Публикации

Компоновка элементов схемы. Печатные платы

6.1. Монтажная 'плата' для макетирования применяется при макетировании схемы и подготовке эскиза печатной платы и может быть изготовлена на основе гнезд многоконтактных разъемов МРН-22, МРН-44, ГРПМ-45, ГРПМ-61 и др. Конструкция состоит (рис, 6.1) из двух реек и двух прямоугольных пластин, дюралюминиевых, гетинаксовых или текстолитовых. На пластинах монтируются гнезда для подключения макетируемой схемы к источникам питания, к другим устройствам, подсоединения к схеме крупногабаритных деталей, которые нельзя закрепить на самой "плате”.
В рейках делают ряд отверстий диаметром 3,5 мм с шагом 10 мм для установки колодок и отверстия соответствующего диаметра для установки тумблеров, переменные резисторов и др. Рейки крепятся к пластинам на расстоянии друг от друга, соответствующем расстоянию между крепежными отверстиями выбранных колодок. Затем к рейкам крепятся колодки—с учетом расстояний между токонесущими выводами радиоэлемента или микросхемы.
Элементы схемы выводами вставляют в гнезда раэъемов. Если вывод входит в гнездо слишком свободно, то его слегка изгибают (например, с помощью приспособления, описанного в п. 5.4). На монтажную "плату” одинаково удобно устанавливать самые различные радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, транзисторы) и микросхемы.
Все необходимые соединения паяют с нижней стороны "платы” — на выводах разъемов. Поскольку выводы деталей вставлены в гнезда без пайки, замена элементов при отладке макетируемой схемы предельно упрощается.

6.2. Изготовление макета печатной платы. Платы с печатными проводниками и контактными площадками в любительской практике удобно использовать лишь тогда, когда устройство предварительно хорошо отработано. В процессе настройки приходится несколько раз демонтировать отдельные детали и устанавливать другие, а печатные контактные площадки под действием многократных тепловых и механических нагрузок, как правило, отслаиваются. Поэтому на этапе отладки схемы лучше применять монтажные платы, которые являются как бы макетом будущей печатной платы.
Пластину требуемых размеров из нефольгированного изоляционного материала (текстолит, гетинакс, фанера) обрабатывают с одной стороны мелкозернистой наждачной бумагой, обезжиривают и укрепляют необработанной стороной на деревянной дощечке толщиной 15— 20 мм. Сверху на пластину накладывают и в нескольких точках приклеивают лист бумаги с эскизом будущей печатной платы. В точках крепления выводов, изгиба проводников схемы, выводных контактных площадок сверлом 0 1—1,5 мм сверлят отверстия так, чтобы сверло, пройдя пластину насквозь, углубилось в дощечку на 10—12 мм. В полученные отверстия вставляют металлические штыри подходящего диаметра так, чтобы они выступали над поверхностью пластины на 5—10 мм. Можно использовать мелкие гвозди или отрезки жесткой проволоки.
Затем из луженого одножильного провода диаметром 0,3—0,5 мм изготовляют проводники платы. Для этого провод в соответствии с эскизом протягивают от штыря к штырю, обматывая каждый из них одним-двумя витками. Когда все соединения выполнены, эскиз, разрывая, удаляют пинцетом. Проводники должны быть плотно прижаты к поверхности.
После этого на участки проводников, расположенные между штырями, кисточкой осторожно наносят эпоксидный клей в таком количестве, чтобы проводники оказались приклеенными к поверхности платы. Необходимо следить за тем, чтобы клей не попал на штыри и витки провода, намотанные на них. После полного затвердевания клея штыри удаляют и готовую плату снимают с дощечки. Образовавшиеся на плате петли провода будут удобными контактными площадками для присоединения выводов радиоэлементов.
Закончив отладку схемы, отрабатывают рациональную компоновку элементов и уточняют эскиз.

