10 лучших программ для проектирования печатных плат

Что такое печатные платы?

Современные гаджеты не представляют своего существования без такого компонента, как печатная плата. Заготовка представляет из себя пластинку с диэлектрического материала, которая содержит цепи, проводящие электрический ток.

Располагаться такие «жилки» могут либо на самой поверхности диэлектрика, либо же бывают внедрены во внутреннюю часть основы печатной платы.

Назначение плат – объединение компонентов электронных устройств в единую сеть. Они проводят электричество и соединяют элементы гаджета в цельную механическую структуру. Выводы на концах плат крепятся один к одному при помощи пайки.

Из чего состоит печатная плата:

Классификация плат для печати зависит от таких факторов, как температурный порог использования и отрасль применения.

Классификация печатных плат по количеству слоев:

• Односторонняя – покрытие из фольги для диэлектрика наносится лишь на одну сторону.
• Двухсторонние – покрытие из фольги для диэлектрика наносится на две стороны печатной платы.
• Многослойные – диэлектрическая основа имеет несколько слоев, на каждом из которых располагается покрытие из фольги.

При производстве различных электронных устройств могут возникать проблемы с функциональностью самой основы. Слишком хрупкий диэлектрик становится проблемой в смартфонах с гибким дисплеем, а работа типичной платы в условиях повышенных температур приводит к ее плавке и, соответственно, выходу из строя.

Увеличивающейся ассортимент продукции повлек за собой появление новых решений по реализации компонентов. Это заставило производство печатных плат внедрить еще одну классификацию на основании свойств материала диэлектрической основы. В технической литературе появились такие термины, как жесткие и гибкие платы для печати.

Существуют также отдельные технологические решения, учитывающие особенности применения плат для печати (высокая/низкая частота, температура и тому подобное).

Официальная документация по производству печатных плат состоит из 5 нормативных документов, перечень которых можете увидеть на рисунке:

Нанесение рисунка на стеклотекстолит

Чертеж платы на текстолит можно нанести вручную или с помощью одной из многих технологий. Наибольшей популярностью пользуется лазерно-утюжная технология.

Нанесение рисунка вручную начинают с обозначения монтажных площадок вокруг отверстий. Их наносят с помощью рейсфедера или спички. Отверстия соединяют дорожками в соответствии с чертежом. Чертить лучше нитрокраской, в которой растворена канифоль. Такой раствор обеспечивает прочное сцепление с платой и хорошую устойчивость при травлении с высокой температурой. В качестве краски можно использовать асфальтобитумный лак.

Изготовление печатных плат с помощью лазерно-утюжной технологии дает неплохие результаты

Важно правильно и аккуратно выполнять все операции. Обезжиренную плату нужно положить на ровную поверхность медью вверх

Сверху аккуратно разместить рисунок тонером вниз. Дополнительно положить еще несколько листов бумаги. Полученную конструкцию прогладить горячим утюгом примерно 30-40 секунд. Под воздействием температуры тонер должен перейти из твердого состояния в вязкое, но не в жидкое. Дать плате остыть и поместить ее на несколько минут в теплую воду.

Бумага раскиснет и легко сдерется. Следует внимательно осмотреть полученный рисунок. Отсутствие отдельных дорожек свидетельствует о недостаточной температуре утюга, широкие дорожки получаются при слишком горячем утюге или чрезмерно длительном нагреве платы.

Небольшие дефекты можно подправить маркером, краской или лаком для ногтей. Если заготовка не понравилась, то надо смыть все растворителем, зачистить наждачной бумагой и повторить процесс заново.

Процесс изготовления печатных плат методом ЛУТ

Нам понадобиться:

• Лазерный принтер
• Односторонний стеклотекстолит
• Мелкая наждачная бумага, ацетон
• Глянцевая бумага
• Хлорное железо
• Утюг с регулировкой температуры 150 °C

Дизайн печатной платы

Начнем с дизайна платы, это может быть готовый образец из журнала по электронике или проект, созданный специализированными программами для проектирования, например, DipTrace или Sprint-Layout.

Рисунок с дорожками в пропорции 1:1 следует печатать на глянцевой бумаге (это может быть страница из журнала или рекламного буклета). Выбор бумаги очень важен, дело в том, что напечатанные тонером дорожки в дальнейшем будут переведены на медную сторону текстолита. Чем больше поверхность будет глянцевая, тем точнее и качественнее будет перенос дорожек.

Фольгированный стеклотекстолит для платы

Материалом для изготовления печатных плат является фольгированный стеклотекстолит, покрытый медной фольгой с одной или с обеих сторон. Обрезаем его по размеру нашей будущей печатной платы.

Перед нанесением рисунка на фольгу, ее необходимо хорошо подготовить (очистить наждачной бумагой с самым маленьким зерном и обезжирить). На меди не должно быть загрязнений или отпечатков пальцев, они вызывают плохое прилегание рисунка, который впоследствии может отойти при травлении.

После зачистки нужно помыть стеклотекстолит с помощью мыла или жидкости для мытья посуды. Вымытую пластину тщательно вытираем и сушим бумажным полотенцем. С этого момента вы уже не должны прикасаться к меди пальцами, только держите ее за края.

Нанесение рисунка на стеклотекстолит

Рисунок будущей платы распечатываем черным тонером на глянцевой бумаге. Затем лист бумаги с рисунком обрезаем по контуру платы с запасом около 2 см. Далее лист укладываем на стол рисунком  вверх и на него медной стороной вниз укладываем стеклотекстолит.

После этого плотно прижимаем (чтобы не допустить смещения), подгибаем выступающие края бумаги и фиксируем все бумажным скотчем.

Чтобы перенести рисунок нам необходимо тщательно несколько раз прогладить его горячим утюгом. После остывания необходимо замочить плату в теплой воде и аккуратно счистить бумагу. Когда бумага будет полностью удалена необходимо выполнить травление меди.

Травление печатной платы в растворе хлорного железа

Травление печатной платы заключается в удалении тех участков меди, которые не покрыты тонером. Этот процесс осуществляется с помощью водного раствора хлорного железа. Раствор готовим в таких пропорциях, как рекомендует производитель, его концентрация влияет на скорость травления.
Травление выполняем в пластиковой или стеклянной кювете, и нельзя использовать металлическую. Более подробно как травить печатную плату смотрите здесь.

При концентрированном растворе травление длится около 30 минут. В ходе его проведения необходимо постоянно покачивать кювету для того чтобы, раствор равномерно омывал поверхность платы.

Снятие тонера

Последний этап – промывание платы под проточной водой и удаление тонера с помощью ацетона.

Платой снова шлифуется мелкой наждачной бумагой, покрывается жидким флюсом и облуживается. В качестве флюса можно рекомендовать растворенный порошок канифоли в спирте.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор
Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Что такое печатная платa

Печатная плата внешне представляет собой пластину диэлектрика. На поверхности изделия расположена электросхема. Пластина из диэлектрика необходима для соединения электронных составляющих. Выводы компонентов платы спаивают с частями проводящего рисунка.

Рисунок электросхемы выполняют из фольги на прочной изолирующей поверхности. Для монтирования планарных и выводных элементов в печатной плате проделывают специальные отверстия и площадки. Фольга в плате расположена на нескольких слоях, поэтому электрическое соединение с ней обеспечивают переходные отверстия. Внешняя поверхность платы покрыта защитным слоем (паяльной маской) и метками (дополнительная графика и текст согласно с конструкторскими документами).

Классификация печатных плат согласно количеству слоев фольги с рисунком:

• односторонние;
• двухсторонние;
• многослойные (соединение нескольких пластин с одним или двумя слоями).

ВАЖНО! Количество слоев увеличивают в зависимости от степени сложности монтажа проекта

Перенос рисунка на подготовленный текстолит

3) Третий этап – самый ответственный. Необходимо напечатанный на термотрансферной бумаге рисунок перенести на подготовленный текстолит. Для этого отрезаем бумагу так, как показано на фото, оставляя запасы по краям. На ровную деревянную дощечку кладём бумагу рисунком вверх, затем сверху прикладываем текстолит, медью к бумаге. Загибаем края бумажки так, как будто она обнимает кусочек текстолита. После этого аккуратно переворачиваем бутерброд, чтобы бумага оказалась сверху. Проверяем, чтобы рисунок никуда не сместился относительно текстолита и кладём сверху чистый кусочек обычной офисной белой бумаги так, чтобы он закрывал собой весь бутерброд.

Теперь осталось лишь всё это дело хорошенько нагреть, и весь тонер с бумаги окажется на текстолите. Нужно приложить разогретый утюг сверху и нагревать бутерброд в течение 30-90 секунд. Время нагрева подбирается экспериментально и во многом зависит от температуры утюга. Если тонер перешёл плохо и остался на бумаге – нужно держать дольше, если же, наоборот, дорожки перевелись, но размазались – явный признак перегрева. Давить на утюг при этом не нужно, хватает его собственного веса. После прогрева нужно убрать утюг и прогладить ещё не остывшую заготовку ватным тампоном, на случай, если в некоторых местах тонер плохо перешёл при глажке утюгом. После этого остаётся только подождать, пока будущая плата остынет и снять термотрансферную бумагу. С первого раза может не получиться, это не беда, ведь опыт приходит со временем.

Засветка

Я засвечиваю лампой 26Вт black-light с расстояния 12 см, 15 минут. Для этого сделал такое вот устройство:

Внимание! Это старые фото! В итоге я убрал отражатель из фольги и засветки проводу без отражателя!

Лампу включаю заранее за 1-2 минуту до засветки, чтобы прогрелась, но мне кажется, что при 15 минутах засветки это неважно. Кладем плату, сверху на нее фотошаблон, прижимаем или стеклом или пакетом с водой, и сверху ставим аппарат засветки

Ждем 15 минут ничего не двигая! Даже после 10 секунд уже двигать поздно!

Кладем плату, сверху на нее фотошаблон, прижимаем или стеклом или пакетом с водой, и сверху ставим аппарат засветки. Ждем 15 минут ничего не двигая! Даже после 10 секунд уже двигать поздно!

Хитрости тут две:

1. Я на фоторезист (т.е на верхнюю пленку на нем) капаю немного воды, кладу фотошаблон тонером вниз и прикатываю его к фоторезисту. С водой он так прилипает, что кажется и прижимать не надо. Но я так не рисковал. Думаю, что если у вас дорожки и зазоры от 0.4-0.5мм, то действительно можно не прижимать
2. Пакет с водой ничуть не хуже стекла, а для неровного текстолита просто спасение. Берем пакет, наливаем в него теплой воды из-под крана на половину. Теперь ставим его на пол, а верх пакета кладем на что-то не очень высокое, но так, чтобы вода не выливалась. Например, на коробку из-под обуви. Разумеется, верхний край пакета держать надо постоянно. После этого через бумагу утюгом на 3 (трех) точках проглаживаем верхние 5-10 сантиметров пакета, чтобы все хорошо слиплось. Пакет, однако, долго не живет. По крайне мере мои пакеты после 30 минут засветки УФ начинают протекать без видимых причин. Видать, они разлагаются под действием ультрафиолета.

Как альтернативный вариант, я могу перевернуть аппарат засветки, положить на него сверху стекло, а не стекло плату с фоторезистом и фотошаблоном, который держится на воде, а сверху небольшой груз. Иногда так удобнее.

Кстати, именно печать на лазерном принтере позволяет использовать воду для приклеивания шаблона водой. Струнный шаблон будет размазываться.

После того, как пойдет 15 минут, снимите шаблон, положите плату в темное место на 10 минут. Мне действительно кажется, чтобы если дать фоторезисту плате «дойти» после засветки, то он лучше держится и меньше растворяется, где не надо. Это субъективно, замеров не делал.

Какое отношение к этому имеют бутерброды?

Честно говоря, аналогия с бутербродами не совсем идеальна, но чем больше я пытался придумать идеальное физическое представление о том, как изготавливается печатная плата, тем больше подходил именно бутерброд. У вас есть верхние и нижние слои (это хлеб), ваши внутренние слои (это мясо, сыр и приправы), и все это в итоге объединяется в единое целое.

Типичный набор слоев печатной платы выглядит своего род как бутерброд (картинка слева)

Прежде чем мы начнем, важно знать, что печатные платы производятся на больших панелях, которые содержат

множество других печатных плат. Может быть, они все ваши, а иногда несколько разработок объединяют в одну панель, чтобы сэкономить деньги. Процесс, о котором мы поговорим ниже, заключается в создании полноценной многослойной платы, а если вы просто имеете дело с 1-2 слойными платами, тогда этапов будет меньше.

Разработка и изготовление макета

Чертеж платы можно выполнить вручную или на компьютере с помощью одной из специальных программ.

Вручную лучше всего выполнять рисунок платы на бумаге от самописцев в масштабе 1:1. Подходит также миллиметровая бумага. Устанавливаемые электронные компоненты должны изображаться в зеркальном отражении. Дорожки одной стороны платы изображаются сплошными линиями, а другой – пунктирными. Точками отмечаются места крепления радиоэлементов. Вокруг этих мест рисуют паечные площадки. Все чертежи обычно выполняют рейсфедером. Вручную, как правило, делают простые рисунки, более сложные схемы печатных плат разрабатывают на компьютере в специальных приложениях.

Чаще всего используют простую программу Sprint Layout. Для печати годится только лазерный принтер. Бумага должна быть глянцевая. Главное, чтобы тонер не въедался, а оставался сверху. Принтер нужно настроить так, чтобы толщина тонера чертежа была максимальной.

Промышленное производство печатных плат начинается с ввода принципиальной схемы прибора в систему автоматизированного проектирования, которая создает чертеж будущей платы.

Подготовка текстолита с фоторезистом

На эту тему интернет просто завален статьями, но ради целостности и ради некоторых специфических моментов я опишу и такие широко известные этапы как подготовка и травление текстолита.

Мой первый опыт такого изготовления был пару дней назад с отечественным фоторезистом ПФ-ВЩ. С учетом последнего вчерашнего опыта я категорически советую не тратить время на этот фоторезист, а сразу брать приличный — Ordyl Alpha 350(330) 🙂 Говорят, еще Kolon приличный, но его я не пробовал. С фоторезистом Ordyl результаты получаются гораздо более стабильные и точные, он проще проявляется и гораздо крепче держится на фольге. И он может простить те ошибки, которые будут критичными для ПФ-ВЩ

И что немаловажно — продается в куче мест довольно недорого

3.1 Подготовка текстолита

Начну с того, что текстолит должен быть ровным, очень желательно с гладкой фольгой без царапин и вмятин. Иначе шансы на успех снижаются.

Если изготавливается двухсторонняя плата, то нужно сразу вырезать из текстолита плату точно в размер. Если есть какой-нибудь CNC-фрезер, то можно за одну установку сразу и просверлить все отверстия и вырезать по контуру, как это делаю я. Если нет, то сверловку лучше оставить на потом, когда плата будет вытравлена.

После этого заготовку текстолита необходимо очень тщательно почистить и обезжирить. Это можно сделать кухонной абразивной губкой (но только не использованной для мытья посуды, на которой уже накопились жиры) и чистящим порошком наподобие Пемолюкса. Очень тщательно, не спеша трем каждый квадратный миллиметр фольги, не трогая ее пальцами. Вообще, фольгу после начала чистки трогать пальцами категорически не советую, на ней не должно быть ни малейшего даже самого слабого жирного пятнышка. После чистки тщательно промыть в проточной воде, стряхнуть излишки воды и дать ей высохнуть. Промакать или протирать чем-либо не советую, т.к. можно нанести жировые загрязнения, даже с новой салфетки.

3.2 Нанесение фоторезиста

Тоже довольно изъезженная в интернетах тема, поэтому пройдусь коротко.

Фоторезист обычно идет в листах или рулонах. Состоит он из трех слоев — две защитные пленки и сам фоторезист между ними. От фоторезиста отрезается кусочек по размеру платы +5 мм по длине и ширине, затем с него снимается матовая (полиэтиленовая) защитная пленка.

вторая, глянцевая (лавсановая) должна оставаться на нем вплоть до этапа травления.

Проще всего снять пленку с помощью кусочка скотча. Он клеится краем на уголок фоторезиста и затем отгибается назад, утягивая за собой и защитную пленку.

После снятия матовой пленки фоторезист прикладывается к краю платы и приглаживается по этому краю пальцем. Остальной фоторезист держится на весу, без натяга, но так, чтобы как можно меньшая его площадь ложилась на фольгу.

Учтите, что если фоторезист Ordyl упадет на хорошо подготовленный текстолит, то он может намертво приклеиться к нему, и без пузырей его уже не накатаешь. Придется отскребать его и повторять все заново. А ПФ-ВЩ может падать сколько угодно — он точно не приклеится 🙂

Теперь сама накатка. Если у Вас есть ламинатор, в который по толщине пролезет текстолит, то просто замечательно. Делаем из сложенной вдвое полоски бумаги типа конвертика, кладем текстолит с прилепленным краем фоторезиста в него, и подаем этот бутерброд в ламинатор, нагретый до 100-110 градусов. При этом продолжаем придерживать фоторезист, чтобы он соприкасался с фольгой текстолита только непосредственно на входе ламинатора.

Для Ordyl на этом все, для ПФ-ВЩ будет невредным прокатать еще пару раз.

Если ламинатора нет, то приглаживаем фоторезист к текстолиту пальцем от края до края, постепенно опуская его на текстолит. Главное — не поймать пузыри. После того как весь фоторезист лег на фольгу, берем фен и прогреваем текстолит градусов до 70, после чего еще раз хорошенько проглаживаем весь фоторезист.

После накатки даем текстолиту с фоторезистом отлежаться минут 15-20, или как минимум пока они не остынут до комнатной температуры — по рекомендации производителя фоторезиста.

И теперь все готово для засветки рисунка слоя 🙂

Плата —> SVG

Когда плата готова, нужно перегнать её в SVG для дальнейшей доработки. Лучше выгрузить плату из EDA без отзеркаливания, чтобы точно не запутаться и отзеркалить как надо.

А надо отзеркалить только передний слой F.Cu. Поскольку на задний слой B.Cu мы в редакторе смотрим со стороны переднего, он уже отзеркален. Для надёжности, лучше поместить хоть какой-нибудь текст на оба слоя и следить за тем чтобы этот текст не читался ))

(, dShaded) Из KiCad лучше выгружать через File | Plot, поскольку там есть возможность сделать сразу все отверстия 0.35 мм. Для ручного ЛУТа жирные дыры не нужны, лучше пусть побольше меди будет и она сверлом счистится.

Собственно:

1. Загружаем оба слоя в Inkscape.
2. Устанавливаем единицы измерения документа миллиметры, и формат листа А4.
3. Добавляем еще больше надписей белым на областях металлизации. KiCad так не умеет, напишите в комментах если ваш EDA умеет.
4. Группируем, чтобы было только два объекта.
5. Выравниваем (Ctrl+Shift+A), расстояние между слоями (их габаритными отверстиями) должно быть не менее сантиметра.
6. Отзеркаливаем передний слой кнопочкой на верхнем тулбаре.
7. Сохраняем в SVG.

Сейчас нужно отправить SVG на принтер на обычной бумаге. И сделать с этой бумагой следующее:

1. Поприкладывать к ней компоненты и проверить футпринты (которые по-любому уже пришли из магазина: если у вас на плате больше трех-пяти компонентов, протрассировать всё за один вечер сложновато)
2. Приложить к текстолиту и накернить 4 габаритных отверстия по углам, которые мы добавляли
3. Просверлить 4 отверстия самым тонким сверлом (0.6-0.8) ровно под 90 градусов. Это, пожалуй, самая сложная часть, но ошибки условно допустимы; способ их последующего исправления придуман.
   • Если есть станок, Вам повезло.
   • Если есть CNC, Вам крупно повезло, фигачьте всё отверстия по DRL-файлу прямо сейчас безо всяких кернов-*ернов.

Такс, это раздел про SVG, а мы уже к станкам перешли… Всё, последний штрих по SVG и больше комп не понадобится:

Залейте чёрным всё вокруг, чтобы части текстолита, которые не относятся к плате не травились и не насыщали персульфат аммония медью. Да, хлорное железо тоже можно, но аммоний синенький.

Подготовка заготовки и сверление отверстий

Прежде всего необходимо вырезать кусок текстолита с заданными размерами. Обработать края напильником. Закрепить чертеж на плате. Подготовить инструмент для сверления. Сверлить прямо по чертежу. Сверло должно быть хорошего качества и соответствовать диаметру наименьшего отверстия. Если есть возможность, нужно использовать сверлильный станок.

