12.01. Прототипы платы печатной схемы (ПС)

Чтобы сконструировать один из видов схемы, рассчитанной на щределенный срок службы, лучше всего, вероятно, использовать одну 13 многих карт - прототипов ПС, в которых уже имеются отверстия контактами под ИМС и другие элементы.

Межсоединения этих элементов организуются таким образом: аждая контактная площадка для вывода ИМС и других элементов юединена на плате с двумя или тремя ближайшими свободными кон-актными площадками. Припаивая провода последовательно от одной штактной площадки к другой, вы производите необходимый монтаж кемы. На такой плате, кроме того, обычно имеется несколько дополнительных шин, которые подключаются к источникам питания и земле.

Такие платы выпускаются фирмами Douglas Electronics, Atronics, fector. Triad и др. Они имеют печатный разъем с контактами-ламеля-и по краю - в виде медных полосок с позолоченными краями с фик-атором для установки ПС в гнездо разъема.

Конфигурации разъемов в некоторой степени стандартизованы, аще других распространены платы с 22 контактами на каждой сторо-i с шагом 3,9 мм (бывают также и 3,2 и 2,5 мм). Разъем, соответст-ующий такой плате, называется двусторонним 44-контактным печат-ым разъемом. Платы-макеты могут быть различных размеров и вмещают от 12 до 36 и более ИМС. Несколько большей совместимостью с инструкциями компьютеров обладают платы, рассчитанные на 100 [ЛИ более ИМС. Такие платы могут непосредственно использоваться в оловном образце небольшой вычислительной машины. Некоторые [3 этих плат - с односторонней печатью, другие - с двусторонней, о сквозными отверстиями. Этот вопрос еще будет обсуждаться ниже в зязи с обычно используемыми ПС. На рис. 12.1 приведена фотография ебольшой платы-макета печатной схемы (Douglas Electronics ll-DE-3),

Русскому жаргонному словечку плата - самолет соответствует англий-ш вариант breadboad (разделочная хлебная доска),- Прим, ред.

:хем с помощью построения макетов в виде панелей с тех пор называ-гся конструированием по самолету .

Деревянные самолеты больше не используются (за исключением tyxHH ). Для монтажа макетов электронных схем удобны пластиковые 1латы, в которых имеется ряд отверстий для ИМС или других ком-юнентов и несколько рядов лепестков, в том числе для распределения шпряжения питания. Комплекты таких плат поставляет фирма Super Jtrip, изготовляются они в АР, а более тщательно выполненные наборы 1лат с корпусами делаются E&L Instrument и Hewlett - Packard многими другими фирмами. Они предназначаются для испытания ;хем, но не для построения постоянно действующих вариантов.

£46

Глава 12

вставляемой в 44-контактное двустороннее гнездо и встраиваемой в рамку с направляющими (Elco 6022), поддерживающими платы ПС.

Для разработки прототипов ПС широко используется и другая форма экспериментальных плат - так называемые платы с перфора. цией. Это тонкий лист из слоистого изоляционного материала с отверстиями, сделанными через равные промежутки (чаще всего 5 мм)

Рис, 12.1. Плата самолет для макетирования пайкой, широко используемая при монтаже небольших схем, особенно содержащих как дискретные элементы, так и ИМС.

Такая плата приспособлена для монтажа 12ИМС в двухрядных (DIP) корпусах. Она имеет шины разводки заземления и питания. Металлизированный печатный разъем стандартизован, поэтому плата может вставляться в общий каркас или в разъем с обоймой, как показано на рг£сунке. В данной схеме помимо транзистора и ИМС содержатся различные компонентны: одно- и многооборотные подстроечные. индуктивности, потенциометры, кварцевый резонатор, размещенные в корпусе Dip ключи, миниатюрные реле и световой индикатор логических состояний.

под маленькие металлические штырьки. При разводке схемы вы вставляете дюжину маленьких штырьков, куда найдете нужным, укрепляете на них компоненты и по завершении монтажа припаиваете провода от штырька к штырьку. Платы с перфорацией очень хороши для работы но они становятся неудобными в случаях плотного расположения ИМС, когда расстояние между штырьками получается меньше 2,5 мм. Пример платы с перфорацией приведен на рис. 12.2,

ис. 12.2. Плата типа перфокарты.