6.3. Компоновка элементов на макетной плате. Работа по размещению элементов на плате значительно упрощается, если воспользоваться следующим приемом. На лист ватмана с размерами будущей платы наносят слой пластилина толщиной 2—4 мм. Этот лист в нескольких точках приклеивают к другому листу ватмана или миллиметровки.
В пластилин, слегка вдавливая выводы, устанавливают радиоэлементы и микросхемы. Необходимо при этом учитывать принципиальные особенности устройства (взаимовлияния цепей, температурные режимы элементов и т.д.), уменьшать длину соединительных проводников, не делать перемычек.
Выводы элементов предварительно изгибают соответствующим образом (формуют). Линии будущих печатных проводников прочерчивают на пластилине шилом. Перемещая элементы, находят наиболее рациональную компоновку.
Затем, поочередно снимая каждый элемент с макета, прокалывают шилом оба листа в точках будущих отверстий в плате. По нескольку проколов тонкой иглой делают вдоль будущих печатных проводников. После этого элемент устанавливают на прежнее место.
Отклеивают нижний лист, рисуют на нем соединения и обозначают места расположения элементов. Рисунок соединений переносят на фольгированную заготовку (пп. 6.6, 6.7). После этого детали с макетной платы снимают. Макетная плата может быть использована несколько раз.
В качестве основы для макетирования можно применить пластину пенопласта толщиной 25—30 м. В этом случае выводы элементов формуют и вдавливают в пенопласт. Когда наиболее рациональный вариант размещения выбран, на пенопласте чертят две взаимно перпендикулярные базовые линии. С помощью чертежного измерителя расстояния от базовых линий до контактных площадок измеряют и переносят на миллиметровую бумагу. Отметки соединяют линиями, завершая тем самым подготовку рисунка печатной платы.
Лист миллиметровой бумаги можно сразу наложить на пластину и, устанавливая элементы, прокалывать и бумагу. После определения наилучшей компоновки рисуют на миллиметровке соединения и снимают поочередно элементы, помечая на бумаге их схемный номер.

6.4. Разметка печатной платы под некоторые микросхемы и малогабаритные элементы (миниатюрные трансформаторы, реле и др.) с торцевым расположением выводов довольно трудоемка.
Разметка упрощается, если на поверхность платы в предполагаемом месте установки нанести слой пластилина толщиной 0,5—1 мм. Слой должен быть гладким и ровным. Затем подготовляют элемент (микросхему): выводы укорачивают до одинаковой длины (10—12 мм) и подгибают так, чтобы они были перпендикулярны основанию корпуса.
Элемент (микросхему) опускают на предполагаемое место установки и вдавливают выводы в пластилин до упора в поверхность платы, затем осторожно вынимают и шилом или остро заточенным кернером намечают по оставшимся следам выводов центры будущих отверстий в плате. После разметки слой пластилина снимают и сверлят отверстия.
Этот способ удобен и при компоновке элементов на плате.

6.5. Трафарет для изготовления печатных плат применяют в том случае, если необходимо изготовить несколько идентичных печатных плат.
На кальке вычерчивают рисунок печатной платы. Накладывают кальку на лист толстой контрастной фотобумаги со стороны эмульсии и прижимают стеклом, Освещают электролампой чертеж. Экспозицию подбирают опытным путем. После проявления и закрепления на фотобумаге получается негативное изображение рисунка печатной платы.
Пробойником (им может служить отрезок металлической трубки нужного диаметра с острозаточенными краями) пробивают отверстия на местах контактных площадок и вырезают изображения проводников. Полученный трафарет наклеивают водорастворимым клеем (пп. 4.15—4.17, 4.22) в нескольких точках на заготовку из фольгированного материала и наносят несколько слоев нитролака. После этого трафарет аккуратно снимают, смочив его теплой водой, и просушивают. Так готовят плату к травлению в азотной или соляной кислоте.
Если травление будет производиться в растворе хлорного железа, то в качестве защитного слоя можно использовать не нитролак, а обычный пластилин. На фольгированный материал накладывают трафарет и отверстия его заполняют пластилином. Излишки пластилина снимают ровным скребком или лезвием ножа. После травления, чтобы удалить оставшийся пластилин, плату слегка подогревают.

