Хочу красивую железку. PCB Art — печатная плата как искусство
Я с детства обожал смотреть на печатные платы. Они прекрасны! Легко мог разобрать отцовский магнитофон, чтобы просто посмотреть на его мозг. Собрать потом, правда, не мог. Мог очень долго изучать материнскую плату — это же целый город, со своими заводами, домами и автомагистралями. Но по-настоящему сильный восторг от печатной платы я испытал, когда навернулся голосовой чип у моего старичка Juno-106. Этому синтезатору больше 30 лет. Его голосовые чипы выходят из строя со временем, потому что компаунд, которым они покрыты, начинает пропускать влагу. Синтезатор давно не выпускается. Но многим нужны эти чипы. Один парень занялся их реверс-инженирингом, и собрал свой на современных компонентах. Ну и я купил 6 таких. Ребята, это чудо!
Источник
Платка толщиной в пол миллиметра. Полосы по краям — скрайбирование. Такая процарапанная борозда. Они сделаны специально для того, чтобы покупатель выломал голосовой чип из этой опалубки. Когда я выламывал свой… Ух! Это чистый восторг! Хрум, хрум.
К чему я это? А к тому, что можно сделать красивую железку вообще без корпуса!
Многие знают, как делают платы. Это текстолит и слой медной фольги. На неё наносят слой паяльной маски, который может быть разного цвета. Чаще всего зелёный, синий, красный и белый. Другие цвета возможны, но они, часто, дороже. Сверху — слой маркировки. Она традиционно бывает чёрной и белой.
Для пайки BGA-корпусов медь покрывают золотом по подслою никеля. Выглядит это очень здорово. И вот, обладая таким набором красок, можно постараться создать шедевр.
Некоторые не замарачиваются, и ваяют как истый художник. Прямо маркером по текстолиту:
Источник
Можно делать просто художественное вскрытие маски. После покрытия золотом получится очень здорово:
Источник
Или вот ещё пример — плата часов на радиолампах:
Некоторые фирмы используют такое PCB-художество как свой фирменный знак:
Вся верхняя панель — печатная плата. Источник
Мне тоже захотелось поучаствовать
В процессе придумки своей красивой железки мне тоже хотелось попробовать этот приём. Для пробы ничего более изящного, чем платка Arduino не придумал. Благо готовый проект был под рукой. Так как выбор цветов у наших заводов не особо богат, остановился на золоте, красном цвете маски и чёрной маркировке. И наверняка вы знаете, где такие цвета традиционно используются! Вот что получилось: 
На верхнем слое решил художества не устраивать. Всё-таки маркировка бывает полезна. Да и красный цвет напоминает внутренности расписанной шкатулки. 
Сделать такое достаточно просто. Представим себе три слоя — шёлк, маска и медь. Всё золотое — отверстие в шёлке и маске. Всё красное — отверстие в шёлке. Всё чёрное — шёлк. Вроде просто.
Но я не совсем доволен результатом. Всё-таки свинец припоя и пустые полигоны без золота портят впечатление.
А у вас есть любимые примеры PCB арта? Поделитесь в комментариях, пожалуйста. С удовольствием полюбовался бы.
JLCPCB. Мой опыт заказа плат.
Т.к. прикрываю свой сайт, решил перекинуть сюда в блог некоторые свои записи, чисто для себя, чтобы не забыть, ну а может еще кому пригодится.
Всем электронщикам знакома такая технология изготовления печатных плат как ЛУТ, или фоторезистивная технология. Однако стоит лишь однажды заказать печатную плату для своей разработки на производстве и обратно к ЛУТ уже возвращаться не хочется. Не минула сия участь и меня, а может я просто ленивым стал с возрастом 🙂
Первую заводскую плату, для своего очередного проекта, я заказывал на производстве в Китае. Заказывал через всем известный Алиэкспресс. Там таких магазинов полно, лично я заказывал через магазин DDAYA PCB Store. Почему именно у них? Чисто из прагматических интересов — на тот момент это был один из самых дешевых вариантов, с кучей положительных отзывов, и к тому же с бесплатной доставкой.
Да, на тот момент я знал о существовании JLCPCB, но закинув туда архив с гербер-файлами и получив расчет стоимости, цена оказалось выше чем у DDAYA PCB Store. Поэтому выбор был очевиден. Однако все течет, все меняется. В сети и на ютубе появилась куча статей/видосов о JLCPCB, этакий рекламный штурм. И я, заканчивая очередной проект, решил попробовать закинуть гербер-файлы в оба магазина. И о чудо, DDAYA PCB Store заломил цену аж на целых 7$ больше чем JLCPCB, и это с учетом их бесплатной доставки против платной у JLCPCB.
