здесь присутствует разрыв в полигоне, вероятно, для создания определенного места для разводки сигнальных проводников. Пути сигнального и возвратного токов образуют щелевую антенну. Другие петли образуются в вырезах вокруг микросхем.

Вариант В - пример лучшего дизайна. Пути сигнального и возвратного тока совпадают, сводя на нет эффективность петлевой антенны. Заметьте, что в этом варианте также присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.

Теория отражения и согласования сигналов находится близко к теории антенн.

Когда проводник печатной платы поворачивает на угол 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит, главным образом, из-за изменения ширины пути прохождения тока. В вершине угла ширина трассы увеличивается в 1.414 раза, что приводит к рассогласованию характеристик линии передачи, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Довольно часто необходимо повернуть на печатной плате трассу на 90°. Многие современные CAD-пакеты позволяют сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги. На рисунке 9 показаны два шага улучшения формы угла. Только последний пример поддерживает постоянной ширину трассы и минимизирует отражения.

Совет для опытных разводчиков печатных плат: оставляйте процедуру сглаживания на последний этап работ перед созданием каплеобразных выводов и заливкой полигонов. Иначе, CAD-пакет будет производить сглаживание дольше из-за более сложных вычислений.

Между проводниками печатной платы, находящимися на разных слоях, возникает емкостная связь, когда они пересекаются. Иногда это может создать проблему. Проводники, находящиеся друг над другом на смежных слоях, создают длинный пленочный конденсатор. Емкость такого конденсатора расчитывается по формуле, приведенной на рисунке 10.

Например, печатная плата может обладать следующими параметрами:
- 4 слоя; сигнальный и слой полигона земли - смежные,
- межслойный интервал - 0,2 мм,
- ширина проводника - 0,75 мм,
- длина проводника - 7,5 мм.

Типовое значение диэлектрической постоянной ER для FR-4 равняется 4.5.

Подставив все значения в формулу, получим значение емкости между этими двумя шинами, равное 1,1 пФ. Даже такая, казалось бы, небольшая емкость для некоторых приложений является недопустимой. Рисунок 11 иллюстрирует эффект от емкости в 1 пФ, возникающий при подключении ее к инвертирующему входу высокочастотного операционного усилителя.

Видно, что происходит удвоение амплитуды выходного сигнала на частотах, близких к верхнему пределу частотного диапазона ОУ. Это, в свою очередь, может привести к генерации, особенно на рабочих частотах антенны (выше 180 МГц).

Этот эффект порождает многочисленные проблемы, для решения которых, тем не менее, существует много способов. Самый очевидный из них - уменьшение длины проводников. Другой способ - уменьшение их ширины. Нет причины применения проводника такой ширины для подводки сигнала к инвертирующему входу, т.к. по этому проводнику протекает очень небольшой ток. Уменьшение длины трассы до 2,5 мм, а ширины до 0,2 мм приведет к уменьшению емкости до 0,1 пФ, а такая емкость уже не приведет к столь значительному подъему частотной характеристики. Еще один способ решения - удаление части полигона под инвертирующим входом и проводником, подходящим к нему.

Ширину проводников печатной платы невозможно бесконечно уменьшить. Предельная ширина определяется как технологическим процессом, так и толщиной фольги. Если два проводника проходят близко друг к другу, то между ними образуется емкостная и индуктивная связь (рис. 12).

Сигнальные проводники не должны разводиться параллельно друг другу, исключая случаи разводки дифференциальных или микрополосковых линий. Зазор между проводниками должен быть минимум в три раза больше ширины проводников.

Емкость между трассами в аналоговых схемах может создать затруднения при больших сопротивлениях резисторов (несколько МОм). Относительно большая емкостная связь между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя легко может привести к самовозбуждению схемы.

Например, при d=0,4 мм и h=1,5 мм (достаточно распространенные величины) индуктивность отверстия равна 1,1 нГн.

Помните, что, если в схеме присутствуют большие сопротивления, то особое внимание следует уделить очистке платы. На заключительных операциях изготовления печатной платы должны удаляться остатки флюса и загрязнений. В последнее время при монтаже печатных плат достаточно часто применяются водорастворимые флюсы. Являясь менее вредными, они легко удаляются водой. Но при этом отмывка платы недостаточно чистой водой может привести к дополнительным загрязнениям, которые ухудшают диэлектрические характеристики. Следовательно, очень важно производить отмывку печатной платы с высокоимпедансной схемой свежей дистиллированой водой.

РАЗВЯЗКА СИГНАЛОВ

Как уже отмечалось, помехи могут проникать в аналоговую часть схемы через цепи питания. Для уменьшения таких помех применяются развязывающие (блокировочные) конденсаторы, уменьшающие локальный импеданс шин питания.

Если необходимо развести печатную плату, на которой имеются и аналоговая, и цифровая части, то необходимо иметь хотя бы небольшое представление об электрических характеристиках логических элементов.

Типовой выходной каскад логического элемента содержит два транзистора, последовательно соединенные между собой, а также между цепями питания и земли (рис. 14).

Эти транзисторы в идеальном случае работают строго в противофазе, т.е. когда один из них открыт, то в этот же момент времени второй закрыт, формируя на выходе либо сигнал логической единицы, либо логического нуля. В установившемся логическом состоянии потребляемая мощность логического элемента невелика.

Ситуация кардинально меняется, когда выходной каскад переключается из одного логического состояния в другое. В этом случае в течение короткого промежутка времени оба транзистора могут быть открыты одновременно, а ток питания выходного каскада сильно увеличивается, поскольку уменьшается сопротивление участка пути тока от шины питания до шины земли через два последовательно соединенных транзистора. Потребляемая мощность скачкообразно возрастает, а затем также убывает, что приводит к локальному изменению напряжения питания и возникновению резкого, кратковременного изменения тока. Такие изменения тока приводят к излучению радиочастотной энергии. Даже на сравнительно простой печатной плате может быть десятки или сотни рассмотренных выходных каскадов логических элементов, поэтому суммарный эффект от их одновременной работы может быть очень большим.

Невозможно точно предсказать диапазон частот, в котором будут находиться эти выбросы тока, поскольку частота их возникновения зависит от множества причин, в том числе и от задержки распространения переключений транзисторов логического элемента. Задержка, в свою очередь, также зависит от множества случайных причин, возникающих в процессе производства. Шум от переключений имеет широкополосное распределение гармонических составляющих во всем диапазоне. Для подавления цифрового шума существует несколько способов, применение которых зависит от спектрального распределения шума.

В таблице 2 представлены максимальные рабочие частоты для распространенных типов конденсаторов.

Таблица 2

Из таблицы очевидно, что танталовые электролитические конденсаторы применяются для частот ниже 1 МГц, на более высоких частотах должны применяться керамические конденсаторы. Необходимо не забывать, что конденсаторы имеют собственный резонанс и их неправильный выбор может не только не помочь, но и усугубить проблему. На рисунке 15 показаны типовые собственные резонансы двух конденсаторов общего применения - 10 мкФ танталового электролитического и 0,01 мкФ керамического.

Реальные характеристики могут отличаться у различных производителей и даже от партии к партии у одного производителя. Важно понимать, что для эффективной работы конденсатора подавляемые им частоты должны находиться в более низком диапазоне, чем частота собственного резонанса. В противном случае характер реактивного сопротивления будет индуктивным, а конденсатор перестанет эффективно работать.

Не стоит заблуждаться относительно того, что один 0,1 мкФ конденсатор будет подавлять все частоты. Небольшие конденсаторы (10 нФ и менее) могут работать более эффективно на более высоких частотах.

Развязка питания ИС

Развязка питания интегральных схем с целью подавления высокочастотного шума состоит в применении одного или нескольких конденсаторов, подключенных между выводами питания и земли. Важно, чтобы проводники, соединяющие выводы с конденсаторами, были короткими. Если это не так, то собственная индуктивность проводников будет играть заметную роль и сводить на нет выгоды от применения развязывающих конденсаторов.

Развязывающий конденсатор должен быть подключен к каждому корпусу микросхемы, независимо от того, сколько операционных усилителей находится внутри корпуса - 1, 2 или 4. Если ОУ питается двухполярным питанием, то, само собой разумеется, что развязывающие конденсаторы должны располагаться у каждого вывода питания. Значение емкости должно быть тщательно выбрано в зависимости от типа шума и помех, присутствующих в схеме.

В особо сложных случаях может появиться необходимость добавления индуктивности, включенной последовательно с выводом питания. Индуктивность должна располагаться до, а не после конденсаторов.

Другим, более дешевым способом является замена индуктивности резистором с малым сопротивлением (10...100 Ом). При этом вместе с развязывающим конденсатором резистор образует низкочастотный фильтр. Этот способ уменьшает диапазон питания операционного усилителя, который к тому же становится более зависимым от потребляемой мощности.

Обычно для подавления низкочастотных помех в цепях питания бывает достаточно применить один или несколько алюминиевых или танталовых электролитических конденсаторов у входного разъема питания. Дополнительный керамический конденсатор будет подавлять высокочастотные помехи от других плат.

РАЗВЯЗКА ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Множество шумовых проблем является результатом непосредственного соединения входных и выходных выводов. В результате высокочастотных ограничений пассивных компонентов реакция схемы на воздействие высокочастотного шума может быть достаточно непредсказуемой.

В ситуациии, когда частотный диапазон наведенного шума в значительной степени отличается от частотного диапазона работы схемы, решение просто и очевидно - размещение пассивного RC-фильтра для подавления высокочастотных помех. Однако, при применении пассивного фильтра надо быть осторожным: его характеристики (из-за неидеальности частотных характеристик пассивных компонентов) утрачивают свои свойства на частотах, в 100...1000 раз превышающих частоту среза (f 3db). При использовании последовательно соединенных фильтров, настроенных на разные частотные диапазоны, более высокочастотный фильтр должен быть ближайшим к источнику помех. Индуктивности на ферритовых кольцах также могут применяться для подавления шума; они сохраняют индуктивный характер сопротивления до некоторой определенной частоты, а выше их сопротивление становится активным.

Наводки на аналоговую схему могут быть настолько большими, что избавиться (или, по крайней мере, уменьшить) от них возможно только с помощью применения экранов. Для эффективной работы они должны быть тщательно спроектированы так, чтобы частоты, создающие наибольшие проблемы, не смогли попасть в схему. Это означает, что экран не должен иметь отверстия или вырезы с размерами, большими, чем 1/20 длины волны экранируемого излучения. Хорошая идея отводить достаточное место под предполагаемый экран с самого начала проектирования печатной платы. При использовании экрана можно дополнительно использовать ферритовые кольца (или бусинки) для всех подключений к схеме.

КОРПУСА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

В одном корпусе обычно размещаются один, два или четыре операционных усилителя (рис. 16).

Одиночный ОУ часто также имеет дополнительные входы, например, для регулировки напряжения смещения. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют лишь инвертирующий и неинвертирующий входы и выход. Поэтому при необходимости иметь дополнительные регулировки надо применять одиночные операционные усилители. При использовании дополнительных выводов необходимо помнить, что по своей структуре они являются вспомогательными входами, поэтому управление ими должно осущуствляться аккуратно и в соответствии с рекомендациями производителя.

В одиночном ОУ выход располагается на противоположной стороне от входов. Это может создать затруднение при работе усилителя на высоких частотах из-за протяженных проводников обратной связи. Один из путей преодоления этого состоит в размещении усилителя и компонентов обратной связи на разных сторонах печатной платы. Это, однако, приводит к как минимум двум дополнительным отверстиям и вырезам в полигоне земли. Иногда стоит использовать сдвоенный ОУ для разрешения данной проблемы, даже если второй усилитель не используется (при этом его выводы должны быть подключены должным образом). Рисунок 17 иллюстрирует уменьшение длины проводников цепи обратной связи для инвертирующего включения.

Сдвоенные ОУ особенно часто используются в стереофонических усилителях, а счетверенные - в схемах многокаскадных фильтров. Однако, в этом есть довольно значительный минус. Несмотря на то, что современная технология обеспечивает приличную изоляцию между сигналами усилителей, расположенных на одном кремниевом кристалле, между ними все же существуют некоторые перекрестные помехи. Если необхомимо иметь очень малую величину таких помех, то необходимо использовать одиночные операционные усилители. Перекрестные помехи возникают не только при использовании сдвоенных или счетверенных усилителей. Их источником может служить очень близкое расположение пассивных компонентов разных каналов.

