Техника разводки печатных плат. Печатные платы в домашних условиях

Кому не приходилось изготавливать печатную плату? Дело это не очень сложное, а результат придаёт проекту завершённость. В этом посте я бы хотел рассказать о процессе создания печатной платы на дому. Я опишу фоторезистивный метод создания платы. Он довольно прост в применении и позволяет печатать весьма сложные платы. Более того, я обошёлся струйным принтером.

Пост содержит фотографии, видео и схемы.

Идея фоторезистивного метода очень проста. Медь на печатной плате сверху покрыта специальным веществом. Если на это вещество попадает свет, то оно потом растворяется в проявителе. Если свет не попал, то в проявителе вещество остаётся красителем. Процесс изготовления платы состоит из четырёх частей:
1. Создаём прозрачную маску на которой размечено что с чем соединять
1. Светим на плату с веществом через эту маску
2. Бросаем плату в проявитель: на плате окрашены только места, размеченные на маске
3. Бросаем плату в травитель: он съест всю медь, кроме окрашеной

Создание схемы

Первый шаг создания печатной платы вполне очевиден: надо создать схему того, что будет на плате. Довольно стандартной программой для этого является Eagle CAD . Не смотря на то, что программой довольно сложно овладеть (мне так кажется, что она совершенно отвратительна в использовании), Eagle CAD пользуются очень многие. Пользователей так много, что производители и поставщики деталей иногда создают библиотеки компонентов.

В рамках этого поста мы будем делать довольно простое устройство: плату, разводящую контакты для ATTiny. Так, чтобы можно было воткнуть в плату чип, питание и программатор.
Сначала нарисуем простенькую схему, а потом, нажав «Switch to board» расположим компоненты на макете платы.

Схему и разводку платы можно .

Печать макета

Подготовим макет к печате. Надо убедиться, что включены только слои с Bottom, Pads, Vias, Dimension. В меню печати надо включить Mirror и Black. Таким образом макет будет отражен и напечатан лишь черным цветом. Не знаю, есть ли более удобный способ, но я распечатал макет в PDF, сконвертировал PDF в TIFF с довольно прилиным разрешением, а потом в текстовом редакторе размножил картинку, чтобы заполнить лист:

Отмечу, что я печатал две схемы, одну – на сегодня, а другую – на потом.

Документ готов. Печатаем на прозрачной плёнке. Я использовал плёнку от MG Chemicals . Хоть она и предназначена для лазерных принтеров, я использовал свой струйный Lexmark. Минус: чернила легко смазать рукой.

Подготовка платы

Очевидно, что для фоторезистивного процесса необходима плата, покрытая специальным веществом. Можно купить это вещество и покрывать плату самому, но я решил купить готовую . Вырежим из платы кусочек, соответствующий размерам схемы. Я использовал аппарат Dremel для вырезания:

Экспонирование

Всё готово для экспонирования платы. Опыт показывает, что струйный принтер может не дать нужной плотности (то есть чёрный с виду на самом деле будет пронизан мелкими дырочками). Бороться с этим не сложно: можно совместить два или три слоя распечатки. Вот так:

Снимем с платы защитный слой (белая тонка плёночка) и положим её на основу (книжка по электронике даёт +3 к удаче). Плату укроем плёнкой с распечаткой и прижмём это дело стеклом:

Конструкция должна простоять под сильной лампой минут 10:

Проявка

Пока плата экспонируется, разведём проявитель. На коробочке проявителя написана пропорция и рекомендуемая температура. Я взял проявитель от MG Chemicals . Он разводится в любой пластиковой посудине в соотношении 1 к 10:

Проявитель готов, десять минут уже прошло. Берём плату и кидаем её в проявитель:

Травление

Споласкиваем плату в воде и кидаем её в травитель. Я использовал хлорное железо от MG Chemicals . Рекомендуемая температура – 50° C, но я травил при комнатных 25° С. Травилось минут 20:

Получится что-то вроде этого:

Зачистка

Оставшийся краситель легко удаляется спиртованными тряпочками:

В результате остаётся чистенькая плата:

Отверстия

Дыры дырявить просто. Я использовал тот же аппарат Dremel :

Получается почти уже готовая плата:

Компоненты

Цепляем на плату необходимые компоненты и припаиваем их к медной основе:

Результат

Плата получилась что надо, хоть друзьям показывай:

Впрочем, не всем друзьям объяснишь, что это такое…

Безопасность

Процесс изготовления плат этим методом предполагает работу со всякой химической дрянью.