Было принято решение попробовать заказать платы у JLCPCB, тем более, что для этого проекта мне нужны были платы с типом покрытия — ENIG (иммерсионное золочение), за которое DDAYA PCB Store выставил цену гораздо выше чем JLCPCB.
Видим вверху надпись Sign in, нажимаем и открывается следующая страница:
Здесь нужно либо зарегистрироваться, либо можно войти под своим аккаунтом от Google. Лично я использую второй способ. Итак, вошли на сайт, далее в верху нажимаем на Order now:
Открывается следующая страница:
Здесь необходимо загрузить zip архив с гербер-файлами вашего проекта. Так как каждый электронщик для создания печатных плат использует разное ПО, то писать о том как эти самые гербер-файлы создавать я смысла не вижу. Лично я использую Altium Designer. После создания гербер-файлов, в папке с проектом появляется папка с именем — Project Outputs for _Имя проекта. Я просто архивирую эту папку, и уже этот архив отправляю в JLCPCB.
После выбора архива с гербер-файлами, происходит процесс его загрузки и анализа, после чего мы можем увидеть как выглядят наши платы с обеих сторон (Top Layer и Bottom Layer). Автоматически будет определено количество слоев вашей платы и ее размеры, а в колонке справа будет произведен расчет стоимости изготовления плат и указана стоимость доставки.
На данной странице, перед отправкой плат в производство, можно произвести некоторые настройки:
Пройдемся по пунктам:
Layers — здесь указывается количество слоев ваших плат.
Dimensions — здесь указываются размеры вашей платы, как правило они определяются автоматически после загрузки архива с гербер-файлами.
PCB Qty — здесь указывается количество плат, которое вам требуется. Заказать можно от 5 до 80.000 штук.
Different Design — здесь указывается дизайн при панелизации плат.
Delivery Format — здесь указывается формат доставки, если вы в предыдущем пункте выбрали дизайн 1, то ваши платы приедут без панелизации, т.е. панель из плат будет разрезана на отдельные платы, в противном случае вам придет панель из плат выбранного вами дизайна.
PCB Thickness — здесь выбираем толщину печатной платы.
PCB Color — здесь можно выбрать цвет паяльной маски.
Copper Weight — здесь указывается толщина меди в унциях. Чем больше — тем дороже.
Gold Fingers — здесь можно выбрать иммерсионное золочение для краевых разъемов печатной платы (например PCI-Express).
Confirm Production file — выбрав Yes инженеры JLCPCB создадут производственный файл, необходимый для изготовления печатной платы. Однако это хоть и небольшие, но деньги, поэтому я себе доверяю и такой пункт не отмечаю.
Flying Probe Test — в этом пункте мы выбираем проверку нашей платы, так называемыми, «летающими» пробниками. Это тоже стоит денег, но экономить на этом не стоит, ставим галочку обязательно.
Castellated Holes — так называемые кастеллированные (зубчатые) отверстия. Если на вашей плате имеются краевые контактные площадки, то выбрав этот пункт, их можно прорезать и получить металлизированные полуотверстия по краям вашей платы. Как правило они используются для монтажа одних печатных плат на другие. На ум сразу приходят всякие модули: GSM, Bluetooth, Wi-fi и т.д.
Remove Order Number — при производстве плат, JLCPCB на вашу плату наносит идентификационный номер, чтобы отличить вашу плату от других. Если Вы хотите, чтобы этот номер был в определенном месте платы, то просто добавьте на слое шелкографии текст «JLCJLCJLCJLC» и номер будет нанесен именно в этом месте, это бесплатно. Однако если вы не хотите видеть этот номер, то от его нанесения можно отказаться, но за это нужно заплатить 1,5$, для этого в этом пункте нужно выбрать Yes.
SMT Assembly — включив данный пункт, можно заказать монтаж своих плат на JLCPCB. Для этого, помимо гербер-файлов, нужно предоставить BOOM файл с перечнем элементов, потом выбрать эти элементы из имеющихся в наличии на JLCPCB. Правда стоит помнить, что монтаж на JLCPCB только односторонний, во всяком случае пока.
Stencil — а здесь можно заказать трафарет для нанесения паяльной пасты на свою плату.