Сдвоенные и счетверенные ОУ, кроме вышесказанного, позволяют осуществить более плотный монтаж. Отдельные усилители как бы зеркально расположены друг относительно друга (рис. 18).

На рисунках 17 и 18 показаны не все подключения, требуемые для нормальной работы, например, формирователь среднего уровня при однополярном питании. На рисунке 19 приведена схема такого формирователя при использовании счетверенного усилителя.

На схеме показаны все необходимые подключения для реализации трех независимых инвертирующих каскадов. Необходимо обратить внимание на то, что проводники формирователя половины напряжения питания располагаются непосредственно под корпусом интегральной схемы, что позволяет уменьшить их длину. Этот пример иллюстрирует не то, как должно быть, а то, что должно быть сделано. Напряжение среднего уровня, например, могло бы быть единым для всех четырех усилителей. Пассивные компоненты могут быть соответствующего размера. Например, планарные компоненты типоразмера 0402 соответствуют расстоянию между выводами стандартного корпуса SO. Это позволяет сделать длину проводников очень короткой для высокочастотных приложений.

ОБЪЕМНЫЙ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ МОНТАЖ

При размещении операционных усилителей в корпусах типа DIP и пассивных компонентов с проволочными выводами требуется наличие на печатной плате переходных отверстий для их монтажа. Такие компоненты в настоящее время используются, когда нет особых требований к размерам печатной платы; обычно они стоят дешевле, но стоимость печатной платы в процессе изготовления возрастает из-за сверловки дополнительных отверстий под выводы компонентов.

Кроме того, при использовании навесных компонентов увеличиваются размеры платы и длины проводников, что не позволяет работать схеме на высоких частотах. Переходные отверстия обладают собственной индуктивностью, что также накладывает ограничения на динамические характеристики схемы. Поэтому навесные компоненты не рекомендуется применять для реализации высокочастотных схем или для аналоговых схем, размещенных поблизости с высокоскоростными логическими схемами.

Некоторые разработчики, пытаясь уменьшить длину проводников, размещают резисторы вертикально. С первого взгляда может показаться что, это сокращает длину трассы. Однако при этом увеличивается путь прохождения тока по резистору, а сам резистор представляет собой петлю (виток индуктивности). Излучающая и принимающая способность возрастает многократно.

При поверхностном монтаже не требуется размещения отверстия под каждый вывод компонента. Однако возникают проблемы при тестирования схемы, и приходится использовать переходные отверстия в качестве контрольных точек, особенно при применении компонентов малого типоразмера.

НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СЕКЦИИ ОУ

При использовании сдвоенных и счетверенных операционных усилителей в схеме некоторые их секции могут остаться незадействованными и должны быть в этом случае корректно подключены. Ошибочное подключение может привести к увеличению потребляемой мощности, большему нагреву и большему шуму используемых в этом же корпусе ОУ. Выводы неиспользумых операционных усилителей могут быть подключены так, как изображено на рис. 20а. Подключение выводов с дополнительными компонентами (рис. 20б) позволит легко использовать этот ОУ при наладке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Помните следующие основные моменты и постоянно соблюдайте их при проектировании и разводке аналоговых схем.

Общие:

• думайте о печатной плате как о компоненте электрической схемы;
• имейте представление и понимание об источниках шума и помех;
• моделируйте и макетируйте схемы.

Печатная плата:

• используйте печатные платы только из качественного материала (например, FR-4);
• схемы, выполненные на многослойных печатных платах, на 20 дБ менее восприимчивее к внешним помехам, чем схемы, выполненные на двухслойных платах;
• используйте разделенные, неперекрывающиеся полигоны для различных земель и питаний;
• располагайте полигоны земли и питания на внутренних слоях печатной платы.

Компоненты:

• осознавайте частотные ограничения, вносимые пассивными компонентами и проводниками платы;
• старайтесь избегать вертикального размещения пассивных компонентов в высокоскоростных схемах;
• для высокочастотных схем используйте компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа;
• проводники должны быть чем короче, тем лучше;
• если требуется большая длина проводника, то уменьшайте его ширину;
• неиспользуемые выводы активных компонентов должны быть правильно подключены.

Разводка:

• размещайте аналоговую схему вблизи разъема питания;
• никогда не разводите проводники, передающие логические сигналы, через аналоговую область платы, и наоборот;
• проводники, подходящие к инвертирующему входу ОУ, делайте короткими;
• удостоверьтесь, что проводники инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ не располагаются параллельно друг другу на большом протяжении;
• старайтесь избегать применения лишних переходных отверстий, т.к. их собственная индуктивность может привести к возникновению дополнительных проблем;
• не разводите проводники под прямыми углами и сглаживайте вершины углов, если это возможно.

Развязка:

• используйте правильные типы конденсаторов для подавления помех в цепях питания;
• для подавления низкочастотных помех и шумов используйте танталовые конденсаторы у входного разъема питания;
• для подавления высокочастотных помех и шумов используйте керамические конденсаторы у входного разъема питания;
• используйте керамические конденсаторы у каждого вывода питания микросхемы; если необходимо, используйте несколько конденсаторов для разных частотных диапазонов;
• если в схеме происходит возбуждение, то необходимо использовать конденсаторы с меньшим значением емкости, а не большим;
• в трудных случаях в цепях питания используйте последовательно включенные резисторы малого сопротивления или индуктивности;
• развязывающие конденсаторы аналогового питания должны подключаться только к аналоговой земле, а не к цифровой.

Основные правила разработки плат

Проектировать печатные платы наиболее удобно в масштабе 1:1 на миллиметровке или другом материале, на котором нанесена сетка с шагом 5 мм (например, на тетрадном листе). Все отверстия под выводы деталей в печатной плате целесообразно размещать в узлах сетки, что соответствует шагу
2,5 мм на реальной плате. 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.
Сначала вам надо примерно расставить детали. В первую очередь рисуете точки под выводы микросхемы, потом располагаете мелкие элементы - резисторы, конденсаторы,
а далее большие - реле и т.п. Их размещение обычно связаж с общей конструкцией устройства, определяемой размерам! имеющегося корпуса или свободного места в нем. Часто, осо
бенно при разработке портативных приборов, размеры корпуса определяют по результатам разводки печатной платы Иногда приходится переделывать рисунок печатных провод
ников несколько раз, чтобы получить желаемый результат минимизацию и функциональность.
Если в вашей самоделке не более пяти микросхем, все печатные проводники обычно уцается разместить на одной стороне платы и обойтись небольшим числом проверочных
перемычек, впаянных 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.
Мы будем называть ту сторону платы, где размещены
печатные проводники, стороной проводников, а обратную -
стороной деталей, даже если на ней вместе с деталями
проложена часть проводников. Особый случай представляют
платы, у которых и проводники, и детали размещены на
одной стороне, причем детали припаяны к проводникам без
отверстий. Платы такой конструкции применяют редко.
Микросхемы размещают так, чтобы все соединения на плате
были как можно короче, а число перемычек было
минимальным. В процессе разводки проводников взаимное
размещение микросхем приходится менять не один раз.
Рисунок печатных проводников аналоговых устройств
любой сложности обычно удается расположить на одной
стороне платы. Аналоговые устройства, работающие со
слабыми сигналами, и цифровые на быстродействующих
микросхемах (например, серий КР531, КР1531, К500, КР1554)
независимо от частоты их работы целесообразно собирать
на платах с двусторонним фольгированием. Фольга той
стороны платы, где располагают детали, будет играть роль
общего провода и экрана. Фольгу общего провода не следует
использовать в качестве проводника для большого тока,
например, от выпрямителя блока питания, от выходных
ступеней, от динамической головки.

Далее можно начинать собственно разводку. Лучше заранее измерить и записать размеры мест, занимаемых элементами. Резисторы МЛТ-0,125 устанавливают рядом, соблюдая
расстояние между их осями 2,5 мм, а между отверстиями под
выводы одного резистора - 10 мм. Так же размечают места
%ля чередующихся резисторов МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25 либо
цвух резисторов МЛТ-0,25, если при монтаже слегка отогнуть
один от другого (три таких резистора поставить вплотную к
плате уже не удастся). С такими же расстояниями между
выводами и осями элементов устанавливают большинство
малогабаритных диодов и конденсаторов КМ-5 и КМ-6, вплоть до
КМ-66 емкостью 2,2 мкФ. «Толстые» детали (более 2,5 мм)
следует чередовать с «тонкими». Расстояние между
контактными площадками той или иной детали можно увеличить,
если это необходимо.
В этой работе удобно использовать небольшую пластину-
шаблон из стеклотекстолита или другого материала, в
которой с шагом 2,5 мм насверлены рядами отверстия диаметром
1-1,1 мм. На ней можно применить возможное
расположение элементов относительно друг друга.
Если резисторы, диоды и другие детали с осевыми
выводами располагать перпендикулярно печатной плате, можно
существенно уменьшить ее площадь, однако рисунок печатных
проводников усложнится. При разводке следует учитывать
ограничения числа проводников, умещающихся между
контактными площадками, предназначенными для подпайки
выводов радиоэлементов. Для большинства деталей диаметр
отверстий под выводы может быть равен 0,8 мм. Ограничения
на число проводников для типичных вариантов расположения
контактных площадок с отверстиями такого диаметра
приведены на рис. 8.1 (сетка соответствует шагу 2,5 мм на плате).
Между контактными площадками отверстий с
межцентровым расстоянием 2,5 мм провести проводник практически
нельзя. Однако, если у одного или обоих отверстий такая
площадка отсутствует (например, у неиспользуемых выводов
микросхемы), это сделать можно (см. рис. 8.1 - сверху по центру).
Вполне возможна прокладка проводника между контактной
площадкой и краем платы, через который на расстоянии
2,5 мм проходит центр этой площадки (см. рис. 8.1 - справа).

Микросхемы, у которых выводы расположены в
плоскости корпуса (серии 133, К134 и др.)» можно смонтировать,
предусмотрев для этого соответствующие фольговые
контактные площадки с шагом 1,25 мм, однако это заметно
затрудняет и разводку, и изготовление платы. Целесообразнее
чередовать подпайку выводов микросхемы к прямоугольным
площадкам со стороны деталей и к круглым площадкам через
отверстия - на противоположной стороне (рис. 8.2 -
ширина выводов микросхемы показана не в масштабе). Плата
здесь - двусторонняя.

Подобные микросхемы, имеющие длинные выводы
(например, серии 100), можно монтировать так же, как
пластмассовые, изгибая выводы и пропуская их в отверстия
платы. Контактные площадки в этом случае располагают в
шахматном порядке (рис. 8.3).

