Разработка печатных плат. Программы для проектирования печатных плат

Обычно инженер по электронике или электротехнике проектирует схему, а специалист по компоновке выполняет разработку печатных плат. Их дизайн является специализированным навыком. Существует множество методов и стандартов, используемых для проектирования печатной платы, которая проста в изготовлении, но при этом является небольшой и недорогой.

ПП широко используются во всех электронных продуктах, таких отраслях, как машиностроение, энергетика, транспорт, беспроводные устройства, роботизированные приложения и многих других областях науки и техники. Они обеспечивают быстрое функционирование, доступ, управление, мониторинг и точные результаты по сравнению с другими устройствами подключения.

Индивидуальные печатные платы

Печатная плата (ПП) механически поддерживает и электрически соединяет электронные компоненты, используя проводящие дорожки, соединения и другие элементы, вытравленные из медных листов, ламинированных на непроводящей подложке. Она имеет предварительно разработанную конструкцию и дизайн медных дорожек на проводящем листе. Таким образом, разработка печатной платы уменьшает возможность появления неисправностей, возникающих из-за слабых соединений, при этом сборка компонентов проста - радиолюбителю остается только разместить компоненты и припаять их.

Многие разработчики используют индивидуальные ПП вместо готового изделия из-за того, что пользовательский дизайн делает их более компактными, более удобными в использовании, так как радиолюбитель сам принимает решение, где разместить детали. И наконец, плата гораздо прочнее, в отличие от готовых изделий, которые пронизаны множеством отверстий, делающих изделия слабыми.

Технология изготовления печатных плат довольно простая:

1. Разработка макета.
2. Распечатка схемы.
3. Перенос схемы термическим способом на медную пластину.
4. Травление ПП в специальном растворе хлорного железа с последующей промывкой ее водой, чтобы удалить остатки реактивов.
5. Удаляют оставшиеся чернила с помощью растворителя для раскрытия неокрашенной медной части.
6. После удаления чернил понадобятся отверстия для пайки компонентов на плате.
7. По выполненной схеме припаивают компоненты.

Инструменты и реактивы

Печатные платы изготовляются из специальных материалов, не проводящих электричество, таких как волокно и стекло. Цепи выполняются на ПП с медными дорожками вместо электропроводов, для связи с компонентами.

Для того чтобы выполнить разработку печатной платы своими руками, необходимо предварительно приобрести следующие инструменты и материалы:

• мини-дрель (Dremel);
• бытовой утюг;
• лазерный принтер/фотокопировальная машина;
• латексные перчатки;
• защитные очки для глаз;
• травильный раствор (хлорид железа);
• маркер с тонкими наконечниками;
• линейка;
• матовая/глянцевая бумага;
• пластиковые пинцеты;
• пластиковые соломинки;
• ветошь;
• шлифовальная бумага.

Создание дизайна

Если у радиолюбителя уже есть макет для выполнения печатной платы своими руками, он может просто пропустить этот шаг и перейти к следующему или начертить схему прямо на доске, если у нет планов выполнить ПП методом печати. Прежде чем создавать плату, сначала разрабатывают схему. Лучше выполнить это, используя надежное программное обеспечение для проектирования, например Eagle Layout Editor. Для людей, которые ищут менее сложное ПО, можно посоветовать Microsoft Powerpoint. При печати макета используют лазерный принтер или фотокопировальную машину. Струйные принтеры не будут работать, поскольку их чернила растворимы в воде и не переносятся на ПП. Используют любую глянцевую бумагу, подойдут даже журнальные статьи.

Далее используют обычный бытовой утюг, проглаживая распечатанную схему на доске. При глажении распечатанного макета чернила переносятся с бумаги на плату. Нужно установить максимальную температуру утюга, если бумага толстая, но если нет - среднюю. Далее замачивают доску в сосуде с водопроводной водой в течение 2-5 минут или ставят ее под проточную воду из раковины. Затем аккуратно протирают поверхность, чтобы не были удалены чернила. Отпиливают лишнюю доску ПП и шлифуют тонкой наждачной бумагой. Если во время очистки некоторые области с чернилами были удалены непреднамеренно, нужно восстановить схему маркером и линейкой.

Травление и восстановление платы

Существуют различные варианты травильного раствора, но наиболее распространенным является хлорное железо, которое применяют при изготовлении печатной платы своими руками. Используют реагент в пластиковом контейнере и никогда - в металлической посуде. Заливают реагент в емкость, оставляют плату на 30-45 минут, затем вынимают ее из контейнера. Вытравливают защищенную чернилами область и удаляют ее по окончании.

