Prezentacja komputerowa Instruktaż wstępny Mirosław Ruciński

Projektowanie płytek drukowanych

Plan instruktażu Kontrola obecności uczniów i przygotowania do zajęć. Omówienie celu zajęć. Przypomnienie wiadomości z ostatniej lekcji i nawiązanie do tematu nowych zajęć. Przedstawienie nowego materiału. Powtórzenie najważniejszych wiadomości i umiejętności Kryteria oceniania. Strony internetowe: http://www.pl.tomshardware.com/howto/20010810/index.html Przydział stanowisk i rozdanie prac, przepisy bhp. PBC

R Płytki drukowane Płytka drukowana - co to takiego? Typy płytek drukowanych Technologie montażu elementów Proces projektowy Rozmieszczenie elementów na płytce Przenoszenie rysunku (tworzenie ścieżek) Tworzenie plików do produkcji PBC

Przenoszenie rysunku (tworzenie ścieżek) pierwszym krokiem jest nanoszenie elementów elektronicznych tworzenie ścieżek zapewniających połączenia elektryczne pomiędzy elementami PBC

Tworzenie plików do produkcji Zapisanie wykonanego projektu. Wydruk zaprojektowanych płytek, wydruk listy elementów. Eksport wykonanego projektu. Ponieważ istnieje wiele różnych narzędzi CAD do projektowania płytek obwodów drukowanych, producent musi otrzymać ustandaryzowany zestaw plików z danymi wejściowymi dla maszyn produkujących płytki. Istnieje kilka różnych standardów, lecz najpopularniejszym są pliki Gerber. Zestaw plików Gerber zawiera wykresy wszystkich warstw sygnałowych, zasilających i uziemiających, wykresy maski lutowniczej i nadruku, pliki odwiertu. Tworzenie plików do produkcji Ponieważ istnieje wiele różnych narzędzi CAD do projektowania płytek obwodów drukowanych, producent musi otrzymać ustandaryzowany zestaw plików z danymi wejściowymi dla maszyn produkujących płytki. Istnieje kilka różnych standardów, lecz najpopularniejszym są pliki Gerber. Zestaw plików Gerber zawiera wykresy wszystkich warstw sygnałowych, zasilających i uziemiających, wykresy maski lutowniczej i nadruku, pliki odwiertu oraz pliki 'pick-and-place'. PBC

Rozmieszczenie elementów elektronicznych Rozmieszczenie elementów przy pomocy narzędzi projektowych

Rozmieszczenie elementów na płytce Rozmieszczenie elementów na płytce zależy od sposobu ich połączenia. Muszą zostać tak rozmieszczone, by łączące je ścieżki były jak najwydajniej poprowadzone. Wydajne ścieżki muszą być jak najkrótsze i wykorzystywać jak najmniej warstw . Rozmieszczenie elementów na płytce Rozmieszczenie elementów na płytce zależy od sposobu ich połączenia. Muszą zostać tak rozmieszczone, by łączące je ścieżki były jak najwydajniej poprowadzone. Wydajne ścieżki muszą być jak najkrótsze i wykorzystywać jak najmniej warstw (co również ogranicza liczbę przelotek), lecz powrócimy do tego przy okazji trasowania. Poniżej znajduje się zdjęcie szyn poprowadzonych na płytce. Ważne jest takie rozmieszczenie elementów, by pozwalało na tak dobre poprowadzenie ścieżek. Ścieżki tworzące szynę