При разработке двусторонней платы надо постараться, чтобы на стороне деталей осталось как можно меньше соединений. Это облегчит исправление возможных ошибок, налаживание устройства и, если необходимо, его модернизацию. Под корпусами микросхем проводят 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. Если же устройство настолько сложно, что на стороне деталей приходится прокладывать и проводники сигнальных цепей, позаботьтесь о том, чтобы любой из них был доступен для подключения к нему и перерезания. При разработке радиолюбительских двусторонних печатных плат нужно стремиться избегать специальных перемычек между сторонами платы, используя для этого контактные площадки соответствующих выводов монтируемых деталей. Выводы в этих случаях пропаивают с обеих сторон платы. На сложных платах иногда удобно подпаивать некоторые детали непосредственно к печатным проводникам. Когда в качестве общего провода используется сплошной слой фольги, отверстия под выводы, не подключаемые к этому проводу, следует раззенковать со стороны деталей. Обычно узел, собранный на печатной плате, подключают к другим узлам устройства гибкими проводниками. Чтобы не испортить печатные проводники при многократных перепайках, желательно на плате в точках соединений сделать контактные стойки (удобно использовать штыревые контакты диаметром 1 и 1,5 мм). Стойки вставляют в отверстия, просверленные точно по диаметру, и пропаивают. На двусторонней печатной плате контактные площадки для распайки каждой стойки должны быть на обеих сторонах. Предварительную разводку проводников удобно выполнять мягким карандашом на листе гладкой бумаги. Сторону печатных проводников рисуют сплошными линиями, обратную сторону - штриховыми, чтобы не путаться. По окончании разводки и корректировки чертежа под него кладут копировальную бумагу красящим слоем вверх и красной или зеленой шариковой ручкой обводят контуры платы, а также проводники и отверстия, относящиеся к стороне деталей. В результате на обороте листа получится рисунок проводников для стороны деталей. Далее из фольгированного материала следует вырезать заготовку соответствующих размеров и разметить ее с помощью штангенциркуля сеткой с шагом 2,5 мм. Кстати, размеры платы удобно выбрать кратными 2,5 мм. - в этом случае размечать ее можно с четырех сторон. Если плата должна иметь какие-либо вырезы, их делают после разметки. Двустороннюю плату размечают со стороны, где проводников больше. После этого фломастером размечают «по клеточкам» центры всех отверстий, накалывают их шилом и сверлят все отверстия сверлом диаметром 0,8 мм. Для сверления плат удобно пользоваться самодельной миниатюрной электродрелью, которую можно купить на радиорынке. Обычные стальные сверла при обработке стеклотекстолита довольно быстро тупятся; затачивают их небольшим мелкозернистым бруском, не вынимая сверла из патрона. После сверления платы заусенцы с краев отверстий снимают сверлом большего диаметра или мелкозернистым бруском. 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. Для этого обычно используют стеклянный рейсфедер, но лучше изготовить простой самодельный чертежный инструмент. К концу обломанного ученического пера припаять укороченную до 10-15 мм инъекционную иглу диаметром 0,8 мм. Рабочую часть иглы надо зашлифовать мелкозернистой наждачной бумагой. В воронку инструмента каплями заливают нитрокраску и, осторожно взяв ее в губы, слегка дуют, для того чтобы краска прошла через канал иглы. После этого надо лишь следить за тем, чтобы воронка была наполнена краской не менее чем наполовину. Нужную густоту краски определяют опытным путем по качеству проводимых линий. При необходимости ее разбавляют ацетоном или растворителем 647. Если же надо сделать краску более густой, ее оставляют на некоторое время в открытой посуде. В первую очередь рисуют контактные площадки, 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. Если вы ошиблись при нанесении рисунка, не торопитесь сразу же все исправлять - поверх неверно нанесенного проводника проложите правильный, а лишнюю краску удалите при окончательном исправлении рисунка (его проводят, пока краска не засохла). Острым скальпелем или бритвой прорезают удаляемый участок по границам, после чего его выскребают. Специально сушить нитрокраску после нанесения рисунка не нужно. Пока вы исправляете плату, отмываете инструмент - краска просохнет.

Травление печатных плат

Чтобы получить проводники после нанесения рисунка на фольгу, плату следует вытравить. Основным материалом для травления служит раствор хлорного железа. Для его получения нужно насыпать в стакан примерно 3/4 порошка хлорного железа и залить теплой водой. Для травления используйте стеклянную или пластмассовую посуду, например фотографическую кювету. Положите плату в раствор рисунком вверх, чтобы вся поверхность платы была залита раствором. Процесс травления ускоряется, если сосуд покачивать или подогревать. При травлении образуются ядовитые испарения, поэтому работайте либо в хорошо проветриваемом помещении, либо на открытом воздухе. Периодически проверяйте состояние платы, приподнимая ее для осмотра деревянными или пластмассовыми палочками - металлические инструменты и приспособления для этой цели применять нельзя. Убедившись в том, что фольга в незащищенных местах полностью исчезла, прекратите процесс травления. Перенесите плату, например с помощью бельевой прищепки, под струю проточной воды и тщательно промойте, после чего просушите ее при комнатной температуре. Если вы собираетесь использовать раствор повторно, слейте его в плотно закрывающуюся посуду и храните в прохладном темном месте. Учтите, что при повторном использовании эффективность раствора снижается. При работе с раствором хлорного железа помните, что он не должен попадать на руки и другие открытые части тела, а также на поверхности ванн и раковин, поскольку на последних могут остаться трудно смываемые желтые пятна. Раствор хлорного железа можно изготовить и другим способом: обработать железные опилки соляной кислотой. Возьмите 25 весовых частей 10-процентной соляной кислоты и смешайте с одной весовой частью железных опилок. Выдержите смесь в плотно закрытой посуде в темном месте 5 суток. Переливая раствор в сосуд для травления, не взбалтывайте его: осадок должен остаться в той посуде, в которой раствор готовился. Длительность процесса травления платы в растворе хлорного железа обычно составляет 40-50 минут и зависит от концентрации раствора, его температуры, толщины фольги. Растворы для травления плат можно приготовить не только на основе хлорного железа. Для многих радиолюбителей более доступным может оказаться водный раствор медного купороса и поваренной соли. Приготовить его нетрудно - растворите в 500 мл горячей воды (температура около 80 °С) 4 столовые ложки поваренной соли и 2 столовые ложки растолченного в порошок медного купороса. Эффективность раствора повышается, если его выдержать в течение 2-3 недель. Время травления платы в таком растворе - три часа и более. Значительного сокращения периода травления можно добиться, используя растворы на основе кислот. Процесс травления платы, например, в концентрированном растворе азотной кислоты, длится всего 5-7 минут. После травления плату тщательно промойте водой с мылом. Хорошие результаты дает применение раствора соляной кислоты и перекиси водорода. Для его приготовления возьмите 20 частей (по объему) соляной кислоты плотностью 1,19 г/см3, 40 частей аптечной перекиси водорода и 40 частей воды. Сначала смешайте воду с перекисью водорода, затем осторожно добавьте кислоту. Рисунок в этом случае делается нитрокраской. Растворы на основе кислот заливайте в стеклянную или керамическую посуду, работайте с ними только в хорошо проветриваемых помещениях. Представляет интерес способ гальванического травления плат. Для этого потребуется источник постоянного тока напряжением 25-30 В и концентрированный раствор поваренной соли. При помощи зажима «крокодил» соедините положительный полюс источника с не закрашенными участками фольги платы, а к оголенному и свернутому в петлю концу провода, идущему от отрицательного полюса источника, прикрепите ватный тампон, обильно пропитанный раствором соли. Перемещайте его по поверхности платы, слегка прижимая к фольге. Движение тампона должно напоминать вырисовывание цифры 8. Фольга при этом будет как бы «смываться». По мере загрязнения меняйте вату.

Радиолюбители советуют

Довольно быстро изготавливать печатные платы, используя лазерный принтер (или копир), утюг и пленку фирмы Techniks или DynaArt (все остальное - фольгированный текстолит, хлорное железо, сверла - как обычно), предлагают нам профессиональные радиолюбители. Пленка и утюг нужны для того, чтобы перенести рисунок печатной платы на медь. Подготовив рисунок печатной платы с помощью любого пакета для разработки печатных плат или какого-нибудь редактора для рисования картинок, делаем пробную печать. Выводим на чистый лист изображение печатной платы. Затем вырезаем из пленки фрагмент с запасом около 1 см с каждой стороны. Приклеиваем его скотчем глянцевой стороной к бумаге поверх рисунка. Вставляем лист с пленкой в принтер и печатаем еще раз. Получаем пленку с нанесенным на нее изображением печатной платы. Затем готовим текстолит. По-моему, для этого великолепно подходит чистящее средство «Суржа» (не пренебрегайте элементарными нормами безопасности - используйте резиновые перчатки). После промывания и высушивания платы прикладываем к ней тонером пленку и проглаживаем утюгом в течение 1,5-4 минут при температуре 135-160 °С. Когда плата остывает, под струей воды аккуратно снимаем пленку- рисунок перенесен. Осматриваем плату и при наличии огрехов подправляем их спиртовым маркером. Теперь можно травить с помощью раствора хлорного железа. Очистить тонер с готовой платы можно старым лезвием, пользуясь им как скребком. Для производства двусторонних печатных плат подойдет этот же метод. Для совмещения слоев можно применить такую хитрость: нарисовать три опорные точки на обоих слоях в одном и том же месте - лучше всего по периметру платы. После переноса первого слоя сверлим в этих точках отверстия. Совмещаем точки на пленке для второй стороны с отверстиями. Для пленки Techniks этот вариант не подходит, так как она непрозрачная. Можно сделать так: на рисунке печатной платы добавляются 4 параллельные линии в обоих слоях на расстоянии 5 мм от границы платы. После переноса первого слоя прикладываем линейку поверх линии и продлеваем до конца заготовки. Делаем отметку на торцах заготовки и переносим линии на другую сторону платы. Совмещается вторая пленка с линиями - можно переводить второй слой. Качество таких плат очень хорошее. Существует технология изготовления печатных плат с помощью обычной чертежной кальки. Она мало отличается от технологии со специальной пленкой. Перед применением кальку необходимо пропустить через принтер или прогладить утюгом для устранения термоусадки. Дальше - все аналогично. После остывания плату с тонером и калькой опускаем в теплую воду, ждем, пока калька размокнет, и аккуратно тряпочкой скатываем бумагу. После этого подправляем маркером. Надо отметить, что качество плат при этом несколько хуже, но значительно дешевле. Для нанесения рисунка на плату можно пользоваться и спиртовым маркером (лучше всего немецким), но это подходит лишь для простых плат в единичном экземпляре. Качество - как с калькой, а трудностей - неизмеримо больше. Но для простых вещей подойдет.

Компоновка радиодеталей на плате

Сейчас большинство электронных схем выполняются с помощью печатных плат. По технологиям изготовления печатных плат выполняются и сборные узлы микроэлектроники - гибридные модули, которые содержат компоненты различного функционального назначения и степени интеграции. Многослойные печатные платы и электронные компоненты высокой степени интеграции позволяют снизить весогабаритные характеристики узлов электроники и вычислительной техники. Сейчас печатной плате уже больше ста лет.

Печатная плата

Это (на англ. PCB - printed circuit board) - пластинка из электроизоляционного материала (гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и других подобных диэлектриков), на поверхности которой каким-либо образом нанесены тонкие электропроводящие полоски (печатные проводники) с контактными площадками для подсоединения навесных радиоэлементов, в том числе модулей и интегральных схем. Эта формулировка дословно взята из политехнического словаря.

Существует более универсальная формулировка:

Под печатной платой понимается конструкция фиксированных электрических межсоединений на изоляционном основании.

Главные конструктивные элементы печатной платы - диэлектрическое основание (жесткое или гибкое) на поверхности которое находятся проводники. Диэлектрическое основание и проводники есть элементы необходимы и достаточны для того, чтобы печатная плата была печатной платой. Для установки компонентов и их подключения к проводникам используются дополнительные элементы: контактные площадки, переходные металлизируемые и монтажные отверстия, ламели разъемов, участки для осуществления теплоотвода, экранирующие и токоподводящие поверхности и т. п.

Переход к печатным платам ознаменовал качественный скачок в области конструирования радиоэлектронной аппаратуры. Печатная плата совмещает функции носителя радиоэлементов и электрического соединения таких элементов. Последняя функция невыполнима, если между проводниками и иными проводящими элементами печатной платы не будет обеспечен достаточный уровень сопротивления изоляции. Следовательно, подложка печатной платы должна выполнять функцию изолятора.

