Мы уже знаем, как подготовить принципиальную схему в редакторе схем, как добавить всю необходимую дополнительную информацию для создания печатных плат. Кроме того, еще раньше мы узнали, как создать свои собственные компоненты и посадочные места. Поэтому знакомство с редактором печатных плат, который несколько сложнее редактора схем, не будет слишком сложным.
Я понимаю, что для многих читателей именно редактор печатных плат наиболее интересен. Они хотят узнать, как трассировать печатные платы и чем KiCad лучше, или хуже, других программ. Однако, как и раньше, я буду не сравнивать, не дублировать документацию, а рассказывать, как KiCad работает. И начнем мы с уже подготовленной ранее схеме симметричного мультивибратора.
Как выглядит редактор печатных плат мы уже видели во второй статье цикла
KiCad для начинающих. §2 Установка, настройка, структура
Обсуждали мы уже и особенности системы координат в KiCad, в статье
KiCad для начинающих. §4 Создаем свой компонент. Часть 1
Пусть вас не смущает, что это была статья про создание компонента. Разбирались мы и с сетками. И к этим темам мы не будем возвращаться.
Однако, прежде чем мы приступим к собственно созданию печатной платы, нам необходимо познакомится с некоторыми параметрами редактора и печатных плат, а так же разобраться со слоями.
Если вы используете статьи, или части статей в собственных публикациях, хотя бы указывайте ссылки на оригиналы статей на данном канале!
Параметры печатной платы
В статье не будет идти речь о том, как трассируют платы "в общем и целом". Предполагается, что читатели все таки имеют об этом представление и знаю, что такое печатная плата. Нам интересно, как некоторые важные параметры печатных плат представлены в KiCad. И для этого нам все таки нужно рассмотреть собственно печатные платы. И начнем мы со слоев, именно печатных плат, а не редактора печатных плат
Технологии производства многослойных печатных плат могут быть разными. Но, в самом общем случае, такие платы состоят из отдельных листов фольгированного стеклотекстолита (Core) соединенных промежуточными слоями стеклоткани (Prepreg).
Да, я знаю, что могут использоваться не только стеклотекстолит и стеклоткань.
И важно отметить, что KiCad не делает различий между Core и Prepreg. Это часто не критично для любительского применения, но может представлять проблему для профессионального. Если для вас важна точная структура "слоеного пирога" платы, возможно, KiCad окажется для вас неподходящим.
Всего KiCad позволяет использовать до 32 медных слоев. Этого достаточно в большинстве случаев. Разумеется, электронные компоненты могут размещаться только на внешних слоях. При этом каждый слой меди может использоваться так, как требуется разработчику. KiCad не выделяет и не учитывает специфику использования слоев (кроме возможности разместить компонент). Но возможность уточнить использование слоя есть, если это требуется для внешней программы трассировки.
Количество слоев задается в параметрах печатной платы
Есть несколько предопределенных типовых случаев. В данном случае выбран "Четыре слоя, элементы сверху и снизу". Но есть и возможность включить все слои или выбрать свой собственный набор.
Тип использования слоя меди (только для внешних программ!) может быть:
- сигнальный
- питание
- смешанный
- соединительный
В качестве примера такой внешней программы можно упомянуть Freerouter. Более подробно вопрос функционального использования слоев рассматривать не будем, так его практическая применимость близка к нулю.
Внешние слои меди обозначаются:
- F.Cu - верхний слой. Это сторона платы, условно, обращенная к разработчику платы.
- B.Cu - нижний слой платы. Это сторона платы максимально удаленная от разработчика.
Внутренние слои обозначаются Inx.Cu. Здесь x обозначает просто номер слоя. Так для нашего примера четырехслойной платы слои будут такие: F.Cu - In1.Cu - In2.Cu - B.Cu.
Контактные площадки SMD компонентов это просто "островки" меди во внешних слоях. Контактные площадки выводных компонентов, кроме того, включают в себя отверстие проходящее через все слои платы. Оно может быть металлизированным (в большинстве случаев и по умолчанию) или не металлизированным. Будут ли контактные площадки выводного компонента на внутренних слоях меди определяется при создании посадочного места. Вспомните статью
KiCad для начинающих §5 Создаем свое посадочное место
где это описывалось.
Если контактные площадки на внутренних слоях имеются, можно и подключить к ним дорожку на внутреннем слое.
Контактную площадку выводного компонента можно использовать и для соединения дорожек на разных слоях меди. То есть, в качестве переходного отверстия.
Но переходные отверстия можно создавать и отдельно. Обычное переходное отверстие проходит через все слои платы. И от контактной площадки выводного компонента отличается лишь меньшим диаметром сверления и меньшим размером "островка" меди. Но есть и важное отличие. Переходное отверстие может быть закрыто паяльной маской на внешних сторонах печатной платы. Разумеется, к переходному отверстию можно подключить дорожку и во внутренних медных слоях.
Микро-переходные отверстия можно считать "предельным случаем" обычного переходного отверстия. Диаметр сверления очень мал, а само такое отверстие зачастую полностью заполнено металлизацией. Без осознанной необходимости не стоит использовать микро-переходные отверстия. А при их использовании нужно обязательно уточнять у фирмы изготовителя печатной платы не только их параметры, но и саму возможность использования.
Переходные отверстия не обязательно проходят через все слои платы. Они могут соединять, например, два внутренних слоя платы. Или внешний слой с внутренним. Такие переходные отверстия называются глухими. Я показывал их на иллюстрации выше. Глухие переходные не всегда возможно использовать. Это обязательно нужно уточнять у производителя.
Кроме того, глухими переходными отверстиями может оказаться возможно соединять не любые слои меди. Например, может быть возможность соединить два слоя меди разделенных стеклотекстолитом (Core), но соединить слои меди разделенные стеклотканью (Prepreg) может оказаться невозможным. Подробности следует уточнять у производителя плат.
Возможны и глухие микро-переходные отверстия. Каких-либо особенностей здесь нет. Возможность использования глухих микро-переходных отверстий определяется производителем плат.
Правила проектирования (свойства печатной платы)
Окно с настройкой параметров печатной платы мы уже видели, но использовали для настройки слоев. Внимательные читатели заметили чуть ниже и раздел "Правила проектирования". Это важный раздел. И используется он не только при проверке на наличие ошибок, но и в процессе работы над платой
И именно в правилах проектирования мы можем разрешить/запретить использование микро-переходных отверстий и глухих переходных отверстий. По умолчанию их использование запрещено. Для избежания случайных ошибок.
Здесь же задаются минимальная ширина дорожки печатной платы, минимальные параметры переходных отверстий, минимальное расстояние между отверстиями. Это глобальные параметры печатной платы которые нарушены быть не могут. И это проверяется автоматически.
Классы цепей
Помните, ранее я говорил, что цепи, кроме имени и списка соединяемых выводов, имеют еще и классы? И говорил, что классы цепей используются при трассировке печатной платы. Пришло время рассмотреть этот вопрос подробнее
Классы цепей позволяют задать некоторые отдельные параметры использующиеся при трассировке платы. По умолчанию есть лишь один класс Default, который определяет параметры по умолчанию. Обратите внимание, что это именно класс цепей, а не минимальные параметры, которые мы видели ранее.
Каждый класс цепей имеет имя и позволяет определить:
- Зазор - минимальная ширина зазора между дорожками для данного класса. В данном случае, это действительно минимальная ширина. Причем не только между дорожками одного класса, но и относительно любых дорожек любых классов.
- Ширина дорожки - ширина дорожки используемая по умолчанию для данного класса. Эта ширина дорожки автоматически используется при начале прокладывания дорожки данного класса. Это не отменяет возможности изменить ширину дорожки как на более широкую, так и на более узкую. Но это изменение будет уже ручной операцией.
- Параметры переходных и микро-переходных отверстий - они будут автоматически использоваться во время трассировки при переходе между слоями. Как и ширину дорожки, эти параметры можно изменить для каждого переходного отверстия позже, вручную.
- Параметры дифференциальной пары - относятся к дорожкам являющимся дифференциальной парой. Этот тип дорожек мы не будем рассматривать в рамках данного цикла для начинающих.
Вы можете изменить параметры класса Default, кликом по значению параметра в ячейке таблицы. Проверка на соответствие параметра заданным ранее глобальным ограничениям будут проверены при нажатии на кнопку "ОК", а не сразу. Дело в том, что проверяются не текущие изменения, а правила проектирования в целом, при их сохранении. Изменения параметров классов цепей никак не отразится на уже проложенных дорожках. Но они будут использоваться на вновь прокладываемых дорожках.
Вы можете создать любое количество дополнительных классов цепей и задать для каждого класса собственные параметры. Задать для каждой цепи, или группы цепей, конкретный класс можно используя нижнюю часть окна параметров.
Здесь можно увидеть и полный список цепей со связанными классами
В данном случае, отдельные классы еще расставлены. Изменить класс цепи можно прямо в этом списке. А можно воспользоваться фильтрами классов и имен цепей, которые расположены чуть левее, и задать класс сразу для группы цепей.
Классы цепей использовать не обязательно. Они являются лишь вспомогательным инструментом. Чаще всего, в любительском применении, достаточно изменить параметры класса Default.
Однако, при этом вы обнаружите, что выбор ширины дорожки при трассировке, по сути, отсутствует. Доступна лишь ширина заданная для Default. Просто ширина дорожки не задается произвольно, а выбирается из списка возможных, предварительно заданных.
Дорожки и переходные отверстия
Задать дополнительные ширины дорожек и параметры переходных отверстий можно в разделе "Дорожки и переходные отверстия"
В данном случае, дополнительные ширины дорожек и параметров переходных отверстий не заданы. Можно добавить любое необходимое количество параметров. Они станут впоследствии доступны для выбора при трассировке.
Поскольку данные параметры достаточно очевидны, нет необходимости останавливаться на них более подробно.
Паяльная маска и паста
Это последний общий раздел правил проектирования печатной платы. И нам нужно вспомнить, что мы изучали в статье
KiCad для начинающих §5 Создаем свое посадочное место
Я повторю здесь иллюстрацию из той статьи, так как зазоры вызывают немало вопросов у новичков
Если помните, я говорил, что зазоры нужно задавать нулевыми при создании посадочного места, если нет специальных условий. Это позволит использовать в дальнейшем параметры зазоров заданные для печатной платы в целом. И данный раздел в правилах проектирования как раз и описывает эти общие параметры
Не смотря на то, что для маски зазор по умолчанию задан 0,051 мм, советую обратить внимание на предупреждение, показываемое в окне настроек
Обычно, заданное по умолчанию значение не вызывает проблем. Но есть редкие сообщения о проблемах при изготовлении платы с большим зазором маски. В большинстве случаев нет необходимости редактировать заданные здесь значения параметров.
Слои редактора печатных плат
В правой части окна редактора печатных плат есть список слоев и список элементов. С слоями мы уже встречались раньше, в статье о создании посадочных мест. Но теперь у нас доступных слоев больше.
Мы можем включить или отключить отображение любого слоя. За это отвечает синий квадратик с белой галочкой. И можем выбрать слой для использования текущим инструментом. В данном случае, выбран внутренний слой меди In1.Cu, что, как и ранее, показывает небольшая синяя отметка слева от слоя в списке.
Список элементов позволяет лишь включить/отключить отображение соответствующих элементов. Элемент это сразу группа. Например, элемент "Посад.места сверху" включает в себя и контактные площадки, и окна в маске, и пасту. Но при этом не включает в себя дорожки верхнего слоя. И отключение этого элемента выключает отображение посадочного места, но оставляет отображение дорожек. Тогда как отключение слоя F.Cu отключает отображение верхнего слоя в целом, включая дорожки. Но оставляя отображение окон маски и пасты.
Список слоев редактора изменяемый. Будет ли конкретный слой включаться в этот список определяется в настройке слоев в параметрах печатной платы. Мы уже это рассматривали, но я тогда не сказал, что там же задается и включение слоя в список
Сняв галочку мы исключим слой из списка в окне редактора печатных плат. Вы можете легко отключить ненужные слои.
Поскольку назначение основных важных слоев мы уже рассматривали ранее, а слои меди рассмотрели немного подробнее и сегодня, остановлюсь лишь на одном слое, которого ранее не касались.
Речь идет о важном слое Edge.Cuts, который определяет границы печатной платы. В этом слое обязательно должен располагаться многоугольник (полилиния), причем замкнутый и без пересечений. В этом же слое размещаются все дополнительные вырезы и отверстия платы. Например, технологические и крепежные. В последствии мы рассмотрим это более подробно.
Вы можете свободно изменить цвет любого слоя. Для этого нужно два раза кликнуть на квадратике с цветом слоя. Откроется вот такое окно
где можно задать любой цвет или выбрать цвет из списка предопределенных.
Заключение
Теперь мы знаем, какие параметры печатных плат, и как именно, можно и нужно задать в редакторе печатных плат KiCad перед началом создания печатной платы. Возможно, это немного скучно, но это важный этап. И понимание, хотя бы основных настроек и параметров, очень важно. Поэтому я и уделил им целую статью.
Зато в следующей статье мы наконец займемся собственно трассировкой платы. Я знаю, что именно этого многие ждут.