Моя макетная плата не работает!

К этому моменту многие читатели, вероятно получили представление об электронике как о несколько эксцентричной науке: иногда схемы работают, иногда — нет. Однако, если хорошенько разобраться, перст судьбы здесь не при чем; любые сбои в работе устройств связаны с самыми что ни на есть реальными, понятными и осязаемыми (а кроме того, еще и решаемыми!) проблемами. При работе с макетными платами наиболее частым недоразумением является проблема паразитных емкостей. Такая нежелательная емкость появляется в результате скрутки проводов или их перекрещивания между собой.

На самом деле основы данного явления лежат в глубине довольно сложных физических явлений, но в общем, можно их описать так: паразитная емкость зависит от параметров металлических контактных полосок внутри беспаечных плат и от длины выходов компонентов. Неучтенные емкости присутствуют в любой схеме; они неизбежны. Однако, когда схема включает большое количество проводников, расходящихся в разных направлениях, эта емкость может существенно возрасти, и тогда с ней приходится бороться. При превышении некоторой величины (какой конкретно — зависит от особенностей данной схемы) паразитная емкость может даже заставить схему функционировать неправильно.

Хотя для большинства схем, моделируемых на макетных платах, паразитные емкости не оказывают существенного эффекта, некоторые из них могут вести себя случайным образом или непредсказуемо до тех пор, пока не будут собраны как полагается — на печатной плате и с помощью припоя. Об этих фактах действительно нужно знать, особенно при работе с радиочастотами (радиоприемниками и передатчиками), а также цифровыми схемами, которые функционируют на очень больших частотах (порядка миллионов герц), или чувствительными схемами с таймерами, времена реагирования которых зависят от номиналов компонентов (в частности, емкостей). Беспаченые платы имеют тенденцию изменять свойства некоторых компонентов, особенно это касается конденсаторов и катушек индуктивности, и эти вариации номиналов могут привести к неправильной работе схемы.

При конструировании радиосхем или таких устройств, в которых паразитная емкость может оказать существенное влияние на работу, этап моделирования на беспаечной макетке можно пропустить. В таких случаях рекомендуется сразу приступать к работе над обычной паяной платой или типом плат, о котором речь пойдет в разделе "Моделирование на перфорированных макетных платах".

По углам или краям платы всегда лучше оставлять свободное место, чтобы можно было просверлить отверстия для монтажа. Эти отверстия пригодятся для крепления платы внутри корпуса (например, на шасси у робота). Кроме того, плату можно прикрепить к какой-то основе или к корпусу, используя двухстороннюю клейкую ленту из пористого материала. Она не только смягчит место для установки платы и предотвратит ее от механических напряжений, но и не позволит ей коснуться металлического шасси, благодаря своей толщине.

Постоянные паяные платы имеют лишь один недостаток: в них не слишком эффективно используется место. Если не стараться впихивать радиодетали погуще, то стандартной макетной платы хватит лишь на схему с тремя-четырьмя интегральными микросхемами и горсткой дискретных элементов. К счастью, со временем вы научитесь оцени вать свободное место и эффективно использовать его на платах любого размера.

Моделирование на перфорированных макетных платах

Макетные платы для пайки — не единственный тип применяемых плат, которые можно использовать для электронных проектов. Есть и еще один вариант — перфорированная макетка с медными проводящими дорожками. Такие платы имеют несколько названий: прототипная плата, макетка, плата для моделирования, но мы будем называть ее перфорированной, чтобы отличать от рассмотренных ранее типов. Подобные платы могут быть самых разных размеров и форм. Несколько типичных образцов макеток данного типа показано на рис. 11.6. Впрочем, все они без исключения разрабатывались таким образом, чтобы на них было удобно собирать проекты на основе интегральных микросхем и других современных радиоэлементов. Если говорить более конкретно, то подобная совместимость предусматривает, прежде всего, что расстояние между отверстиями составляет 0,1 дюйма (около 2,5 мм).