Историческая справка

Излагаемая история печатных плат выглядит так: В начале XX века немецким инженером Альбертом Паркером Хансоном, занимавшимся разработками в области телефонии, было создано устройство, считающееся прототипом всех известных сегодня видов печатных плат. «Днем рождения» печатных плат считается 1902 год, когда изобретатель подал заявку в патентное ведомство родной страны. Печатная плата Хансена представляла собой штамповку или вырезание изображения на бронзовой (или медной) фольге. Получившийся проводящий слой наклеивался на диэлектрик – бумагу, пропитанную парафином. Уже тогда заботясь о большей плотности размещения проводников, Хансен наклеивал фольгу с двух сторон, создавая двустороннюю печатную плату. Изобретатель также использовал идущие насквозь печатной платы соединительные отверстия. В работах Хансена есть описания создания проводников при помощи гальваники или проводящих чернил, представляющих собой измельченный в порошок металл в смеси с клеящим носителем. Изначально для изготовления печатных плат применялись исключительно аддитивные технологии, то есть рисунок наносился на диэлектрик наклеиваемым или напыляемым материалом. И Томаса Эдисона тоже посещали подобные идеи. Сохранилось его письмо Франку Спрагу (основавшему корпорацию Sprague Electric), где Эдисон описывает три способа рисования проводника на бумаге. 1. Рисунок формируется при помощи адгезивных полимеров путём нанесения на их не застывшую поверхность измельченного в пыль графита или бронзы. 2. Рисунок формируется непосредственно на диэлектрике. Для нанесения изображения используется ляпис (нитрат серебра), после чего серебро просто восстанавливается из соли. 3. Проводником является золотая фольга с нанесенным на нее рисунком. Естественно, Эдисон не употреблял термина «печатные платы», но практически все названные выше идеи нашли применение в сегодняшних технологических процессах. На основе первой из них сформировались тонкопленочные технологии сегодняшнего дня, а второй метод широко применяется для нанесения покрытий путем восстановления металлов из соли. В 1913 году Артур Берри получил патент на субтрактивный метод изготовления печатных плат. Разработчик предлагал покрывать металлическую основу слоем резистного материала и травлением убирать незащищенные части c поверхности. В 1922 году проживающий в США Эллис Бассит изобрел и запатентовал методику использования светочувствительных материалов при производстве печатных плат. В 1918 году швейцарцем Максом Скупом была предложена технология газопламенного напыления металла. Методика осталась не востребованной из-за затратности производства и неравномерного осаждения металла. Американец Чарльз Дуклас запатентовал технологию металлизации проводников, суть которой, заключалась в том, что в мягком диэлектрике (например, воске) прочерчивались каналы, заполняемые впоследствии металлизируемыми токопроводящими пастами при помощи электрохимического воздействия. Так же в патент была включена технология травления, подразумевающая электролитическое осаждение металла (серебра, золота или меди) через контактную маску на пластину из низкотемпературного сплава. Пластина с осажденным рисунком нагревается, и все неприкрытые серебром части сплава удаляются. Чарльз Дукас располагал проводники с обеих сторон диэлектрической основы. Дуклас занимался разработке многослойных печатных плат и предложил несколько интересных решений для межслойных соединений. Француз Цезарь Паролини реанимировал аддитивный метод создания токопроводящего слоя. В 1926 году он наносил на диэлектрик изображение посредством клеящего материала с напылением на него медного порошка и полимеризовал под воздействием высокой температуры. Именно Паролини начал применять в печатных платах проволочные перемычки, устанавливаемые до полимеризации материала. В 1933 году были изданы работы Эрвина Франца, на которых базируются все существующие сегодня методики производства гибких печатных плат. Американскому разработчику удалось нанести токопроводящий рисунок на целлофановую пленку, для чего использовался жидкий полимер с графитовым наполнением. Инженер Пауль Эйслер в Великобритании начал внедрять печатные платы в радиоэлектронике. Во время второй мировой войны он успешно работал над поиском технологических решений для запуска печатных плат в массовое производство, широко используя полиграфические методы. После войны, в 1948 год, у Эйслер основал предприятие по изготовлению печатных плат - Technograph Printed Circuits.

В 1920-1930-х годах было выдано множество патентов на конструкции печатных плат и способы их изготовления. Первые методы изготовления печатных плат оставались преимущественно аддитивными (развитие идей Томаса Эдисона). Но в современном виде печатная плата появилась благодаря использованию технологий, заимствованных из полиграфической промышленности. Печатная плата - прямой перевод с английского полиграфического термина printing plate («печатная форма», или «матрица»). Поэтому подлинным «отцом печатных плат» считается австрийский инженер Пауль Эйслер. Он первым пришел к выводу, что полиграфические (субтрактивные) технологии можно использовать для массового производства печатных плат. В субтрактивных технологиях изображение формируется путем удаления ненужных фрагментов. Пауль Эйслер отработал технологию гальванического осаждения медной фольги и ее травления хлорным железом. Технологии массового производства печатных плат оказались востребованными уже во время Второй мировой войны. А с середины 1950-х началось становление печатных плат как конструктивной основы радиоаппаратуры не только военного, но и бытового назначения.

Материалы для печатных плат

Базовые диэлектрики для печатных плат

Основные виды и параметры материалов, применяемых для изготовления МПП, приведены в таблице 1. Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типа FR4, с рабочей температурой, как правило, от –50 до +110 °C, температурой стеклования (разрушения) Tg около 135 °C. Диэлектрическая постоянная Dk у него может быть от 3,8 до 4,5, в зависимости от поставщика и вида материала. При повышенных требованиях к термостойкости или при монтаже плат в печи по бессвинцовой технологии (t до 260 °C) применяется высокотемпературный FR4 High Tg или FR5. При требованиях к постоянной работе на высоких температурах или при резких перепадах температур применяется полиимид. Кроме того, полиимид используют для изготовления плат повышенной надежности, для военных применений, а также в случаях, когда требуется повышенная электрическая прочность. Для плат с СВЧ-цепями (более 2 ГГц) применяются отдельные слои СВЧ-материала, или плата целиком делается из СВЧ-материала (рис. 3). Наиболее известные поставщики специальных материалов - фирмы Rogers, Arlon, Taconic, Dupont. Стоимость этих материалов выше, чем FR4, и условно показана в последнем столбце таблицы 1 относительно стоимости FR4. Примеры плат с разными видами диэлектрика показаны на рис. 4, 5.

Знание параметров материалов для печатных плат, как однослойных так и многослойных важно всем кто занимается их применение, особенно для печатных плат устройств с повышенным быстродействием и СВЧ. При проектировании МПП разработчики сталкиваются с такими задачами, как:
- расчет волнового сопротивления проводников на плате;
- расчет величины межслойной высоковольтной изоляции;
- выбор структуры глухих и скрытых отверстий.
Доступные варианты и толщины различных материалов приведены в таблицах 2–6. Следует учитывать, что допуск на толщину материала обычно составляет до ±10%, поэтому и допуск на толщину готовой многослойной платы не может быть менее ±10%.

Виды и параметры материалов для печатных плат

Вид	Состав	Tg °C	Dk	Стоимость	Наименование
FR4	Стеклотекстолит (слоистый эпоксидный материал из стекловолокна)	>140	4.7	1 (базовая)	S1141
FR4 halogen free	Стеклотекстолит, не содержит галогена, сурьмы, фосфора и др., не выделяет опасных веществ при горении	>140	4.7	1.1	S1155
FR4 High Tg, FR5	Материал со сшитой сеткой, повышенная термостойкость (RoHS-совместимый)	>160	4,6	1,2…1,4	S1170, S1141 170
RCC	Эпоксидный материал без стеклянной тканой основы	>130	4,0	1,3…1,5	S6015
PD	Полиимидная смола с арамидной основой	>260	4,4	5…6,5	Arlon 85N
СВЧ (PTFE)	СВЧ-материалы (политетрафлуор-этилен со стеклом или керамикой)	240–280	2,2–10,2	32…70	Ro3003, Ro3006, Ro3010
СВЧ (Non-PTFE)	СВЧ-материалы, не основанные на PTFE	240–280	3,5	10	Ro4003, Ro4350, TMM
Pl (полиамид)	Материал для производства гибких и гибко-жестких плат	195-220	3,4		Dupont Pyralux, Taiflex

Tg - температура стеклования (разрушения структуры)

Dk - диэлектрическая постоянная

Базовые диэлектрики для печатных плат СВЧ

Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типаFR4 , с рабочей температурой от –50 до +110 °C, и температурой стеклования Tg (размягчения) около 135 °C.
При повышенных требованиях к термостойкости или при монтаже плат в печи побессвинцовой технологии(t до 260 °C) применяется высокотемпературныйFR4 High Tg илиFR5 .
При требованиях к постоянной работе на высоких температурах или при резких перепадах температур применяетсяполиимид . Кроме того, полиимид используют для изготовления плат повышенной надежности, для военных применений, а также в случаях, когда требуется повышенная электрическая прочность.
Для плат сСВЧ-цепями (более 2 ГГц) применяются отдельные слоиСВЧ-материала , или плата целиком делается из СВЧ-материала. Наиболее известные поставщики специальных материалов - фирмыRogers,Arlon,Taconic,Dupont. Стоимость этих материалов выше, чем FR4, и условно показана в предпоследнем столбце таблицы относительно стоимости FR4.

Таблица 4. Материалы СВЧ фирмы Rogers для печатных плат

Материал	Dk*	Толщина диэлектрика, мм	Толщина фольги, мкм
Ro4003	3,38	0,2	18 или 35
		0,51	18 или 35
		0,81	18 или 35
Ro4350	3,48	0,17	18 или 35
		0,25	18 или 35
		0,51	18 или 35
		0,762	18
		1,52	35
Препрег Ro4403	3,17	0,1	--
Препрег Ro4450	3,54	0,1	--

* Dk - диэлектрическая проницаемость

Таблица 5. Материалы СВЧ фирмы Arlon для МПП

Материал	Диэлектрическая проницаемость (Dk)	Толщина диэлектрика, мм	Толщина фольги, мкм
AR-1000	10	0,61±0,05	18
AD600L	6	0,787±0,08	35
AD255IM	2,55	0,762±0,05	35
AD350A	3,5	0,508±0,05	35
		0,762±0,05	35
DICLAD527	2,5	0,508±0,038	35
		0,762±0,05	35
		1,52±0,08	35
25N	3,38	0,508	18 или 35
		0,762
25N 1080pp pre-preg	3,38	0,099	--
25N 2112pp pre-preg	3,38	0,147	--
25FR	3,58	0,508	18 или 35
		0,762
25FR 1080pp pre-preg	3,58	0,099	--
25FR 2112pp pre-preg	3,58	0,147	--

Dk - диэлектрическая проницаемость

Покрытия площадок печатной платы

Рассмотрим, какие бывают покрытия медных площадок под пайку элементов.

Наиболее часто площадки покрываются сплавом олово-свинец, или ПОС. Способ нанесения и выравнивания поверхности припоя называют HAL или HASL (от английского Hot Air Solder Leveling - выравнивание припоя горячим воздухом). Это покрытие обеспечивает наилучшую паяемость площадок. Однако на смену ему приходят более современные покрытия, как правило, совместимые с требованиями международной директивы RoHS.

Эта директива требует запретить присутствие вредных веществ, в том числе свинца, в продукции. Пока что действие RoHS не распространяется на территорию нашей страны, однако помнить о ее существовании небесполезно.

Возможными вариантами покрытия площадок МПП в таблице 7.

HASL применяется повсеместно, если нет иных требований.

Иммерсионное (химическое) золочение используется для обеспечения более ровной поверхности платы (особенно это важно для площадок BGA), однако имеет несколько более низкую паяемость. Пайка в печи выполняется примерно по той же технологии, что и HASL, но ручная пайка требует применения специальных флюсов. Органическое покрытие, или OSP, защищает поверхность меди от окисления. Его недостаток - малый срок сохранения паяемости (менее 6 месяцев).

Иммерсионное олово обеспечивает ровную поверхность и хорошую паяемость, хотя тоже имеет ограниченный срок пригодности для пайки. Бессвинцовый HAL имеет те же свойства, что и свинец-содержащий, но состав припоя - примерно 99,8% олова и 0,2% добавок.

Контакты ножевых разъемов , подвергающихся трению при эксплуатации платы, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Для обоих видов золочения применяется никелевый подслой для предотвращения диффузии золота.

Таблица 7. Покрытия площадок печатной платы

Тип	Описание	Толщина
HASL, HAL (hot air solder leveling)	ПОС-61 или ПОС-63, оплавленный и выровненный горячим воздухом	15–25 мкм
Immersion gold, ENIG	Иммерсионное золочение по подслою никеля	Au 0,05–0,1 мкм/Ni 5 мкм
OSP, Entek	Органическое покрытие, защищает поверхность меди от окисления до пайки	При пайке полностью растворяется
Immersion tin	Иммерсионное олово, более плоская поверхность, чем HASL	10–15 мкм
Lead-free HAL	Бессвинцовое лужение	15–25 мкм
Hard gold, gold fingers	Гальваническое золочение контактов разъема по подслою никеля	Au 0,2–0,5 мкм/Ni 5 мкм

Примечание: все покрытия, кроме HASL, совместимы с директивой RoHS и подходят для пайки припоями не содержащими свинца.

Защитные и другие виды покрытий печатной платы

Защитные покрытия применяются для изоляции поверхностей токопроводов не предназначенных для пайки.

Для полноты картины рассмотрим функциональное назначение и материалы покрытий печатной платы.

1. Паяльная маска - наносится на поверхность платы для защиты проводников от случайного замыкания и грязи, а также для защиты стеклотекстолита от термоударов при пайке. Маска не несет другой функциональной нагрузки и не может служить защитой от влаги, плесени, пробоя и т. д. (за исключением случаев применения специальных видов масок).
2. Маркировка - наносится на плату краской поверх маски для упрощения идентификации самой платы и расположенных на ней компонентов.
3. Отслаиваемая маска - наносится на заданные участки платы, которые надо временно защитить, например, от пайки. В дальнейшем ее легко удалить, так как она представляет собой резиноподобный компаунд и просто отслаивается.
4. Карбоновое контактное покрытие - наносится в определенные места платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.
5. Графитовые резистивные элементы - могут наноситься на поверхность платы для выполнения функции резисторов. К сожалению, точность выполнения номиналов невысока - не точнее ±20% (с лазерной подгонкой- до 5%).
6. Серебряные контактные перемычки - могут наноситься как дополнительные проводники, создавая еще один проводящий слой при недостатке места для трассировки. Применяются в основном для однослойных и двусторонних печатных плат.