Удо6на для построения макетов на дискретных компонентах, но для ИМС она не очень хороша. 1тырьки плотно вставлены в отверстия (или развальцованы специальный инструментом), а разводка делается снизу.

12,03. Платы под монтаж накруткой

Эти платы представляют собой схемные карты с цепочками гнезд (или контактных площадок) под ИМС со штырьками, соединенными с каждым из контактных гнезд и имеющими длину от 7,5 до 15 мм. 1тырьки в поперечном сечении представляют собой обычно квадраты 1со стороной 0,625 мм и сделаны из твердого металла с острыми кром-камй, покрытого золотом или оловом. Провод не припаивается к этим 1тырькам, а плотно накручивается на них с помощью электрического пистолета для накрутки (существует недорогой вариант его, известный {как ручной инструмент для накрутки проволоки ). Накрутка - очень быстрый способ. Вы просто вставляете зачищенный конец прово-Ха в инструмент, устанавливаете инструмент на штырек - свистящий звук и работа готова. Для этих целей используется стандартная посеребренная медная проволока калибра 26 или 30 с кайнаровой изо-шцией. Существует специальный инструмент и для зачистки без зазубрин тонких проводов от изоляции. В процессе накрутки проволока 1ЛОТНО натягивается на острые углы, образуя несколько дюжин швов голодной сварки, непроницаемых для газов, В результате соединение

Сечением приблизительно 0j25-0,35 мм.- Прим. ред.

накруткой получается таким же надежным, как и соединение пайкой, причем делается оно очень легко и быстро. Для логических схем, содержащих немного дискретных компонентов, монтаж накруткой, вероятно, лучший способ монтажа при изготовлении одной или двух схем средней сложности. Так как панели с контактами накруткой вы-

Рис. 12.3. Платы с соединениями накруткой обеспечивают точный и быстрый монтаж, особенно они хороши для схем с цифровыми ИМС.

Эта плата сделана по образцу печатной схемы, штырьки для соединения накруткой вынесены на компонентную сторону в отличие от обычного расположения штырьков на нижней стороне. Такая специфическая компоновка платы диктуется внутренними габаритами океанографического датчика давления, для которого она предназначена.

пускаются в первую очередь для корпусов с ИМС, такой монтаж меньше подходит для схем с множеством резисторов, конденсаторов и других дискретных элементов. Для таких схем монтаж пайкой предпочтительнее.

Для установки на платы с накруткой даскретных компонентов используются специальные переходники, которые вставляются в гнезда ИМС, и затем произюдится накрутка проводов с использованием соединительных штырьков. Некоторые оанели с накрутж# имеют сверхлегкоплавкие контактные площадки (а не гнезда для ИМС), очень удобные для установки дискретных компонентов. Особенно приятный вид имеют платы с накруткой, в которых штьфь^ги распола-

гаются на той же стороне, что и компоненты (обычно штырьки выводятся на другую сторону). Хотя на этом типе плат плотность монтажа (т. е. число ИМС на единицу площади) меньше, они удобны для работы с дискретными компонентами, так как компоненты можно видеть в процессе накрутки. Кроме того, имеется возможность уменьшить промежутки между соседними платами, поскольку и компоненты, и штырьки располагаются на одной и той же стороне.

Рис. 12.4. Плата-прототип с контактами накруткой и печатная схема - ее преемник.

В печатной плате отсутствуют перекрестные помехи, и оиа гораздо проще для изготовления большими партиями Кроме того, в ней исключены ошибки при монтаже проводов

Этот тип плат без гнезд практически полностью подходит для Конструирования и линейных, и цифровых схем. Пример такой платы приведен на рис. 12.3. На рис. 12.4 для сравнения показаны монтаж макета схемы на плате с накруткой и окончательный вариант печатной схемы, используемой в производстве. Печатные схемы удобнее в массовом производстве: у них превосходные электрические параметры и они не имеют такого запутанного вида, как панели с монтажом накруткой. О платах ПС мы будем говорить в следующем разделе.

печатные платы

12.04. Изготовление плат печатного монтажа

При серийном производстве любой электрической схемы лучше пользоваться печатным монтажом. Печатная плата представляет собой твердую пластину, из -лгепроводящего материала с тонкими медными линиями, являющимися схемными проводниками. Хотя ранние печатные схемы считались малонадежными (вспомнлте рекламу теле-

25u I лава li

визоров, высокие качества которых обеспечивались тем, что в них не использовались печатные схемы, а применялся навесной монтаж с ручной сборкой), технологические процессы создания материалов для ПС и производства законченных плат достигли такого уровня, что сейчас изготовление печатных схем практически не представляет прс^емы. И действительно, платы ПС являют собой самую надежную технику монтажа. Печатные схемы, как правило, использ^тся в компьютерах, в космической аппаратуре, в военной электронной технике, где, как известно, высокая надежность имеет особое значение.

Разметка и прочерчтание линий соединений. Изготовление печатной схемы вы начинаете с нанесения рисунка (разводки) на майларовую пленку. На этой стадии работы существует тьма правил и хитрых уловок, но основное - это сообразить, как сделать все межсоединения, требуемые по схеме, с помощью линий, протянутых по панели. Двусторонние схемы практически универсальны (хотя простые схемы лучше располагать на одной стороне), так как в них число паяных проволочных перемычек можно свести к минимуму. Далее, в большинстве панелей отверстия металлизируются насквозь (фактически они являются чистыми проводниками с одной стороны панели на другую) Кроме того, благодаря легкоплавкому припою, обеспечивающему соединение с выводами компонентов, такие отверстия позволят избавиться от перемычек, так как всегда можно перейти на другую сторону панелн, если линия соединений уперлась в тупик.

Майларовый обр^ец (плакат) изготавливается путем наклеивания готовых шаблонов на чистую из полиэстера пленку с последующей прецизионной подгонкой, осуществляемой с помощью разграфленных листа майлара или стеклянной подложки. Существуют шаблоны для корпусов ИМС, транзисторов, разъемных контактов и т. п., а для межсоединений используется черная лента нужной ширины. После изготовления плакатов для каждой из сторон их фотографируют с уменьшением, чтобы получить негатив рабочего размера. При изготовлении двусторонних плат очень важно точно подогнать рисунок, чтобы гарантировать хорошую совместимость обеих сторон.

Изготовление. Обе стороны платы ПС (обычно это пластина толщиной 1,56 мм из так называемого FR-4, огнеупорного стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой ) покрываются медью (стандарт - две унции , т. е, слой меди толщиной 0,0675 мм). На первой стадии сверлятся отверстия либо по трафарету, либо на автоматическом сверлильном станке, настроенном точно по размерам плаката. Отверстия затем металлизируются насквозь лутем комбинирсшанного многослойного осаждения меди, благодаря чему создаются непрерывные проводящие соединения с одной стороны платы на другую. Далее твердый резист с обеих сторон платы закрывается экранами, оставляющими открытыми участки, где по схеме фольга должна остаться. Разумеется,

и Стеклотекстолит,- Прим. ред

экраны получают, фотографируя плакаты (вместо ого можно было бы покрывать плату светочувствительным фоторезистом с последующей экспозицией светом, используя полноразмерный негатив, положенный сверху). Затем панель погружают в ванну с жидким металлом причем металл покрытия (сплав олово/свинец) попадает на все участки, где фольга должна остаться, включая и внутреннюю поверхность отверстий.

Следующим этапом химически удаляется резист, т. е. незащищенные участки меди. Для этого плату обрабатывают составом, травящим медь, после чего остается требуемый рисунок из меди, покрытый оловом, с отверстиями, металлизированными насквозь. Здесь очень важно выполнить одну процедуру, называемую переплавкой припоя . Она состоит Б том, что плата нагревается до температуры плавления тонкого слоя металла покрытия, что уничтожает крошечные металлические волоски - усики (остающиеся после подрезающего действия травления). В противном случае эти волоски могут образовывать проводящие мостики \ Переплавка припоя кроме этого позволяет улучшить способность к пайке законченной панели. Платы, прошедшие переплавку припоя , превосходны и с точки зрения набивки компонентами. На последнем этапе изготовления ламели разъемных печатных контактов покрываются золотом по методу электролитического осаждения. При промышленном изготовлении платы могут затем заполняться компонентами автоматически, причем с помощью пайки волной все соединения паяются за несколько секунд. Но можно паять и компоновать панели вручную.