Перфорированные макетные платы сгодятся тогда, когда нужно быстро собрать готовую фиксированную схему, но не хочется самому проходить весьма трудоемкий процесс собственноручного изготовления печатной платы. Один из простейших способов быстро начать работу над моделью схемы заключается в соединении радиодеталей путем скрутки выводов и проводников (см. раздел "Как стать круче в скручивании проводов"). Если же макетная плата имеет контактные площадки и дорожки (как это чаще всего и бывает), то можно паять радиоэлементы прямо на них. Однако можно с успехом использовать и перфорированные макетки без контактных площадок и дорожек, и тогда обычная скрутка не только выручит вас, но и существенно ускорит процесс моделирования.

Иногда перфорированные макетные платы оказываются очень удобными и при построении постоянных схем, а не только моделей. Случается, что структура готовой макетки идеально удовлетворяет всем требованиям к топологии печатной платы. Так, авторы этой книги, предпочитают использовать перфорированные платы с чередующимися шинами, которые оказываются очень удобными в работе. (Шиной в электронике называется не круглый кусок резины, а общая линия, к которой присоединяются различные сигнальные линии; см. главу 10, подраздел "Когда индикаторы молчат"). Используя удобное расположение контактов по несколько штук рядом, можно быстро и легко гоединить компоненты между собой.

Шина проходит через всю поверхность макетной платы, поэтому к ней легко подключить цепь из любой точки схемы. Многие макетки имеют по несколько разных шин, одну из которых можно использовать как общий провод (землю), другую — как питание. Форма шины может быть любой и зависеть исключительно от предпочтений производителя или разработчика макетной платы. Пример сложной перфорированной макетной платы показан на рис. 11.7. В целом, такая структура макетки идеально подходит для конструирования моделей схем на основе ИМС. А чередование цепей питания и земли между собой позволит не только сократить длину проводников, протянутых из одной части платы к другой, но и значительно уменьшить паразитные емкостные и индуктивные эффекты.

Перфориванные платы применяются точно так же, как и обычные макетки для пайки. После предварительной очистки поверхности платы от пыли и загрязнений (чтобы медные площадки сияли на солнце) достаточно вставить выводы компонентов в нужные отверстия и спаять их. После этого остается соединить изолированными проводами те элементы, которые оказались в неприлегающих контактных отверстиях.

Макетирование схем на основе Plug and Play

Очень интересной идеей при разработке схем на основе интегральных схем является использование специальных разъемов. Такой разъем, или гнездо, впаивается в плату вместо самой микросхемы, а она, в свою очередь, оставляется уже в разъем, Таким образом, на этапе моделирования достаточно впаять сам разъем и только после окончания работ вставить туда микросхему и включить питание. Разъемы для микросхем бывают самых разных форм и размеров, и соответствуют корпусам и расположению выводов тех ИС, для которых они и предназначены. Так, к примеру, если вы собрались использовать ИС на 16 выводов, нужно взять 16-контактный разъем. Ниже перечислены дополнительные преимущества применений разъемов.

> При пайке на печатную плату непосредственно самой микросхемы легко "угробить" ее статическим электричеством; особенно это касается КМОП-микросхем. Избежать риска статического разряда легко, если паять только разъем, а ИС вставлять уже перед включением схемы.

> Довольно часто во время экспериментов из строя выходят именно микросхемы, а не дискретные элементы, и возможность легко заменить неисправный кристалл действительно стоит трудов, затраченных на поиск подходящего разъема.

> Дорогую микросхему, скажем, микроконтроллер, можно использовать для моделирования сразу нескольких схем. Достаточно лишь вытащить ее из разъема на одной плате и вставить в другую.

Разъемы относительно легко достать, они дешево стоят, а ассортимент включает все распространенные формы, которые походят для работы с большинством имеющихся на рынке интегральных микросхем.

Как стать круче в скручивании проводов

Правильно выполненная скрутка проводов обеспечивает практически такое же надежное соединение радиодеталей, как и пайка. Для этого, однако, придется использовать не только очень тонкий провод диаметром 0,3-0,4 мм, но и специальный инструмент. Зато потом вы получите большое преимущество перед фиксированными платами — в схемы, собранные методом скрутки проводов, исключительно легко внести необходимые модификации или исправления. Данная методика называется монтажом накруткой проводов.