Таблица 8. Покрытия поверхности печатной платы

Тип	Назначение и особенности
Паяльная маска	Для защиты при пайке Цвет: зеленый, синий, красный, желтый, черный, белый
Маркировка	Для идентификации Цвет: белый, желтый, черный
Отслаиваемая маска	Для временной защиты поверхности При необходимости легко удаляется
Карбон	Для создания клавиатур Имеет высокую износостойкость
Графит	Для создания резисторов Желательна лазерная подгонка
Серебряное покрытие	Для создания перемычек Используется для ОПП и ДПП

Конструкция печатных плат

Самый далекий предшественник печатных плат - обычный провод, чаще всего изолированный. У него был существенный недостаток. В условиях высоких вибраций он требовал применения дополнительных механических элементов для его фиксации внутри РЭА. Для этого применялись носители, на которые устанавливались радиоэлементы, сами радиоэлементы и конструктивные элементы для промежуточных соединений, фиксации проводов. Это объемный монтаж.

Печатные платы свободны от этих недостатков. Их проводники закреплены на поверхности, их положение фиксировано, что позволяет просчитывать их взаимные связи. В принципе печатные платы, сейчас приближаются, к плоским конструкциям.

На начальном этапе применения, печатные платы имели одностороннее или двухстороннее расположение проводящих дорожек.

Односторонняя печатная плата - это пластина, на одной стороне которой размещены проводники, выполненные печатным способом. В двухсторонних печатных платах проводники заняли и пустующую изнаночную сторону пластины. А для их соединения были предложены разнообразные варианты, среди которых наибольшее распространение получили переходные металлизированные отверстия. Фрагменты конструкции самых простых односторонних и двухсторонних печатных плат приведены на рис. 1.

Двухсторонняя печатная плата - их использование вместо односторонних было первым шагом на пути перехода от плоскости к объему. Если абстрагироваться (мысленно отбросить подложку двухсторонней печатной платы), то получится объемная конструкция проводников. Кстати, этот шаг был сделан довольно быстро. В заявке Альберта Хансона уже указывалось на возможность размещения проводников по обеим сторонам подложки и соединения их с помощью сквозных отверстий.

Рис. 1. Фрагменты конструкции печатных плат а) односторонней и 6) двухсторонней: 1 - монтажное отверстие,2 - контактная площадка, 3 - проводник,4 - диэлектрическая подложка,5 - переходное металлизированное отверстие

Дальнейшее развитие электроники - микроэлектроники привело к применению многовыводных компонентов (чипы могут иметь более 200 выводов), росло количество электронных компонентов. В свою очередь применение цифровых микросхем и рост их быстродействия привели к росту требований по их экранированию и распределению питания к компонентам, для чего в мнослойные платы цифровых устройств (например - компьютеров) были включены специальные экранирующие токопроводящие слои. Все это привело к росту межсоединений и их усложнению, которое выразилось в росте количества слоев. В современных печатных платах оно может быть много больше десяти. В некотором смысле многослойная печатная плата приобрела объем.

Конструкция многослойных печатных плат

Рассмотрим типовую конструкцию многослойной платы.

В первом, наиболее распространенном, варианте внутренние слои платы формируются из двустороннего ламинированного медью стеклотекстолита, который называют «ядро». Наружные слои выполняются из медной фольги, спрессованной с внутренними слоями при помощи связующего - смолистого материала, называемого «препрег». После прессования при высокой температуре образуется «пирог» многослойной печатной платы, в котором далее сверлятся и металлизируются отверстия. Менее распространен второй вариант, когда внешние слои формируются из «ядер», скрепляемых препрегом. Это упрощенное описание, на основе данных вариантов существует множество других конструкций. Однако основной принцип состоит в том, что в качестве связующего материала между слоями выступает препрег. Очевидно, что не может быть ситуации, когда соседствуют два двусторонних «ядра» без прокладки из препрега, но структура фольга–препрег–фольга– препрег… и т. д. возможна, и часто используется в платах со сложными сочетаниями глухих и скрытых отверстий.

Препреги (англ. pre-preg , сокр. от pre-impregnated - предварительно пропитанный) - этокомпозиционныематериалы-полуфабрикаты. Готовый для переработки продукт предварительной пропитки частично отвержденным связующим упрочняющих материалов тканой или нетканой структуры. Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-химические свойства армирующего материала. Препреговая технология позволяет получить монолитные изделия сложной формы при минимальной инструментальной обработке. Препреги производят в форме полотна, покрытого с обеих сторон полиэтиленовой пленкой и свернутого в рулон.

Многослойные печатные платы сейчас составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно и двухсторонним платам.

Схематически (упрощенно) фрагмент конструкции современной многослойной печатной платы приведен на рис. 2. Проводники в таких печатных платах размещаются не только на поверхности, но и в объеме подложки. При этом сохранилась слойность расположения проводников относительно друг друга (следствие использования планарных полиграфических технологий). Слойность неизбежно присутствует в названиях печатных плат и их элементов - односторонняя, двухсторонняя, многослойная и др. Слойность реально отражает конструктив и соответствующие этому конструктиву технологии изготовления печатных плат.

Рис. 2. Фрагмент конструкции многослойной печатной платы:1 - сквозное металлизированное отверстие, 2 - глухой микропереход, 3 - скрытый микропереход, 4 - слои,5 - скрытые межслойные отверстия, 6 - контактные площадки

Реально конструкция многослойных печатных плат отличается от показанных на рис. 2.

По своей структуре МПП значительно сложнее двухсторонних плат, как много сложнее и технология их производства. Да и сама их структура существенно отличается от показанной на рис. 2. Они включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько сигнальных слоев.

Реально они выглядят так:

a) Схематически	Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы (vias) и микропереходы (microvias) рис. 3.а. Межслойные переходы могут выполняться в виде сквозных отверстий, соединяющих внешние слои между собой и с внутренними слоями. Применяются также глухие и скрытые переходы. Глухой переход - это соединительный металлизированный канал, видимый только с верхней или нижней стороны платы. Скрытые же переходы используются для соединения между собой внутренних слоев платы. Их применение позволяет значительно упростить разводку плат, например, 12-слойную конструкцию МПП можно свести к эквивалентной 8-слойной. коммутации. Специально для поверхностного монтажа разработаны микропереходы, соединяющие между собой контактные площадки и сигнальные слои.
в) для наглядности в 3D виде	Для изготовления многослойных печатных плат производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки - препреги. На рисунке 3.в препрег показан белым цветом. Препрег склеивает слои многослойной печатной платы при термическом прессовании. Общая толщина многослойных печатных плат растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев. В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий, что является весьма жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий. Тем не менее, даже учитывая трудности с металлизацией сквозных отверстий малого диаметра, изготовители многослойных печатных плат предпочитают достигать высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев.
с) Рисунок 3	На рисунке 3.с показана примерная структура расположения слоев многослойной печатной платы с указанием их толщин.

Владимир Уразаев [ Л.12] считает, что развитие конструкций и технологий в микроэлектронике идет в соответствии с объективно существующим законом развития технических систем: задачи, связанные с размещением или перемещением объектов, решаются переходом от точки к линии, от линии к плоскости, от плоскости к трехмерному пространству.

Думаю, что и печатным платам придется подчиниться этому закону. Потенциальная возможность реализации таких многоуровневых (бесконечно уровневых) печатных плат имеется. Об этом свидетельствуют богатый опыт использования в производстве печатных плат лазерных технологий, не менее богатый опыт применения лазерной стереолитографии для формирования трехмерных объектов из полимеров, тенденция к увеличению термостойкости базовых материалов и т. д. Очевидно, такие изделия придется и назвать как-то иначе. Поскольку термин «печатная плата» уже не будет отражать ни их внутреннего содержания, ни технологии изготовления.

Возможно так и будет.

Но мне кажется уже сейчас известны объемные конструкции в проектировании печатных плат - это многослойные печатные платы. А объемный монтаж электронных компонентов с расположением контактных площадок по всем поверхностям радиокомпонентов, снижает технологичность их монтажа, качество межсоединений и усложняет их тестирование и обслуживание.

Будущее покажет!

Гибкие печатные платы

Для большинства людей печатная плата - это просто жесткая пластинка с электропроводящими межсоединеними.

Жесткие печатные платы - самый массовый продукт, используемый в радиоэлектронике, о котором знают практически все.

Но существуют еще и гибкие печатные платы, которые все больше расширяют круг своего применения. Пример - так называемые гибкие печатные кабели (шлейфы). Подобные печатные платы выполняют ограниченный объем функций (исключается функция подложки для радиоэлементов). Они служат для объединения обычных печатных плат, заменяя жгуты. Гибкие печатные платы приобретают эластичность благодаря тому, что их полимерная «подложка» находится в высокоэластическом состоянии. Гибкие печатные платы имеют две степени свободы. Их можно свернуть даже в ленту Мебиуса.

Рисунок 4

Одну или даже две степени свободы, но очень ограниченной свободы, можно придать и обычным жестким печатным платам, в которых полимерная матрица подложки находится в жестком - стеклообразном состоянии. Это достигается путем уменьшения толщины подложки. Одним из преимуществ рельефных печатных плат, изготавливаемых из тонких диэлектриков, называют возможность придания им «округлости». Тем самым появляется возможность согласовать их форму и форму объектов (ракет, космических объектов и др.), в которые их можно поместить. Результат - существенная экономия внутреннего объема изделий.

Их существенный недостаток в том, что с ростом количества слоев снижается гибкость таких печатных плат. А применение обычных негибких комплектующих возникает необходимость фиксировать их форму. Поскольку изгибы таких печатных плат с негибкими компонентами приводят к высоким механическим нагрузкам в точках их соединения с гибкой печатной платой.

Промежуточное положение между жесткими и гибкими печатными платами занимают «древние» печатные платы, состоящие из жестких элементов, складываемых подобно гармошке. Такие «гармошки», вероятно, и навели на мысль о создании многослойных печатных плат. Современные гибко-жесткие печатные платы реализованы иным способом. Речь идет преимущественно о многослойных печатных платах. В них можно совместить жесткие и гибкие слои. Если гибкие слои вывести за пределы жестких, можно получить печатную плату, состоящую из жесткого и гибкого фрагментов. Другой вариант - соединение двух жестких фрагментов гибким.

Классификация конструкций печатных плат, основанная на слойности их проводящего рисунка, охватывает большую часть конструкций печатных плат, но не всех. Например, для изготовления тканых монтажных плат или шлейфов оказалось пригодным не печатное полиграфическое, а ткацкое оборудование. Такие «печатные платы» уже имеют три степени свободы. Так же, как и обычная ткань, они могут принимать самые причудливые очертания и формы.

Печатные платы на основании с высокой теплопроводностью

В последнее время, наблюдается рост тепловыделения электронных устройств, что связано с:

Ростом производительности вычислительных систем,

Потребности коммутации больших мощностей,

Расширяющегося применения электронных компонентов с повышенным тепловыделением.

Последнее наиболее наглядно проявляется в светодиодной светотехнике, где резко вырос интерес к созданию источников света на основе мощных ультраярких светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых светодиодов достигла уже 100лм/Вт. Такие ультраяркие светодиоды приходят на смену обычным лампам накаливания и находят свое применение практически во всех областях светотехники: лампы уличного освещения, автомобильная светотехника, дежурное освещение, рекламные вывески, светодиодные панели, индикаторы, бегущие строки, светофоры и т.д. Эти светодиоды стали незаменимы в декоративном освещении, в светодинамических системах благодаря их монохромному цвету и скорости включения. Выгодно их применять и там, где необходимо жестко экономить электроэнергию, где дорого обходится частое обслуживание и где высоки требования по электробезопасности.