Технология изготовления печатных плат:

1. Промывают печатную плату водопроводной водой после травления в растворе, при чистке обязательно надевают перчатки и очки. Также рекомендуется использовать пластиковый пинцет и не применять металлические инструменты.
2. Очищают оставшиеся чернила с мылом для стирки после травления, чтобы обнажить медную часть платы, можно почистить ее небольшим кусочком мелкой шлифовальной бумаги, придавая ей блеск.
3. Далее просверливают отверстия мини-сверлом по схеме и снова ополаскивают водой. Сверление выполняют на медной стороне, так как так там размещена схема, которая послужит руководством.

Эффективное размещение следов на печатной плате является сложным навыком и требует большого терпения. Эта задача значительно упростилась благодаря появлению легкодоступного бесплатного программного обеспечения Diptrace на русском (версия 2.0.1.7) для проектирования макетов, которое можно загрузить с официального сайта.

Проверка требований проектирования

Функции проверки схемы рекомендуется выполнить до того, как она будет встроена в печатную плату. Изучая типы компонентов с использованием программного обеспечения, можно гарантировать, что интервал схемы находится в пределах допусков, нет проблем с ограничениями размера и выполняются другие требования к размещению, которые обязательны для данного типа объектов, для обеспечения надежности и безопасности функционирования. Качество платы и простота размещения повышают эффективность готового изделия.

Программа для разработки печатных плат может выявить сложные конструкции, которые в процессе производства способны привести к конфликтам между компонентами или электрическими цепями, вызвать проблемы с шириной дорожки, размером физического компонента платы и даже электромагнитными помехами от других элементов.

Поэтому макет ПП должен быть оптимизирован с помощью ПО, которое наилучшим образом соответствует потребностям дизайнера. Некоторые функции присутствуют во многих предложениях, но немногие обладают улучшенными инструментами для проектирования печатных плат, в связи с чем дизайнеру лучше перед выбором программы воспользоваться советами специалистов.

Выбор программного обеспечения

Наиболее важным элементом в электронных схемах и оборудовании является печатная плата. Возможно построить электронную схему с макетными и нулевыми платами, но этот метод является низкоуровневым и менее эффективным, поскольку схема проектирования будет подвержена повреждениям, а результат может быть плачевным, поскольку проектирование включает в себя сложный процесс размещения компонентов схемы. Сегодня в интернете предлагают множество программ для производства печатных плат.

Требования к выбору ПО:

1. Функциональность должна соответствует стилю работы дизайнера. Многие разработчики начинают со схемы и переносят результаты в дизайн макета ПП. Если рассматриваемое ПО не поддерживает это направление, вероятно, лучше выбрать другую программу.
2. Гибкость. Создание отличного макета - это одно, но если он выполняется малофункциональной программой, это не принесет большую ценность изделию. ПО верстки должно соответствовать проектам, как для жестких, так и для гибких плат, согласно выбору дизайнера.
3. Поддержка ПО - поставщик обязан обеспечить эффективную поддержку, особенно важно для дизайнеров, плохо знакомых с инструментами САПР.
4. Обновления - минимальная частота обновления программы поставщиком 1 раз в полгода. Компоновка и дизайн ПП постоянно развиваются вместе с технологиями. Программное обеспечение, которое не меняется со временем, будет бесполезным в относительно короткий период.

Внедрение программного обеспечения макета в процессе проектирования печатной платы повысит эффективность размещения компонентов и уменьшит количество проблем, возникающих при переходе плат к этапам создания прототипа и окончательного изготовления. Чем раньше в процессе обнаруживаются проблемы, тем дешевле их устранение. Это становится еще более важным, поскольку перед инженерами стоит задача разрабатывать более сложные, многослойные и тонкие ПП для современной электроники и миниатюрных устройств. Смартфоны и умные телевизоры с плоским экраном - это лишь некоторые примеры приложений для все более сложных макетов ПП.

Многие разработчики советую использовать для печатных плат Sprint-Layout - это программный инструмент, применяемый для изготовления макетов односторонних, двусторонних и даже многослойных ПП. С ним можно быстро и легко проектировать плату, так как инструмент не имеет ограничений относительно того, как нужно проектировать свою печатную плату.

