Proiectarea si realizarea cablajelor imprimate

Proiectarea si realizarea cablajelor imprimate

1. Generalitati

Utilizarea cablajelor imprimate constituie actualmente solutia constructiva cea mai performanta si mai raspandita de interconectare a componentelor in circuitele electronice.

Principalele avantaje ale circuitelor imprimate sunt :

realizeaza o buna densitate de montare a componentelor permitand reducerea volumului si greutatii aparatelor electronice;

asigura pozitionarea precisa si fixa a pieselor si interconexiunilor acestora in circuite, permitand cresterea fiabilitatii in functionare si reducerea/ compensarea cuplajelor parazite dintre componente si/sau circuite;

simplifica si reduc durata operatiilor de montaj facilitand automatizarea acestora, reducand posibilitatile de montare eronata si asigurand un inalt grad de reproductibilitate;

fac posibila unificarea si standardizarea constructiva a subansamblelor functionale din structura aparatelor/ echipamentelor electronice, permitand interconectarea rapida, simpla si fiabila a acestora;

Exista totusi si unele dezavantaje ale cablajelor imprimate:

orice modificari ulterioare ale circuitului sunt relativ dificil de realizat;

majoritatea tipurilor de cablaje imprimate sunt sensibile la soc termic ceea ce impune unele precautii la lipirea terminalelor componentelor.

2. Tehnologii de realizare a cablajelor imprimate

Prin tehnologie de realizare se intelege realizarea cablajelor imprimate cu mijloace industriale sau artizanale. Cablajul imprimat este un sistem de conductoare imprimate care asigura toate conexiunile electrice dintre componente, ecranarile si punerile la masa. Conductoarele imprimate reprezinta o portiune de strat metalizat pe un suport izolat, echivalent unei conexiuni electrice obisnuite de montaj. Procesul de proiectare a cablajelor imprimate consta in plasarea elementelor de circuit pe placa si in stabilirea traseelor in conformitate cu schema electrica si principiile de proiectare. Principiile de proiectare sunt o consecinta de natura electrica (tensiunea maxima intre doua trasee conductoare alaturate, intensitatea maxima a curentului ce parcurge fiecare traseu conductor, frecventa maxima, minimizarea cuplajelor parazite intre elementele schemei), mecanica (solicitari mecanice in timpul functionarii), climatice (asigurarea unui regim termic corespunzator prin evacuarea caldurii produse in timpul functionarii, umiditatea relativa, temperatura mediului ambiant), tehnologice (tehnologia de realizare, de echipare, de conectare).

Latimea maxima a conductorului imprimat este data de intensitatea maxima a curentului electric ce parcurge traseul. Formula de calcul pentru latimea maxima a traseului este:            l_min=I_max /j_max g

I_max - intensitatea maxima a curentului; j_max - densitatea de curent maxima; g - grosimea traseului.

Latimea efectiva a traseului conductor imprimat rezulta din compromisul dintre doua criterii si anume:

asigurarea unei supratemperaturi din punct de vedere al disipatiei;

asigurarea de impedante proprii traseului de valoare optima.

Frecventa de lucru a subansamblului este o conditie fundamentala. Pentru cablaje imprimate se definesc doua domenii pe frecventa de lucru cu particularizarea corespunzatoare si anume:

frecventa mai mica de 100Hz, pentru sursele de alimentare, amplificatoare de audiofrecventa etc.;

frecventa mai mare de 100Hz, pentru aparatura radio si TV etc.

La cresterea frecventei semnalelor electrice apar doua efecte nedorite:

cresterea efectului capacitatii parazite;

cresterea rezistentei electrice a traseelor conductoare imprimate prin efect pelicular.

Pentru reducerea capacitatilor parazite intre trasee se realizeaza asamblarea judicioasa pe placa a elementelor in sensul reducerii lungimii conexiunilor si prin introducerea unor trasee de ecranare conectate electric la masa placii intre traseele de semnal.

Proiectarea cablajelor imprimate se face respectand urmatoarele principii:

principiul de cuadripol: consta in respectarea, conform schemei electrice a ordinii intrare-iesire, precum si a ordinii de asamblare pe placa a etajelor care proceseaza un semnal.

REFERAT: Ce sa faceti inainte de inundatie? REFERAT: Executarea si receptionarea ancorajelor metalice tip inel-con si dorn

principiul respectarii cailor de semnal: traseele de semnal mic se pozitioneaza departe de traseele de semnal mare pentru a minimiza cuplarea parazita (inductiva sau capacitiva). Daca spatiul nu permite departarea cailor de semnal se va folosi ecranarea.

principiul decuplarii intr-un punct de masa comun: decuplarea la masa a condensatoarelor de cuplare in puncte cat mai apropiate.

Solicitarile mecanice la care va fi supus subansamblu determina grosimea placii cablajului. Structura constructiva a ansamblului este si o consecinta a tiparirii unor elemente mecanice.