Сделав все необходимые отверстия, снять чертеж и рассверлить каждое отверстие до заданного диаметра. Зачистить мелкой шкуркой поверхность платы. Это необходимо для устранения заусениц и для улучшения сцепления краски с платой. Для удаления следов жира провести обработку платы спиртом.

1Подготовка проектапечатной платы

Готовим проект печатной платы. Я пользуюсь программой DipTrace: удобно, быстро, качественно. Разработана нашими соотечественниками. Очень удобный и приятный пользовательский интерфейс, в отличие от общепризнанного PCAD. Бесплатна для небольших проектов. Библиотеки корпусов радиоэлектронных компонентов, в том числе и 3D модели. Есть экспорт в формат PCAD PCB, Gerber, в вектрный фаормат DXF, а также некоторые другие. Многие фирмы по производству печатных плат уже принимают проекты в формате DipTrace.

Проект печатной платы

В программе DipTrace есть возможность увидеть будущее творение в объёме, что удобно и наглядно. Вот что должно получиться у меня (платы показаны в разных масштабах):

Трёхмерное изображение печатной платы

Печать рисунка платы

1) Печать рисунка на термотрансферной бумаге. Купить такую бумагу можно, например, на Алиэкспресс, там она стоит сущие копейки – по 10 рублей за лист формата А4. Вместо неё можно использовать любую другую глянцевую бумагу, например, из журналов. Однако качество переноса тонера с такой бумаги может оказаться гораздо хуже. Некоторые используют глянцевую фотобумагу «Ломонд», хороший вариант, если бы не цена – стоит такая фотобумага куда дороже. Рекомендую попробовать распечатать рисунок на разных бумагах, а затем сравнить, с какой из них получится самый лучший результат.

Ещё один важный момент при печати рисунка – настройки принтера. В обязательном порядке нужно отключить экономию тонера, плотность же стоит выставить максимальную, ведь чем толще слой тонера, тем лучше для наших целей.

Также нужно учитывать такой момент, что на текстолит рисунок переведётся в зеркальном отображении, поэтому нужно заранее предусмотреть, нужно или не нужно отзеркалить рисунок перед печатью. Особенно критично это на платах с микросхемами, ведь другой стороной их поставить не удастся.

Создание базы материнской платы

Всё начинается с печатной платы. Слои очень сложных кусочков стекловолокна складываются / склеиваются вместе со смолой, образуя один твердый слой.

Этот новый единственный стекловолоконный слой будет затем покрыт слоем меди с верхней и нижней сторон. Химическое вещество, называемое фоторезистом, образует на плате медный след при воздействии света, затем наносится поверх слоя меди.

После нанесения меди на фоторезист, поверх него наносится рисунок, покрывающий определенные части слоя, перед тем как подвергнуть всю плату воздействию ультрафиолетового излучения. Затем плату промывают, чтобы удалить непокрытые части медного слоя, обнажая почти полную материнскую плату.

Когда всё закончено, начинается процесс производства материнской платы.

8Лужениепечатной платы

Лудим изготовленные печатные платы. Смываем бензином или спирто-бензиновой смесью остатки флюса.

Лужение печатной платы

Осталось только выпилить платы и смонтировать радиоэлементы!

Выводы

При определённой сноровке «лазерно-утюжный метод» подходит для изготовления несложных печатных плат в домашних условиях. Чётко получаются проводники от 0,2 мм и толще. Времени на подготовку, эксперименты с подбором типа бумаги и температуры утюга, травление и лужение уходит примерно от 2 до 5 часов. Когда вы найдёте оптимальное сочетание, затрачиваемое на изготовление платы время составит менее 2 часов. Это гораздо быстрее, чем заказывать платы в фирме. Денежные затраты также минимальны. В общем, для простых бюджетных радиолюбительских проектов метод рекомендуется к использованию.

Похожие записи:

Почему бензопила пилит криво Ароматизатор из эфирного масла Как сделать своими руками садовые дорожки 🚶 из камня: плитняка, пластушки из песчаника и гальки Проекты ардуино для начинающих Сделать букет из клубники своими руками, фото, идеи, из роз и клубники, из клубники в шоколаде Как обновить старую мебель своими руками: 25 фото до и после с инструкциями