Печатные платы (printed circuit board, сокращенно PCB или printed wiring board, PWB) применяются во всех электронных устройствах. Они служат основой для размещения всех компонентов, обмен информацией между которыми происходит посредством дорожек из меди. Во избежание окисления меди применяется паяльная маска.
Так как печатные платы (PCB) служат основой всей конструкции, поэтому материал изготовления определяет долговечность, надежность, технические характеристики и в том числе производительность всей схемы, ну и конечно стоимость.
Чаще всего материалом для изготовления печатных плат служит изготавливаемый из тканых или нетканых материалов, например, из стекловолокна и углеродных тканей с уплотнением эпоксидной смолой, такая композиция обкладывается с двух сторон медной фольгой и ламинируется с использованием давления и высокой температуры, поэтому результат носит название ламинат PCB.
Ранее приведенные платы считаются органическими, их легко резать и создавать любые формы и размеры. Другим вариантом являются неорганические подложки: металл или керамика с эмалевым покрытием. Печатные платы могут быть классифицированы в зависимости от свойств диэлектрических материалов подложки:
- жесткие — применяются, когда нужна механическая прочность;
- гибкие — обладает хорошими характеристиками по отводу тепла и их можно гнуть в любых направлениях или даже растягивать;
- жестко-гибкие — в основном используется для соединения двух вышеперечисленных видов.
Также печатные платы могут быть односторонними, двухсторонними или многослойными (чаще всего 4-10 слоев, но в настоящее время бывают платы до 40 слоев).
Процесс создания печатных плат PCB
В настоящее время применяют различные технологии изготовления PCB и различные места их изготовления в связи с целевым назначением: автоматизированные конвейерные линии на больших промышленных предприятиях, небольшие мастерские или домашние условия доступные даже новичкам.
Если немного остановиться на технологиях, то в настоящее время к изготовлению печатных плат начинают привлекать 3D-принтеры. В процессе проектирования печатной платы принципиально выделяются семь шагов:
- 1. Предварительная подготовка библиотек компонентов и принципиальных схем.
- 2. Дизайн структуры (площадь проводки и область без проводки).
- 3. Дизайн цепей (список соединений).
- 4. Дизайн макета (проектирование разводки).
- 5. Оптимизация разводки и шелкография.
- 6. Проверка структуры и контроль качества.
- 7. Производство, с предварительным выбором необходимых параметров: модели печатной платы, ширины линий, толщины укладки, технологии обработки поверхности, контроль допуска апертуры и многое другое.
В данной статье мы подробно рассмотрим первый этап — подготовку. Причем начнем с оснащения пространства для работы и необходимого оборудования.
Подготовка рабочего места
Эта часть имеет огромное значение. В частном доме, а тем более в квартире, не слишком много мест, где можно разместить мини-мастерскую: удобно, когда есть отдельное помещение, такое как летняя кухня или подвальное помещение, а может даже целый флигель.
В мастерской должна быть оптимальная температура и влажность без перепадов, хорошая вентиляция, в связи с тем, что при пайке в воздух выделяются опасные для человека летучие элементы, а значит необходимо установить вытяжку испарений.
Можно найти следующие типы приборов: настольные, монтируемые на вытяжной рукав и короб, который устанавливается в любом месте, а от него труба отводится на вытяжку или на улицу. Также важна надёжная проводка, с удобными зонами подключения оборудования.
Обязательным требованием к таким помещениям является наличие ЕSD-защиты от электростатического разряда, а значит нужен антистатический пол, например, токоотводящий наливной пол с медными лентами, которые присоединяются к заземляющему контуру здания.
Особенности рабочего места для операций с печатными платами
Очень важно обустроить удобное и хорошо освещённое рабочее место, так как при работе с печатными платами приходится иметь дело с мелкими деталями. Прежде всего необходим рабочий стол, не обязательно специализированный, но с обязательным заземлением.
Необходимо продумать планировку рабочего места, намного удобнее, когда есть дополнительные полки и/или ящики для хранения деталей, заготовок, инструмента и прочего. Кроме основного рабочего стола могут понадобиться дополнительные поверхности для разобранных приборов или отложенной работы.
Даже если помещение хорошо освещено целесообразно предусмотреть локальные источники света: специализированные или обычные настольные лампы, светодиодные ленты на полках над рабочей зоной и другие.
Для мастера, работающего с печатными платами, очень важно правильно сидеть. Работа достаточно скрупулезная, и чтобы меньше уставать и сберечь позвоночник необходимо приобрести кресло специальной конструкции, но при условии экономии можно обойтись и просто удобным стулом.
Оборудование рабочего места
Рабочее место готово, теперь необходимо оснастить его соответствующим инструментом и приборами. Самый важный инструмент для такой мастерской — паяльник. При этом необходимо обращать внимание на мощность конкретной модели (чем она выше, тем быстрее паяльник готов к работе).
В частности, совсем не лишним будет при распайке кабеля пин-пада, для соединения которого применяются значительные объемы теплоотводящей массы. Для работы паяльника необходим набор жал, каждое из которых предназначено для отдельных задач, например:
- точные конические или усеченные односторонне жала, маленький размер, отсутствие погрешностей и зазоров, которые применяются для поверхностного монтажа электронных компонентов;
- жало-лопатка применяется для крупных элементов платы, за счет большого объема может быстро прогреть всю поверхность;
- мини-волна, которое позволяет припаять все выводы интегральной схемы с одной ее стороны;
- изогнутое жало может пригодится для демонтажа электронных компонентов, но допускается применять и для пайки.
Учитывая необходимость надлежащего ухода за инструментом, необходимо приобрести чистящие средства и губки в специализированном магазине, а также специальные химические вещества для реконструкции жал.
Если паяльному жалу обеспечить соответствующее техническое обслуживание, то оно прослужит вам много лет. Для наведения порядка на рабочем столе и удобства можно приобрести коврик для пайки. Особенно интересны модели с перегородками, что дает возможность структурировать работу во время пайки или распайки печатных плат.
Совсем не лишним для мастерской будет такое приобретение как паяльная станция, в функции которой входит оптимизация температуры инструмента. При покупке стоит обратить внимание на такие характеристики, как мощность и диапазон регулировки температуры.
При этом, если эта паяльная станция предназначена для личного использования, не стоит гнаться за именитым брендом, а выбрать из моделей менее именитых производителей, но которые по функциональным возможностям часто не хуже. На рынке можно легко подобрать подходящий прибор, подходящий по техническим параметрам и цене.
Использование станций горячего воздуха
Станция горячего воздуха (hot air) может оказаться очень полезна. Кроме пайки и демонтажа SMD компонентов (чип-компонентов) может использоваться для установки компонентов защиты и электрической изоляции, например, в виде термоусаживаемых трубок.
А для работы с небольшими платами или для защиты отдельных площадей плат при частичной распайке будет полезна каптоновая лента (или термостойкий скотч), она устойчива к значительным размерам температур: до +260⁰C (постоянно) и +300⁰C (кратковременно).
Демонтаж многовыводных элементов с платы связан с риском перегрева печатной платы, деталей и дорожек, что может повредить их. Поэтому целесообразно использовать оловоотсос, который моментально удаляет расплавленное олово с ножки элемента платы. За счет чего происходит аккуратная пайка.
Выпускают механические и электрические устройства, так что можно подобрать по параметрам и цене. Также можно применять распаивающую ленту, которая дает возможность быстро удалить излишки олова с большой площади одновременно.
Для профессионального использования, например, небольшой мастерской, есть смысл в приобретении станции распайки. Но для такой станции критически важна регулярная чистка. Например, если мастер собирается иметь дело с платами PCB с элементами поверхностного монтажа, то стоит рассмотреть вопрос о покупке профессионального прибора: станции BGA.
Такая станция предусматривает направленный нагрев текущего элемента и низ компонента. Это уберегает деталь от перепадов температур. Для этой цели можно использовать подогреватели. Все эти устройства помогают снизить поверхностное напряжение.
Следующим видом оборудования, необходимым для любой мастерской, является контрольно-измерительное: это мультиметры, осциллографы или тестеры логических схем, которые контролируют выполненные работы и помогают найти ошибки на печатной плате.