Существует и более простой процесс изготовления плат, которым иногда пользуются, особенно в случае небольших или односторонних плат, когда не требуется сквозная металлизация отверстий. По этой методике плату первоначально покрывают фоторезистом, который подвергают воздействию света через негатив, на котором с точными размерами повторен желаемый рисунок. Негатив прозрачен в тех участках где нужно, чтобы фольга не удалялась. Резист проявляется , а затем не подверженные засветке участки растворяются и удаляются так же как и в обычной фотографии. После этого на плате остается слой твердого резиста, покрывающего неудаляемую медь, и вы спокойно можете подвергать плату травлению. После травления удаляются излишки меди, а оставшийся резист вымывается растворителем, и на плате остается требуемый рисунок меди. На этом этапе лучше всего опустить плату в ванну с оловом, чтобы безэлектродно нанести на медь слой металла, не подвергающегося коррозии. Как и в других случаях, площадки разъемных контактов (ламелей) должны покрываться золотом. Последняя стадия процесса изготовления платы заключается в сверлении отверстий вручную в соответствии с рабочим рисунком (каждая контактная площадка имеет небольшое отверстие в центре, облегчающее сверление в законченной панели).

я Их часто можно увидеть только при значительном увеличении,- Прим. ред.

252 Глава 12

- . .

12.05. Проектирование плат с печатным монтажом

Б процессе конструирования плат ПС, заполнения компонентами и, наконец, при использовании плат в приборе возникает несколько вопросов, требующих своего разрешения. В этом разделе мы коснемся наиболее важных из них.

Чертеж платы ПС. От принципиальной схемы до получения законченной монтажной ПС проходит несколько стадий. Имея вначале только принципиальную схему, вы обычно разрабатываете пробный карандашный эскиз размещения компонентов и межсоединений. В конце концов получается карандашный рисунок, на котором все вместе: компоненты и межсоединения - располагаются в рабочем виде. На его основе вы изготавливаете плакат, на котором показаны точно выстроенные в ряды контактные площадки и полоски межсоединений. Для выводов ИМС и транзисторов, а также межсоединений и контактов разъемов используются заранее разрезанные шаблоны, так как они имеют стандартные местоположения и размеры. Карандашный эскиз и плакаты делаются в масштабе 2:1, что позволяет повысить точность (а также уменьшить усталость ваших глаз). Когда плакат завершен (а для двусторонних плат - два плаката), его фотографически уменьшают до рабочего размера негатива, с которого изготавливается по описанной выше методике пробная плата. Образец платы заполняется компонентами, подводится питание и отыскиваются ошибки. Это позволяет скорректировать разводку плакатов и изготовить окончательный вариант платы. В следующих подразделах даются дополнительные подробности и рекомендации.

Предварительный эскиз. Первоначальцмй чертеж схемы расположения лучше делать карандашом на специальной бумаге для плакатов с нанесенной сеткой (2 лин./см) двумя цветами, чтобы различать верхнюю и нижнюю стороны платы (это касается, естественно, только двусторонних плат). Mii обычно пользуемся черным карандашом для вычерчивания линий на нижней стороне и красным или зеленым - для верхней стороны (компонентой). Очевидно, что вам придется делать множество подтирок, поэтому лучше пользоваться специальной веленевой разграфленной бумагой. Расстояние между линиями в 5 мм соответствует основному шату 2,5 мм - принятому стандарту для расстояний между ножками ИМС, выводами транзисторов, контактами разъемов и т. д. Ваш рисунок должен соответствовать виду компонентной стороны (вид сверху), т. е. эскиз плаката фольги компонентной стороны должен смотреться как законченный плакат. Эскиз нижнего плаката долнен быть таким, будто вы разглядываете его сквозь законченную плату с помощью рентгеновских лучей. Когда вы рисуете расположение компонентов, контуры их обозначайте карандашом третьего цвета. В процессе всей этой работы вы должны обладать свободой действий. Не тратьте вре->1я на вычерчивание по линейке: пользуйтесь линиями сетки при выверчивании межсоединений и выводов ИМС и элементов схемы.

Их аналог - КМ-б. - Прим. ред. 2 Корпуса 201, 238 и т. п. по ГОСТу 17467-72. - Прим. ред.

