От проводов к печатной плате

Схема из модуля 3 — это идея: какие компоненты и как соединены. Чтобы идея заработала, компоненты нужно где-то закрепить и соединить проводниками. Этот модуль о том, на чём собирают схему. Прежде чем рисовать плату в Altium, полезно понять, что такое плата физически и как её делают.

Как соединяли раньше и как соединяют сейчас

Навесной монтаж. Компоненты паяют друг к другу или к монтажным лепесткам, соединяют проводами. Так собирали ламповую технику. Это долго, каждое изделие получается немного другим, а ошибку в проводах трудно найти.

Макетная плата (breadboard). Пластиковая панель с пружинными контактами: компоненты и перемычки втыкаются без пайки. Отлично подходит для проверки идеи (урок 3.10), но контакты ненадёжны, длинные перемычки ловят помехи, а SMD-компоненты туда не вставить.

Печатная плата (printed circuit board, PCB). Все соединения нарисованы заранее медными проводниками (traces, дорожками) на изолирующем основании. Компоненты паяют в отведённые места. Идея запатентована в 1930-х годах и стала массовой после Второй мировой войны.

Что даёт печатная плата:

• повторяемость — тысячи одинаковых плат с одинаковыми соединениями;
• надёжность — нет проводов, которые перетираются и отваливаются;
• компактность — дорожки шириной в десятые доли миллиметра, компоненты размером с крупинку;
• предсказуемые электрические свойства — длина, ширина и расстояние до земли известны, а значит известны сопротивление, ёмкость и индуктивность соединений;
• автоматическая сборка — машины ставят и паяют тысячи компонентов в час (урок 4.7).

Аналогия: навесной монтаж — это просёлочные дороги, которые каждый прокладывает как хочет. Печатная плата — город с заранее спроектированной сетью улиц: дороже на этапе проекта, но потом по ней ездят тысячи машин без пробок и аварий.

Из чего состоит плата

Рис. 4.1. Разрез двухслойной платы (не в масштабе). Медь лежит по обе стороны стеклотекстолитового ядра, сверху её закрывает паяльная маска с окнами под пайку, поверх маски — шелкография. Металлизированные отверстия соединяют слои и держат выводы компонентов.

Снизу вверх:

• Основание (base material, ядро). Чаще всего стеклотекстолит FR-4: стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой. Даёт механическую прочность и изолирует слои меди друг от друга. Подробно — урок 4.2.
• Медь (copper). Тонкий слой фольги, обычно 18–35 мкм. Из неё вытравливают дорожки, площадки и сплошные заливки (полигоны). Урок 4.3.
• Отверстия (holes). Металлизированные отверстия соединяют медь разных слоёв и держат выводы компонентов. Урок 4.4.
• Паяльная маска (solder mask). Защитный лак, обычно зелёный. Закрывает медь там, где пайка не нужна: защищает от окисления и не даёт припою растечься по дорожкам.
• Финишное покрытие (surface finish). Тонкий слой на открытой меди площадок, который сохраняет её паяемой.
• Шелкография (silkscreen, легенда). Надписи краской поверх маски: позиционные обозначения (R1, C2), контуры компонентов, ключи, логотипы. Маске, покрытиям и шелкографии посвящён урок 4.5.

Площадки и компоненты

Площадка (pad) — открытый участок меди, к которому паяется вывод компонента. Площадки бывают двух типов:

• для выводных компонентов (through-hole, THT) — вокруг металлизированного отверстия, вывод проходит насквозь;
• для компонентов поверхностного монтажа (SMD) — плоские, вывод лежит сверху.

Набор площадок под конкретный корпус называется посадочным местом (footprint). Его создание — тема модуля 8.