Правда, применение накрутки приходится ограничивать только маломощными схемами постоянного тока. При необходимости сборки схемы с высокими токами придется поискать другой метод, потому что тонкие провода и не очень надежные контакты плохо подходят для этих целей.

Для сборки модели схемы с использованием накрутки проводов нужно иметь следующие детали.

> Перфорированная макетная плата: на ней, собственно, и будут крепиться все радиоэлементы. При этом можно использовать как плату без проводников на ней, так и с уже готовыми контактными площадками. В последнем случае несколько удобнее размещать на ней нестандартные элементы.

> Гнезда для монтажа накруткой интегральных схем и других элементов: они имеют характерные удлиненные выводы, которые удобно скручивать между собой.

> Столбиковый вывод: эти контакты специфической формы (прямоугольного или треугольного сечения) служат общими точками для соединения компонентов между собой.

> Провод для накрутки: он может быть как предварительно нарезанным, так и намотанным на катушку в виде цельного мотка. Лучше взять сразу готовые куски, но для формирования собственного мнения по этому поводу можно попробовать оба вида.

> Инструмент для накрутки: в принципе, он применяется лишь для накрутки провода вокруг столбикового контакта и его снятия в случае необходимости. Такой инструмент может включать в себя средство для снятия изоляции, и, если ваш выглядит именно так, лучше зачищать провода им, а не стандартным инструментом или тем более кусачками.

Хотя провод и допускается наматывать непосредственно на выводы резисторов, конденсаторов, диодов и других дискретных элементов, большинство радиолюбителей предпочитает использовать специальные гнезда для монтажа. Почему? Такой разъем имеет квадратные столбиковые выводы, которые позволяют плотно намотать провод и укрепить его на месте. Если же накручивать проводник на обычный круглый вывод, то, чтобы он не соскользнул, лучше зафиксировать его маленькой каплей припоя.

Процесс накрутки проводов можно описать в виде простого алгоритма.

1. Вставьте разъем для монтажа накруткой в отверстия на перфорированной макетной плате. Если плата имеет контактные площадки, то желательно капнуть расплавленным припоем на место контакта столбикового вывода. Это поможет зафиксировать разъем на месте.

2. Повторите п. 1 для монтажа на плату всех необходимых разъемов.

3. Скрепите компоненты между собой, используя инструмент для накрутки проводов.

4. Вставьте ИС и другие компоненты в соответствующие разъемы на плате.

Большим преимуществом метода монтажа накруткой является тот факт, что в схему относительно легко внести исправления. Для этого достаточно размотать провод и закрепить его в другом месте. Ну, а если провод переломался или испачкался, то никто не запрещает заменить его другим куском.

Техника монтажа накруткой значительно более развита, чем мы описали ее здесь. Если вам кажется, что этот метод хорошо подходит для ваших целей, попробуйте поискать больше информации о нем в Интернете. По-английски он называется "wire-wrapping technique", и для более связанных с электроникой результатов можно попробовать так и писать данное словосочетание в кавычках. На просторах мировой паутины находится множество сайтов, которые с радостью помогут вам стать крутым профессионалом в накручивании проводов, например, http://www.me.umn.edu/courses/me2011/robot wrap/wrap.html или http://www.okindustries.com/products/ 4.1.1.1. htm#The. (Что касается русскоязычных ресурсов, то на них информации немного, но, если есть проблемы с английским, наверное, стоит попробовать посмотреть http://www.engineer.bmstu.ru/res/RL6/ book2/book/microel-ka/5_t-63.htm. —Примеч.ред.)

Глава 12

Делаем собственные печатные платы

В этой главе...

> Что такое печатная плата

> Изучение процесса самостоятельного изготовления печатных плат

> Выбор медного покрытия для печатной платы

> Обрезка печатной платы до подходящего размера

> Магия фотографии на службе электроники

> Изготовление печатных плат с помощью копировального аппарата

> Создание печатных плат на основе собственных проектов

> Травление, последние приготовления и сверление плат

> Передача чертежей ваших печатных плат на завод-изготовитель

Итак, вы неплохо поработали, прежде чем добраться до этого места, покоряя на своем пути премудрости электроники, и теперь наступило время стать настоящим гуру и самостоятельно изготовить вашу первую печатную плату. С сегодняшнего дня можно забыть обо всех проблемах с мотками многократно пересекающихся проводов на макетке и компонентами, случайно вывалившимися из черт знает каких ее отверстий. Теперь пришло время играть со взрослыми парнями, и вы со своей собственной платой в руках не ударите перед ними в грязь лицом, а смело сможете заявить: "Это сделал я!".