Далее заходим в корзину и нажимаем Secure Checkout:
Далее переходим на страницу, где будет указан адрес доставки, проверяем адрес и нажимаем на кнопку Continue:
Далее переходим на страницу, где будет указан способ доставки. Выбрать можно DHL, FedEx или ePacket. Первые два уж больно дорогие, поэтому я всегда выбираю ePacket доставку. Итак, выбираем и нажимаем на кнопку Continue:
Далее переходим на страницу подтверждения заказа. Здесь нам предлагают два способа оплаты, первый (рекомендуемый) — предлагается оплатить до того, как инженеры JLCPCB проверят нашу плату и дадут добро на запуск в производство, и второй способ — оплату постфактум, т.е. только после проверки платы инженерами JLCPCB. Я всегда выбираю рекомендуемый первый способ. Итак, выбираем и нажимаем на кнопку Continue:
Далее переходим на страницу оплаты заказа. Вводим данные своей карты и оплачиваем, нажимая на кнопку Pay:
Ну и все, собственно на этом этап заказа плат окончен. Далее следите за своим заказам из личного кабинета. Там будут отображены все этапы производства плат, а также, после отправки заказа, там можно будет отследить весь путь посылки.
Ну что же, а теперь собственно поговорим о моем опыте заказа плат на JLCPCB.
В свой первый свой заказ на JLCPCB, я заказывал платы с типом покрытия ENIG — иммерсионное золочение. Сделал заказ, оплатил и стал ждать заветную синюю коробочку. Посылка пришла через 3 недели. Посылка была в стандартной синей коробке JLCPCB, внутри платы, запаянные в пластик и пакетик силикат-геля.
К платам особых вопросов у меня не возникло, все было сделано на высоком уровне, хотя «золото» могло бы быть и более «золотым». Маска отличная, шелкография в порядке. Идентификационный номер, нанесенный JLCPCB при производстве плат, мелкий, в глаза особо не бросается, в общем не напрягает:
В общем качество изготовления плат у JLCPCB меня полностью устроило, поэтому не долго думая заказал у них платы для трех других своих проектов. Пришли они все одновременно, в трех коробках, одной из них немного досталось, но платы не пострадали.
Ниже представлены платы «прищепок», для быстрой прошивки микроконтроллеров STM32.
Что такое электронная печатная плата?
Главная страница » Что такое электронная печатная плата?
Электронная печатная плата (русская аббревиатура — ПП, английская — PCB) представляет собой листовую панель, где размещаются взаимосвязанные микроэлектронные компоненты. Печатные платы используются в составе разной электронной техники, начиная от простых квартирных звонков, бытовых радиоприёмников, студийных радиостанций и завершая сложными радиолокационными, компьютерными системами.
Исторический путь печатной платы
Электронные печатные платы отметили начало пути становления и развития системами электрических соединений, разработанных в середине XIX века. Металлические полосы (стержни) изначально применялись для подключения громоздких электрических компонентов, смонтированных на древесном основании. Постепенно металлические полосы вытеснили проводники с винтовыми клеммными колодками. Деревянную основу тоже модернизировали, отдав предпочтение металлу.
Примерно таким выглядел прототип современного производства ПП. Подобные решения конструирования применялись в середине XIX века
Практика применения компактных, малых по размерам электронных деталей, требовала уникального решения по базовой основе. И вот, в 1925 году некто Чарльз Дюкасс (США) нашёл такое решение.
Американский инженер предложил уникальный способ организации электрических связей на изолированной пластине. Он использовал электропроводящие чернила и трафарет для переноса принципиальной схемы на пластину.
Чуть позже — в 1943 году, англичанин Пол Эйслер также запатентовал изобретение травления токопроводящих контуров на медной фольге. Инженер использовал пластину-изолятор, ламинированную фольгированным материалом.
Однако активное применение технологии Эйслера отметилось лишь в период 1950-60 годов, когда изобрели и освоили производство микроэлектронных компонентов — транзисторов. Технологию изготовления сквозных отверстий на многослойных печатных платах запатентовала фирма Hazeltyne (США) в 1961 году.
Так, благодаря увеличению плотности электронных деталей и тесному расположению связывающих линий, открылась новая эра дизайна печатных плат.
Электронная печатная плата – изготовление
Технологически изготовление печатных плат электроники предполагает создание связей токопроводящим «плёночным» материалом. Такой материал наносится («печатается») на пластине-изоляторе, получившей наименование — подложка.
Отдельно взятые электронные детали распределяются по всей площади подложки-изолятора. Затем установленные компоненты связываются пайкой с цепями схемы. Так называемые контактные «пальцы» (штырьки) электронной платы располагаются по крайним областям подложки и выступают системными разъёмами.
