Стадии производства печатной платы

Термин печатная плата (рrintingplate) появился благодаря применению в производстве плат полиграфических технологий. В переводе рrintingplate означает печатная форма или матрица. Проводящий рисунок на плате формируется удалением лишних фрагментов фольги с использованием одного фотошаблона для партии плат. На первом этапе изготовления в заготовке платы сверлятся отверстия для монтажа компонентов и переходные отверстия для обеспечения электрического контакта между проводниками расположенными в разных слоях.

После сверловки отверстия подготавливаются к осаждению металла химической очисткой. Монтажные и переходные отверстия металлизируются осаждением нескольких слоев металла на поверхность стенок. Металлизированные отверстия должны выдерживать не менее 4 (многослойные не менее 3) перепаек.

Если плата разработана для использования одностороннего фольгированного материала и имеет один слой проводящего рисунка, то переходных отверстий нет, надежность платы увеличивается, а цена снижается.

На фольгированную поверхность наносится светочувствительное вещество.

Электронный файл, выполненный разработчиком печатной платы, содержит расположение отверстий и проводящий рисунок. Файл преобразуется в фотошаблон. Плата засвечивается через фотошаблон рисунка печатной платы. Выполняется проявление светочувствительного слоя.

После проявки одни участки светочувствительного слоя смываются, другие не растворяются и остаются на фольге, образуя рисунок проводников, контактных площадок и надписей.

Затем плату погружают в химический раствор, вступающий в реакцию с медью. Проявленное светочувствительное вещество защищает медную фольгу от воздействия травящего раствора. Открытые участки медной фольги вытравливаются в химическом растворе.

Светочувствительное вещество смывается. На плату наносится защитная маска для предохранения от замыканий во время монтажа и воздействия внешних факторов на проводники и основание платы.

По желанию на плату можно нанести маркировку: позиционные обозначения элементов схемы, децимальный номер разработки платы, наименования контактов пайки проводов и другие.

На плате, защищенной маской, площадки пайки покрывают припоем. Большинство производителей исключают свинец в своих изделиях. Все чаще применяется иммерсионное олово – химическое покрытие, обеспечивающее высокое качество печатных площадок платы. Покрытие обеспечивает хорошую пайку при хранении платы в течении нескольких лет и совместимо со всеми видами пайки, позволяет проводить несколько перепаек. При необходимости выполняется избирательное золочение и никелирование.

На последних этапах производства в плате сверлят крепежные отверстия, используемые для механического крепления платы на шасси или для механического крепления элементов к печатной плате. В конце производства фрезеруют плату по контуру, придавая точные размеры установленные разработчиком.

Производство плат, имеющих более двух проводящих слоев, сложнее. Они похожи на слоеный пирог, состоящий из тонких двухсторонних плат и прослоек из пропитанной смолой стеклоткани. Прослойка называется препрег, ее толщина 180-100 микрон. Многослойные платы могут иметь отверстия для межслойных соединений только между слоями и не проходящими через плату насквозь. Переходное отверстие для соединения наружного слоя и внутреннего – слепое, между внутренними слоями – скрытое. Платы с несквозными отверстиями имеют более высокую цену.

После контроля плату отправляют на склад. Возможности производителей плат продиктованы набором освоенных технологий, поэтому перед размещением заказа на производство платы следует проконсультироваться с производителем.

РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Файл, используемый в производстве платы, создается разработчиком на основе электрической схемы модуля, требований к конструкции платы и других пунктов технического задания. Разработка платы выполняется в специализированных пакетах программ и производится на персональном компьютере.

Размеры платы должны соответствовать следующим требованиям ГОСТ: кратность длины и ширины 2,5 мм при длине платы до 100 мм, кратность длины и ширины платы 5 мм при длине платы до 350 мм, кратность длины и ширины при длине более 350 мм, максимальный размер любой из сторон не более 470 мм, отношение длины к ширине не более 3:1. Если печатная плата имеет непрямоугольную форму, то длина каждой стороны должна соответствовать изложенным выше требованиям. В соответствии с выбранными размерами контур будущей платы изображается в специализированном графическом редакторе, входящем в пакет разработки плат и записывается в файл разрабатываемой платы.

Электрическая схема проводимой разработки может трансформироваться в проводящий рисунок платы разными способами. Если схема, размещаемая на плате, содержит 3-5 компонентов, то удобней используя графические средства редактора печатных плат соединить компоненты проводниками в ручном режиме. При таком подходе можно сэкономить время разработчика, затрачиваемое на вычерчивание электрической схемы в редакторе схем, входящем в пакет разработки плат.

Если схема более сложная, то ее нужно трансформировать в проводящий рисунок платы в полуавтоматическом режиме. Для этого схему придется полностью начертить в редакторе схем и перевести в специальной программе в совокупность электрических проводников.

Файл платы перед началом перевода информации из электрической схемы содержит контур платы в соответствии с требуемыми размерами. Сразу после перевода данных из схемы в плату разработчик видит корпуса элементов, выводы которых соединены линиями, обозначающие электрические связи.

Заменяя линии проводящими дорожками, разработчик формирует проводящий рисунок платы. От мастерства разработчика зависит оптимальное расположение компонентов на плате, исключающее пересечение и обеспечивающее наименьшую длину проводящих дорожек. При разработке платы используются данные о компонентах. Условное графическое обозначение компонента схемы, чертеж корпуса и информация о выводах, сведения о типе корпуса элемента: выводной или планарный, диаметры отверстий для установки компонента и размеры контактной площадки для монтажа входят в группу данных о компоненте. Если в одном корпусе несколько элементов, например резисторная матрица, сдвоенный операционный усилитель, логические элементы в одной микросхеме, то эти сведения вносятся в группу данных. В соответствии с типом компонента группе данных присваивается наименование. Информация о каждом компоненте может храниться в отдельном файле, имя которого соответствует типу компонента или объединяться в несколько баз: база микросхем, база конденсаторов и другие.

Часто при разработке применяется несколько новейших компонентов. Для них конструктор самостоятельно создает новые группы данных. Базы компонентов, предоставляемые в интернете или распространяемые зарубежными производителями компонентов, содержат обозначения, не соответствуют требованиям ГОСТ. Создание комплекта документации, используя заимствованные данные о компонентах для разработки схем и плат невозможно. Преимущество пакета программ для разработки плат перед чертежными пакетами состоит в том, что можно получить не только файл печатной платы для производства, но и электрическую схему, включаемую в комплект конструкторской документации. Графическую информацию для чертежей платы можно получить в черновике, требующем дальнейшего оформления по чертежным правилам. Поэтому разработчик постоянно расширяет собственную базу данных компонентов, работая над правильностью и полнотой накопленной информации, что позволяет действительно автоматизировать процесс разработки. Жесткая связь между всей информацией, входящей в группу данных об одном компоненте позволяет исключить ошибки, редактировать, экономить время разработчика при повторном применении компонентов.

Элементы проводящего рисунка, кроме экранов, шин земли, концевых печатных контактов и технологических печатных проводников рекомендуется располагать на расстоянии от края не меньше толщины печатной платы с учетом допуска на размеры сторон. Рекомендуется применять не более трех типоразмеров монтажных и переходных отверстий. Площадки, обозначающие первый вывод компонента, делают другой формы, отличной от остальных. Для медного проводника толщиной 35 микрон и шириной 1 мм при перегреве на 20 градусов предельная нагрузочная способность ток 3 ампер. Максимальный ток следует уменьшить на 15% для расстояния между проводниками равном или меньше их ширины.

Основы пайки

Первое, что необходимо сделать - подготовить все необходимое для пайки радиодеталей:

• паяльник
• небольшую губку
• припой
• плоскогубцы или пинцет
• бокорезы

	Включите паяльник в розетку и смочите губку водой. Когда паяльник нагреется и начнет плавить припой, покройте жало паяльника припоем, а затем протрите его о влажную губку. При этом не держите жало слишком долго в контакте с губкой, чтобы не переохладить его. Протирая жало о губку, Вы удаляете с него остатки старого припоя. И в процессе работы для поддержания жала паяльника в чистоте время от времени протирайте его о губку.
	Перед пайкой радиодетали, ее следует подготовить. С помощью узких плоскогубцев согните выводы детали таким образом, чтобы они входили в отверстия платы. Полезно иметь специальное приспособление для гибки выводов деталей под определенные расстояния между монтажными отверстиями.
	Вставьте деталь в отверстия на плате. При этом следите за правильным размещением (полярностью) детали, например, диодов или электролитических конденсаторов. После этого слегка разведите выводы с противоположной стороны платы, чтобы деталь не выпадала из своего места. Не следует разводить выводы слишком сильно.
!Перед пайкой еще раз протрите жало паяльника о влажную губку!
	Расположив жало паяльника между выводом и платой, как изображено на рисунке, разогрейте место пайки. Время разогрева должно составлять не более 1-2 секунд, чтобы не вывести из строя деталь или плату.
	Через 1-2 секунды поднесите припой к месту пайки. При касании припоем жала паяльника может брызнуть флюс. После того, как необходимое количество припоя расплавится, отведите проволоку от места пайки. Подержите жало паяльника в течение секунды у места пайки, чтобы припой равномерно распределился по месту пайки. После этого, не сдвигая деталь, уберите паяльник. Не сдвигая деталь, подождите несколько мгновений, пока место пайки не остынет окончательно.
	Теперь можно отрезать излишки выводов с помощью бокорезов. При этом следите за тем, чтобы не повредить место пайки.

Проверьте место пайки!

• качественное место пайки соединяет контактную площадку и вывод детали и имеет гладкую и блестящую поверхность.
• если место пайки имеет сферическую форму или имеет связь с соседними контактными площадками, разогрейте место пайки до расплавления припоя и удалите излишки припоя. На жале паяльника всегда остается небольшое количество припоя.
• если место пайки имеет матовую поверхность и выглядит исцарапанным, то говорят о "холодной пайке". Разогрейте место пайки до расплавления припоя и дайте ему остыть, не сдвигая детали. При необходимости добавьте немного припоя.

После этого можно удалить остатки флюса с платы с помощью подходящего растворителя. Эта операция не является обязательной - флюс может оставаться на плате. Он не мешает и ни в коем случае не влияет на функционирование схемы.

Различные способы пайки

Как правильно паять? На этот вопрос должны ответить представленные ниже параграфы. Они предназначены для начинающих радиолюбителей, ищущих нечто большее, чем просто теоретические знания.

Пайка свободных проводов

С самого первого примера приступим к практике. Необходимо соединить светодиод с ограничивающим сопротивлением и припаять к ним питающий кабель. Здесь не используются монтажные штифты, платы или другие вспомогательные элементы. Необходимо выполнить следующие операции.
1. Снять изоляцию с концов провода. Тонкие медные проводники абсолютно чисты, так как они были защищены изоляцией от кислорода и влажности.
2. Скрутить отдельные проводки жилы. Таким образом можно предотвратить их последующее разлохмачивание.

3. Залудить концы проводов. Во время лужения разогретое жало паяльника необходимо подвести к проводу одновременно с припоем. Провод необходимо хорошо разогреть, чтобы припой равномерно распределился по поверхности жгута. Легкое потирание жалом помогает распределению припоя по всей длине лужения.

4. Укоротить выводы светодиода и резистора и также залудить их. Хотя выводы и лудились при изготовлении радиоэлементов, но в процессе хранения на них мог образоваться тонкий слой окислов. После лужения поверхность вновь будет чистой. Если используются очень старые радиодетали, выпаянные из каких-либо плат, на них, как правило, сильно окислены. Выводы таких деталей перед лужением необходимо очистить от окислов, например, поскрести их ножом.
5. Удерживая соединяемые выводы параллельно друг другу, нанесите на них небольшое количество расплавленного припоя. Место пайки должно прогреваться быстро, расход припоя при этом - 2-3 мм (при диаметре 1,5 мм). Как только припой равномерно заполнит промежутки между соединяемыми выводами, необходимо быстро отвести паяльник. Место пайки должно оставаться в покое, пока припой не затвердеет полностью. Если детали сдвинутся раньше, то в пайке образуются микротрещины, снижающие механические и электрические свойства соединения.