Proces projektowy Specyfikacja systemowa Schemat blokowy systemu Podział systemu na poszczególne płytki Określenie zastosowanej technologii i wymiarów każdej płytki Schemat ideowy wszystkich płytek Symulacja projektu Proces projektowy Proces projektowania płytki drukowanej zaczyna się na długo przed samym trasowaniem ścieżek. Oto najważniejsze etapy projektu: Specyfikacja systemowa Należy określić specyfikację systemową tworzonego urządzenia elektronicznego. Zawiera się w tym określenie wszystkich funkcji systemu, ograniczenia kosztów, wymiary, warunki pracy etc. Schemat blokowy systemu Należy stworzyć schemat blokowy głównych funkcji systemu. Należy również wyszczególnić powiązania poszczególnych bloków. Podział systemu na poszczególne płytki Zaletą podziału systemu na kilka płytek jest zmniejszenie wymiarów i możliwość rozbudowy/wymiany poszczególnych części systemu. Schemat blokowy systemu dość dobrze wskazuje, jak należy to zrobić. Komputer PC dzieli się na płytę główną, kartę graficzną, kartę dźwiękową, napęd dyskietek, zasilacz etc. Określenie zastosowanej technologii i wymiarów każdej płytki Kiedy określona zostaje zastosowana technologia i ilość elektroniki na każdej płytce, należy oszacować ich wymiary. Jeżeli w grę wchodzą ograniczenia przestrzenne i jeżeli płytka okazuje się być zbyt duża, należy zmienić technologię i przeprowadzić ponowny podział systemu. Podczas wyboru technologii muszą być wzięte pod uwagę również jakość i szybkość obwodu. Schemat ideowy wszystkich płytek Schemat ideowy to szczegółowy rysunek wszystkich połączeń pomiędzy elementami obwodu. Należy zrobić to dla wszystkich płytek w systemie. W dzisiejszych czasach dokonuje się tego przy pomocy projektowania wspomaganego komputerowo, czyli CAD (ang. Computer Aided Design). Poniżej widać przykład schematu wykonanego w programie CircuitMakerTM Symulacja projektu By upewnić się, że zaprojektowany obwód działa poprawnie, należy zasymulować jego działanie w programie komputerowym. Takie programy przyjmują schemat ideowy jako dane wejściowe i mogą wyświetlać działanie obwodu na wiele sposobów. Jest to dużo wydajniejsze niż budowanie makiety prototypu i ręczne wykonywanie obliczeń.

Specyfikacja systemowa Należy określić specyfikację systemową tworzonego urządzenia elektronicznego. Zawiera się w tym określenie wszystkich funkcji systemu, ograniczenia kosztów, wymiary, warunki pracy etc.

Schemat blokowy systemu Należy stworzyć schemat blokowy głównych funkcji systemu. Należy również wyszczególnić powiązania poszczególnych bloków.

Podział systemu na poszczególne płytki Zaletą podziału systemu na kilka płytek jest zmniejszenie wymiarów i możliwość rozbudowy/wymiany poszczególnych części systemu. Schemat blokowy systemu dość dobrze wskazuje, jak należy to zrobić. Komputer PC dzieli się na płytę główną, kartę graficzną, kartę dźwiękową, napęd dyskietek, zasilacz etc.

Określenie zastosowanej technologii i wymiarów każdej płytki Kiedy określona zostaje zastosowana technologia i ilość elektroniki na każdej płytce, należy oszacować ich wymiary. Jeżeli w grę wchodzą ograniczenia przestrzenne i jeżeli płytka okazuje się być zbyt duża, należy zmienić technologię i przeprowadzić ponowny podział systemu. Podczas wyboru technologii muszą być wzięte pod uwagę również jakość i szybkość obwodu.

Symulacja projektu By upewnić się, że zaprojektowany obwód działa poprawnie, należy zasymulować jego działanie w programie komputerowym. Takie programy przyjmują schemat ideowy jako dane wejściowe i mogą wyświetlać działanie obwodu na wiele sposobów. Jest to dużo wydajniejsze niż budowanie makiety prototypu i ręczne wykonywanie obliczeń.

Schemat ideowy wszystkich płytek Schemat ideowy to szczegółowy rysunek wszystkich połączeń pomiędzy elementami obwodu. Schemat ideowy wszystkich płytek Schemat ideowy to szczegółowy rysunek wszystkich połączeń pomiędzy elementami obwodu. Należy zrobić to dla wszystkich płytek w systemie. W dzisiejszych czasach dokonuje się tego przy pomocy projektowania wspomaganego komputerowo, czyli CAD (ang. Computer Aided Design). Poniżej widać przykład schematu wykonanego w programie CircuitMakerTM Schemat ideowy obwodu

Technologia przewlekana Elementy, które montowane są po jednej stronie płytki, podczas gdy ich nóżki są przylutowane po stronie przeciwnej, nazywamy 'przewlekanymi' Technologia przewlekana Elementy, które montowane są po jednej stronie płytki, podczas gdy ich nóżki są przylutowane po stronie przeciwnej, nazywamy 'przewlekanymi' (ang. THT: Through Hole Technology). Takie elementy zabierają dużo miejsca i wymagają wywiercenia w płytce otworu na każdą nóżkę. W wyniku tego nóżki zajmują miejsce po obu stronach płytki, a ich punkty kontaktowe są również dość spore. Z drugiej strony elementy THT są dobrze przymocowane do płytki pod względem mechanicznym w porównaniu z elementami montowanymi powierzchniowo, o których piszemy poniżej. Złącza kabli i innych urządzeń, które muszą wytrzymywać napięcia mechaniczne, zwykle wykonane są metodą THT. Elementy przewlekane (lutowane na spodzie płytki)