Dimensiunile geometrice si masa componentelor electronice, electrice si de alta natura amplasate pe placa cu cablaje imprimate, precum si structura constructiva a ansamblului determina gabaritul subansamblelor. Modul de interconectare a subansamblului in sistem influenteaza proiectarea placilor cu cablaje imprimate. Exista mai multe posibilitati de interconectare si anume: prin fixarea de conexiune, interplaci, conectarea directa, conectarea indirecta.

Daca placa este asamblata vertical, elementele disipative sunt plasate la partea superioara cu axele de simetrie mai mari dispuse vertical pentru optimizarea convectiei termice. Daca placa este asamblata orizontal, elementele disipative sunt plasate pe distantiere din materiale termoizolante si termorigide, avand pozitie opusa referitor la evacuarea caldurii (se practica orificii pentru optimizarea convectiei naturale). Functionarea subansamblelor electronice in conditii de umiditate ridicata, impune urmatoarele masuri:

distante mai mari intre traseele conductoare imprimate;

acoperirea traseelor cu vopsea termorigida.

Tehnologia de realizare a cablajelor imprimate determina proiectarea acestora si pot fi grupate in trei categorii:

tehnologii substractive: - se pleaca de la un semifabricat, traseele conductoare imprimate obtinandu-se prin indepartarea metalului din portiunile ce trebuiesc sa fie izolatoare;

tehnologii aditive: - traseele conductoare imprimate obtinandu-se prin fixare si formare pe placa suport dielectrica in forma definitiva;

tehnologii de sinteza: - izolatorul si traseele se realizeaza in aceeasi etapa.

Documentatia tehnica pentru executia unui cablaj imprimat trebuie sa cuprinda urmatoarele desene:

desenul de baza: - este executat de catre proiectant dupa schema electrica: - reprezinta imaginea fetelor echipate si prin transparenta se obtine imaginea fetelor cu traseele;

desenul de pozitionare al gaurilor sau planul de gauri ce trebuiesc practicate in placa cu cablajul imprimat si numere de ordine asociate gaurilor, corespunzatoare echiparii prin plantare;

desenul de acoperire selectiva reprezinta imaginea (gaurilor) fetelor lipite, acoperite cu vopsea termorigida;

desenul de cablaj: (de trasare) reprezinta la scara, imaginea traseelor conductoare imprimate, vazute dinspre fata de lipire;

desenul de inscriptionare sau pozitionare, reprezinta simbolizat, la scara, pozitia componentelor care urmeaza sa echipeze placa de cablaj imprimat, vazute dinspre placa de echipare.

Etapele de stabilire a documentatiei necesare la realizarea cablajelor imprimate sunt urmatoarele:

intocmirea listei cu componentele utilizate la realizarea subansamblului;

extragerea din cataloage a dimensiunilor componentelor;

elaborarea desenului de baza a subansamblului;

numerotarea pe schema electrica tipurile de capsule utilizate, numerele terminalelor, adresele de conectori;

realizarea dupa desenul de baza succesiv toate celelalte desene cerute de documentatia tehnica.

Dupa stabilirea documentatiei se trece la realizarea practica a cablajului imprimat. In cazul acestui cablaj, ca tehnologie de realizare se foloseste cea substractiva.

Etapele realizarii practice sunt:

punctarea placii de cablaj, dupa desenul de baza realizat;

gaurirea placii;

acoperirea foliei de cupru, in vederea obtinerii traseelor conductoare, cu cerneala serigrafica;

se asteapta uscarea cernelei;

corodarea cu clorura ferica;

curatarea cernelei cu diluant;

cositorirea traseelor conductoare a cablajului imprimat;

lipirea componentelor pe placa;

verificarea lipiturilor.

Realizarea cablajelor folosind folia de transfer a desenelor PnP-Blue

Cablajul poate fi realizat folosind folia de transfer a desenelor de cablaj pe placa de sticlotextolit placat cu cupru, numita PnP-Blue. Folia de transfer PnP-Blue, avand un strat de acoperire special, face posibil transferul desenului unui circuit imprimat pe cablaj, cu ajutorul unei imprimante laser sau a unui copiator, realizandu-se astfel circuite imprimate simplu si rapid.

Foliile Press-n-Peel (apasa si cojeste) sunt utilizabile numai daca se dispune de un copiator cu hartie normala sau o imprimanta laser. Orice program de desenare este utilizabil pentru realizarea desenului circuitului imprimat (de exemplu soft-urile PROTEL sau ORCAD).

Desenele din reviste sau cele realizate cu imprimante matriciale se pot transfera cu ajutorul copiatoarelor pe folia de transfer insa in acest caz rezolutia de realizare a cablajului este mica. Pentru transferul desenului pe folie se regleaza imprimanta laser sau copiatorul in pozitia de contrast maxim, astfel incat sa nu apara urme de vopsea in locurile unde nu vom avea folie de cupru.

Desenul circuitului trebuie realizat astfel incat in zonele in care dorim sa ramana cupru, sa fie negru, iar in celelalte parti alb. Este bine sa ne convingem ca desenul realizat este la fel ca si cum am vedea placa din partea fara cupru (dinspre piese). Aceasta inseamna oglinda schemei realizate. Daca executam un cablaj dublu placat trebuie sa avem grija ca schema sa ajunga corect pe placa: desenul trebuie sa ajunga pe partea cu stratul acoperit cu emulsie a foliei de transfer. Introducem folia Press-n-Peel in imprimanta sau in copiator pentru realizarea imprimarii ca si cand am realiza aceasta pe o hartie obisnuita.

Curatam bine suprafata placata cu cupru a placii, cu ajutorul unui praf de curatat. Astfel indepartam de pe suprafata petele de oxizi si grasimi. Pentru curatirea temeinica a suprafetei placii este indicata o baie intr-o solutie de decapare timp de 30 de secunde. Dupa baie, suprafata este optima pentru realizarea transferului.

Decupam schema, astfel incat sa lasam cel putin 5mm de la fiecare margine. Aducem placa de sticlotextolit placat cu cupru un fier de calcat (sa nu fie cu aburi) si incepem operatiunea de lipire a foliei PnP pe placa. Reglarea temperaturii fierului de calcat depinde de felul tonerului folosit in imprimanta sau in copiator. Prima data incepem cu o valoare mai mica. In cele mai multe cazuri 200…225 C este o temperatura corespunzatoare. Punem folia PnP-Blue cu schema in jos pe placa (schema sa fie in contact cu placa). Punem placa cu folia in sus pe un material termoizolant (o placa de bachelita, de exemplu). Cu fierul de calcat in functiune la o temperatura medie incepem sa incalzim cu precautie folia si implicit placa. Prima data ne concentram pe margini pana acestea se lipesc. Continuam incalzirea foliei, prin miscari circulare precaute, pana cand se lipeste intreaga folie. In general 100…120 de secunde sunt suficiente. Pentru cablaje cu suprafete mai mari, avem nevoie de un timp mai indelungat.

Desenul se va vedea foarte bine si pe partea cealalta a foliei PnP-Blue dupa ce folia a fost bine incalzita, acesta fiind semnul ca operatiunea de incalzire trebuie intrerupta. Daca desenul se vede foarte bine pe toata suprafata foliei inseamna ca placa a fost incalzita suficient peste tot.

Dupa racire, tragem folia cu precautie de pe placa incepand de la un colt. Eventualele linii intrerupte se vor corecta cu vopsea rezistenta la decapare sau cu un marker de trasat cablaje.

Introducem placa astfel realizata in baia de decapare. Solutia de decapare poate fi clorura de fier sau acid sodic cu amoniac, care se va realiza dupa indicatiile producatorului. Dupa decapare indepartam de pe placa vopseaua, prin frecare sau slefuire. Spalam bine placa dupa care aceasta este gata pentru gaurire.

Dupa operatia de gaurire se spala placa din nou pentru a indeparta oxizii si grasimile aparute si apoi se sterge cu spirt tehnic. Imediat se aplica pe placa un lac care ajuta la lipirea terminalelor componentelor. Dupa ce lacul s-a uscat se trece la lipirea tuturor terminalelor componentelor.

3. Verificari tehnologice

1. Verificarea placii de cablaj imprimat, neechipata, la urmatoarele caracteristici:

1.1. Mecanice:

1.1.1. Dimensiunile de gabarit.

1.1.2. Cote si dimensiuni de gauri.

1.1.3. Inscriptionari.

1.1.4. Starea suprafetei: suprafetele placii cu cablaj imprimat nu trebuie sa contina portiuni necorodate, suplimentare desenului de cablaj sau trasee zimtate. Circuitul imprimat se va acoperi prin procedeul de stanare.

1.2. Electrice:

1.2.1 Continuitatea traseelor - se verifica cu lupa, avand campul de control iluminat corespunzator.

1.2.2. Continuitatea trecerilor metalizate - se verifica cu ohmmetrul pe scara 'x1'.

1.2.3. Izolatia intre traseele nelegate - se masoara cu megohmmetru o rezistenta de minim 20 Mohmi la aplicarea tensiunii de 200V.

2. Verificarea placii de cablaj imprimat, echipata cu componente:

2.1. Controlul lipiturilor - terminalul componentei lipite sa depaseasca cu circa 0,5 mm suprafata lipiturii.

2.2. Depistarea eventualelor intreruperi (prin exfoliere) sau punti de cositor intre traseele de circuit imprimat (cu lupa, avand campul de control iluminat corespunzator).

2.3. Controlul vizual al echiparii corecte (dupa desenul de amplasare si lista de piese), detectarea unor eventuale componente amplasate eronat sau conectate gresit.

2.4. Controlul final 'in circuit', conform schemei electrice de principiu, se face cu ohmmetrul, la terminalele componentelor, mai intai traseele de masa si alimentare apoi interconexiunile intre componente.

3. Preconditionarea  termica:

Placa de cablaj imprimat echipata se supune unui tratament termic care consta din 10 cicluri intre 2070 C cu mentinerea timp de 30 min. la fiecare din temperaturile limita, cu durata de transfer de 2040 min.; verificarea consta in controlul vizual al starii componentelor si cablajului imprimat.

4. Acoperiri de protectie

Dupa efectuarea probelor si rodajului placa se acopera pe ambele fete cu lac alchidic EZ 5001.