Немного теории

Пайка - это соединение металлов с помощью другого, более легкоплавкого металла. В электронике, как правило, используют припой, содержащий 60% олова и 40% свинца. Этот сплав плавится уже при 180&grad;C. Современные припои, используемые при пайке электронных схем, выпускаются в виде тонких трубочек, заполненных специальной смолой (колофонием), выполняющей функции флюса. Нагретый припой создает внутреннее соединение с такими металлами, как медь, латунь, серебро и т.д., если выполнены следующие условия:

• Поверхности подлежащих пайке деталей должны быть зачищены, то есть с них необходимо удалить образовавшиеся с течением времени пленки окислов.
• Деталь в месте пайки необходимо нагреть до температуры, превышающей температуру плавления припоя. Определенные трудности при этом возникают в случае болших поверхностей с хорошей теплопроводностью, поскольку мощности паяльника может не хватить для ее нагрева.
• Во время процесса пайки место пайки необходимо защитить от воздействия кислорода воздуха. Эту задачу выполняет флюс (колофоний), образующий защитную пленку над метом пайки. Флюс содержится в припое в виде тонкого сердечника. При расплавлении припоя он распределяется по поверхности жидкого металла.

Типичные ошибки начинающих и методы их исправления

• Начинающие монтажники касаются места пайки только кончиком жала паяльника. При этом к месту пайки подводится недостаточно тепла. Опытный монтажник обладает чувством оптимальной теплопередачи. Он прикладывает жало паяльника таким образом, чтобы между ним и местом пайки образовалась как можно большая площадь контакта. Кроме того, он очень быстро вводит между жалом и деталью немного припоя в качестве теплопроводника.
• Начинающие монтажники расплавляет немного припоя и с некоторой задержкой подводит его к месту пайки. При этом часть флюса испаряется, припой не имеет защитного слоя и на нем образуется оксидная пленка. Профессионал, напротив, всегда касается места пайки одновременно паяльником и припоем. При этом место пайки обволакивается каплей чистого расплава еще до того, как флюс успеет испариться.
• Начинающие монтажники часто не уверены, не перегрето ли место припоя. Они слишком рано отводят жало паяльника от места пайки, затем вынуждены опять подводить его для подогрева, вновь отводят, и т.д. Результатом является серое место пайки с неровными границами, так как соединяемые детали были нагреты недостаточно сильно, а сам процесс длился слишком долго и колофоний успел испариться. Мастер, напротив, нагревает место пайки быстро и интенсивно и завершает процесс резко и окончательно. Он вознаграждает себя гладкой, отливающей серебром поверхностью припоя, в которой отражается его сияющая физиономия...

Пайка печатных плат

Пайка радиодеталей в платину требует меньших усилий, чем соединение свободных проводов, так как отверстия в плате служат хорошим фиксатором припаиваемой детали. Однако, и здесь результат зависит от опыта и удачи. Первая схема или первый проект, собираемый на макетной плате, скорее всего, завершится крахом еще на первых пропаянных точках, которые будут выглядеть так, как будто это сплошной проводник... Однако, после нескольких упражнений каждое соединение будет выглядеть все лучше и лучше.

В нижеприведенном примере производится монтаж микросхемы в плату. Целью работы является выполнение равномерно хороших соединений. Итак, перейдем к описанию отдельных шагов:

1. Припой и жало паяльника подводятся к монтажной точке одновременно. Жало паяльника должно касаться как обрабатываемого вывода, так и платы.	2. Положение жала паяльника не изменяется, пока припой не покроет равномерным слоем все место контакта. В зависимости от температуры паяльника это продолжается от полусекунды до секунды. За это время происходит достаточный нагрев места пайки.	3. Теперь жало паяльника следует обвести по полукругу вокруг обрабатываемого контакта, одновременно перемещая припой во встречном направлении. Таким образом на место пайки наносится еще около 1 мм припоя. Место пайки нагрето настолько, что расплавившийся припой под действием сил поверхностного натяжения равномерно распределяется по всей контактной площадке.
4. После того, как необходимое количество припоя нанесено на место пайки, можно отвести проволоку припоя от места пайки.	5. Последний шаг - быстрый отвод жала паяльника от места пайки. Пока еще жидкий и покрытый тонким слоем флюса припой обретает свою окончательную форму и застывает.

Если жало паяльника имеет оптимальную температуру, весь процесс продолжается не более одной секунды. И после небольшой практики все точки пайки начнут походить друг на друга как две капли воды.

Техника соединения лакированным проводом

Существует два основных варианта сборки (экспериментальных) радиоэлектронных схем в домашних условиях: полосковые платы и растровые платы с выполнением соединений лакированным проводом. Техника соединений лакированным проводом годится также и для более крупных проектов. При этой технике тонкие лакированные проводники прокладываются между точками пайки. Лаковое покрытие отжигается в тех местах провода, где должна производиться пайка. Немного практики здесь отнюдь не повредит, поэтому проведем первые опыты выполнения соединений на старой ненужной плате. Итак, лакированный провод должен быть проложен между двумя имеющися точками пайки	Сначала припаивается один конец лакированного провода. В зависимости от температуры паяльника требуется от одной до трех секунд, пока лак не расплавится. Остатки оплавленного и выгоревшего лака налипают на жало паяльника, которое необходимо регулярно очищать и залуживать свежим припоем.
После этого конец провода припаивается в необходимое место. Затем провод протягивается ко второму месту пайки и огибается вокруг него таким образом, чтобы образовался острый угол, указывающий на место на проводе, которое будет припаиваться.	Место отгиба припаивается в следующую очередь. Эта операция длится дольше вышеописанной, так как теперь приходится обрабатывать покрытый лаком участок, имеющий худшую теплопроводность по сравнению с чистым концом провода. Однако, и здесь с некоторой долей терпения и припоя можно расплавить лак и залудить провод на участке в несколько миллиметров.
Теперь можно произвести пайку второго конца провода. В заключение натяните свободный конец провода и отогните его несколько раз в разные стороны, пока он не обломится в точности по месту пайки. На этом выполнение соединения завершено - можно переходить к следующему.	Кстати, может быть вы заметили, что вторая пайка выполнена не в той точке, где планировалось? При пайке жало паяльника дрогнуло и пайка произошла в соседней точке. Ничего страшного, ведь наше упражнение производилось на ненужной плате. Однако это доказывает, что прежде чем взяться за серьезный проект, следует хорошо усвоить технику выполнения основных операций.

SMD-адаптер

При разработке прототипов все чаще возникают проблемы, связанные с тем, что необходимая микросхема доступна только в корпусе для поверхностного монтажа. Начиная с расстояния между выводами 0,65 мм выполнение соединений с помощью лакированного провода требует очень много сил и времени. Однако все необходимые соединения удается выполнить в домашних условиях, используя адаптерные платы TSSOP. Здесь показано, как это делается. ЦАП DAC6573 в 16-выводном корпусе TSSOP должен использоваться с платой для пробной конструкции.	Сначала необходимо осторожно припаять микросхему к адаптеру за два вывода по диагонали. На этом шаге необходимо обеспечить, чтобы выводы микросхемы располагались в точности над дорожками адаптера. Добившись этого, покройте все выводы большим количеством припоя.
Затем излишки припоя удаляются с места пайки с помощью литцы.	Большая часть припоя впиталась в литцу. На плате осталось ровно столько припоя, сколько необходимо для обеспечения надежного электрического и механического соединения. Все просто!
Имеются различные возможности перехода на главную плату или экспериментальную плату. Растровые отверстия имеют диаметр 0,8 мм. Стандартные монтажные штекеры не входят в них, однако прецизионные штекеры с цилиндрическими ножками - которые могут вставляться и в панельки микросхем - имеют необходимый диаметр. Впрочем, часто можно обойтись и простыми отрезками проводов.	Здесь необходимые соединения выполнены с помощью отрезков серебряного провода диаметром 0,6 мм.
Микросхема имеет и другие выводы, однако некоторые из них соединены с массой, другие - с линией питания и разводятся на самом адаптере. Кроме того, на плате адаптера был смонтирован блокирующий конденсатор. Готово! Получившаяся "большая" микросхема теперь может быть вставлена в лабораторную монтажную плату или впаяна в большую плату.

Вывод: ознакомились и научились производить пайку печатных плат, изучили материалы, используемые при паячных работах.