Technologia montażu powierzchniowego Nóżki elementów wykonanych w technologii montażu powierzchniowego są przylutowywane do ścieżek po tej samej stronie płytki, gdzie montowany jest sam element. Technologia montażu powierzchniowego Nóżki elementów wykonanych w technologii montażu powierzchniowego (ang. SMT: Surface Mounted Technology) są przylutowywane do ścieżek po tej samej stronie płytki, gdzie montowany jest sam element. Technologia ta nie wymaga zatem wiercenia otworów w płytce na każdą nóżkę elementu. Elementy SMT mogą być nawet montowane bezpośrednio naprzeciwko siebie po obu stronach płytki. Elementy SMT są dużo mniejsze niż elementy THT. Dzięki temu płytki z elementami SMT mogą być dużo gęściej obsadzone niż płytki z elementami przewlekanymi. Obecnie elementy powierzchniowe są także tańsze niż elementy przewlekane. Nic więc dziwnego, że większość elementów na dzisiejszych płytach głównych wykonana jest w technologii SMT. Ponieważ punkty kontaktowe i nóżki elementów są tak małe, bardzo ciężko jest przylutować element SMT ręcznie. Biorąc pod uwagę, że prawie całym montażem zajmują się maszyny, sprawa ta jest ważna tylko przy dokonywaniu napraw. Zieloną lub brązową barwę nadaje płytce drukowanej maska lutownicza. Jest to izolująca powłoka ochronna zabezpieczająca miedziane ścieżki i zapobiegająca przyczepianiu się lutu poza punktami połączeń na elementach. Na tej kolorowej masce umieszcza się sitodruk. Jest to tekst i symbole (często białe) nadrukowane na płytce, by oznaczyć miejsca montażu różnych elementów. Nadruk jest też nazywany legendą. Elementy montowane powierzchniowo

Płytki dwustronne Płytka dwustronna, widok z dołu Płytki tego typu posiadają ścieżki po obu stronach. Dwa oddzielne układy ścieżek wymagają jakiegoś połączenia elektrycznego pomiędzy nimi. Takie elektryczne mostki nazywamy 'przelotkami'. Przelotka kontaktowa to po prostu otwór w płytce wypełniony lub pokryty metalem i dotykający ścieżek po obu stronach. Ponieważ powierzchnia dostępna na ścieżki jest dwa razy większa niż na płytkach jednostronnych, a ścieżki mogą się przecinać (są poprowadzone na przeciwnych stronach płytki), płytki dwustronne dużo lepiej nadają się do złożonych obwodów niż płytki jednostronne. Płytka dwustronna, widok z dołu Płytka dwustronna, widok z góry

Płytki jednostronne Płytka jednostronna, widok z góry Jak wspomnieliśmy wcześniej, najprostsze płytki mają elementy po jednej stronie, a ścieżki po drugiej. Ponieważ ścieżki są tylko po jednej stronie, płytki tego typu nazywa się 'jednostronnymi.' Ten typ płytki posiada poważne ograniczenia co do poprowadzenia ścieżek (ponieważ jest tylko jedna strona, ścieżki nie mogą się przecinać i muszą być poprowadzone wokół siebie) i jest używany tylko przy bardzo prymitywnych obwodach. Elementy mocowane są do płytki przez przylutowywanie ich nóżek do ścieżek. Na najprostszych płytkach (jednostronnych) elementy znajdują się po jednej stronie płytki, a ścieżki po stronie przeciwnej. To wymaga wywiercenia w płytce przechodzących na wylot otworów na nóżki elementów. W wyniku tego nóżki są przylutowywane po przeciwnej stronie płytki niż umieszczone są elementy. Górną i dolną stronę płytki nazywa się zatem, odpowiednio 'stroną elementów' i 'stroną lutowania.' Płytka jednostronna, widok z dołu