Во-перых, не сливайте химическую дрянь в раковину или туалет. В интернете много советов о том, что с этой дрянью делать.

Во-вторых эта химическая дрянь портит одежду, оставляет пятна на руках и делает что-то совсем страшное с глазами. Пожалуйста, используйте средства безопасности! К примеру, я использовал резиновые перчатки, очки и передник из шторы для душа:

Я буду рад ответить на вопросы, услышать предложения как этот процесс можно улучшить, ну и, конечно, дополнить пост любой упущенной информацией.

Sprint-Layout
Программа с простым и понятным интерфейсом предназначена для конструирования печатных плат, имеющих невысокую сложность. Используется любителями радиоэлектроники при создании плат для электронных устройств с целью автоматизации процесса проектирования.

Eagle
Популярная компьютерная программа, специально созданная для новичков и любителей радиоэлектроники. Позволяет вычерчивать принципиальные электрические схемы и печатные платы не выше средней сложности.

Отечественная русскоязычная программа предназначена как для профессионалов, так и радиолюбителей. Применяется для создания плат в ручном или автоматическом режиме. Распространяется в 2 версиях - бесплатной (с ограничениями) и платной.

Бесплатная, простая в изучении и работе программа предназначена для ручного конструирования плат, имеющих малую и среднюю сложность. Имеется возможность помимо встроенной библиотеки электронных компонентов, создавать собственную базу, что сделало ее популярной среди радиолюбителей.

Altium Designer
Профессиональное программное обеспечение для создания широкого спектра электронных плат и устройств различной сложности. Позволяет на высоком уровне осуществлять разработку и проектирование печатных плат. Применяется во многих отраслях промышленности, занимающихся электронными устройствами.

FreePCB
Программный продукт, который широко используют профессионалы при разработке и конструировании печатных плат различной сложности. Распространяется бесплатно, что позволяет использовать ПО на многих предприятиях народного хозяйства и в частных компаниях, которые занимаются выпуском электронных устройств.

Kicad
Бесплатная русскоязычная профессиональная программа, позволяющая разрабатывать печатные платы и электрические схемы малой, средней и высокой сложности. Создавать платы и размещать на них компоненты можно в ручном и автоматическом режиме.

DesignSpark PCB
Бесплатная программа, которая позволяет разрабатывать электрические схемы и печатные платы электронных устройств на профессиональном уровне. Программа снабжена мощной библиотекой электронных компонентов и имеет функцию автотрассировки.

PCB123
Программный продукт с помощью которого любители и профессионалы могут осуществлять проектирование и разработку схем и плат любой сложности с созданием трехмерного изображения. Программа распространяется бесплатно.

TopoR
Платная высокопроизводительная программа, выпущенная отечественным производителем, предназначена для проектирования и изготовления плат любой сложности. Внешний вид получаемой платы можно наглядно увидеть на трехмерном изображении, которое можно построить в этой же программе.

EDWinXP
Платное профессиональное программное обеспечение, применяемое для проектирования плат и разработки электронных устройств различной сложности. Программу можно загрузить и бесплатно, но время действия такой программы ограничено (14дней).

P-CAD
Мощная и одна из самых первых профессиональных автоматизированных программ по проектированию печатных плат. Позволяет проектировать платы любой сложности. В настоящее время используется версия программы, которая была выпущена в 2006 году.

Платная профессиональная программа, создана для проектирования как легких, так и сложных односторонних, двухсторонних и многослойных плат. Функции, которые имеются в программе, позволяют моделировать, проводить различные проверки и полностью подготовить плату к производству. Существует ознакомительная версия программы, которая ограничена количеством дней ее применения (30).

Как подготовить к производству плату, сделанную в Eagle

Подготовка к производству состоит из 2 этапов: проверка технологических ограничений (DRC) и генерация файлов в формате Gerber

DRC

У каждого производителя печатных плат существуют технологические ограничения на минимальную ширину дорожек, зазоры между дорожками, диаметры отверстий, и т.п. Если плата не соответствует этим ограничениям, производитель отказывается принимать плату к производству.

