Сколка печатных плат

Термин сколка остался в наследство от предыдущего поколения инженеров из СССР. В те времена не было сканеров, а был прибор, по типу планшетного графопостроителя, в виде двух пересекающихся штанг-рельс, с головкой-иглой на пересечении, по типу современных 3D экструзионных принтеров, но без оси Z. Под эти штанги закладывали печатную плату, которую нужно было скопировать, иглу перекрестия штанг устанавливали на контактную площадку
радиоэлемента, нажимали кнопку и координата появлялась в компьютере, далее перемещали иглу на другую площадку, нажимали кнопку и появлялась новая координата X и Y. Вот таким трудоемким способом переносили координаты всех площадок, отверстий, узловых точек в компьютер, после чего на эти точки дорисовывали площадки и соединяли дорожками. Из-за этой иглы и появился термин сколка, т. е. скалывать по точкам иглой, по координатам.

1. Сколка начинается с расчета цены. Делается ксерокопия платы с увеличенной яркостью, пересчитываются все выводы, отверстия, smd-площадки, полученное число умножается на цену за 1 вывод. Далее производится демонтаж радиодеталей с целью нанести минимум поврежедений печатной плате, целостность радиодеталей на последнем месте. Припой с площадок собирается паяльником и многожильной оплеткой пропитанной флюсом. Из отверстий припой удаляется вакуумным отсосом предварительно прогрев паяльником.

2. Иногда приносят платы с уже демонтированными деталями, причем при демонтаже стараются сохранить радиодетали, но при этом плата очень сильно деформируется из-за неравномерного перегрева феном, и она сильно искривляется и не ложится на стекло сканера в плоскость. В таких случаях плата прогоняется через печку в цикле пайки. После разогрева она сразу вынимается и зажимается между листами МДФ или ДВП, придавливается грузом, так остывает и приобретает плоскую форму.

3. При сканировании плату желательно размещать на центральной оси сканера, т. к. на краях более высокие искажения. Это можно увидеть по отверстиям - они наклонены в какую-то сторону. Разрешение 600 dpi, формат файла TIFF, с подкладкой упора в бортик стекла сканера, чтобы начальный угол был ровнее.

4. В качестве верхней стороны обычно выбирают более сложную, т. к. при сколке нижняя будет зеркальная и это немного усложняет рисование и проверку.

5. Открыть отсканированный файл в графическом редакторе Gimp, добавить одну или несколько горизонтальных направляющих, и ориентируясь на направляющую повернуть рисунок, выровняв по какой-нибудь ровной длинной горизонтальной дорожке. При повороте нужно приближать максиимально близко зумом, чтобы точно видеть совпадение дорожки на плате и направляющей в ее начале, и смещая экран, в конце. В данном случае угол поворота всего 0,06 градусов. Можно ориентироваться как на горизонт и на край платы, но он может быть немного искажен или неровным, рисунок в меди более надежный ориентир.

6. Открыть второй файл второй стороны платы, теперь будем называть его нижним, сделаем из него нижний слой, для этого его нужно повернуть и отзеркалить предтавляя его так, чтобы на полупрозрачности он совпал с первым верхним слоем. Так же как и первый слой, этот по направляющей выравниваем по горизонту. Иногда бывает что выравнивать не нужно, изначельно установленного на сканере выравнивания бывает достаточно.

7. Копируем нижний слой и вставляем как новый слой в первый файл с верхним слоем, задаем ему полупрозрачность примерно 40%, и совмещаем с верхним, чтобы переходые и крепежные отверстия совпали равномерно по всей поверхности платы, или находим какоето среднее положение если рисунки искажены и не могут идеально наложиться.

8. Убираем прозрачность, включая и отключая несколько раз нижний слой просматриваем плату в разных местах убеждаемся в совпадении наложения слоев. Кадрируем кртинку с небольшим отступом от края платы.

9. Отключаем видимость нижнего слоя и экспортируем(сохраняем) видимое, как верхний слой в файл TOP.JPG с качеством сжатия 99 (лучшее качество, т. е. самое слабое сжатие). Отключаем видимость верхнего слоя, включаем нижний и сохраняем как BOT.JPG. Сохраняем исходник с несколькими слоями в файл ALL в. формате GIMP на всякий случай, если позже выявятся другие искажения. Например бывает растянуто по вертикали, когда делается сколка по бумажным советским чертежам, т. е. вертикальный и горизонтальный размер могут не совпадать. Или трапецевидные искажения когда сколка делается по фотографии и контрольным размерам. Или сделать картинки поярче или поконтрастнее. Или заменить цвета на более заметный, когда маска сильно сливается с дорожками.