Typowa płytka drukowana ZADANIA PŁYTKI utrzymywanie umieszczonych na niej elementów zapewnienie połączenia elektrycznego pomiędzy nimi Płytka drukowana - co to takiego? Płytki drukowane można znaleźć w niemal każdym urządzeniu elektronicznym. Jeśli w urządzeniu znajdują się jakieś elementy elektroniczne, są one umieszczone na większej lub mniejszej płytce drukowanej. Oprócz utrzymywania umieszczonymi na niej elementów w miejscu, płytka ma za zadanie zapewnić połączenia elektryczne pomiędzy nimi. Wraz ze wzrostem złożoności urządzeń elektronicznych i liczby umieszczonych w nich elementów, płytki drukowane stały się bardziej zagęszczone, pełne ścieżek i elementów.

Ścieżki obwodu drukowanego Cieniutkie przewody widoczne na powierzchni płytki są częścią miedzianej folii. Przewody te nazywane są ścieżkami i zapewniają połączenia elektryczne pomiędzy elementami zamontowanymi na płytce. Podłoże płytki wykonane jest ze sztywnego, izolującego materiału. Cieniutkie przewody widoczne na powierzchni płytki są częścią miedzianej folii, która początkowo pokrywała całą płytkę. W procesie produkcyjnym folia ta jest częściowo wytrawiana, a pozostała miedź tworzy sieć cienkich przewodów. Przewody te nazywane są ścieżkami i zapewniają połączenia elektryczne pomiędzy elementami zamontowanymi na płytce.

Płytki wielowarstwowe By jeszcze bardziej zwiększyć powierzchnię przeznaczoną na ścieżki, płytki tego typu mają co najmniej jedną warstwę ścieżek umieszczoną we wnętrzu płytki. Dokonuje się tego przez sklejanie (laminowanie) razem kilku płytek dwustronnych z warstwami izolacyjnymi pomiędzy nimi. Liczba warstw jest wyrażona liczbą oddzielnych układów ścieżek. Jest ona zwykle parzysta i zawiera dwie warstwy zewnętrzne. Większość płyt głównych ma od 4 do 8 warstw, lecz możliwe jest wyprodukowanie płytek z niemal 100 warstwami. Płytki wielowarstwowe By jeszcze bardziej zwiększyć powierzchnię przeznaczoną na ścieżki, płytki tego typu mają co najmniej jedną warstwę ścieżek umieszczoną we wnętrzu płytki. Dokonuje się tego przez sklejanie (laminowanie) razem kilku płytek dwustronnych z warstwami izolacyjnymi pomiędzy nimi. Liczba warstw jest wyrażona liczbą oddzielnych układów ścieżek. Jest ona zwykle parzysta i zawiera dwie warstwy zewnętrzne. Większość płyt głównych ma od 4 do 8 warstw, lecz możliwe jest wyprodukowanie płytek z niemal 100 warstwami. Wielkie superkomputery często zawierają płytki z ogromną liczbą warstw, lecz ponieważ coraz bardziej opłacalne staje się zastępowanie takich komputerów klastrami zwykłych pecetów, płytki o wielkiej liczbie warstw są coraz rzadziej używane. Ponieważ warstwy płytki są zlaminowane razem, często trudno stwierdzić, ile ich właściwie jest, ale jeśli przyjrzymy się dokładnie krawędzi, może się udać policzyć warstwy. Przelotki opisane w części o płytkach dwustronnych zawsze przenikają płytkę na wylot. Kiedy warstw ścieżek jest wiele, a chcemy połączyć tylko niektóre z nich, takie przelotki marnują miejsce, którego można by użyć na poprowadzenie innych ścieżek. 'Zagrzebane' i 'ślepe' przelotki nie sprawiają takiego problemu, ponieważ przenikają tylko tyle warstw, ile potrzeba. Ślepe przelotki łączą jedną lub więcej wewnętrznych warstw z jedną z warstw powierzchniowych, nie przenikając całej płytki. Zagrzebane przelotki łączą tylko warstwy wewnętrzne. Dlatego nie da się zobaczyć takich przelotek patrząc na powierzchnię płytki. W płytkach wielowarstwowych całe warstwy przeznaczone są na uziemienie i zasilanie. Dlatego też dzielimy warstwy na sygnałowe, zasilające i uziemiające. Czasami zdarza się więcej niż jedna warstwa zasilająca i uziemiająca, zwłaszcza jeśli różne elementy na płytce wymagają różnych napięć.

Pytania R