Современный прообраз изделий XIX века. Кардинальные технологические изменения очевидны. Однако это не самый совершенный вариант из ассортимента текущего производства
Через контактные «пальцы» организуется связь с периферийными печатными платами или подключение внешних цепей управления. Электронная печатная плата рассчитана под разводку схемы, поддерживающей одну функцию или одновременно несколько функций.
Изготавливаются три вида электронных печатных плат:
Односторонние печатные электронные платы отличаются размещением деталей исключительно на одной стороне. Если комплектные детали схемы не вмещаются на односторонней плате, применяется двухсторонний вариант.
Материал изготовления подложки
Подложка, традиционно используемая в составе печатных электронных плат, обычно делается на основе стекловолокна в сочетании с эпоксидной смолой. Подложка покрывается медной фольгой по одной или двум сторонам.
Печатные платы электроники, изготовленные на основе бумаги с фенольной смолой, также покрытые плёночной медью, считаются экономически выгодными для производства. Поэтому чаще других вариаций используются под оснащение бытовой электронной техники.
Материалы печатной платы электроники: 1 — диэлектрический материал; 2 — верхнее покрытие; 3 — материал сквозных отверстий; 4 — маска припоя; 5 — материал кольцевого контура
Разводка связей выполняется методом покрытия, либо методом травления медной поверхности подложки. Медные дорожки покрывают оловянно-свинцовым составом с целью защиты от коррозии. Контактные штыри на печатных платах покрывают слоем олова, затем никеля и под завершение золотят.
Выполнение операций на обвязку
Электрические соединения по двум сторонам подложки достигаются сквозным сверлением отверстий согласно схемной разводке. Затем высверленные отверстия изнутри покрывают токопроводящим материалом.
Многослойная электронная печатная плата характерна наличием подложки, состоящей из нескольких слоёв печатных схем. Каждый слой отделён от соседнего слоя вставкой-изолятором.
Электронные компоненты связываются через отверстия платы, просверленные до границы целевого слоя. Детали печатной электронной платы электрически объединяются одним из двух способов:
Согласно технологии сквозных отверстий, каждая электронная деталь наделяется микро-проводниками. Эти микро-проводники проходят сквозь отверстия в подложке, подводятся к схемным точкам противоположной стороны и спаиваются.
Сверление отверстий на рабочей площади ПП: 1 — отверстия без контактной связи между сторонами (слоями); 2 — отверстия с покрытием для контактной связи; 3 — медная обечайка связывающих отверстий
Технология поверхностного монтажа предполагает использование прямой (J-образная) или угловой (L-образная) ветвей. За счёт таких ветвей каждая электронная деталь напрямую обвязывается с печатной схемой.
Применением комплексной пасты (клей+флюс+припой) электронные детали временно удерживаются в точке контакта. Удержание продолжается до момента, когда печатная электронная плата заводится в печь. Там припой плавится и соединяет схемные детали.
Несмотря на сложности с размещением компонентов, технология поверхностного монтажа обладает другим важным преимуществом.
Эта методика исключает длительный процесс сверления и внедрение связывающих прокладок, как это практикуется для устаревшего метода сквозных отверстий. Однако обе технологии продолжают активно использоваться.
Дизайн электронных печатных плат
Каждая отдельно взятая печатная плата электроники (партия плат) предназначена под уникальный функционал. Разработчики электронных печатных плат обращаются к системам проектирования и специализированному «ПО» для компоновки схемы на печатной плате.
Структура фоторезистивного покрытия: 1 — пластиковая плёнка; 2 — сторона наложения; 3 — чувствительная сторона фоторезистивной панели
Разрыв между токопроводящими дорожками обычно измеряется значениями не более 1 мм. Рассчитываются точки расположения отверстий для компонентных проводников или контактных точек.
Вся эта информация переводится под формат ПО компьютера, управляющего сверлильным станком. Аналогичным образом программируется автоматический паяльник для изготовления электронных печатных плат.
Как только схема цепей выложена, негатив изображения схемы (маска) переносится на прозрачный лист пластика. Области негативного изображения, не входящие в образ схемы, отмечены черным цветом, а непосредственно схема остаётся прозрачной.
Промышленное изготовление печатных плат электроники
Технологии изготовления печатных плат электроники предусматривают условия производства с чистой средой. Атмосфера и объекты производственных помещений контролируются автоматикой на присутствие загрязнений.
Многие компании-производители электронных печатных плат практикуют уникальные производства. А в стандартном виде изготовление двухсторонней печатной электронной платы традиционно предусматривает следующие шаги:
Изготовление основания
Сверление и лужение отверстий
Производство рисунка схемы печатной электронной платы
Образец схемы печатной платы создаётся посредством аддитивного либо субтрактивного принципа. В случае аддитивного варианта, подложка покрывается медью по желаемой схеме. При этом необработанной остаётся часть вне схемы.
Технология получения отпечатка схемного рисунка: 1 — фоторезистивная панель; 2 — маска электронной печатной платы; 3 — чувствительная сторона платы
Субтрактивным процессом, прежде всего, покрывается общая поверхность подложки. Затем отдельные участки, не входящие в рисунок схемы, вытравливаются либо вырезаются.
Как проходит аддитивный процесс?
Фольгированная поверхность подложки предварительно обезжиривается. Панели проходят вакуумную камеру. За счёт вакуума слой положительного фоторезистивного материала плотно обжимается по всей фольгированной площади.
Положительным материалом для фоторезиста выступает полимер, обладающий способностью растворимости под излучением ультрафиолета. Условия вакуума исключают возможный остаток воздуха между фольгой и фоторезистом.
Шаблон схемы укладывается поверх фоторезиста, после чего панели подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолета. Поскольку маска оставляет прозрачными области схемы, фоторезист в этих точках попадает под УФ излучение и растворяется.
Затем маска снимается, а панели опыляются щелочным раствором. Этот, своего рода проявитель, помогает растворить облучённый фоторезист по границам областей рисунка схемы. Так, медная фольга остаётся открытой на поверхности подложки.
Далее панели гальванируются медью. Медная фольга выступает катодом в процессе гальванизации. Открытые участки гальванируются до толщины 0,02-0,05 мм. Области, остающиеся под фоторезистом, не гальванируются.
Медные разводы покрывают дополнительно оловянно-свинцовым составом или иным защитным покрытием. Этими действиями предотвращается окисление меди и создаётся резист на следующую стадию производства.
Ненужный фоторезист удаляется с подложки с помощью кислотного растворителя. Медная фольга между рисунком схемы и покрытием обнажается. Так как медь схемы печатной платы защищена оловянно-свинцовым составом, здесь проводник не подвержен воздействию кислоты.
Техника промышленного изготовления электронных плат
7 правил проектирования печатных плат
Приветствую! В процессе обсуждения статьи товарища KSVl была озвучена необходимость небольшого пособия по проектированию печатных плат. Очень часто на хабре я вижу статьи в стиле «5 правил оформления кода» или «5 шагов к успешному проекту», то есть очень удобные собрания тезисов по определенной теме. К сожалению подобных статей по разработке электроники мало и это плохо…
Я обещал пользователю KSVl и некоторым другим читателям, статью с базовыми принципами проектирования печатных плат (ПП), так же приглашаю к ознакомлению всех любителей попаять за чашечкой кофе!
Пролог
Все описанные в статье правила, являются самыми базовыми и ориентированы исключительно на совсем начинающих разработчиков для которых электроника просто хобби. Сразу хочу отметить, что данная статья не претендует на абсолютную истину и все объяснения даны в вольной форме.
Наверняка найдутся люди, которые скажут: «Да и так ведь работает, зачем что-то менять?». И вот тут увы, я не готов тратить силы и переубеждать вас. Одни хотят все делать хорошо, качественно и надежно, другим же не дано понять этого желания.
Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:
Правило №1 — Ширина проводника
Ошибка — очень часто начинающие разработчики используют ту ширину проводников (дорожек), которая стоит по умолчанию в используемой САПР. В упомянутой ранее статье, автор использовал EasyEDA и там базовое значение ширины стоит 6 mils, то есть около 0.15 мм. Данная ширина проводников использована практически везде и это плохо, ибо ведет к ряду проблем.
Проблема №1 — падение напряжения. Все мы помни закон Ома из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.
Проблема №2 — нагрев проводника. Тут все тот же закон Ома, мощность выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Дорогу 0.15 мм ток в 5-10А легко испарит.
Проблема №3 — паразитная индуктивность. Этот момент к базовым вряд ли уже относится, но знать про него надо. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц, например, при работе с SPI.
Проблема №4 — низкая механическая прочность. Думаю не надо объяснять, что дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к текстолитовой основе, чем дорожка 0.15 мм. Ради интереса возьмите заводскую ненужную плату и поковыряйте ее.
Решение — используйте максимально возможную ширину проводников. Если проводник можно провести с шириной 0.6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0.15 мм.
1) Плохо
2) Хорошо
Правило №2 — Подключение к выводам
Под выводами подразумевается контактная площадка компонента (pad), переходные отверстия (via) и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).
Ошибка — бывают две крайности. В одной, разработчик совершает ошибку из правила №1 и подключает дорожку 0.15 мм к выводу smd резистора 1206. В другом случае наоборот, использует проводник ширина которого равна ширине контактной площадки. Оба варианта плохие.
Проблема №1 — низкая механическая прочность. При нескольких попытках перепайки компонента, площадка или дорожка просто отслоятся от текстолитовой основы печатной платы.
Проблема №2 — технологические проблемы с монтажом платы. Хотя это станет проблемой, если вы начнете заказывать в Китае не только платы, но и сборку. Вам конечно соберут, но % брака вырастает.
Решение — ширина проводника, подключаемого к контактной площадке, должна составлять примерно 80% от ширины этой площадки.
Размер площадки конденсатора 1206 в данном случае составляет 1.6 х 1 мм. Соответственно для подведения сигнала снизу используется дорожка равная 80% от ширины площадки, то есть 0.8 мм (80% от 1 мм). Для подведения сигнала справа используется дорожка толщиной 1.2 мм (примерно 80% от 1.6 мм). Ширина площадки у микросхемы в корпусе SOIC-8 равна 0.6 мм, поэтому подводить нужно сигнал с помощью дорожки около 0.5 мм.
Стоит понимать, что данный вариант является идеальным. Переход из 1.2 мм в 0.5 мм вам наверняка не понравится — лишняя возня. Его можно избежать. Для этого обычно принимают ширину дорожки относительно минимального pad-а (площадки), то есть в данном случае можно сделать вот так:
Как видите, я выбрал ширину проводника по минимальной площадке, то есть по площадке вывода микросхемы в корпусе SOIC-8. Такой упрощение допустимо, но его стоит применять с умом.
Правило №3 — Цепи питания
Теперь рассмотрим случай, когда упрощение в отношение правила №2 просто недопустимо, а именно — проектирование цепей питания. Данной правило опирается на два предыдущих и является частным, но пожалуй самым критичным случаем.
Ошибка — пренебрежение правилами №1 и №2 при проектирование цепей питания.
Проблема №1 — на выходе вашего стабилизатора напряжения строго +3.3В. Вы включаете устройство и наблюдаете, что микросхема ведет себя неадекватно, АЦП измеряет не точно и периодически выключается. Вы измеряете напряжение на ногах потребителя (микросхемы) и обнаруживаете вместо +3.3В всего лишь +2.6В.
Проблема №2 — ваш DC-DC преобразователь не запускается, либо на выходе имеет большие пульсации.
Проблема №3 — в попытках найти неисправность, вы ставите щуп осциллографа на линию +3.3В и обнаруживаете там вместо постоянного напряжения какие-то страшные пульсации и помехи.
Решение — соблюдаем особо строго и фанатично правила №1 и №2. Дорожки максимально широкие. Питание должно приходить на микросхему через керамический конденсатор, который по возможности ставят ближе к выводу этой микросхемы.
Что я сделал чтобы стало хорошо:
1) Дорожка питания VCC3V3 теперь подходит не в обход конденсатора, а через него. То есть сначала на конденсатор, а затем уже на вывод микросхемы
2) Переходное отверстие (via) я использовал размером 1.2/0.6 мм. Да, согласно требованиям для 4 класса точности (стандартного), я могу использовать переходное отверстие размером 0.7/0.3 мм, но делать этого не стал и применил более габаритный переход. Это позволило уменьшить его сопротивление и пропустить больший ток
3) Шина питания, которая приходит от стабилизатора у меня теперь не 0.3 мм, а 2 мм! Не бойтесь делать широкие проводники. Такой подход минимизирует падение напряжения в цепи и уменьшит индуктивность проводника
Правило №4 — Земля
О влияние качества проектирование земляной шины (GND) можно говорить вечно, но любой разговор сводится к простой сути: стабильно и работоспособность устройства в наибольшей степени зависит именно от проектирование земли. Данная проблема очень объемная и требует глубокого изучения, поэтому я дам самые базовые рекомендации.
Ошибка — трассировка цепи GND (земли) обычным проводником, да еще и минимальной ширины. Это просто к-к-к-комбо!
Проблема №1 — нестабильность работы устройства и сильные помехи в цепях, особенно в цепях питания.
Проблема №2 — нагрев и часто обрыв тонкого проводника, т.к. в нем действует большой ток.
Решение — использовать полигон для разводки цепи GND, а в идеале отдельный слой, который полностью выделен для данной цепи, например, нижний слой.
Как видите, вместо обычного проводника я применил заливку сплошным полигоном. Такое решение обеспечило мне огромную площадь сечения, ведь полигон это просто очень большой проводник. Только иногда такое решение имеет недостаток, например, когда плотность монтажа высокая и другие проводники разрывают сплошной полигон, как тут цепи LED1..3 разрывают кратчайший путь между выводом микросхемы и конденсатора (GND):
Тут нам поможет, упомянутый ранее, отдельный слой GND. В двухслойной плате в идеале под него выделить нижний слой, а в многослойной плате — один из внутренних слоев:
Таким образом мы восстановили кратчайший путь для тока по цепи GND, а помог в данном случае нижний слой (синий цвет), который из себя полностью представляет земляной полигон. Переходные отверстия (via) около контактных площадок обеспечили для них максимально короткое соединение с нижним слоем земли.
Конечно это идеальный случай и иногда не получится его реализовать без удорожания платы, поэтому тут решение за вами. Порой «супер» надежность и не нужна, тут важно найти для своей задачи золотую середину между стоимостью и качеством.
Правило №5 — Ширина зазора
Минимальное значение зазора между медными проводниками на печатной плате, нам диктуют технологические требования. Для 4-го (стандартного) класса значение составляет 0.15/0.15 мм или 6/6 mils. Максимальная ширина ограничена лишь вашей фантазией, габаритами платы и здравым смыслом.
Ошибка — зазор недостаточно большой, обычно оставляют значение по умолчанию около 0.15 мм.
Проблема №1 — электрический пробой. Короткое замыкание возникает, когда 2 проводника с разным потенциалом замыкают, например, металлическим предметом и ток резко возрастает. К сожалению идеальных диэлектрических материалов не бывает и в какой-то момент любой материал начинает проводить ток. Пример тому — изоляторы на ЛЭП, иногда и их пробивает. Данное явление происходит, когда превышено значение критического напряжения пробоя. По этой же причине и стеклотекстолит, являющийся основной большинства печатных плат, в какой-то момент может начать пропускать ток.
Решение — увеличение расстояния между проводниками. Напряжение пробоя зависит от типа материала и от толщины/ширины изолятора. В случае печатных плат — расстояние (зазор) между проводниками как раз является тем параметром, который влияет на критического значение напряжения пробоя. Чем больше расстояние между проводниками, тем большее напряжение необходимо чтобы пробить его.
Так же хочется сказать, что пробой по стеклотекстолиту не всегда самая актуальная проблема. Воздух, который окружает плату, тоже является диэлектриком, но при определенных условиях становится проводником, вспомните грозу. Воздушный электрический пробой большая проблема в электронике, особенно если учитывать, что воздух может быть сухой, а может и иметь влажность 90-100%, например, в тропиках или на Севере.
Условимся, что в данном примере есть 3 проводника: выпрямленное сетевое напряжение +310В, низковольтная линия питания для микроконтроллера +3.3В и шина земли (GND).
Почему 0.3 мм плохо, а 0.8 мм уже хорошо спросите вы и в качестве ответа приведу вам 2 источника:
1) Обычные физика и электротехника. Данные в них разнятся из-за различных методик измерений и прочего, но наиболее реалистичная цифра для сухого воздуха составляет 2 кВ/мм. Тут многие испугаются цифры и подумают: «У меня же нет таких напряжений» и это будет ошибкой. Данное значение характерно лишь для сухого воздуха, который встретить в реальных условиях удается редко. И тут цифры уже куда скромнее, например, при влажности 100% напряжение пробоя воздуха составляет всего 250 В/мм! А еще на значение напряжения пробоя влияет запыленность воздуха и платы, а так же атмосферное давление (кривая и закон Пашена).
2) Стандарт IPC-2221, ссылку на который я давал в начале. Интересует нас таблица 6-1, которая выглядит вот так:
Как видите в таблице для большое количество значений даже для нашего конкретного случая 301-500В. Если посмотрим, то увидим значение 0.25 мм для закрытых проводников на внутренних слоях, то есть в «идеальных» условиях без доступа пыли, грязи и влаги. Если устройство будет работать где-то в горах и проводник находится на внешних слоях (все проводники в случае 2-х слойной платы) на высоте до 3000 метров, то там минимальный зазор уже 2,5 мм, то есть в 10 раза больше. Если же мы эксплуатируем устройство на большей высоте, то зазор необходим уже в 12.5 мм! Стоит сделать замечание — такой большой зазор требуется если наша плата не покрыта защитными составами, например, лаком или компаундом. Как только появляется защитное покрытие, то мы видим уже более адекватные значения: 0.8 и 1.5 мм.
Поэтому в «хорошем» примере по мимо обеспечения зазора 0.8 мм, необходимо так же покрыть плату защитных составом, например, лаком после завершения монтажа устройства, его отмывки и сушки. В противном случае необходимо увеличить зазор!