Проведенные исследований показывают, что примерно 65-85% электроэнергии при работе светодиода преобразуется в тепло. Однако, при условии соблюдения рекомендованных производителем светодиодов тепловых режимов, срок службы светодиода может достигать 10 лет. Но, если нарушить тепловой режим (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С), срок службы светодиода может упасть в 10 раз! А при грубом несоблюдении рекомендованных тепловых режимов, например, при включении светодиодов типа emitter без радиатора в течение более 5-7 сек, светодиод может выйти из строя уже во время первого включения. Повышение температуры перехода, кроме того, приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей длины волны. Поэтому очень важно правильно рассчитать тепловой режим и, по возможности, максимально рассеять выделяемое светодиодом тепло.

Крупные производители мощных светодиодов, такие как Cree, Osram, Nichia, Luxeon, Seoul Semiconductor, Edison Opto и т.п., уже давно, для упрощения включения и расширения областей применения светодиодов, изготавливают их в виде светодиодных модулей или кластеров на печатных платах с металлическим основанием (в международной классификации IMPCB – Insulated Metal Printed Circuit Board, или AL PCB – печатные платы на алюминиевом основании).

Рисунок 5

Эти печатные платы на аллюминиевом основании имеют малое и фиксированное тепловое сопротивление, что позволяет при их установке на радиатор достаточно просто обеспечить теплоотведение от p-n перехода светодиода и обеспечить его работу в течении всего срока эксплуатации.

В качестве материалов с высокой теплопроводностью для оснований таких печатных плат применяют Медь, Алюминий, различные виды керамики.

Проблемы технологии промышленного производства

История развития технологии производства печатных плат, есть история улучшения качества и преодоления возникающих по ходу развития проблем.

Вот ее некоторые подробности.

Печатные платы, изготавливаемые методом металлизации сквозных отверстий, несмотря на их широчайшее применение, обладают очень серьезным недостатком. С конструктивной точки зрения самое слабое звено таких печатных плат - места соединения металлизированных столбиков в переходных отверстиях и проводящих слоев (контактных площадок). Соединение металлизированного столбика и проводящего слоя идет по торцу контактной площадки. Длина соединения определяется толщиной медной фольги и обычно составляет 35 мкм и менее. Гальванической металлизации стенок переходных отверстий предшествует стадия химической металлизации. Химическая медь в отличие от гальванической меди более рыхлая. Поэтому соединение металлизированного столбика с торцевой поверхностью контактной площадки происходит через промежуточный, более слабый по прочностным характеристикам подслой химической меди. Коэффициент термического расширения стеклотекстолита гораздо больше, чем у меди. При переходе через температуру стеклования эпоксидной смолы разница резко возрастает. При термических ударах, которые по самым разным причинам испытывает печатная плата, соединение подвергается очень большим механическим нагрузкам и... рвется. Как следствие, разрывается электрическая цепь и нарушается работоспособность электрической схемы.

Рис. 6. Межслойные переходы в многослойных печатных платах: а) без подтрава диэлектрика,6) с подтравом диэлектрика 1 - диэлектрик, 2 - контактная площадка внутреннего слоя, 3 - химическая медь,4 - гальваническая медь

Рис. 7. Фрагмент конструкции многослойной печатной платы, изготовленной методом послойного наращивания: 1 - межслойный переход, 2 - проводник внутреннего слоя, 3 - монтажная контактная площадка, 4 - проводник наружного слоя, 5 - диэлектрические слои

В многослойных печатных платах повышения надежности внутренних переходов можно достичь введением дополнительной операции - подтрава (частичного удаления) диэлектрика в переходных отверстиях перед проведением металлизации. В таком случае соединение металлизированных столбиков с контактными площадками осуществляется не только по торцу, но и частично по внешним кольцевым зонам этих площадок (рис. 6).

Более высокой надежности металлизированных переходов многослойных печатных плат удалось добиться при использовании технологии изготовления многослойных печатных плат методом послойного наращивания (рис. 7). Соединения между проводящими элементами печатных слоев в этом способе осуществляются гальваническим наращиванием меди в отверстия слоя изоляции. В отличие от метода металлизации сквозных отверстий в данном случае переходные отверстия заполняются медью целиком. Площадь соединения между проводящими слоями становится гораздо больше, да и геометрия иная. Разорвать такие соединения не так-то просто. И все-таки эта технология тоже далека от идеальной. Переход «гальваническая медь - химическая медь - гальваническая медь» все равно остается.

Печатные платы, изготовленные методом металлизации сквозных отверстий, должны выдерживать не менее четырех (многослойные не менее трех) перепаек. Рельефные печатные платы допускают гораздо большее число перепаек (до 50). По мнению разработчиков, металлизированные переходы в рельефных печатных платах не понижают, а повышают их надежность. Чем же вызван такой резкий качественный скачок? Ответ прост. В технологии изготовления рельефных печатных плат проводящие слои и соединяющие их металлизированные столбики реализуются в едином технологическом цикле (одновременно). Поэтому отсутствует переход «гальваническая медь - химическая медь - гальваническая медь». Но такой высокий результат был получен в результате отказа от самой массовой технологии изготовления печатных плат, в результате перехода к другому конструктиву. Отказаться от метода металлизации сквозных отверстий по многим причинам не желательно.

Как же быть?

Ответственность за образование барьерного слоя на стыке торцов контактных площадок и металлизированных пистонов в основном ложится на технологов. Они же эту проблему смогли и разрешить. Революционные изменения в технологию изготовления печатных плат внесли методы прямой металлизации отверстий, которая исключает стадию химической металлизации, ограничиваясь только предварительной активацией поверхности. Причем процессы прямой металлизации реализуются таким образом, что проводящая пленка возникает только там, где это нужно - на поверхности диэлектрика. Как следствие, барьерный слой в металлизированных переходах печатных плат, изготовленных методом прямой металлизации отверстий, просто отсутствует. Не правда ли, красивый способ разрешения технического противоречия?

Удалось преодолеть и техническое противоречие имеющей отношение к металлизации переходных отверстий. Металлизируемые отверстия могут стать слабым звеном печатных плат по другой причине. Толщина покрытия стенок переходных отверстий в идеале должна быть равномерной по всей их высоте. Иначе вновь возникают проблемы с надежностью. Физ химия процессов нанесения гальванических покрытий противодействует этому. Идеальный и реальный профиль покрытия в металлизируемых переходных отверстиях приведены на рис. 5. Толщина покрытия в глубине отверстия обычно меньше, чем у поверхности. Причины самые разные: неравномерная плотность тока, катодная поляризация, недостаточная скорость обмена электролита и др. В современных печатных платах диаметр переходных металлизируемых отверстий уже перешагнул отметку 100 мкм, а соотношение высоты к диаметру отверстия в отдельных случаях достигает 20:1. Ситуация предельно усложнилась. Физические методы (использование ультразвука, увеличение интенсивности обмена жидкости в отверстиях печатных плат и т. д.) уже исчерпали свои возможности. Начинает играть существенную роль даже вязкость электролита.

Рис. 8. Сечение металлизируемого переходного отверстия в печатной плате. 1 -диэлектрик, 2 - идеальный профиль металлизации стенок отверстия, 3 - реальный профиль металлизации стенок отверстия,
4 - резист

Традиционно эта задача решалась благодаря использованию электролитов с выравнивающими добавками, которые адсорбируются в тех областях, где выше плотность тока. Сорбция таких добавок пропорциональна плотности тока. Добавки создают барьерный слой, противодействуя избыточному осаждению гальванического покрытия на острых кромках и прилегающих к ним областях (ближе к поверхности печатной платы).

Иное решение данной задачи теоретически известно давно, а практически его удалось воплотить совсем недавно - после того как был освоен промышленный выпуск импульсных источников питания большой мощности. Этот способ основан на использовании импульсного (реверсного) режима питания гальванических ванн. Большую часть времени подается прямой ток. При этом происходит осаждение покрытия. Меньшую часть времени подается обратный ток. Одновременно происходит растворение осажденного покрытия. Неравномерная плотность тока (больше у острых углов) в данном случае приносит только пользу. По этой причине растворениепокрытия происходит в первую очередь и в большей степени у поверхности печатной платы. В этом техническом решении применяется целый «букет» приемов разрешения технических противоречий: использовать частично избыточное действие, обратив вред в пользу, применить переход от непрерывного процесса к импульсному, сделать наоборот и др. Да и полученный результат соответствует этому «букету». При определенном сочетании продолжительности прямых и обратных импульсов даже появляется возможность получить толщину покрытия в глубине отверстия больше, чем у поверхности печатной платы. Вот почему такая технология оказалась незаменимой для заполнения металлом глухих переходных отверстий (достояния современных печатных плат), благодаря которым плотность межсоединений в ПП увеличивается примерно вдвое.

Проблемы, связанные с надежностью металлизированных переходов в печатных платах, носят локальный характер. Следовательно, противоречия, возникающие в процессе их развития, по отношению к печатным платам в целом также не носят всеобщего характера. Хотя такие печатные платы и занимают львиную долю рынка всех печатных плат.

Так же в процессе развития решаются и другие проблемы, с которыми сталкиваются технологи, но потребители о них даже не задумываются. Мы получаем многослойные печатные платы для своих нужд и применяем их.

Микроминиатюризация

На начальном этапе на печатные платы ставились те же компоненты что применялись при объемном монтаже РЭА, правда с некоторой доработкой выводов для снижения их размеров. Но наиболее распространенные компоненты можно было устанавливать на печатные платы без переделок.

С появлением печатных плат появилась возможность уменьшения размеров компонентов применяемых на печатных платах, что в свою очередь привело к снижения рабочих напряжений и токов потребляемых этими элементами. С 1954 года Министерством электростанций и электропромышленности массово выпускался ламповый переносной радиоприемник "Дорожный", в котором использовалась печатная плата.

С появлением миниатюрных полупроводниковых усилительных приборов - транзисторов печатные платы стали доминировать в бытовой технике, чуть позже в промышленности, а с появлением объединенных на одном кристалле фрагментов электронных схем - функциональных модулей и микросхем их конструкция предусматривала уже установку исключительно не печатные платы.

С продолжением снижения размеров активных и пассивных компонентов появилось новое понятие -«Микроминиатюризация».

В электронных компонентах это выразилось в появление БИС и СБИС содержащих многие миллионы транзисторов. Их появление заставило увеличить количество внешних связей (см. контактную поверхность грвфического процессора на рисунке 9.а), что в свою очередь вызвало усложнение разводки токопроводящих линий это видно на рисунке 9.б.

Такая панель графического процессора, да и CPU тоже - не что иное как небольшая многослойная печатная плата, на которой размещены сам чип процессора, разводка соединений выводов чипа с контактным полем и навесные элементы (обычно конденсаторы фильтров системы распределения питания)

Рисунок 9

И пусть Вам не покажется шуткой, CPU 2010 года от Intel или AMD - это тоже печатная плата, причем многослойная.

Рисунок 9а

Развития печатных плат, как и вообще электронной техники это линии уменьшения ее элементов; их уплотнения на поверхности печатной, как и уменьшение элементов электронной техники. Под «элементами» в данном случае следует понимать как собственное достояние печатных плат (проводники, переходные отверстия и др.), так и элементы из надсистемы (печатного узла) - радиоэлементы. Последние по скорости осуществления микроминиатюризации идут впереди печатных плат.

Разработкой СБИС занимается микроэлектроника.

Увеличение плотности расположения элементной базы требует того же самого от проводников печатной платы - носителя данной элементной базы. В связи с этим возникает множество задач, требующих решения. О двух таких задачах и способах их решения мы и поговорим подробнее.

Первые способы изготовления печатных плат были основаны на приклеивании проводников из медной фольги к поверхности диэлектрической подложки.

Предполагалось, что ширина проводников и зазоры между проводниками измеряются миллиметрами. В этом варианте такая технология была вполне работоспособной. Последующая миниатюризация электронной техники потребовала создания иных методов изготовления печатных плат, основные варианты которых (субтрактивные, аддитивные, полуаддитивные, комбинированные) используются и поныне. Применение таких технологий позволило реализовать печатные платы с размерами элементов, измеряемых десятыми долями миллиметра.

Достижение уровня разрешения в печатных платах примерно 0,1 мм (100 мкм) стало знаковым событием. С одной стороны, произошел переход «вниз» еще на один порядок. С другой - своеобразный качественный скачок. Почему? Диэлектрической подложкой большинства современных печатных плат является стеклотекстолит - слоистый пластик с полимерной матрицей, армированной стеклотканью. Уменьшение зазоров между проводниками печатной платы привело к тому, что они стали соизмеримы с толщиной стеклянных нитей или толщиной узлов переплетения этих нитей в стеклоткани. И ситуация, при которой проводники «замыкаются» такими узелками, стала вполне реальна. Как следствие, стало реальным и образование своеобразных капилляров в стеклотекстолите, «замыкающих» данные проводники. В условиях повышенной влажности капилляры, в конечном счете, приводят к ухудшению уровня изоляции между проводниками печатных плат. А если точнее, это происходит даже в условиях обычной влажности. Конденсация влаги в капиллярных структурах стеклотекстолита отмечается и в нормальных условиях Влага всегда снижает уровень сопротивления изоляции.