В этой главе мы начнем с того, что попытаемся понять, что вообще представляет совой печатная плата. Именно на основе печатной платы (по-английски: РСВ — printed circuit board) создается абсолютное большинство любых электронных устройств. Тем более приятно, что существует сразу несколько способов сделать собственную плату под свой конкретный проект. В тексте главы будут описаны следующие из них: травление, фотолитография и лазерная литография. Не помешают также и полезные советы, как ускорить работу при помощи персонального компьютера.

Конструкция печатной платы

Перед погружением в безграничный океан конструирования печатных плат рассмотрим сперва поближе этапы их изготовления.

> Изготовление печатной платы начинается с приклеивания очень тонкого листа медного покрытия на пластиковую, эпоксидную или фенолыгую основу. Этот процесс называется плакированием и осуществляется для создания проводящей подложки платы. Образец тонкого листа металла, который наклеивается на основу, показан на рис. 12.1. Как видите, он не представляет ничего особенно выдающегося и внешне весьма зауряден, как чистый лист. Но ведь из чистого холста рождается настоящее произведение искусства!

> Для придания плате окончательного вида необходимо вытравить ненужные участки медного покрытия, оставив его только там, где должны проходить дорожки. О точных методах расположения платы и травления нужных участков мы поговорим в разделе "Мои гравюры: вытравливаем печатные платы сами".

> Результатом травления будет плата с контактными площадками и проводящими дорожками.

• Контактные площадки: это места для пайки выводов компонентов; обычно они выглядят как круглые, прямоугольные или квадратные площадки из меди. После травления печатной платы в нужных местах высверливаются переходные отверстия, в которые вставляются навесные электронные компоненты— эти отверстия делаются по центру каждой контактной площадки. В отверстия вставляются выводы радиодеталей, тогда как сами они крепятся лишь на одной, лицевой, стороне. Затем выводы надежно припаиваются к контактным площадкам.

• Проводящие дорожки: они представляют собой отрезки медного проводящего слоя, соединяющие различные компоненты вместе. Пример топологии проводящих дорожек приведен на рис. 12.2.

> Печатные платы бывают одно- и двухсторонними.

• Односторонние печатные платы: имеют слой проводника лишь на одной из двух сторон. На другой же стороне крепятся радиоэлементы.

• Двухсторонние печатные платы: имеют медное покрытие на обеих сторонах. Как правило, такие платы применяются при работе со сложными электронными схемами. Изготовление двухсторонних плат, впрочем, требует довольно значительных усилий, хотя их можно только спроектировать, а потом отправить на какой-нибудь завод для изготовления под заказ. Чуть больше о порядке подготовки проекта топологии и его отправке на завод мы расскажем в конце этой главы.

Печатные платы высшей категории сложности (например, платы персонального компьютера – Прим. ред.) могут иметь даже несколько слоев меди. Между ними также прокладывается изолирующая основа, которая предохраняет схему от коротких замыканий между слоями. Многослойные платы практически невозможно изготовить дома "на коленках", поэтому, кроме этого упоминания, мы не будем ничего о них рассказывать.

Как медь превращается в схему

Существует несколько способов изготовления печатной платы. Для начала ограничимся утверждением, что для формирования контактных площадок и дорожек можно воспользоваться любым известным методом, но в конечном счете все они сводятся к превращению тонкого листа меди в "честную" печатную плату.

Как же все-таки изготавливают свои платы коммерческие производители? Хотя данные способы и не годятся в своем большинстве для домашнего применения, не мешает знать о технологических процессах больших предприятий.

1. Сначала медь покрывается слоем светочувствительного химического вещества, сенсибилизатора, также известного какрезист, или фоторезист.

2. Затем сверху наносится специальная негативная пленка, которая является очень точной и тщательно выверенной в размерах копией схемы, и подвергают ее действию светового излучения.

