Разработка электрической принципиальной схемы таймера повышенной точности на диапазон временных интервалов 0 – 10 минут

3. Общие требования к монтажу и сборке устройства. Изготовление печатных плат

     Все входящие в состав компоненты монтируются  на печатной плате методом пайки.

Печатная  плата.

     Печатная  плата (на англ. PCB - printed circuit board) — пластина, выполненная из диэлектрика, на которой сформирована (обычно печатным методом) хотя бы одна электропроводящая цепь. Печатная плата (ПП) предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов или соединения отдельных электронных узлов. Электронные компоненты на ПП соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка, обычно пайкой, илинакруткой, или склёпкой, или впрессовыванием, в результате чего собирается электронный модуль (или смонтированная печатная плата).

     В зависимости от количества слоёв  с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на односторонние, двухсторонние и многослойные.

     В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале, обычно путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги, при этом обычно используется химическое травление.

     Печатная  плата обычно содержит монтажные  отверстия и контактные площадки, которые могут быть дополнительно  покрыты защитным покрытием: сплавом олова и свинца, оловом, золотом, серебром, органическим защитным покрытием. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения слоёв платы, внешнее изоляционное покрытие («защитная маска») которое закрывает изоляционным слоем неиспользуемую для контакта поверхность платы, маркировка обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.

Многослойные печатные платы.

     Многослойные  печатные платы (сокращённо МПП, англ. multilayer printed circuit board) применяются в случаях, когда разводка соединений на двусторонней плате становится слишком сложной. По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах.

     В многослойных платах внешние слои (а  также сквозные отверстия) используются для установки компонентов, а  внутренние слои содержат межсоединения либо сплошные планы (полигоны) питания. Для соединения проводников между слоями используются переходные металлизированные отверстия. При изготовлении МПП сначала изготавливаются внутренние слои, которые затем склеиваются через специальные клеящие прокладки (препреги). Далее выполняется прессование, сверление и металлизация переходных отверстий.

Виды  печатных плат:

   По  количеству слоёв проводящего материала:

• Односторонние
• Двусторонние
• Многослойные (МПП)

По гибкости:

• Жёсткие
• Гибкие

По технологии монтажа:

• Для монтажа в отверстия
• Для поверхностного монтажа

   Каждый  вид печатной платы может иметь  свои особенности, в связи с требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или  особенности применения (например, в приборах, работающих на высоких частотах).

Материалы.

     Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как текстолит, стеклотекстолит, гетинакс.

Так же основой ПП может служить металлическое  основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие ПП применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.

     В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ  и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д) и керамика. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Разработка.

   Рассмотрим  типичный процесс разработки 1-2-х  слойной платы.

• Определение габаритов (не принципиально для макетной платы).
• Выбор толщины материала платы из ряда стандартных:
• Наиболее часто используется материал толщиной 1,55 мм.
• Вычерчивание в CAD-программе в слое BOARD габаритов (краёв) платы.

Расположение  крупных радиодеталей: разъёмов и  др. Обычно это происходит в верхнем слое (TOP):

   Считается, что уже были определены чертежи  каждого компонента, расположение и количество выводов и др. (или используются готовые библиотеки компонентов).

   «Разбрасывание» остальных компонентов по верхнему слою, или, реже, по обоим слоям для 2-сторонних плат.

     Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате — перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд.

     В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.

     Проверка  платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.

     Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем  ПП, например Gerber.

     При изготовлении плат при классических подходах используются химические, электролитические и механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации. Один из вариантов химического метода - метод сеткографии. Сеткография используется при изготовления небольшой партии печатных плат в ремонтных и любительских условиях. Основным материалом служит ровная и относительно редкая (прозрачная) капроновая ткань (можно использовать кусок капронового чулка). Этот материал служит основой для трафарета с помощью которого наносят рисунок на печатную плату. Затем нанесенный рисунок вытравливается с помощью раствора хлорного железа.

     Разработчики  из Канады объявили о разработке новой технологии производства печатных плат с помощью микроорганизмов. На смену традиционным методам фотолитографии и травления совсем скоро может придти миколитография - биотехнология основанная на использовании грибных спор. Технологический процесс состоит из нескольких этапов. На первом этапе на заготовку платы наносят рисунок из питательного раствора, затем орошают его спорами некоторых разновидностей низших грибов (например, Labyrinthulida - так называемых «сетчатых слизевиков»). Проросшая по контурам рисунка матрица образует 90-нанометровые дорожки, грибы в дорожках затем орошают повторно – на этот раз раствором с примесью растворенных металлов. Затем полученный рисунок закрепляется. Преимущества данной технологий - цена изготовления и естесственная конфигурация проводников позволяющая избежать паразитные связи и наводки.

     После изготовления печатной платы приступают к нанесению рисунка.

Существует  большое количество способов рисования  на печатных платах:

    Тепловой  способ.

    Вначале рисунок платы разрабатыватся на компьютере в любом подходящем графическом пакете (например, в AutoCAD). Готовый рисунок выводится в зеркальном изображении на лазерный принтер, причем следует использовать только мелованную бумагу. Еще лучшие результаты получаются, если применить бумагу, из которой делают этикетки (например, для прохладительных напитков). Годятся и страницы какого-нибудь ненужного дорогого журнала — наличие на них рисунков и текста на качество будущей платы почти не влияет.

    Полученная  распечатка прикладывается рисунком к  зачищенной и обезжиренной поверхности фольги будущей платы, и с обратной стороны бумаги проглаживается горячим утюгом до полного прилипания рисунка к поверхности заготовки. Риска - указатель терморегулятора утюга - устанавливается в положение чуть ниже среднего. Качество рисунка будет выше, если бумагу предварительно прикатать к заготовке фотоваликом.

    После остывания заготовки опустить ее на 10... 15 мин в горячую воду, бумага размокает и легко отделяется, оставляя рисунок на поверхности  фольги. Остатки бумаги, постоянно смачивая, аккуратно удаляются иглой.

    Очищенная от бумаги заготовка травится, как  обычно, в любом имеющемся растворе (хлорное железо, хлорная медь, азотная кислота и т. д.). После завершения процесса травления краска с проводников счищается скальпелем либо смывается дихлорэтаном или ацетоном. После этого заготовка сверлится по точкам, вытравленным в центре площадок под выводы деталей.

    Качество  получаемой платы очень высокое. Время на ее изготовление при некотором  навыке не превышает 20...30 мин.

    При термообработке заготовки не следует  перегревать утюг, иначе дорожки рисунка "поплывут". Не пользуйтесь при этом тонкой бумагой, более толстая равномернее передает тепло. Перед проглаживанием следует подождать, пока температура подошвы утюга стабилизируется. От равномерности прогревания существенно зависит качество готовой платы, поэтому лучше всего прогреть и прогладить каждую дорожку в отдельности, поскольку и подошва утюга, и заготовка платы не всегда бывают идеально ровными.

    При изготовлении двусторонней печатной платы  рисунки обеих сторон платы надо выводить одновременно на один большой  лист бумаги, оставив между ними зазор, несколько больший толщины  заготовки. Затем лист сгибают по этому зазору, заготовку платы вкладывают в получившуюся "папку" и проглаживают ее утюгом с обеих сторон. Размеры заготовки целесообразно выбирать на 0.5...1 мм больше требуемых. Заметим, что чем больше размеры платы, тем труднее добиться совмещения отверстий.

    Режим выведения оригинала на лазерный принтер должен соответствовать максимальному разрешению и "темному" рисунку (учтите, что у последних моделей принтеров толщина слоя красящего порошка на копиях и без того очень небольшая). Режим экономии порошка должен быть отключен. Не следует выбирать ширину дорожек меньшей 0,4 мм при плотности печати 300 dpi и 0,2 мм при 600 dpi, поскольку при этом начинает играть заметную роль размер лазерного пятна и дорожки получаются различной толщины в зависимости от их местоположения и направления. Кроме того, если толщина фольги становится сравнимой с шириной дорожек, уменьшается их механическая прочность и увеличивается вероятность разрушения при травлении.

    Для лучшей сохранности рисунка рекомендуется  еще "на экране" предусмотреть полосу шириной 0,5...0,7 мм по периметру будущей платы. Желательно выводить рисунок в трех-четырех экземплярах, поскольку из-за неровностей поверхности заготовки платы получить хорошее качество перенесенного рисунка не всегда удается с первого раза.