Некоторые пробные эскизы лучше выполнять на отдельных листках разграфленной бумаги. Особенно это касается тех частей схемы, где предъявляются специальные требования к монтажу, например в случаях, когда длина линии и межъемкостные связи должны быть минимальны. Чтобы достичь лучшей расстановки элементов, можно сделать несколько эскизов. Эти эскизы должны содержать части схемы, включающие, скажем, два или три операционных усилителя или входной или выходной узел схемы. Эти блоки следует включить в полную монтажную схему, перенеся на большой лист специальной веленевой бумаги для плакатов с нанесенной сеткой и корректируя их по ходу дела. Не стесняйтесь делать подтирки!

Размеры плаката и некоторые рекомендации. Старайтесь рас положить все ИМС в одном направлении, лучше по прямой. Точно так же резисторы должны быть расположены ровными рядами, а не криво. Для сигнальных линий мы пользуемся черной лентой 1 мм, для шин питания линии шире (1,25 или 1,55) и очень широкие для земляных шин (2,5-5,0 мм или даже шире: общепринято для уширения земляной шины использовать многожильные ленты). Обязательно надо включать в схему множество шунтирующих конденсаторов емкостью 0,1 мкФ по одному на каждые две или четыре ИМС. Пытаясь справиться с запутанной сетью межсоединений, не забывайте, что элементы можно использовать как перемычки - они могут располагаться над линиями на плате.

Размеры и пространственное расположение: на плате ПС, имеющей рабочие размеры, мы советуем отверстия под пайку резисторов сверлить на расстоянии 10 мм (для 0,25 Вт), а расстояние между резисторами должно быть 2,5 или 3,75 мм (при расстоянии 3,75 мм вы можете провести проводник между соседними контактными площадками). Мы П15едпочитаем керамические конденсаторы типа СК05 и СК06> с расстоянием между выводами, равным 5 мм; они также могут располагаться на расстоянии 2,5 мм от других конденсаторов или резисторов. Оставьте некоторое пространство вокруг ИМС для логических соединений: минимум 7,5 мм до контактных площадок соседней ИМС и минимум 3,75 мм до ближайших контактных площадок резистора или конденсатора. Между ленточными проводниками следует оставлять 1 мм, и все линии должны отстоять от края платы на расстояние не меньше чем 6,25 мм. Это пространство отводится на Крепление ручки для установки платы, для направляющих, для креплений и т. д. Если нет особой необходимости, то избегайте прокладывать проводники в промежутках 2,5 мм между контактными площадками ИМС. Вы можете поместить 4 ленточных проводника (5, если сжать) между рядами контактных площадок плаката стандартного двухрядного корпуса ИМС (DIP) (они разнесены на 7,5 мм).

Подсоединения к плате. Для большинства плат, вероятно, все внешние соединения лучше всего осуществить через печатные разъемы, непосредственно вставляемые в гнезда, у которых расположение контактов может варьироваться. Чаще используются разъемы с промежутками между контактными ламелями, равными 3,8, 3,125 и

Рис, 12.5, Печатная плата цифрового магнитного регистратора, на которой осуществлено несколько видов внешних соединений.

Магнитная головка присоединена через однорядный разъем (который соответствует ряду штырьков для накрутки), а другие цепи - с помощью многоконтактных разъемов н разъема с двухрядной вставкой DIP (впаивается наместо ИМС) Щуп показан подсоединенным к выводу контрольной точки Hd примере этой платы можно видеть установку элемента с теплоотводом (слева вверху), нндакатора логических состояний (справа вверху), миниатюрных однооборотных потенцво-ыетров н монтаж резисторов в линию

2,5 мм. Печатный разъем сбьгчно располагается с одного конца карты. Через него подаются напряжение питания и сигналы. Плата закрепляется механически, когда вставляется этим концом (более короткой частью) в гнездо.

Очень часто можно встретить шаблон печатного разъема и на другом конце карты, используемого для плоского ленточного жгута и служащего для подачи некоторых внешних сигналов на плату или передачи их на другую плату. Для снятия сигнала можно использовать плоский ленточный кабель, заканчивающийся во вставке DIP; такой кабель вставляется непосредственно в гнездо ИМС на плате. Эти ка-