Процесс проектирования Eagle и Multisim

Изготовление печатной платы, которая поддерживает физические электронные компоненты и их проводку через медные дорожки поверхностного монтажа, действительно примечательно. Для того чтобы домашняя ПП соответствовала современному уровню техники, была функциональной и надежной, лучшая процедура проектирования ПП выполняется с программным обеспечение CAD, например Eagle. Этот тип программного обеспечения для проектирования печатных плат содержит библиотеку компонентов, которые можно использовать для построения схемы. Также возможно изменить положение конструкции схемы, а затем изменить в соответствии с требованиями стандарта и удобством.

Технология изготовления печатных плат с Eagle:

1. Открывают программу проектирования плат Eagle.
2. Появится окно со строкой меню.
3. Нажимают на меню файла.
4. Выбирают «новый дизайн» из выпадающего меню.
5. Нажимают на меню библиотеки.
6. Выбирают «устройства/символ» из выпадающего меню.
7. Выбирают соответствующий комментарий, дважды щелкнув по нему, чтобы компонент появился в окне.
8. Добавляют все компоненты и рисуют схему с правильными соединениями.
9. Вводят рейтинг каждого компонента в соответствии с требованием.
10. Переходят на панель инструментов команды и нажимают «Текстовые редакторы», «Варианты» и закрывают окно.
11. Затем появляется черный экран с макетом или схемой, его сохраняют в формате изображения.
12. Макет генерируется из окончательной схемы платы ПО для ее разметки, которая отправляется производственному блоку, где негативное изображение или маска распечатываются на пластиковом листе.
13. Выбирают сырье.
14. Основание ПП изготовляется из небьющегося стекла или стекловолокна с медным покрытием с одной или обеих сторон платы.
15. ПП, которые изготовляются из небьющейся фенольной бумаги, являются менее дорогостоящими и часто применяются в бытовых приборах. Возможно применение тонкого промышленного ламината, покрытый медью, с одной или двух сторон.
16. Далее проходят стандартную процедуру изготовления ПП, описанную выше.

Различные способы изготовления

Радиолюбителю легко сделать печатные платы дома. Это сэкономит много времени на процессах отладки и двойной проверки соединений на макете. Можно сделать собственный Arduino.

Существует три основных способа изготовления:

1. Утюг на глянцевой бумаге методом нагрева.
2. Схема от руки на ПП.
3. Лазерное травление. Поскольку лазерный метод является промышленным методом изготовления плат, домашние умельцы используют первые два.

Дизайн печатной платы:

1. Проектирование ПП обычно выполняется путем преобразования принципиальной схемы в макет с использованием программного обеспечения.
2. Существует множество классных программных пакетов с открытым исходным кодом для создания и дизайна макетов ПП.

Многие разработчики электронных устройств в домашних условиях рекомендуют те, что дают наибольшее преимущество:

• Cadsoft Eagle;
• PCBWizard.

Принципиальная схема в Cadsoft Eagle

Использование программного обеспечения верстки для работы в процессе проектирования печатных плат улучшит качество, позволит создавать проекты, готовые к производству, ускорить выход на рынок и сократить расходы. Cadsoft Eagle – одна из самых качественных программ для создания плат. Для примера рассмотрим создание ПП - сенсорного переключателя с использованием IC555.

Алгоритм выполнения:

1. Входят в Eagle: File > Export > Image и выполняют макет.
2. Распечатывают макет ПП с помощью лазерного принтера и фотобумаги А4 или глянцевой бумаги и убеждаются, что распечатка сделана на глянцевой стороне бумаги.
3. Обрезают медную доску в соответствии с размером макета, используя ножовку или резак.
4. Обрабатывают медную сторону печатной платы, используя наждачную бумагу или абразивные губчатые скрабы. Это удаляет верхний оксидный слой меди, а также слой фоторезиста. Отшлифованные поверхности также позволяют лучше наклеивать изображение с бумаги.
5. Переносят ПП на медную пластину. Обязательно переворачивают верхний слой по горизонтали. Кладут медную поверхность доски на распечатанный макет, убеждаются, что доска правильно выровнена по границам печатного макета, и используют ленту, чтобы удерживать доску и напечатанную бумагу в правильном положении.
6. После печати на глянцевой бумаге приглаживают утюгом ее стороной изображения вниз к медной стороне, затем нагревают электрический утюг до максимальной температуры.
7. Кладут доску и фотобумагу на чистый деревянный стол, накрытый скатертью, обратной стороной фотобумаги к себе, гладят фотобумагу, прилагая небольшое давление, в течение примерно 5-15 минут.
8. После глажения помещают отпечатанную пластину в теплую воду примерно на 10 минут. Бумага растворится, затем можно аккуратно удалить ее. В некоторых случаях при удалении бумаги отдельные дорожки теряют цвет, поэтому можно использовать черный маркер, чтобы затемнить их.
9. Перед травлением платы сначала надевают резиновые перчатки.
10. Помещают газету на пол, чтобы травильный раствор не испортил его.
11. Наполняют пластиковую коробку водой.
12. Растворяют 2-3 чайные ложки хлористого железа в воде.
13. Отпускают печатную плату в раствор для травления (раствор хлорида железа, FeCl3) примерно на 30 минут, реактив реагирует с немаскированной медью и удаляет нежелательную медь из платы.
14. Используют плоскогубцы, чтобы вынуть ПП и проверить, протравлена ли вся немаскированная область или нет, можно оставьте ее в растворе еще на некоторое время.

Нужно быть осторожным при утилизации травильного раствора, он токсичен для рыб и других организмов в водной среде. Категорически запрещено выливать его в раковину, вместо этого разбавляют многократно и выливают в безопасное место.

Практичный дизайн с DesignSpark PCB

DesignSpark PCB - это инструмент проектирования печатных плат RS Components. Он является частью набора приложений, предназначенных для поддержки быстрого создания прототипов посредством механического и электронного проектирования и был выпущен на рынок в 2010 году.

Компания RS Components разработала онлайновое сообщество, которое активно развивает проект, что неудивительно, поскольку RS - всемирно известная и уважаемая организация, публикующая свои решения для электронного дизайна. Инструмент предоставляется бесплатно, но есть вариант для коммерческого использования.

Несмотря на свою бесплатность, это полная и профессиональная программа, которая позволяет создавать несколько страниц схематических моделей, не имеет ограничений по размеру печатной платы и выдает стандартные файлы окончательного формата.

Советы умельцев

Простая схема может быть разработана после нескольких часов обучения. Более сложные проекты, использующие сложное ПО, требуют большей самоотдачи и терпения, поэтому лучше воспользоваться советами профессионалов.

Советы начинающим:

1. Загружают и устанавливают ПО для печатной платы по выбору.
2. Запускают конструктор схемы ПП. В Eagle это можно сделать, перейдя в «Файл», «Новый» и «Схема».
3. Добавляют все необходимые детали из библиотеки на плату схемы и соединяют их вместе в соответствии с дизайном. Если деталь недоступна в библиотеке, придется ее создать. Для этого следуют инструкциям в разделе справки о том, как добавить новую часть в библиотеку.
4. Проверяют наличие ошибок подключения, нажав «Инструменты», затем «ERC». Если есть ошибки, исправляют их, прежде чем переходить к следующему шагу.
5. Поручают программе создать макет непосредственно из схемы.
6. С помощью мыши переносят все компоненты в то место, где нужно, чтобы они располагались на печатной плате. При этом рекомендуется следовать схеме и не беспокоиться о линиях, соединяющих компоненты.
7. С этого момента ПП в разных программах обрабатываются по-разному, например, в Eagle нажимают «Rasnest» в левой строке меню, чтобы очистить соединительные воздушные провода, в других программах можно обратиться к файлам справки.
8. Нужно найти режим «Авто» в строке меню, чтобы ПО могло автоматически выполнять трассировку. Эта функция никогда не работает идеально, поэтому должны быть оставлены некоторые колодки для подключения.
9. Изменяют размер панели, перемещая границы в соответствии с потребностями. Хорошая практика - оставить примерно 1/2 дюйма места с каждой стороны прямоугольной доски.
10. Если используется Sprint Layout 6 и нужно создать заземление, используют команду «polygon gnd», нажимают «Enter» и с помощью мыши создают выбранную область. Выбирают «Авто» в левом меню, чтобы автоматически настроить полигон для трансов, площадок и переходов. В принципе, все, после этого макет ПП готов.

Таким образом, можно подвести итог, что проектирование печатной платы не требует специальных навыков и большого терпения. Для этого необязательно проходить специальную подготовку, поскольку большинство программ для разметки поставляется с учебными пособиями и пошаговыми примерами, которые успешно используются для изучения основ.