И наконец, при создании собственной печатной платы необходима мини-дрель для крепления сквозных элементов. Так как все элементы на печатной плате миниатюрные и размещаются плотно, то нужен соответствующий прибор для установки, а также подходящим набором сверл.
Начало работы с печатной платой PCB
Итак, наша мастерская готова, теперь можно сосредоточить свое внимание на печатной плате. Есть два варианта: мы создаем совершенно новую печатную плату или паяем уже готовую, а значит необходимо рассмотреть два варианта.
Создание печатной платы PCB с нуля
Чистая плата подлежит разметке для того, чтобы позже разместить на ней все необходимые компоненты и дорожки. Этот процесс называют травлением платы. Он обуславливается тем, что на плату нанесен защитный слой для сохранения меди он разрушения.
Проще всего нарисовать дорожки с помощью маркера. После этого можно приступать к процессу травления: плату опускают в раствор B327 или хлорид железа, этот химреактив удалит медь там, где нет дорожек.
Готовую плату нужно правильно защитить, для чего на поверхность наносят слой олова вручную или готовые специальные вещества. После чего покрывают плату паяльной маской, которая обеспечивает защиту платы от окисления, а также от КЗ.
Процесс пайки печатной платы PCB
Для удобства допускается применять держатель для PCB, это намного повысит удобство работы. Выпускают различные модели, но максимальной популярностью пользуется держатель с лупой. Процесс пайки начинают после надежного крепления платы. Нам понадобится новый компонент: паяльный припой. Существует два вида — свинцовые и безсвинцовые.
В свете признанного вреда от первого металла свинцовый сплав используется все реже и реже. Осталось только там, где ключевым параметром является точность и безотказность: военное дело, медицина и прочее. Безсвинцовый припой безопасен с точки зрения экологии и влияния на здоровье человека, но в работе он значительно сложнее.
При выполнении работ могут быть нужны вещества разного спектра действия: для удаления оксидов с паяемых поверхностей, снижения поверхностного натяжения или улучшения растекания жидкого припоя (флюсы). Их можно легко удалить с готовой платы PCB с применением изопропилового спирта (IPY) или специальных аэрозольных очистителей.
Последние удобны тем, что оснащены соплом со щеткой для удобства пользователя. Также существуют ультразвуковые очистители, но тут необходимы специальные чистящие вещества. А можно воспользоваться флюсами no-clean, которые не требуют очистки.
На финальной стадии плату PCB покрывают слоем специального лака для PCB, для защиты от окисления и других факторов, которые могут вывести ее из строя. С этой же целью применяют гели и пасты. Это важно для приборов, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации или на улице, повышенная влажность и перепады температур могут легко вывести из строя незащищенные компоненты. Итак, наша плата готова и ее можно установить в соответствующий прибор.
Какие инструменты и химвещества нужны при работе с печатными платами
Дополнительным инструментом, который однозначно будет полезен при работе с PCB, могут быть прецизионные пинцеты. Этот инструмент имеет прямые или загнутые губки, необходимые для выполнения манипуляций высокой точности как для пайки, так и при для распайки платы.
Самой большой популярностью пользуются пинцеты с «острым» наконечником, так как они помогают сдвинуть отдельные элементы к площадке их монтажа. Много плат PCB монтируется внутри приборов, чтобы к ним добраться необходим дополнительный перечень инструментов: отвёртки (оптимально с набором насадок), плоскогубцы и кусачки.
Уже ранее говорилось про необходимость химвеществ, поэтому остановимся на этом вопросе чуть подробнее. Необходимы будут изопропиловый спирт, флюсы и вещества для восстановления жал и лак для PCB.
Стоит приобрести: канифоль, (или флюс), для облегчения пайки, специализированный спрей или жидкость для восстановления, а также теплопроводный клей для крепления радиатора отводящего тепло. На эту тему можно рассуждать еще долго, так как перечень оборудования и аксессуаров к нему очень большой. Но даже с такой минимальной подготовкой уже можно приступать к работе.
MS-DIP/SMD2 Плата: универсальная; односторонняя,макетная; W: 80мм; L: 120мм
MS-DIP/SO10 Плата: универсальная; односторонняя,макетная; W: 15,5мм; L: 21мм