10. В программе SprintLayout 6.0 нажимаем кнопку Шаблоны, и загружаем в нижний слой картинку BOT.JPG, а в верхний слой TOP.JPG, разрешение устанавливается 600 dpi или то с которым вы сканировали. Пhи необходимости разрешение можно подкорректировать на 1–2 пункта при несовпадении т. е. 598-599 dpi, это выяснится после контрольного замера.

11. После загрузки картинок очень важным является проверка контрольных размеров, т. к. в последствии не получится отмасштабировать нарисованный векторный рисунок платы в программе SprintLayout. И контроль позволяет обнаружить растянутый размер по вертикали или трапецевидные искажения. Измеряем плату по горизонтали, по вертикали, шаг разьемов или микросхем.

12. В программе SprintLayout встроенной линейкой — измерителем, измеряем ширину платы и сравниваем с реальными размерами. Если есть отличия, тогда рисуем две вертикальные линии на расстоянии равным ширине настоящей платы. (на картинке они жирные чтобы было лучше видно в статье, а на самом деле их лучше рисовать толщиной 0,01 мм для точности позиционирования). В данном случае вместо реальных 184,8 мм, на картинке 185,3 мм. Чтобы это исправить увеличиваем значение с 600 dpi до 601 dpi (в меню где загружали шаблоны), и картинка с платой немного уменьшается и ложится на линиии с заданной шириной платы. Это погрешность сканера. Возможно у вас ее не будет, но лучше проверить. Далее проверяем вертикальный размер, а он вместо требуемых 99,6 мм отображается как 99,4 мм, значит у сканера погрешность по горизонтали — Х на 0,69 мм, а по вертикали Y размер нормальный. Можно пренебречь этой погрешностью или исправить в графическом редакторе Gimp.

13. Бывает что погрешность значительно больше или плата более точная с мелкими радиодеталями, или это бумажные чертежи формата A1 после сканирования, поэтому показываю принципы, как исправить искажения картинки в программе Gimp. После того, как слои выровняли и сложили друг под друга, рисуем направляющие по краям платы на отсканированном рисунке, две по горизонтали, две по вертикали. Инструментом «Измеритель — измерение расстояний» измеряем ширину и высоту платы на рисунке. И если она отличается от реальных, то дорисовываем новую направляющую с правильным расстоянием от параллельной с другой стороны платы. Инструментом «Трансформации — преобразование слоев» удерживая клавишу Shift, чтобы масштабировалась только одна ось, тянем за правый край изображения, и притягиваем его к новой направляющей. Так же делаем и со вторым слоем. Если нужно исправить трапецевидные искажения, то тянем за углы изображения к углам — пересечениям направляющих, обозначающих правильные размеры платы. После этого кадрируем изображение и сохраняем, как картинки TOP и BOT.

14. Исправление трапецевидных искажений: Нужно сделать полную копию платы с точными геометрическими размерами, имея только такие фотографии и принципиальную схему. Передать плату клиент не может и тем более выпаять из нее все радиодетали нельзя. Плата достаточно простая, но на ее примере можно показать, как использовать фотографии с трапецевидными искажениями для сколки.

15. Заранее известно что плата имеет габаритные размеры 29×45 мм, это будет базовый или контрольный размер по которому будем восстанавливать остальные размеры.

Для коррекции картинки используем бесплатную графическую программу GIMP 2.10.18 (версию можно и другую).

После открытия картинки изменяем ее разрешение на 600×600 dpi пикселов на дюйм (Изображение — Размер изображения) Внизу линеек переключаемся на миллиметры.

16. Смотрим на линейки, нужно чтобы их ширины и высоты хватило для растягивания углов картинки, нужен запас холста в 2–3 раза больше чем плата (изображение — размер холста), чтобы было место куда тянуть углы, в данном случае холст 80×120 мм, картинка распологается в центре холста. Выставляем направляющие по ширине платы 29 мм, например первую ставим на линейке на 25.02 мм, в вторую на 54.02 мм. т. е. между ними 29 мм. И на вертикальной линейке две направляющие, на 30.01 мм и на 75.01 мм, т. е. между ними 45 мм, это нужная высота платы.

17. Выбираем инструмент «Трансформациии — преобразование слоев», кликаем на изображение и тянем за углы, растягивая картинку на наши направляющие. Кадрируем и сохраняем.

Было и стало:

18. Линейки на видео показаны жирной линией для наглядности, в программе они тонкие и аккуратные.

19. В итоге мы получаем картинку в которой известны все геометрические размеры. Можно используя инструмент — измеритель, проконтроллировать другие расстояния.

20. При необходимости можно сразу к этим линейкам подгрузить картинку второго слоя и исправить ее углы, одновременно совмещая с предудущим слоем по направляющим.

21. Вот картинка до коррекции и после.