Как и в фотографии, процесс выдержки негатива под светом называется экспозицией и происходит аналогично — путем освещения поверхности, однако не видимым, а ультрафиолетовым излучением. Ультрафиолет проходит негатив и попадает на слой меди.

3. После окончания экспозиции заготовка платы погружается в проявитель (довольно грязная, но необходимая часть технологического процесса). После проявителя на свет появляется плата, на которой участки медного слоя, не подверженного фотоэкспозиции, становятся черными или темно-серыми. Такой технологический процесс часто называют позитивным методом, в отличие от негативного. когда чернеют те участки, которые были подвержены действию ультрафиолета.

4. Наконец, завершающий этап заключается в погружении платы в травильный раствор. Травителъ представляет собой жидкость с сильно выраженными кислотными свойствами, которая разъедает медь. Те же участки меди, которые имеют темный или черный цвета, противостоят химическому травлению, и в результате данного процесса формируется рисунок топологии схемы. (Более подробную информацию о травлении и травящих веществах можно будет найти в разделе "Мои гравюры: вытравливаем печатные платы сами".)

В принципе, этот процесс можно воспроизвести и в домашней лаборатории, но он не только займет кучу времени, но еще и будет стоить немалых денег. Все необходимые химикалии можно купить в специализированных магазинах, список которых легко найти в источниках, указанных в приложении. Однако не стоит сильно спешить — остальная часть главы будет посвящена рассмотрению более простых способов получения печатных плат, которые, вероятно, покажутся и более удобными.

Готово, заряжай: приступаем к изготовлению собственной платы

Как и много других вещей в электронике, даже не очень тщательная подготовка и планирование могут значительно облегчить жизнь. Перед погружением с головой в процесс изготовления печатных плат следовало бы знать, как правильно выбирать и подготавливать необходимые материалы.

Выбираем подходящий лист меди

Материалы, используемые для изготовления печатных плат, могут принимать самые разные формы. Так, можно достать платы с медью, нанесенной как с одной, так и с другой стороны. Пока что, раз речь еще не идет о производстве двухсторонних плат, сосредоточимся на односторонних заготовках. Используя двухсторонние платы для таких проектов, вы просто зря потратите травитель, да и стоят они больше.

Вторым важным параметром платы является толщина меди. Принятая толщина металлического покрытия обычно составляет 35 мкм — из расчета 1 унция на квадратный метр, (Чуть меньше 30 г. — Примеч. ред.) что лишь немногим тоньше, чем толщина человеческого волоса. О точном соблюдении этой толщины не следует особо беспокоиться, во всяком случае, до тех пор, пока речь не идет о работе схемы с высокими токами и напряжениями. В общем, можно смело констатировать: для абсолютного большинства любительских проектов толщина медного слоя не играет никакой заметной роли, за исключением того, что при слишком толстом слое травитель расходуется быстрее.

Также может варьироваться и толщина изолирующей основы платы. Стандартная "доска" типа G-103 имеет толщину 0,062 дюйма (около 1,5 мм) и состоит из эпоксидной смолы; она очень удобна в работе. Фенольные платы на бумажной основе с эпоксидной емолой, известные под шифрами FR-2 и FR-34, стоят больше, но они еще и огнеупорны. Огнеупорные и устойчивые к воздействию высоких температур материалы FR-4 и FR-55 стоят еще больше. Короче говоря, для любительских целей подходят практически любые материалы, которые приведут к как можно меньшему опустошению в вашем кошельке.

Режем и чистим

Изготавливаемая печатная плата должна иметь в точности такой размер, как предусмотрено дизайном будущей схемы, не больше. Травление платы площадью 100 квадратных сантиметров при эффективно используемой площади всего 50 см² — просто бессмысленная трата травителя и денег.

Если купленная плата слишком велика — обрежьте ее. Сначала следует надрезать или процарапать прямую линию, используя линейку, чтобы удостовериться, что линия разреза или разлома будет ровной. Края получившегося куска можно зашлифовать напильником или наждачной бумагой. Для того чтобы защитить глаза, нос и рот от пыли во время всех операций с основой, лучше использовать защитную маску или хотя бы очки.