6.6. "Копирование” рисунка печатной платы. Предполагаемый, способ основан на светочувствительности меди. Для перенесения рисунка заготовку платы тщательно очищают, обезжиривают и на 1,5—3 мин опускают в раствор хлорного железа, после чего промывают и сушат. Со стороны фольги накладывают кальку с рисунком проводников и контактных площадок, выполненным черной тушью. Сверху кальку прижимают стеклом и освещают эту сторону заготовки лампой мощностью 200—300 Вт с расстояния 150—200 мм в течение 10— 20 мин. Экспозицию уточняют опытным путем.
Открытые участки фольги благодаря яркому освещению темнеют; участки, закрытые рисунком, не изменяют цвета. Снимают кальку, и рисунок платы оказывается воспроизведенным на поверхности фольги в виде светлых линий. Линии рисунка закрашивают кислотостойким лаком или каким-либо другим защитным составом и приступают к травлению платы обычным способом. Следует иметь в виду, что контрастность воспроизведенного на фольге таким способом рисунка постепенно ослабевает и через несколько дней рисунок может исчезнуть, поэтому наносить защитный слой нужно сразу после экспонирования.

6.7. Вычерчивание рисунка печатной платы. Перед выполнением рисунка фольгированную поверхность платы тщательно обезжиривают.
Можно наносить рисунок несмываемой чертежной тушью "Кальмар” (наиболее стойкий рисунок дает тушь синего цвета) с помощью ученического пера или рейсфедера, а также асфальтобитумным лаком—с помощью пера.
Для работы с асфальтобитумным лаком или нитрокраской можно изготовить простое приспособление. Иглу от медицинского шприца укорачивают до 8—10 мм, а основание иглы припаивают к концу пера от ученической ручки. Острие иглы шлифуют на мелкозернистой шкурке. Основание заполняют лаком или нитрокраской и вычерчивают рисунок. Используя иглы различного диаметра, можно наносить линии различной толщины. Вычерчивать рисунок можно также с помощью стеклянных чертежных трубочек или пустых стержней от шариковых ручек (из пишущего узла стержня при этом вынимают шарик). Заполняют трубочку или стержень красителем и на нерабочий конец надевают отрезок полихлорвиниловой трубки длиной примерно 0,5 м. Конец этой трубки берут в рот и, слегка подсасывая создают небольшое разрежение, препятствуя тем самым само-произвольному вытеканию красителя из стержня или чертежной трубочки.|
Хорошо наносить рисунок на плату "рейсфедером” из очищенного пластмассового стержня от шариковой ручки. Для этого стержень подогревают, вращая над пламенем спички, и, когда он размягчится, слегка растягивают. В месте нагрева образуется при этом сужение— перетяжка. После остывания стержня острым лезвием разрезают перетяжку, выбирая места разреза так, чтобы получить желаемое сечение стержня, а значит, и ширину будущих линий (рис. 6.2). Такие "рейсфедеры” пишут "мягче” по сравнению с металлическими или со стеклянными трубочками. Для более равномерного вытекания краски следует сделать клиновидный паз.
Удобно также при нанесении рисунка использовать баллон для заправки рейсфедеров тушью. Никаких переделок не требуется, причем в баллон можно заливать как тушь "Кальмар”, так и асфальтобитумный лак или нитролак. Ширина дорожки, наносимой за один проход, 1—2 мм. По окончании работы баллон закрывают колпачком, благодаря чему тушь или лак не засыхает и канал не засоряется.
Аккуратные линии проводников получают при вычерчивании их с помощью автоматических трубчатых ручек типа ЧП 1 или ЧП 1Б. В зависимости от диаметра пишущего узла можно вычерчивать линии шириной 0,3, 0,5 и 0,8 мм. Баллон авторучки заправляют тушью "Кальмар”.