Сколько слоёв

Тип	Медь	Где используют
Односторонняя	один слой	дешёвые блоки питания, игрушки, светодиодные ленты
Двухсторонняя	два слоя, переходы через металлизированные отверстия	большинство любительских и многих промышленных устройств
Многослойная	4, 6, 8 и более слоёв	микроконтроллеры с быстрыми интерфейсами, телефоны, компьютеры

Наша цель в курсе — двухсторонняя плата. Её делают все производители, она дешёвая и позволяет развести схему на микроконтроллере средней сложности. О многослойных платах — модуль 9.

📖Из учебникагл. 1, §1.34, с. 65; гл. 3, §3.15, с. 177

Хоровиц пишет о печатных платах вскользь: подстроечные потенциометры, по его словам, ставят прямо на плату и настраивают «раз и навсегда», а лучшая регулировка — та, которой нет. В разделе про МОП-транзисторы он советует ставить последовательный резистор в цепь затвора, когда сигнал приходит с другой платы. Совет в духе этого модуля: то, как схема разбита на платы и разъёмы, влияет на её надёжность.

🛠Особенность Altium

В Altium плата — это документ .PcbDoc. Слои, которые ты видишь в редакторе (Top Layer, Top Solder, Top Overlay, Bottom Layer и другие), соответствуют физическим слоям с рисунка 4.1. Видимостью слоёв управляет панель View Configuration (клавиша L), а в трёхмерный вид платы переключает клавиша 3 (обратно в 2D — 2).

Практика

Возьми любую ненужную плату — от старой мыши, зарядки, игрушки — и рассмотри её при хорошем свете, лучше с лупой.

1. Найди маску, шелкографию, площадки, дорожки и переходные отверстия.
2. Посчитай, сколько слоёв меди. Подсказка: если с обеих сторон есть дорожки и отверстия соединяют их, плата как минимум двухсторонняя. Если на ровном месте есть переходные отверстия, которые не ведут ни к одной видимой дорожке, слоёв, скорее всего, больше двух.
3. Найди компоненты THT и SMD. Прочитай позиционные обозначения на шелкографии.

🧯 Типичные ошибки

Плату путают с макеткой

Почему Макетка хороша для проверки идеи, но контакты ненадёжны, длинные перемычки ловят помехи, SMD туда не вставить.

Как исправить Сначала проверь узел на макетке или в симуляторе, затем рисуй плату. Окончательные измерения делай на плате.

«Маска — это просто краска для красоты»

Почему Маска защищает медь и не даёт припою растекаться между выводами. Без неё мелкие корпуса паять почти невозможно.

Как исправить Маску не убирают без причины. Где и как в ней делают окна — урок 4.5.

Ждут, что надписи на плате появятся сами

Почему Шелкографию рисует конструктор. Без неё плату трудно собрать и отлаживать.

Как исправить Позиционные обозначения, ключ первого вывода и полярность — минимум, который всегда должен быть на шелкографии.

Проверь себя

1. 1. Зачем на плате паяльная маска?

   Для красоты и цветаЧтобы защитить медь и не дать припою растечься там, где пайка не нужнаЭто изолятор между слоями меди
2. 2. Как называется набор площадок под конкретный корпус компонента?

   ПолигонПосадочное место (footprint)Шелкография
3. 3. Чем двухсторонняя плата отличается от односторонней?

   Медь с двух сторон, слои соединены металлизированными отверстиямиКомпоненты стоят с двух сторон, медь только с однойОна вдвое толще
4. 4. Что из перечисленного НЕ является преимуществом печатной платы перед навесным монтажом?

   ПовторяемостьВозможность автоматической сборкиНе нужно заранее проектировать соединения

🎯Практическое задание~20 мин

Сфотографируй разобранную плату с двух сторон и подпиши на фото (в любом редакторе) не меньше шести элементов: дорожку, SMD-площадку, THT-площадку, переходное отверстие, позиционное обозначение, маску. Если слоёв больше двух, объясни, по каким признакам ты это понял. Фото пригодятся в уроке 5.11, где мы будем искать ошибки на чужих платах.