Разработка печатных плат
Сердцем любого электронного устройства является печатная плата. Печатная плата это пластина из диэлектрика на которой расположены проводники, соединяющие вывода компонентов схемы для создания электрического контакта между ними. В качестве такого диэлектрика применяется стеклотекстолит, а в качестве проводников – медная фольга, нанесенная на его поверхность, поэтому данный материал получил название фольгированный стеклотекстолит.
Изготовление любой платы начинается с разработки ее разводки (рисунка дорожек на ней – проводников). Для этих целей существует множество программ, как платных так и бесплатных. Один из самых удобных вариантов – онлайн сервис EasyEda, потому, что он не требует установки, весь интерфейс программы расположен на сайте. Данный сервис позволяет разработать плату двумя способами: непосредственно рисуя дорожки платы вручную, либо создание схемы устройства с последующей конвертацией ее в печатную плату. Второй способ значительно удобнее, так как при создании схемы задаются все связи электронных компонентов и при конвертировании в печатную плату программа сама подсказывает какие выводы компонентов должны быть соединены. По этим подсказкам (связям, сетям) и рисуются дорожки печатной платы. Кроме того, при создании схемы, каждому элементу указывается тип его корпуса (физический размер и т.д.), а при конвертации схемы в плату, эти корпуса автоматически добавляются на нее, что значительно ускоряет процесс разработки. На рисунке 1 показан пример созданной схемы в сервисе EasyEda.
Рисунок 1 – Схема разрабатываемой платы.
При конвертации схемы в печатную плату открывается окно редактора печатных плат, в котором уже присутствуют все элементы схемы (рисунок 2).
Рисунок 2 – Редактор печатных плат.
В редакторе печатных плат есть розовый прямоугольник – это область самой печатной платы. Размер этой области будет соответствовать физическому размеру разрабатываемой платы и его можно задавать вручную.
Ниже показаны все элементы схемы, корпуса которых задаются на этапе создания схемы и добавляются в редактор плат автоматически. Синими линиями здесь показаны связи между элементами , которые необходимо прорисовать проводниками. Все компоненты необходимо разместить внутри области платы (розового прямоугольника) и расставить так, как будет наиболее удобно, а также соблюдая принципы трассировки плат.
Следующим шагом нужно соединить необходимые проводниками – дорожками исходя из подсказок связей (рисунок 3).
Рисунок 3 – Результат разводки платы.
Собственно это и является последним и наиболее сложным этапом разработки печатных плат. Сложный он потому, что вариантов расположения компонентов и дорожек на плате множество и чем больше компонентов используется в схеме, тем сложнее этот процесс. Существуют функции автоматической трассировки печатных плат но результат их работы в большинстве случаев не оптимален по размеру плат либо количеству слоев. Кроме того в сложных схемах эти алгоритмы могут не дать решения. После разработки печатной платы переходим к ее изготовлению в домашних условиях. Для этого существует несколько методов, самый качественный из них – фоторезистивный.
Фоторезист это полимер меняющий свою структуру под действием УФ света. Он существует в разных формах от сухого и жидкого, до аэрозоля. Я использую сухой пленочный фоторезист, представляющий собой прозрачную пленку синего цвета. Принцип его работы прост: в исходном состоянии фоторезист чувствителен к щелочной среде и разлагается в ней, но после воздействия на него УФ света он твердеет и становится нечувствительным к щелочи. На основе этих свойств можно нанести шаблон печатной платы на медное покрытие стеклотекстолита. Для этого разработанную в редакторе плат разводку необходимо распечатать на прозрачной пленке в негативе (зависит от типа фоторезиста, в моем случае он негативный), фото шаблона распечатанного на пленке представлено на рисунке 4.
Темные места на этом шаблоне не пропустят УФ свет и фоторезист в этом месте не засветиться, а значит легко смоется щелочным раствором. В местах где рисунок платы прозрачный фоторезист засветится и станет нечувствителен к растворам для проявки и травления.Следующим этапом нужно вырезать текстолит нужного размера (по распечатанному шаблону платы). Далее текстолит необходимо тщательно помыть и зашкурить для снятия всех окислов меди, после чего обезжирить спиртом или бензином.
Рисунок 4 – Вырезанный кусок тестолита и фотошаблон.
Теперь можно переходить к нанесению пленочного фоторезиста. Он имеет липкий слой под защитной пленкой и легко наклеивается на текстолит.
Рисунок 5 – Текстолит с наклеенный пленочным фоторезистом.
После этого нужно разместить рисунок платы на текстолите. Если плата двухсторонняя то необходимо точно совместить оба шаблона (например по отверстиям для выводов элементов) с двух сторон текстолита.
Рисунок 6 – Основа платы с прижатым к ней шаблоном.
Затем нужно прижать шаблон к текстолиту стеклом (я использую для этого фоторамку со стеклом) и поместить под УФ лампу для засвечивания. Время засвечивания зависит от типа фоторезиста и обычно составляет несколько минут. После завершения засветки можно отделять шаблоны от платы.
Рисунок 7 – Внешний вид платы после засветки.
На фотографии уже видно контура дорожек. Теперь нужно удалить с платы не засвеченный фоторезист, чтобы в этих местах была голая медь и ее можно было вытравить, оставив только засвеченные участки – дорожки. Для удаления не засвеченного фоторезиста (экспонирования платы) нужно поместить плату в щелочной раствор, простейший из которых в быту – раствор кальцинированной соды (1 ст ложка соды на 0.5 литра воды). Время экспонирования зависит от типа фоторезиста и обычно составляет 10 минут.
После данной процедуры смывается в тех местах, где он не был засвечен и на этом месте остается голая медь, которую можно удалить травлением (химическая реакция приводящая к растворению меди). В тех местах, где медная фольга осталась защищена фоторезистом, реакции травления не будет, таким образов вся лишняя медь с платы уйдет, а останется только в местах, где были нарисованы дорожки. Для осуществления этой реакции существуют различные химические вещества. Я использую раство на основе перекиси водорода (100 мл перекиси водорода, 30 г лимонной кислоты, 5 г соли). Плата помещается в этот раствор и начинается процесс стравливания меди на плате. Длительность процесса зависит от объема меди которую необходимо вытравить и может составлять от 10 минут до часа.
Судить о завершении процесса можно тогда, когда на плате в не защищенных фоторезистом местах смылась вся фольга и видно стеклотекстолит, после чего плату можно доставать из раствора. Смыть оставшийся фоторезист с платы можно с помощью ацетона или растворителя. На рисунке 8 представлено фото платы после травления, со смытым фоторезистом.
Рисунок 8 – Плата после травления со смытым фоторезистом.
На рисунке 8 представлен финальный вид готовой печатной платы. Теперь процедура разработки и изготовления печетной платы завершена и можно переходить к монтажу компонентов. Для выводных компонентов требуется просверлить отверстия под вывода, а для установки компонентов поверхностного монтажа плата полностью готова. Для более комфортной пайки предварительно плату можно залудить (покрыть дорожки тонким слоем припоя) паяльником, либо химическим методом.
Данная плата представляет собой драйвер двух двигателей постоянного тока, кроме того включает в себя источники питания 3.3 и 5 В, а также датчики тока каждого двигателя с операционным усилителем и интерфейсы подключения энкодеров. Кроме того в данной плате реализованы защиты по всем линиям соединенным с микроконтроллером. В процессе написания дипломной работы таких плат изготовлено 4 .