Поскольку в современной радиоэлектронной аппаратуре такие печатные платы стали явлением обычным, можно сделать вывод, что эту проблему разработчикам базовых материалов для печатных плат все же удалось разрешить традиционными методами. Но справятся ли они со следующим знаковым событием? Очередной качественный скачок уже произошел.

Сообщается о том, что специалистами компании Samsung освоена технология изготовления печатных плат с шириной проводников и зазорами между ними 8-10 мкм. А ведь это уже толщина не стеклянной нити, а стекловолокна!

Задача обеспечения изоляции в сверхмалых зазорах между проводниками настоящих и особенно будущих печатных плат сложна. Какими методами она будет решаться - традиционными либо нетрадиционными - и будет ли решена - покажет время.

Рис. 10. Профили травления медной фольги: а - идеальный профиль, б - реальный профиль; 1 - защитный слой, 2 - проводник, 3 - диэлектрик

Существовали сложности получения в печатных платах сверхмалые (сверхузкие) проводники. По многим причинам в технологиях изготовления печатных плат массовое распространение получили субтрактивные методы. В субтрактивных методах рисунок электрической схемы формируется путем удаления ненужных фрагментов фольги. Еще в годы Второй мировой войны Пауль Эйслер отработал технологию травления медной фольги хлорным железом. Столь непритязательная технология используется радиолюбителями до сих пор. Промышленные технологии недалеко ушли от этой «кухонной» технологии. Разве что изменился состав травильных растворов и появились элементы автоматизации процесса.

Принципиальный недостаток абсолютно всех технологий травления заключается в том, что травление идет не только в желаемом направлении (по направлению к поверхности диэлектрика), но и в не желаемом поперечном направлении. Боковой подтрав проводников соизмерим с толщиной медной фольги (около 70%). Обычно вместо идеального профиля проводника получается грибоподобный профиль (рис. 10). Когда ширина проводников велика, а в самых простых печатных платах она измеряется даже миллиметрами, на боковой подтрав проводников попросту закрывают глаза. Если же ширина проводников соизмерима с их высотой или даже меньше ее (реалии сегодняшнего дня), то «боковые устремления» ставят под сомнение целесообразность применения таких технологий.

На практике величину бокового подтрава печатных проводников удается уменьшить в какой-то степени. Это достигается увеличением скорости травления; использованием струйного облива (струи травителя совпадают с желаемым направлением - перпендикулярно плоскости листа), а также другими способами. Но когда ширина проводника приближается к его высоте, эффективность таких усовершенствований становится явно недостаточной.

Но успехи фотолитограции, химии и технологии позволяют сейчас решить все эти проблемы. Эти решения берутся из технологий микроэлектроники.

Радиолюбительские технологии производства печатных плат

Изготовление печатных плат в радиолюбительских условиях имеет свои особенности, и развитие техники все увеличивает эти возможности. Но основой их продолжают оставаться процессы

Вопрос о том, как можно дешево изготавливать печатные платы в домашних условиях, волнует всех радиолюбителей, наверное, с 60х годов прошлого века, когда печатные платы нашли широкое применение в бытовой технике. И если тогда выбор технологий был не так уж велик, то сегодня благодаря развитию современной техники радиолюбители получают возможность быстро и качественно изготавливать печатные платы без применения какого-либо дорогостоящего оборудования. И эти возможности постоянно расширяются позволяя все более приближать качество их творений к промышленным образцам.

Собственно, весь процесс изготовления печатной платы можно условно разделить на пять основных этапов:

• предварительная подготовка заготовки (очистка поверхности, обезжиривание);
• нанесение тем или иным способом защитного покрытия;
• удаление лишней меди с поверхности платы (травление);
• очистка заготовки от защитного покрытия;
• сверловка отверстий, покрытие платы флюсом, лужение.

Мы рассматриваем только наиболее распространенную «классическую» технологию, при которой лишние участки меди с поверхности платы удаляются путем химического травления. Помимо этого, возможно, например, удаление меди путем фрезерования или с использованием электроискровой установки. Однако эти способы не получили широкого распространения ни в радиолюбительской среде, ни в промышленности (хотя изготовление плат фрезерованием иногда применяется в тех случаях, когда необходимо очень быстро изготовить несложные печатные платы в единичных количествах).

А здесь расскажем о 4 первых пунктах технологического процесса, поскольку сверловка выполняется радиолюбителем с помощью того инструмента который у него сущетвует.

В домашних условиях изготовить многослойную печатную плату способную конкурировать с промышленными образцами невозможно, поэтому обычно в радиолюбительских условиях применяются двухсторонние печатные платы, а в конструкциях СВЧ устройств только двухсторонние.

Хотя надо стремиться при изготовлении печатных плат в домашних условиях следует стремиться при разработке схемы использовать как можно больше компонентов для поверхностного монтажа, что в некоторых случаях позволяет развести практически всю схему на одной стороне платы. Связано это с тем, что до сих пор не изобретено никакой реально осуществимой в домашних условиях технологии металлизации переходных отверстий. Поэтому в случае, если разводку платы не удается выполнить на одной стороне, следует выполнять разводку на второй стороне с использованием в качестве межслойных переходов выводов различных компонентов, установленных на плате, которые в этом случае придется пропаивать с двух сторон платы. Конечно, существуют различные способы замены металлизации отверстий (использование тонкого проводника, вставленного в отверстие и припаянного к дорожкам с обеих сторон платы; использование специальных пистонов), однако все они имеют существенные недостатки и неудобны в использовании. В идеальном случае плата должна разводиться только на одной стороне с использованием минимального количества перемычек.

Остановимся теперь подробнее на каждом из этапов изготовления печатной платы.

Предварительная подготовка заготовки

Данный этап является начальным и заключается в подготовке поверхности будущей печатной платы к нанесению на нее защитного покрытия. В целом за продолжительный промежуток времени технология очистки поверхности не претерпела сколько-нибудь значительных изменений. Весь процесс сводится к удалению окислов и загрязнений с поверхности платы с использованием различных абразивных средств и последующему обезжириванию.

Для удаления сильных загрязнений можно использовать мелкозернистую наждачную бумагу («нулевку»), мелкодисперсный абразивный порошок или любое другое средство, не оставляющее на поверхности платы глубоких царапин. Иногда можно просто вымыть поверхность печатной платы жесткой мочалкой для мытья посуды с моющим средством или порошком (для этих целей удобно использовать абразивную мочалку для мытья посуды, которая похожа на войлок с мелкими вкраплениями какого-то вещества; часто такая мочалка бывает наклеена на кусок поролона). Кроме того, при достаточно чистой поверхности печатной платы можно вообще пропустить этап абразивной обработки и сразу перейти к обезжириванию.

В случае наличия на печатной плате только толстой оксидной пленки ее можно легко удалить путем обработки печатной платы в течение 3-5 секунд раствором хлорного железа с последующим промыванием в холодной проточной воде. Следует, однако, отметить, что желательно либо производить данную операцию непосредственно перед нанесением защитного покрытия, либо после ее проведения хранить заготовку в темном месте, поскольку на свету медь быстро окисляется.

Заключительный этап подготовки поверхности заключается в обезжиривании. Для этого можно использовать кусочек мягкой ткани, не оставляющей волокон, смоченный спиртом, бензином или ацетоном. Здесь следует обратить внимание на чистоту поверхности платы после обезжиривания, поскольку в последнее время стали попадаться ацетон и спирт со значительным количеством примесей, которые оставляют на плате после высыхания беловатые разводы. Если это так, то стоит поискать другой обезжиривающий состав. После обезжиривания плату следует промыть в проточной холодной воде. Качество очистки можно контролировать, наблюдая за степенью смачивания водой поверхности меди. Полностью смоченная водой поверхность, без образования на ней капель и разрывов пленки воды, является показателем нормального уровня очистки. Нарушения в этой пленке воды указывают, что поверхность очищена недостаточно.

Нанесение защитного покрытия

Нанесение защитного покрытия является самым важным этапом в процессе изготовления печатных плат, и именно им на 90 % определяется качество изготовленной платы. В настоящее время в радиолюбительской среде наиболее популярными являются три способа нанесения защитного покрытия. Мы их рассмотрим в порядке возрастания качества получаемых при их использовании плат.

В первую очередь надо уточнить, что защитное покрытие на поверхности заготовки должно образовывать однородную массу, без дефектов, с ровными четкими границами и устойчиво к воздействию химических компонентов травильного раствора.

Ручное нанесение защитного покрытия

При этом способе чертеж печатной платы переносится на стеклотекстолит вручную при помощи какого- либо пишущего приспособления. В последнее время в продаже появилось множество маркеров, краситель которых не смывается водой и дает достаточно прочный защитный слой. Кроме того, для ручного рисования можно использовать рейсфедер или какое-либо другое приспособление, заправленное красителем. Так, например, удобно использовать для рисования шприц с тонкой иглой (лучше всего для этих целей подходят инсулиновые шприцы с диаметром иглы 0,3-0,6 мм), обрезанной до длины 5-8 мм. При этом шток в шприц вставлять не следует - краситель должен поступать свободно под действием капиллярного эффекта. Также вместо шприца можно использовать тонкую стеклянную или пластмассовую трубку, вытянутую над огнем для достижения нужного диаметра. Особое внимание следует обратить на качество обработки края трубки или иглы: при рисовании они не должны царапать плату, в противном случае можно повредить уже закрашенные участки. В качестве красителя при работе с такими приспособлениями можно использовать разбавленный растворителем битумный или какой- либо другой лак, цапонлак или даже раствор канифоли в спирте. При этом необходимо подобрать консистен цию красителя таким образом, чтобы он свободно поступал при рисовании, но в то же время не вытекал и не образовывал капель на конце иглы или трубки. Стоит отметить, что ручной процесс нанесения защитного покрытия достаточно трудоемок и годится только в тех случаях, когда необходимо очень быстро изготовить небольшую плату. Минимальная ширина дорожки, которой можно добиться при рисовании вручную, составляет порядка 0,5 мм.

Использование «технологии лазерного принтера и утюга»

Данная технология появилась сравнительно недавно, однако сразу получила широчайшее распространение в силу своей простоты и высокого качества получаемых плат. Основу технологии составляет перенос тонера (порошка, используемого при печати в лазерных принтерах) с какой-либо подложки на печатную плату.

При этом возможны два варианта: либо используемая подложка отделяется от платы перед травлением, либо, если в качестве подложки используется алюминиевая фольга, она стравливается вместе с медью .

Первый этап использования данной технологии заключается в печати зеркального изображения рисунка печатной платы на подложке. Параметры печати принтера при этом должны быть установлены на максимальное качество печати (поскольку в этом случае происходит нанесение слоя тонера наибольшей толщины). В качестве подложки можно использовать тонкую мелованную бумагу (обложки от различных журналов), бумагу для факсов, алюминиевую фольгу, пленку для лазерных принтеров, основу от самоклеящейся пленки Oracal или какие-нибудь другие материалы. При использовании слишком тонкой бумаги или фольги может потребоваться приклеить их по периметру на лист плотной бумаги. В идеальном случае принтер должен иметь тракт для прохождения бумаги без перегибов, что предотвращает смятие подобного бутерброда внутри принтера. Большое значение это имеет и при печати на фольге или основе от пленки Oracal, поскольку тонер на них держится очень слабо, и в случае перегиба бумаги внутри принтера существует большая вероятность, что придется потратить несколько неприятных минут на очистку печки принтера от налипших остатков тонера. Лучше всего, если принтер может пропускать бумагу через себя горизонтально, печатая при этом на верхней стороне (как, например, HP LJ2100 - один из лучших принтеров для применения при изготовлении печатных плат). Хочется сразу предупредить владельцев принтеров типа HP LJ 5L, 6L, 1100, чтобы они не пытались печатать на фольге или основе от Oracal - обычно подобные эксперименты заканчиваются плачевно. Также помимо принтера можно использовать и копировальный аппарат, применение которого иногда дает даже лучшие по сравнению с принтерами результаты за счет нанесения толстого слоя тонера. Основное требование, которое предъявляется к подложке, - легкость ее отделения от тонера. Кроме того, в случае использования бумаги она не должна оставлять в тонере ворсинок. При этом возможны два варианта: либо подложка после перенесения тонера на плату просто снимается (в случае пленки для лазерных принтеров или основы от Oracal), либо предварительно размачивается в воде и потом постепенно отделяется (мелованная бумага).