6.8. Нанесение рисунка круглых контактных площадок, в центре которых отверстия для крепления выводов элементов, значительно упрощается, если воспользоваться шилом или толстой иглой (они должны плотно входить в отверстие).
После сверления отверстий в плате ее зачищают и обезжиривают. Затем острие шила (иглы) погружают в краситель, вводят в отверстие платы и поворачивают в нем 1—2 раза. Концентрация красителя должна быть такой, чтобы капля, стекая с острия, растекалась по плате в виде кружка. Для того чтобы получить контактные площадки одинакового диаметра, окунать шило нужно на одну и ту же глубину, лучше до упора в дно сосуда с красителем. При таком способе нанесения рисунка контактных площадок исключается подтравливание фольги непосредственно около отверстия, так как краситель, заливаясь в него, защищает фольгу от травления. После подсыхания красителя на плате рисуют проводники.
Отверстия очищают от остатков красителя сверлом чуть большего диаметра. Вращающееся сверло нужно вводить в отверстие со стороны фольги. При этом удобно пользоваться одним из инструментов, описание которых приведено в пп. 5.11, 5.24.

6.9. Нанесение рисунка контактных площадок для выводов микросхем в корпусах 401.14-3 или 401.14-4 (например” серии 133 или 134)—трудоемкая операция. Значительно облегчает ее приспособление, изготовленное из корпуса негодной микросхемы соответствующей серии. К корпусу припаивают ручку от отрезка медной проволоки, а выводы микросхемы формуют, как для монтажа на плате. Если теперь выводы окунуть в лак и приложить к фольгированной стороне заготовки платы, то получится оттиск. Таким способом можно легко и быстро "отпечатать” на заготовке платы необходимое число контактных площадок под выводы микросхем. Разводку выводов на плате выполняют как обычно—рейсфедером или пером.

6.10. Выполнение рисунка печатной платы резаком. Зачищенную и обезжиренную поверхность фольгированной стороны заготовки покрывают тонким слоем асфальтобитумного лака и подсушивают. На лакированную сторону заготовки накладывают чертеж печатной платы и шилом переводят контуры. Резаком, аналогичным тому, описание которого приведено в п. 5.13, по лакированной поверхности обводят проводники, прорезая слой лака до фольги. После этого заготовку травят в растворе хлорного железа.
Использование асфальтобитумного лака обусловлено сохранением его вязкости в течение длительного времени. Быстросохнущие лаки и краски в данном случае непригодны.

6.11. Выполнение рисунка печатной платы с помощью липкой пленки. Рисунок печатной платы, выполненный на бумаге, закрепляют на фольгированной стороне заготовки с помощью резинового клея или пластилина и кернером намечают на ней через бумагу отверстия под выводы деталей. Отверстия сверлят сверлом 0,8—1 мм. Если необходимо изготовить несколько одинаковых плат, сверлят сразу всю пачку заготовок, предварительно зажав ее в тисках.
Затем фольгированную сторону заготовки зачищают, обезжиривают и наклеивают на нее липкую ("самоклеящуюся”) декоративную пленку светлого тона. Сквозь отверстия в заготовке пленку прокалывают шилом и карандашом повторяют на ней рисунок проводников и контактных площадок печатной платы.
Скальпелем или острозаточенным ножом прорезают слой пленки до фольги по контуру рисунка. Участки пленки, соответствующие вытравляемым участкам фольги, снимают и погружают заготовку в раствор хлористого железа. После травления заготовку промывают, сушат.
Если при травлении печатной платы в качестве защитной использовать прозрачную пленку с липким слоем, то перед наклеиванием пленки целесообразно перенести рисунок платы на зачищенную и обезжиренную поверхность фольги через копировальную бумагу.
Вырезание пленки по рисунку платы можно облегчить следующим способом. Простой карандаш с грифелем твердостью Т или 2Т остро затачивают с одного конца, а к другому концу, частично обнажив грифель, с помощью зажима "крокодил” или проволочного бандажа подключают один из выводов накальной обмотки (6,3 В) трансформатора. Второй вывод обмотки надежно соединяют с фольгой заготовки платы. Включают трансформатор в сеть через ЛАТР и острием грифеля карандаша прокалывают липкую пленку. В точке касания грифеля с фольгой выделяется теплота и пленка расплавляется. Подбирая силу тока, добиваются хорошего расплавления пленки при движении острия карандаша по контуру рисунка.
В качестве защитного слоя при травлении печатной платы можно также использовать полихлорвиниловую изоляционную ленту. Кусок ленты длиной 10—12 см накладывают липкой стороной на чистое органическое стекло, скальпелем по линейке отрезают полоски требуемой ширины, а затем переносят их пинцетом на подготовленную пластину из фольгированного материала и приклеивают в соответствии с рисунком платы. При наклейке особенно аккуратно надо выполнять стыки.
Если имеется рулон липкой пленки (декоративной или типа "скотч”), то можно поступить следующим образом. На токарном станке из рулона нарезают "шайбы” нужной толщины. Из этой же пленки трубочкой вырубают кружки нужного диаметра.
Затем обезжиривают фольгированную поверхность заготовки, наносят на нее карандашом рисунок печатной платы, в местах контактных площадок сверлят отверстия и приступают к ‘выклеиванию’ рисунка печатной платы: на контактные площадки наклеивают вырубленные кружки и соединяют их липкой лентой, катая по поверхности заготовленную из рулона "шайбу”, (рис. 6.8). Повороты токоведущих дорожек при большом радиусе закругления можно "выклеивать”, деформируя ленту, а при резких изменениях направления—разрезая ленту и подклеивая ее "встык”.

6.12. Растворы для травления. Существуют различные составы для травления, фольгированного материала при изготовлении печатных плат.
1-й рецепт. Для форсированного (в течение 4—6 мин) травления можно использовать следующий состав (в массовых частях): 38 %-ная соляная кислота плотностью 1,19 г/см3 (20), .30 %-ный пероксид (перекись) водорода—пергидроль, (20), вода (60). Если пероксид водорода будет иметь концентрацию 16—18%, то на 20 массовых частей кислоты берут 40 частей пер оксида и столько же воды. Сначала смешивают с водой пероксид. а затем добавляют кислоту. Печатные проводники и контактные площадки следует защищать кислотостойкой краской, например нитроэмалью НЦ-11.
2-й.рецепт. В стакане холодной воды растворяют 4—6 таблеток пероксида водорода и осторожно добавляют 15—25 мл концентрированной серной кислоты. Для нанесения рисунка печатной платы на фольгированный материал можно пользоваться клеем БФ-2. Время травления в данном растворе приблизительно 1 ч.
3-й рецепт. В 500 мл горячей (примерно 80 °С) воды растворяют четыре столовые ложки поваренной соли к две ложки растолченного в порошок медного купороса. Раствор приобретает темно-зеленую окраску. Готов к применению сразу после остывания. Раствора хватает для снятия 200 см3 фольги. Время травления около 8 ч. Если рисунок печатной платы выполнен достаточно теплостойкой краской или лаком, температуру раствора можно довести примерно до 50 °С, и тогда интенсивность травления увеличится.
4-й рецепт. Растворяют 350 г хромового ангидрида в 1л горячей воды (60—70 °С), затем добавляют 50 г поваренной соли* После того как раствор остынет, приступают к травлению. Время травления 20—60 мин. Если в раствор добавить 50 г концентрированной серной кислоты, то травление будет более интенсивным.
5-й рецепт, В 200 мл теплой воды растворяют 150 г хлорного железа в порошке.

6.13. Приготовление хлорного железа. Если нет хлорного железа в готовом виде (в порошке), то его можно приготовить самому. Для этого необходимо иметь 9%-ную соляную кислоту и мелкие железные опилки. На 25 объемных частей кислоты берут одну часть железных опилок. Опилки засыпают в открытый сосуд с кислотой и оставляют на несколько дней. По окончании реакции раствор становится светло-зеленого цвета, а через 5—6 дней Окраска меняется на желто-бурую—раствор хлорного железа готов к применению.
Для приготовления хлорного железа можно использовать порошкообразный железный сурик. При этом на одну объемную часть концентрированной соляной кислоты требуется 1,5—2 части сурика. Компоненты смешивают в стеклянной посуде, добавляя сурик небольшими порциями. После прекращения химической реакции на дно выпадает осадок и раствор хлорного железа Готов к применению.

6.14. Гальваническое травление. Для этого способа необходим источник постоянного тока напряжением 25— 30 В и насыщенный раствор поваренной соли.К обезжиренной и высушенной заготовке из фольгированного материала с помощью зажима "крокодил”-присоединяют положительный полюс источника тока.
К отрицательному полюсу источника подключают провод, конец которого зачищают и сворачивают петлей. На петлю наматывают тампон из ваты и обильно пропитывают его насыщенным раствором поваренной соли.
Слегка прижав тампон к фольге, перемещают его до заготовке При этом фольга, не защищенная краской смывается”. Тампон почаще пропитывают раствором по мере загрязнения заменяют новым.
Гальваническое травление можно выполнить и несколько по-иному. На заготовку через копировальную бумагу переносят рисунок печатной платы.Затем фольгу покрывают тонким слоем разогретого парафина или воска. Контуры печатных проводников и контактных площадок обводят с легким нажимом острозаточенным шилом или иглой и с участков фольги, подлежащих травлению, снимают защитное покрытие. К фольге присоединяют положительный полюс источника постоянного тока напряжением 4—12 В. Отрицательный полюс источника подключают к металлическому сосуду для травления (можно использовать сосуд из любого металла, например жестяную консервную банку). В сосуд заливают насыщенный раствор поваренной соли, погружают в него заготовку платы и включают источник питания При этом на участках фольги, с которых удалено защит-ное покрытие, появляется зеленоватый налет в виде накипи — происходит процесс травления. Во время травления нельзя допускать, чтобы температура раствора значительно повышалась, иначе защитное покрытие может нарушиться, поэтому металлический сосуд помещают в ванну с проточной холодной водой.

6.15. Изготовление печатной платы на нефольгиро ванном материале. Если нет под рукой фольгированного материала, то гальваническим наращиванием меди можно изготовить печатную плату на гетинаксе, текстолите, плотном картоне (прессшпане) и даже на ватмане. Для этого поверхность будущей платы с одной стороны зачищают мелкозернистой наждачной бумагой или школьной чернильной резинкой и наносят на заготовку карандашом рисунок печатных проводников и контактных площадок. После сверления отверстий покрывают тонким слоем клея БФ-2 места, которые необходимо металлизировать. Так как в дальнейшем на печатный монтаж будет нанесен слой меди электролитическим способом, проводники (и площадки) должны быть электрически соединены между собой узкими технологическими перемычками, удаляемыми после меднения. Чтобы легче было отделить временные перемычки от платы, линии их наносят вначале жирно мягким карандашом и лишь затем клеем.
После нанесения клея заготовку выдерживают 15 мин, чтобы клей подсох, затем кладут на ровную подставку и тонким слоем насыпают на нее бронзовый порошок, используемый для приготовления бронзовой краски. Заготовку с порошком накрывают двумя-тремя слоями писчей бумаги и прижимают утюгом, нагретым до температуры 120—150 °С. Через 2—3 мин утюг снимают. После остывания излишки порошка удаляют, заготовку промывают тампоном под струей воды и ретушируют. Для того чтобы повысить электрическую проводимость. проводников и контактных площадок, их можно с по мощью мягкой кисточки обработать раствором двухлористого олова (3—4 г на 25—30 мл воды) и промыть еще раз в проточной воде.
К какой-либо из технологических перемычек присоединяют пайкой провод и заготовку помещают в кон центрированный раствор медного к