Правило №6 — Гальванический зазор
Ошибка — приравнивание диэлектрического зазора к гальваническому. По сути они очень похожи, но по требованиям все строже, когда дело доходит до гальванической развязки. Ярким случаем является развязка схемы управления и силовой части с помощью реле или оптрона, когда зазор между развязанными сторонами выбирается так же 0.8 или 1,5 мм.
Проблема №1 — пробой изоляции, выход из строя системы управления и прочего дорогого оборудования.
Решение — увеличение порога электрического пробоя. Стандартными значениями обычно являются напряжения 1,5 кВ, 2,5 кВ и 4 кВ. Если ваше устройство работает с сетевым напряжением, но человек напрямую с ним не взаимодействует, то напряжение развязки в 1,5 кВ будет достаточным. Если предполагается взаимодействие человека с устройством, например, через кнопки и прочие органы управления, то рекомендую применить изоляцию с напряжением 2,5 кВ и более.
Что плохого спросите вы, ведь зазоры на плате есть, их можно сделать и 1,5 мм. Дело в том, что даже если сделать зазор 2 мм, то этого будет недостаточным для обеспечения изоляции. Самым «слабым» местом должно быть расстояние между выводами управления реле (1-2) и выводами силовыми (3-8). Так же надо учитывать, что пробой может быть не только между проводниками на одном слое, но и на разных — насквозь плату через стеклотекстолит.
Что было сделано для улучшения ситуации:
а) Появилась четкая граница между низковольтной и высоковольтной частью. Теперь проводник +3.3В не проходит в высоковольтной области +310В, полигон GND не выходит за границу низковольтной часть, соответственно и пробоя не будет. Так же в зоне/границе гальванической развязки не должно быть вообще ничего.
б) Изолирующая зона освобождена от паяльной маски. Маска — тоже слабое место и в зависимости от качества ее пробьет раньше, чем стеклотекстолит. Это делать не обязательно в общем случае, но если с устройством взаимодействуют люди, то настоятельно рекомендую.
в) Как я выше писал, слабое место — расстояние между управляющими и силовыми выводами реле. Везде я смог сделать изолирующую зону 4 мм, а тут только 2.5 мм. От маски мы очистили, от проводников тоже и единственное через что может произойти пробой по плате — стеклотекстолит. Поэтому убираем и его, я сделал вырез под реле шириной 2.5 мм и убрал весть текстолит между выводами. Данная операция тоже не обязательна, но существенно повышает надежность и безопасность вашего устройства.
Правило №7 — Переходные отверстия
Ошибка — очень часто наблюдаю картину, когда на 2-х слойной печатной плате для того, чтобы соединить 2 контактные площадки, использую 3..4… или даже 5 переходных отверстий.
Проблема №1 — переходных отверстий (via) становится слишком много на плате и это ограничивает место под проводники, что приводит к удлинению цепей, а следовательно и к увеличению их сопротивления. Уменьшает устойчивость цепей и сигналов к помехам.
Решение — используйте минимальное количество переходных отверстий: если вам нужно соединить 2 контакта на разных слоях, то не используйте более 1-го переходного отверстия. Если 2 контакта находятся на одном слое и вы не можете соединить их напрямую, то используйте максимум 2 переходных отверстия. Если вам нужно больше переходов для соединения, то что-то вы делаете не так — тренируйте логику и переразводите участок платы, который привел к проблеме.
Для соединения использовано минимальное количество переходных отверстий (via), что дает больше свободного места для других проводников и обеспечивает минимальные паразитные параметры проводника.
Несколько общих советов
Заключение
Надеюсь данная статья станет полезной для начинающих электронщиков и избавит их хотя бы от самых простых ошибок. Думаю не мало людей в данных правилах увидят и свои недочеты, но не стоит от этого правила слепо копировать. Всегда думайте головой и ищите лучший вариант, иногда и 4 переходных отверстия для 1-й цепи допустимы, если это позволяет вам улучшить конечный результат.
Те, кому данного материала мало — предлагаю ознакомиться со стандартами IPC по диагонали, сильно вчитываться смысла нет, а так же прочитать начальный курс «черной магии» от Говарда Джонса. В ней разобраны и физические принципы проектирования, а так же приводится множество рекомендаций по проектированию стандартных цепей и интерфейсов. Это раньше высокоскоростные цифровые цепи были чем-то магическим и возвышенным, но сегодня на дворе 2018 и с ними сталкиваются даже совсем новички, например, при подключение датчиков и памяти по SPI или дисплеев.