Перенос тонера на плату заключается в прикладывании подложки с тонером к предварительно очищенной плате с последующим нагревом до температуры, немного превышающей температуру плавления тонера. Возможно огромное количество вариантов как это сделать, однако наиболее простым является прижим подложки к плате горячим утюгом. При этом для равномерного распределения давления утюга на подложку рекомендуется проложить между ними несколько слоев плотной бумаги. Очень важным вопросом является температура утюга и время выдержки. Эти параметры варьируются в каждом конкретном случае, поэтому, возможно, придется поставить не один эксперимент, прежде чем вы получите качественные результаты. Критерий тут один: тонер должен успеть достаточно расплавиться, чтобы прилипнуть к поверхности платы, и в то же время должен не успеть дойти до полужидкого состояния, чтобы края дорожек не расплющились. После «приварки» тонера к плате необходимо отделить подложку (кроме случая использования в качестве подложки алюминиевой фольги: ее отделять не следует, поскольку она растворяется практически во всех травильных растворах). Пленка для лазерных принтеров и основа от Oracal просто аккуратно снимаются, в то время как обычная бумага требует предварительного размачивания в горячей воде.

Стоит отметить, что в силу особенностей печати лазерных принтеров слой тонера в середине больших сплошных полигонов достаточно мал, поэтому следует по мере возможности избегать использования таких областей на плате, либо после снятия подложки придется подретушировать плату вручную. В целом использование данной технологии после некоторой тренировки позволяет добиться ширины дорожек и зазоров между ними вплоть до 0,3 мм.

Я использую, уже много лет, именно эту технологию (с тех пор как мне стал доступен лазерный принтер).

Применение фоторезистов

Фоторезистом называется чувствительное к свету (обычно в области близкого ультрафиолета) вещество, которое под воздействием освещения изменяет свои свойства.

В последнее время на российском рынке появилось несколько видов импортных фоторезистов в аэрозольной упаковке, которые особенно удобны для использования в домашних условиях. Сущность применения фоторезиста заключается в следующем: на плату с нанесенным на нее слоем фоторезиста накладывается фотошаблон () и производится ее засветка, после чего засвеченные (или незасвеченные) участки фоторезиста смываются специальным растворителем, в качестве которого обычно выступает едкий натр (NaOH). Все фоторезисты делятся на две категории: позитивные и негативные. Для позитивных фоторезистов дорожке на плате соответствует черный участок на фотошаблоне, а для негативных, соответственно, прозрачный.

Наибольшее распространение получили позитивные фоторезисты как наиболее удобные в применении.

Остановимся более подробно на использовании позитивных фоторезистов в аэрозольной упаковке. Первым этапом является подготовка фотошаблона. В домашних условиях его можно получить, напечатав рисунок платы на лазерном принтере на пленке. При этом необходимо особое внимание уделить плотности черного цвета на фотошаблоне, для чего необходимо отключить в настройках принтера все режимы экономии тонера и улучшения качества печати. Кроме того, некоторые фирмы предлагают вывод фотошаблона на фотоплоттере - при этом вам гарантирован качественный результат.

На втором этапе на предварительно подготовленную и очищенную поверхность платы наносится тонкая пленка фоторезиста. Делается это путем распыления его с расстояния порядка 20 см. При этом следует стремиться к максимальной равномерности получаемого покрытия. Кроме того, очень важно обеспечить отсутствие пыли в процессе распыления - каждая попавшая в фоторезист пылинка неминуемо оставит свой след на плате.

После нанесения слоя фоторезиста необходимо высушить получившуюся пленку. Делать это рекомендуется при температуре 70-80 градусов, причем сначала нужно подсушить поверхность при небольшой температуре и лишь затем постепенно довести температуру до нужного значения. Время сушки при указанной температуре составляет порядка 20-30 мин. В крайнем случае допускается сушка платы при комнатной температуре в течение 24 часов. Платы с нанесенным фоторезистом должны храниться в темном прохладном месте.

Следующим после нанесения фоторезиста этапом является экспонирование. При этом на плату накладывается фотошаблон (стороной печати к плате, это способствует увеличению четкости при экспонировании), который прижимается тонким стеклом или. При достаточно небольших размерах плат для прижима можно использовать отмытую от эмульсии фотопластинку. Поскольку область максимума спектральной чувствительности большинства современных фоторезистов приходится на ультрафиолетовый диапазон, для засветки желательно использовать лампу с большой долей УФ-излучения в спектре (ДРШ, ДРТ и др.). В крайнем случае, можно использовать мощную ксеноновую лампу. Время экспонирования зависит от многих причин (тип и мощность лампы, расстояние от лампы до платы, толщина слоя фоторезиста и др.) и подбирается экспериментально. Однако в целом время экспонирования составляет обычно не более 10 минут даже при экспонировании под прямыми солнечными лучами.

(Пластмассовые, прозрачные в видимом свете, пластинки использовать для прижима не рекомендую, так как у них сильное поглощение УФ излучения)

Проявление большинства фоторезистов осуществляется раствором едкого натра (NaOH) - 7 граммов на литр воды. Лучше всего использовать свежеприготовленный раствор, имеющий температуру 20-25 градусов. Время проявления зависит от толщины пленки фоторезиста и находится в пределах от 30 секунд до 2 минут. После проявления плату можно подвергать травлению в обычных растворах, поскольку фоторезист устойчив к воздействию кислот. При использовании качественных фотошаблонов применение фоторезиста позволяет получить дорожки шириной вплоть до 0,15-0,2мм.

Травление

Известно много составов для химического стравливания меди. Все они отличаются скоростью протекания реакции, составом выделяющихся в результате реакции веществ, а также доступностью необходимых для приготовления раствора химических реактивов. Ниже приведена информация о наиболее популярных растворах для травления.

Хлорное железо (FeCl)

Пожалуй, самый известный и популярный реактив. Сухое хлорное железо растворяется в воде до тех пор, пока не будет получен насыщенный раствор золотисто-желтого цвета (для этого потребуется порядка двух столовых ложек на стакан воды). Процесс травления в этом растворе может занять от 10 до 60 минут. Время зависит от концентрации раствора, температуры и перемешивания. Перемешивание значительно ускоряет протекание реакции. В этих целях удобно использовать компрессор для аквариумов, который обеспечивает перемешивание раствора пузырьками воздуха. Также реакция ускоряется при подогревании раствора. По окончании травления плату необходимо промыть большим количеством воды, желательно с мылом (для нейтрализации остатков кислоты). К недостаткам данного раствора следует отнести образование в процессе реакции отходов, которые оседают на плате и препятствуют нормальному протеканию процесса травления, а также сравнительно низкую скорость реакции.

Персульфат аммония

Светлое кристаллическое вещество, растворяется в воде исходя из соотношения 35 г вещества на 65 г воды. Процесс травления в этом растворе занимает порядка 10 минут и зависит от площади медного покрытия, подвергающегося травлению. Для обеспечения оптимальных условий протекания реакции раствор должен иметь температуру порядка 40 градусов и постоянно перемешиваться. По окончании травления плату необходимо промыть в проточной воде. К недостаткам этого раствора относится необходимость поддержания требуемого температурного режима и перемешивания.

Раствор соляной кислоты (HCl) и перекиси водорода (H 2 O 2)

- Для приготовления этого раствора необходимо к 770 мл воды добавить 200 мл 35 % соляной кислоты и 30 мл 30 % перекиси водорода. Готовый раствор должен храниться в темной бутылке, не закрытой герметически, так как при разложении перекиси водорода выделяется газ. Внимание: при использовании данного раствора необходимо соблюдать все меры предосторожности при работе с едкими химическими веществами. Все работы необходимо производить только на свежем воздухе или под вытяжкой. При попадании раствора на кожу ее необходимо немедленно промыть большим количеством воды. Время травления сильно зависит от перемешивания и температуры раствора и составляет порядка 5-10 минут для хорошо перемешиваемого свежего раствора при комнатной температуре. Не следует нагревать раствор выше 50 градусов. После травления плату необходимо промыть проточной водой.

Данный раствор после травления можно восстанавливать добавлением H 2 O 2 . Оценка требуемого количества перекиси водорода осуществляется визуально: погруженная в раствор медная плата должна перекрашиваться из красного в темнокоричневый цвет. Образование пузырей в растворе свидетельствует об избытке перекиси водорода, что ведет к замедлению реакции травления. Недостатком данного раствора является необходимость строгого соблюдения при работе с ним всех мер предосторожности.

Раствор лимонной кислоты и перекиси водорода от Радиокота

В 100 мл аптечной 3% перекиси водорода растворяется 30 г лимонной кислоты и 5 г поваренной соли.

Этого раствора должно хватить для травления 100 см2 меди, толщиной 35мкм.

Соль при подготовке раствора можно не жалеть. Так как она играет роль катализатора, то в процессе травления практически не расходуется. Перекись 3% не стоит разбавлять дополнительно т.к. при добавлении остальных ингредиентов её концентрация снижается.

Чем больше будет добавлено перекиси водорода (гидроперита) тем быстрее пойдёт процесс, но не переусердствуйте - раствор не хранится, т.е. повторно не используется, а значит и гидроперит будет просто перерасходован. Избыток перекиси легко определить по обильному «пузырению» во время травления.

Однако добавление лимонной кислоты и перекиси вполне допустимо, но рациональнее приготовить свежий раствор.

Очистка заготовки

После завершения травления и промывки платы необходимо очистить ее поверхность от защитного покрытия. Сделать это можно каким-либо органическим растворителем, например, ацетоном.

Далее необходимо просверлить все отверстия. Делать это нужно остро заточенным сверлом при максимальных оборотах электродвигателя. В случае, если при нанесении защитного покрытия в центрах контактных площадок не было оставлено пустого места, необходимо предварительно наметить отверстия (сделать это можно, например, керном). После чего дефекты (бахрома) с обратной стороны платы удаляется зенкованием, а на двухсторонней печатной плате на меди - сверлом диаметром около 5 мм в ручном зажиме за один оборот сверла без приложения усилия.

Следующим этапом является покрытие платы флюсом с последующим лужением. Можно использовать специальные флюсы промышленного изготовления (лучше всего смываемые водой или вообще не требующие смывания) либо просто покрыть плату слабым раствором канифоли в спирте.

Лужение можно производить двумя способами:

Погружением в расплав припоя

Помощи паяльника и металлической оплетки, пропитанной припоем.

В первом случае необходимо изготовить железную ванночку и заполнить ее небольшим количеством легкоплавкого припоя - сплава Розе или Вуда. Расплав должен быть полностью покрыт сверху слоем глицерина во избежание окисления припоя. Для нагревания ванночки можно использовать перевернутый утюг или электроплитку. Плата погружается в расплав, а затем вынимается с одновременным удалением излишков припоя ракелем из твердой резины.

Заключение

Думаю, данный материал поможет читателям получить представление о конструкции и изготовлению печатных плат. А тем кто начинает заниматься электроникой получить основные навыки их изготовления в домашних условиях.Для более полного ознакомления с печатными платами рекомендую почитать [ Л.2] . Ее можно скачать в Интернет.

Литература

1. Политехнический словарь. Редкол.: Инглинский А. Ю. и др. М.: Советская энциклопедия. 1989.
2. Медведев А. М. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера. 2005.
3. Из истории технологий печатных плат // Электроника-НТБ. 2004. № 5.
4. Новинки электронной техники. Фирма Intel возвещает эру трехмерных транзисторов. Альтернатива традиционным планарным приборам // Электроника-НТБ. 2002. № 6.
5. Истинно трехмерные микросхемы - первое приближение // Компоненты и технологии. 2004. № 4.
6. Мокеев М. Н, Лапин М. С. Технологические процессы и системы производства тканых монтажных плат и шлейфов. Л.: ЛДНТП 1988.
7. Володарский О. Мне идет этот компьютер? Электроника, вплетенная в ткань, становится модной // Электроника-НТБ. 2003. № 8.
8. Медведев А. М. Технология производства печатных плат. М.: Техносфера. 2005.
9. Медведев А. М. Импульсная металлизация печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 4
10. Печатные платы - линии развития, Владимир Уразаев,