22. Отражаем по вертикали, делаем полупрозрачность, совмещаем слои, отключаем полупрозрачность, несколько раз включаем — выключаем слои, убеждаемся в совпадении, кадрируем.

23. Сохраняем картинки как TOP.jpg и BOT.jpg для сколки в Sprint Layout 6.0.

В данном случае плата с радиодеталями, в другом она может быть без них, или это может быть бумажный чертеж, главное показана суть, как исправить геометрические искажения растрового изображения и наложить четкие размеры соответствующие разрешению 600 dpi точек на дюйм.

24. Возвращаемся к сколке основной платы: Для дополнительного контроля проверяем наложение сетки на радиодетали. Чаше всего разъемы и микросхемы имеют дюймовый шаг 2.54 мм, 1,27 и т. п. Выставляем сетку в размер 2.54 мм. Берем курсор начала координат сетки, и удерживая Ctrl чтобы не было привязки сетки к самой себе и она перемещалась плавно в любую точку, перемещаем например на разъем, и смотрим как наложилась сетка.

25. Выставляем сетку 1.27 мм и проверяем на другом разъеме. Сетки очень важны, т. к. именно по ним позже производится расстановка площадок радиодеталей, начиная от резисторов и конденсаторов до микросхем. После тога как контрольные размеры между отдаленными элементами платы или дорожками совпали, или габаритные размеры совапали и стандарные сетки 2,54 мм и 1,27 мм начали совпадать с элементами рисунка можно сказать, что подготовка к сколке завершена.

26. Важно помить, что этот рисунок вторичен, как не крути его в предобработке, он всегда немного искажен и несовмещен, поэтому картинку с платой нужно воспринимать, как помошник, а не основу. Первичным является реальная плата и ее размеры, контрольные размеры между какимито дорожками, шаг разъмов, шаг микросхем, шаг расположения резисторов и конденсаторов, сетка с разным шагом накладываемая на плату с пермещаемым в нужное место началом координат, дорожки которые чаще всего рисуются вертикально, горизонтально и под 45 градусов. Если вам досталась плата с радиодеталями, то можно в даташите посмотреть шаг между выводами, например у реле, бывает что так можно найти ошибки в первоначальной плате и исправить их, если какойто компонент плохо входил.

Первым делом нужно расставить выводные площадки, для этого нужно замерить диаметр отверстия, для этого используется набор сверел. Если заходит сверло 1 мм, а сверло 1.1 мм не заходит, значит до металлизации там сверлили 1.1 мм. Металлизация в среднем 50 мкм, значит диаметр после металлизации уменьшается на 100 мкм или 0.1 мм. Поэтому рисуем площадку со сверлом 1.1 мм. У нас на заводе по умолчанию принято, что в файлах указаны диаметры сверел. Хотя в бланке заказа можно выбрать диаметр сверла или диаметр конечного отверстия. Вам предоставляется на выбор помнить одну из величин: 1- если вы выбрали диаметры сверел, то после металлизации отверстия уменьшатся на 0.1, либо 2 — если вы выбрали диаметры готового отверстия то пояски металлизированных отверстий уменьшатся на 0.1 мм после того как мы увеличим сверла на 0.1 мм. Во втором варианте, если у вас поясок широкий, то вы и не заметите что мы увеличили сверла. Но если у вас например площадка 1.2 мм, а сверло 0.9 мм, т. е. поясок 150 мкм, то после того как мы увеличим сверло до 1 мм, у вас пояски станут 100 мкм, а это сразу повысит класс сложности платы и цену и срок изготовления. И нельзя будет использовать толстую фольгу, только самую тонкую. Так что тут палка о двух концах, и вам в выбирать о чем лучше помнить.

27. Площадки подбираем по рисунку, при этом проверяем на DRC контроле чтобы между ними был допустимый зазор, например для 35 мкм фольги хороший зазор 200 мкм или больше. И копируем площадки по всей сетке, попутно помечая какието важные места, т. к. стандартная заливка в SprintLayout при сколке вожможна, но проблематична при проверке, т. к. нельза при включенной заливке посмотреть картинку с платой, иногда надежнее заливку нарисовать вручную.

28. Площадку сложной формы можно собрать из пяти простых круглых, с шагом 0.1 мм, копируя в центр и смещая кнопками стрелок курсора на клавиатуре, сверло поставить только в центальной, в остальных сверло диаметром 0 мм и все это сгруппировать:

29. Везде стараемся сначала подобрать сетку, например тут сетка 2.54 мм не подошла. Зато подошла 5 мм:

30. При расстановке площадок периодически перключаемся между слоями и смотрим как они расставляются на противоположной стороне, если чтото важное то помечаем. Если какуюто площадку или группу нужно немного сдвинуть по горизонтали или по вертикали, то лучше двигать ее не мышкой, а клавиатурой по сетке, т. е. поставить на эту площадку начало координат сетки, поставить маленький шаг, например 0.01–0.05 мм и стрелками клавиатуры подвинуть на нужное кол-во шагов, так будет точнее и ровнее.