При создании файла печатной платы устанавливаются технологические ограничения по умолчанию из файла default.dru из каталога dru. Как правило, эти ограничения не соответствуют ограничениям реальных производителей, поэтому их нужно изменить. Можно настроить ограничения непосредственно перед генерацией файлов Gerber, но лучше сделать это сразу после создания файла платы. Для настройки ограничений нажимаем кнопку DRC

Зазоры

Переходим на вкладку Clearance, где задаются зазоры между проводниками. Видим 2 секции: Different signals и Same signals . Different signals - определяет зазоры между элементами, принадлежащим разным сигналам. Same signals - определяет зазоры между элементами, принадлежащим одному и тому же сигналу. При перемещении между полями ввода картинка меняется, показывая смысл вводимого значения. Размеры можно задавать в миллиметрах (mm) или в тысячных долях дюйма (mil, 0.0254 мм).

Расстояния

На вкладке Distance определяются минимальные расстояния между медью и краем платы (Copper/Dimension ) и между краями отверстий (Drill/Hole )

Минимальные размеры

На вкладке Sizes для двухсторонних плат имеют смысл 2 параметра: Minimum Width - минимальная ширина проводника и Minimum Drill - минимальный диаметр отверстия.

Пояски

На вкладке Restring задаются размеры поясков вокруг переходных отверстий и контактных полщадок выводных компонентов. Ширина пояска задается в процентах от диаметра отверстия, при этом можно задать ограничение на минимальную и максимальную ширину. Для двухсторонних плат имеют смысл параметры Pads/Top , Pads/Bottom (контактные площадки на верхнем и нижнем слое) и Vias/Outer (переходные отверстия).

Маски

На вкладке Masks задаются зазоры от края контактной площадки до паяльной маски (Stop ) и паяльной пасты (Cream ). Зазоры задаются в процентах меньшего размера площадки, при этом можно задать ограничение на минимальный и максимальный зазор. Если производитель плат не указывает специальных требований, можно оставить на этой вкладке значения по умолчанию.

Параметр Limit определяет минимальный диаметр переходного отверстия, которое не будет закрыто маской. Например если узазать 0.6mm то переходные отверстия диаметром 0.6мм и менее будут закрыты маской.

Запуск проверки

После установки ограничений, переходим на вкладку File . Можно сохранить установки в файл, нажав кнопку Save As... . В дальнейшем для других плат можно быстро загрузить установки (Load... ).

Нажатием кнопки Apply установленные технологические ограничения применяются к файлу печатной платы. Это влияет на слои tStop, bStop, tCream, bCream . Также для переходных отверстий и контактных площадок выводных компонентов будет изменен размер, чтобы удовлетворить ограничениям, заданным на вкладке Restring .

Нажатие кнопки Check запускает процесс контроля ограничений. Если плата удовлетворяет всем ограничениям, в строке статуса программы появится сообщение No errors . Если плата не проходит контроль, появляется окно DRC Errors

В окне содержится список ошибок DRC, с указанием типа ошибки и слоя. При двойном щелчке на строке область платы с ошибкой будет показана в центре главного окна. Типы ошибок:

слишком маленький зазор

слишком маленький диаметр отверстия

пересечение дорожек с разными сигналами

фольга слишком близко к краю платы

После исправления ошибок нужно снова запустить контроль, и повторять эту процедуру до тех пор, пока не будут устранены все ошибки. Теперь плата готова к выводу в файлы Gerber.

Генерация файлов в формате Gerber

Из меню File выбрать CAM Processor . Появится окно CAM Processor .

Совокупность параметров генерации файлов называется заданием. Задание состоит из нескольких секций. Секция определяет параметры вывода одного файла. По умолчанию в поставке Eagle имеется задание gerb274x.cam, но оно иммет 2 недостатка. Во-первых, нижние слои выводятся в зеркальном отображении, во-вторых не выводится файл сверловки (для генерации сверловки нужно будет выполнить еще одно задание). Поэтому рассмотрим создание задания "с нуля".

Нам нужно создать 7 файлов: границы платы, медь сверху и снизу, шелкография сверху, паяльная маска сверху и снизу и сверловка.

Начнем с границ платы. В поле Section вводим имя секции. Проверяем, что в группе Style установлены только pos. Coord , Optimize и Fill pads . Из списка Device выбираем GERBER_RS274X . В поле ввода File вводится имя выходного файла. Удобно поместить файлы в отдельный каталог, поэтому в этом поле введем %P/gerber/%N.Edge.grb . Это означает каталог, в котором расположен исходный файл платы, подкаталог gerber , исходное имя файла платы (без расширения .brd ) с добавленным в конце .Edge.grb . Обратите внимание, что подкаталоги не создаются автоматически, поэтому перед генерацией файлов нужно будет создать подкалог gerber в каталоге проекта. В полях Offset вводим 0. В списке слоев выбираем только слой Dimension . На этом создание секции закончено.

Для создания новой секции нажимаем Add . В окне появляется новая вкладка. Устанавливаем параметры секции как описано выше, повторяем процесс для всех секций. Разумеется, для каждой секции должен быть выбран свой набор слоев:

медь сверху - Top, Pads, Vias

медь снизу - Bottom, Pads, Vias

шелкография сверху - tPlace, tDocu, tNames

маска сверху - tStop

маска снизу - bStop

сверловка - Drill, Holes

и имя файла, например:

медь сверху - %P/gerber/%N.TopCopper.grb

медь снизу - %P/gerber/%N.BottomCopper.grb

шелкография сверху - %P/gerber/%N.TopSilk.grb

маска сверху - %P/gerber/%N.TopMask.grb

маска снизу - %P/gerber/%N.BottomMask.grb

сверловка - %P/gerber/%N.Drill.xln

Для файла сверловки устройство вывода (Device ) должно быть EXCELLON , а не GERBER_RS274X

Следует иметь в виду, что некоторые производители плат принимают только файлы с именами в формате 8.3, то есть не более 8 символов в имени файла, не более 3 символов в расширении. Это следует учитывать при задании имен файлов.

Получаем следующее:

Затем открываем файл платы (File => Open => Board ). Убедитесь, что файл платы был сохранен! Нажимаем Process Job - и получаем набор файлов, которые можно отправить производителю плат. Обратите внимание - кроме собственно Gerber файлов будут также сгенерированы информационные файлы (с раширениями .gpi или .dri ) - их отправлять не нужно.

Можно также вывести файлы только из отдельных секций, выбирая нужную вкладку и нажимая Process Section .

Перед отправкой файлов производителю плат полезно просмотреть то, что получилось, с помощью программы просмотра Gerber. Например, ViewMate для Windows или для Linux. Еще бывает полезно сохранить плату в PDF (в редакторе платы File->Print->кнопка PDF) и закинуть этот файл производителю вместе с герберами. А то они ведь тоже люди, это поможет им не ошибиться.

Технологические операции, которые необходимо выполнять при работе с фоторезистом СПФ-ВЩ

1. Подготовка поверхности.
а) зачистка шлифованным порошком («Маршалит»), размер М-40, промывка водой
б) декапирование 10% раствором серной кислоты (10-20 сек), промывка водой
в) сушка при T=80-90 гр.Ц.
г) проверка – если в течение 30 сек. на поверхности остается сплошная пленка – подложка готова к работе,
если нет – повторить все сначала.

2. Нанесение фоторезиста.
Нанесение фоторезиста производится на ламинаторе с Tвалов =80 гр.Ц. (см. инструкцию работы на ламинаторе).
С этой целью горячая подложка (после сушильного шкафа) одновременно с плёнкой из рулона СПФ направляется в зазор между валов, причем полиэтиленовая (матовая) плёнка должна быть направлена к медной стороне поверхности. После прижима пленки к подложке начинается движение валов, при этом полиэтиленовая пленка снимается, а слой фоторезиста накатывается на подложку. Лавсановая защитная пленка остается сверху. После этого пленка СПФ обрезается со всех сторон по размеру подложки и выдерживается при комнатной температуре в течение 30 минут. Допускается выдержка в течение от 30 минут до 2 суток в темноте при комнатной температуре.

3. Экспонирование.
Экспонирование через фотошаблон производят на установках СКЦИ или И-1 с УФ-лампами типа ДРКТ-3000 или ЛУФ-30 с вакуумным разрежением 0,7-0,9 кг/см2. Время экспонирования (для получения рисунка) регламентируется самой установкой и подбирается экспериментально. Шаблон должен быть хорошо прижат к подложке! После экспонирования заготовка выдерживается в течение 30 минут (допускается до 2 часов).

4. Проявление.
После экспонирования проводится процесс проявления рисунка. С этой целью с поверхности подложки снимается верхний защитный слой – лавсановая пленка. После этого заготовка опускается в раствор кальцинированной соды (2%) при T=35 гр.Ц. Через 10 секунд начинают процесс снятия незасвеченной части фоторезиста с помощью поролонового тампона. Время проявления подбирают опытным путем.
Затем подложку вынимают из проявителя, промывают водой, декапируют (10 сек.) 10%-ным раствором H2SO4 (серная кислота), снова водой и сушат в шкафу при T=60 гр.Ц.
Полученный рисунок не должен отслаиваться.

5. Полученный рисунок.
Полученный рисунок (слой фоторезиста) устойчив для травления в:
- хлорном железе
- соляной кислоте
- сернокислой меди
- царской водке (после дополнительного задубливания)
и др. растворах

6. Срок годности фоторезиста СПФ-ВЩ.
Срок годности СПФ-ВЩ 12 месяцев. Хранение осуществляется в темном месте при температуре от 5 до 25 гр. Ц. в вертикальном положении, завернутым в черную бумагу.

Статьи мы вместе разобрались с работой блока питания , а также определились, какие нужны детали для его изготовления. В этой части разработаем и нарисуем печатную плату на бумаге.

Печатку будем делать дедовским способом. По-современному я попробовал и мне не понравилось. Уж больно много надо дополнительных приспособлений и навыков, плюс, изучение программы, в которой рисуется печатная плата, специальная бумага, на которую надо наносить рисунок специальным образом и тонером, а затем все это гладить утюгом, и только потом вытравливать.

А если промахнулся с тонером, бумагой, или не догладил, то приходится дорисовывать дорожки фломастером вручную. Одним словом геморрой и трата времени. Но это мое личное мнение. Во всяком случае Вам надо попробовать и понять дедовский метод, так как все с него начинали. А как поймете сам процесс, тогда вперед на освоение современных технологий.

Берем обычный тетрадный лист в клеточку, и в верхней части рисуем схему. Если схема большая, то можно этого не делать, главное, чтобы она была перед глазами.

Все электрические и принципиальные схемы рисуются и читаются слева направо, поэтому рисовать дорожки и компоновать детали на плате будем также слева направо.

Теперь запоминайте : обратная сторона бумаги является стороной платы, на которой будут установлены радиодетали. А сторона бумаги, на которой рисуются дорожки – это будет сторона печатной платы со стороны дорожек.

Поехали.
Выбираем середину листа бумаги. Берем конденсатор С1 и ножками слегка вдавливаем в лист, чтобы от них остались следы на бумаге. Карандашом рисуем габарит конденсатора и его условное обозначение, а ручкой отмечаем выводы.

Еще момент. Если у Вас конденсатор горизонтального исполнения, или слишком большой, то его нет смысла крепить на плате, так как она будет слишком большой. Достаточно сделать два отверстия под выводы, и уже при монтаже, проводами соединим конденсатор с платой.

Здесь же рядом с конденсатором, располагаем диодный мост, состоящий из диодов VD1 – VD4 . Выложите на бумагу все четыре диода и определитесь, как и где они будут находиться на плате. Мне показалось, что удобным будет разместить их под конденсатором.

Берем два диода и загибаем их выводы, как показано на средней части рисунка. Можно диодами надавливать на бумагу, как это делали конденсатором, а можно просто положить диоды рядом друг с другом и выводы отметить ручкой, при этом оставляйте расстояние между корпусами диодов. Достаточно будет 1мм.

Расстояние между выводами под резисторы, диоды и постоянные конденсаторы делайте на 1мм шире, чем есть на самом деле. Пусть будет шире, чем уже.

Между парой точек рисуем обозначение диода, как на правой части рисунка.

Теперь в кучу «собираем» диодный мост и конденсатор .
Верхние два диода соединяем анодами , а нижние два диода катодами — это будет выходная часть моста (рис №1 ). Далее, катод первого диода соединяем с анодом четвертого диода, а катод второго диода соединяем с анодом третьего — это будет входная часть моста (рис №2 ).

Отмечаем два отверстия для подачи переменного напряжения и обязательно указываем, что это будет «вход » (рис №3 ). Ну и определяемся с плюсовым выводом конденсатора C1 . Выводы диодного моста «плюс» и «минус» соединяем с аналогичными выводами конденсатора (рис №4 ).

Следующим по схеме идут резистор R1 и диод VD5 .
Кладем их на лист бумаги (рис №1 ), размечаем, как они будут располагаться на плате, отмечаем выводы и рисуем условные обозначения резистора и диода, как показано на рисунке №2 . Внутри резистора указываем его номинал. В нашем случае это 10кОм .

Теперь согласно схеме эти элементы соединяем между собой дорожками. На рисунке №3 эти дорожки указаны стрелками.

У нас получается, что по схеме «минус» от конденсатора С1 приходит на верхний вывод резистора R1 , значит, соответствующий вывод конденсатора соединяем дорожкой с соответствующим выводом резистора.

Нижний вывод резистора R1 и катод диода VD5 соединены между собой, значит, соединяем эти выводы дорожкой (средняя стрелка). Ну и анод диода VD5 соединяем с плюсом диодного моста. Надеюсь, принцип понятен? Идем дальше.

Следующими в схеме идут транзистор VT1 , стабилитрон VD6 и резистор R2 .
Кладем новые и предыдущие детали (резистор R1 и диод VD5) на бумагу, располагаем их, размечаем положение, и отмечаем отверстия под выводы. У резистора указываем номинал 360 Ом , а у транзистора отмечаем выводы базы , коллектора и эмиттера .

Теперь эти элементы соединяем согласно схеме. Базу транзистора соединяем с резистором R1 и катодом диода VD5 (рис №1 ). Анод стабилитрона VD6 соединяем с нижним выводом резистора R2 (рис №2 ), и с коллектором транзистора VT1 (рис №3 ). Верхний по схеме вывод резистора R2 соединяем с верхним выводом резистора R1 или минусовой шиной (рис №3 ).

Следующим идет переменный резистор R3 . Его на плате крепить не будем, а сделаем только три отверстия под выводы. Резистор, как и конденсатор, соединять с платой будем проводами.

Кладем на бумагу стабилитрон VD6 и рядом с ним отмечаем три отверстия (рис №1 ). Анод и катод стабилитрона соединяем с верхним и нижним выводами переменного резистора (рис №2 ). И здесь же, катод стабилитрона VD6 соединяем с анодом диода VD5 и общей плюсовой шиной (рис №2 ).

Следующими по схеме идут управляющий транзистор VT2 и его нагрузочный резистор R4 . Кладем их на бумагу, размечаем и отмечаем (рис №1 и №2 ). Средний вывод переменного резистора R3 соединяем с базой транзистора VT2 . Верхний вывод резистора R4 VT2 , а нижний вывод резистора R4 – с нижним выводом переменного резистора R3 и плюсовой шиной.

Теперь размечаем отверстия для мощного транзистора VT3 . Он так же, как и резистор R3 , не будет располагаться на плате, а соединяться с ней проводами.
Базу транзистора VT3 соединяем с эмиттером транзистора VT2 .
Коллектор VT3 соединяем с коллектором VT2 , верхним выводом резистора R2 и общей минусовой шиной (рис №3 ).

Нам осталось определиться с расположением нагрузочного резистора R5 и до конца соединить оставшиеся детали. Верхний вывод резистора R5 соединяется с эмиттером транзистора VT3 и эмиттером транзистора VT1 , а нижний вывод резистора R5 соединяется с резистором R4 и плюсовой шиной.

Не забываем отметить два отверстия под выходные гнезда ХТ1 и ХТ2 .

Ну вот, Вы разработали и нарисовали на бумаге (пока еще) свою первую печатную плату . Но это только начало, так как ее еще надо довести до ума. А это: проверить на ошибки, просверлить отверстия под детали, нанести рисунок дорожек на медную поверхность, затем плата вытравливается в хлорном железе, после вытравливания наносится припой на дорожки, и только потом на плату припаиваются детали. Всем этим займемся в части.
Удачи!