Часть элементов на плате может повторяться. Например один раз нарисовав пятиконтактный разъем, на остальные места его можно просто копировать. Причем сначала он копируется и вставляется на старое место слева, потом клавиатурой с большим шагом смещается в новое вправо, уменьшается шаг и более точно устанавливается накрывая площадки рисунка. Получается ровно и симметрично. Рисуя насквозь обратный слой надписи выглядят зеркально. Так же можно копировать резисторы и конденсаторы.

31. Чтобы нарисовать площадки с металлизацией слотового сверления (овальные), нужно расставить круглые площадки с шагом 0.1 мм, и сгруппировать.

32. Расставляются все крепежные отверстия, переходные площадки переходных отверстий. Обрисовывается контур платы в специальный слой — П, толщина линии не имеет значение, краем платы или выреза является центр этой линии. Расставляются поверхностные SMD площадки, настраивая размер, группируются и копируются.

33. Обрисовываются все дорожки с привязкой к центрам расставленных площадок, подбирая ширину линии.

34. Тип соедиения линии выбирается клавишей — пробел (под 90 градусов, 45, по прямой между точками)

35. Иногда некоторые площадки имеют разный размер с двух сторон. Чтобы нарисовать площадку побольше или другой формы, можно нарисовать ее в виде линии и открыть от паяльной маски.

36. Площадка составляется из нескольких линий, и все фрагменты линий группируются и открываются от паяльной маски

37. Обрисовываются все дорожки с двух сторон. Вносятся необходимые правки, например поменять конденсаторы 0603 на 1206.

38. Далее нужно создать заливку, это чаще всего земля. Это можно сделать вручную обрисовывая все элементы. Или воспользоваться атоматической, но нужно следить за термалами и зазорами очень внимательно, т. к. при автоматической заливке SprintLayout не показывает картинку платы при нажатии на кнопку 'шаблон', только черный экран. Для обхода можно отключать заливку и тогда по нажатии на кнопку 'шаблон' отображается картинка платы целиком, это нужно для контроля правильности соедиенний.

Ручная обрисовка полигонов. Показанно, что заливка состоит из линий:

39. При автоматической заливке полигонов можно установить зазор в ноль на нужной площадке и тогда она замкнется с полигоном, а можно установить и настроить мостики термобарьера. Можно пометить области которые не нужно заливать.

40. Далее рисунок платы необходимо проверить

41. После того, как сколка выполнена., нужно произвести проверку.

Предварительная проверка проводится многократным нажатием и отпусканием кнопки «шаблон», и просматривая глазами совпадение исходной картинки и той что вы нарисовали.

Важным этапом проверки рисунка печатной платы является DRC — контроль (Design Rule Check — проверка правилами проектирования), он может применяется на всех этапах сколки. Для разной толщины медной фольги эти правила отличаются. Например для 35 микронной фольги по простому классу точности без наценок за сложность: зазор 0.2 мм и больше / дорожка 0.2 и больше / поясок — 0.2 мм и больше. Для 18 мкм фольги это: зазор 0.15 мм и больше / дорожка 0.15 мм и больше / поясок 0.15 мм. и больше. Для более толстой фольги 50, 70, 105 мкм эти значения еще больше.

42. Обязательно нужно провести проверку и желательно чтобы делал ее другой человек, свежим взглядом. Как на чертежах есть графы «Разработал» и «Проверил», два разные фамилии и подписи. И у проверяющего ответственности не меньше чем у разрабатывающего. Плата печатается в увеличенном формате на лист А4, отсканированный исходник и нарисованный векторный чертеж. Предварительно в файле отсканирового исходника повысить яркость изображения, чтобы после печати рисунок на бумаге был бледным, но заметным. Чтобы можно было сверху рисовать маркером или ручкой. Просматривая оригинальную плату и бумажную распечатку, каждый элемент рисунка (площадки/дорожки/отверстия/надписи), последовательно, скурпулезно и внимательно отыскивается в чертеже и вычеркивается, поэлементно, друг за другом. После вычеркивания всех элементов на чертеже, далее вычеркивается и на исходнике. Потому что бывают платы очень насыщенные и глаз замыливается и целиком просматривая рисунок бывает сложно заметить ошибку. А зачеркнутые или обведенные элементы, это как гарантия, что этот элемент уже проверен. Типичные ошибки это небольшие перемычки между площадками. При обнаружении ошибок, исправления вносятся в рисунок платы. Такая двойная проверка исключает ошибки сколки. На заключительном этапе еще раз делается DRC контроль.

43. Примеры сколок: