Нам осталось изучить совсем немного. И сегодняшняя статья будет довольно легкой и небольшой по объему. Многое из того, что нужно для создания многослойных печатных плат в KiCad мы уже знаем, рассматривали в предыдущих статьях. Осталось лишь познакомиться, как использовать переходные отверстия при трассировке.
Полигоны тоже довольно просты. В kiCad они применяются и для заливки областей печатной платы сплошным слоем меди, и для создания областей запрета трассировки. Но связывает области заливки и области запрета только то, что это замкнутые многоугольники, полигоны.
Не смотря на то, что 25 декабря 2021 года вышла первая версия новой, уже шестой, ветки KiCad - 6.0.0, в статье будет по прежнему использоваться версия 5.1.12. Новой версии будут посвящены отдельные статьи, так как там много значимых изменений.
Многослойные печатные платы
Созданная нами в предыдущих статьях плата была однослойной. Несмотря на это, фактически, мы работали с двухслойной платой. И дело даже не в том, что выводные компоненты размещаются на одной стороне платы, а дорожки на другой. Мы использовали и компоненты для поверхностного монтажа, которые располагались на стороне дорожек. И мы их уже умеем переносить с верхней стороны на нижнюю.
Собственно говоря, нам осталось разобраться с использованием переходных отверстий во время трассировки. И, уже совсем кратко, коснемся работы с платами имеющими более двух медных слоев.
Что бы вспомнить, как устроены многослойные печатные платы будет полезным прочитать еще раз девятую часть цикла, ссылку я выше привел.
Работать сегодня мы будем с нашим учебным проектом симметричного мультивибратора, но внесем в схему небольшие изменения. И именно, заменим все компоненты на SMD варианты. Вместо BC547B будем использовать BC847B в корпусе SOT-23. И конденсаторы типоразмера 1206, а не выводные.
Я не буду рассказывать, как это сделать, редактор печатных плат мы уже изучали и вы, безусловно, сможете сделать это самостоятельно. После внесения изменений в схему перенесем изменения на ранее созданную нами печатную плату. Это делается точно так же, как первый перенос компонентов на новую печатную плату. Результат будет примерно таким
Да, это та же самая печатная плата, с которой мы работали раньше. Посадочные места замененных компонентов автоматически удалились, а посадочные места новых компонентов разместились на плате. При этом все дорожки сохранились, только теперь некоторые ведут "в никуда".
Кстати, теперь можно увидеть и то, что ранее скрывалось контактными площадками. Помните, я говорил, что сегменты дорожки соединяются с центрами контактных площадок? Это было сложно заметить, так как контактные площадки отображаются поверх дорожек. Посмотрите на середину посадочного места C2. Теперь соединение сегментов дорожек видно четко. Сравните с тем, как это было видно раньше.
Как и всегда, новые компоненты добавились на верхний слой печатной платы. Давайте удалим все существующие дорожки, они нам больше не понадобятся. После чего по новой разместим компоненты на плате.
Да, можно было просто удалить файл печатной платы и создать новый. Но мне хотелось показать, что получается при внесении изменений в схему и обновление платы на основе измененной схемы.
Однако, с чисто учебными целями, мы используем довольно специфическую компоновку. Левое плечо (VT1, R1, R2, C1) мультивибратора будет располагаться на верхней стороне платы, а правое (VT2, R3, R4, C2) на нижней. Изменим размер платы. Разместим позиционные обозначения компонентов. Все действия нам уже хорошо знакомы. У меня получилось так
Вот трехмерные виды, для наглядности
Компоненты размещены точно один над другим, что снижает несколько наглядность.
Теперь проложим дорожки. Поскольку медных слоев теперь два, нам придется выбирать слой, в котором расположится дорожка, в списке слоев в правой части окна редактора. Что бы ненужные слои и элементы не мешали, можно отключить их отображение. Мы ранее уже рассматривали, как это можно сделать.
Проблем с дорожками не почти не возникает. За исключением базовых цепей. Вот промежуточный результат
Остались не подключенными базы транзисторов. Давайте ими и займемся. Проблема заключается в том, что база должна соединяться с компонентами на другой стороне печатной платы. И эта проблема решается с помощью переходных отверстий.
Давайте выберем верхний слой меди и начнем прокладывать дорожку от базы VT1. Нам некуда вести эту дорожку. Поэтому давайте перейдем на нижний медный слой с помощью переходного отверстия. Что бы его разместит нажимаем клавишу V на клавиатуре. И увидим примерно такое
Вот эта жирная белая точка на конце дорожки, приклеившаяся к курсору мыши, и соответствует переходному отверстию, которое пока еще нигде не разместилось. Найдем подходящее место и нажмем левую клавишу мыши. Переходное отверстие будет размещено на плате, а медный слой, в котором мы прокладываем дорожку автоматически изменится
С изменением текущего слоя, как вы помните, все расположенные в нем элементы оказываются на переднем плане редактора. И мы теперь видим, куда должна быть подключена дорожка. Заканчиваем работу с дорожкой, как обычно. И получаем примерно такой результат
Аналогично прокладываем дорожку от базы VT2. Но начинаем ее уже в нижнем слое меди. Окончательный результат примерно такой
Или в трехмерном виде, с двух сторон
Как видите, сделать двухслойную печатную плату почти так же легко, как и однослойную. А использование переходных отверстий позволяет легко осуществлять переход дорожки с одной стороны платы на другую.
Для печатных плат с более чем двумя слоями меди, работа с переходными отверстиями немного сложнее. Прежде всего, давайте вспомним, что теперь возможны сквозные переходные отверстия, которые проходят через все слои печатной платы, и глухие, которые начинаются и/или оканчиваются во внутренних слоях меди. Это мы ранее подробно разбирали.
Что бы использовать глухие/внутренние переходные отверстия, их нужно разрешить на вкладке "Правила проектирования" в "Параметрах платы". Однако, даже после этого, по умолчанию, переходные отверстия будут сквозными и будут соединять верхний и нижний медные слои. Изменить это можно с помощью инструмента "Выбор активного слоя" на верхней панели инструментов
В данном случае, выбран верхний медный слой и первый внутренний медный слой. Именно эти два слоя будет соединять размещаемое переходное отверстие. И при прокладывании дорожки автоматическое переключение будет выполняться между этими двумя слоями. Однако, даже в этом случае, переходное отверстие будет сквозное, а не глухое, как ожидается. Изменить тип переходного отверстия можно отредактировав его свойства
Это окно, как всегда, можно вызвать двойным кликом левой клавиши мыши и с помощью клавиши Е. Если выбран тип отверстия "глухое/внутреннее", становится доступным выбор слоев. Конечно, мы выбрали активную пару слоев ранее, но мы можем ее и изменить.
Обратите внимание, переходное отверстие принадлежит конкретной цепи! Вы можете разместить переходное отверстие в любой момент, даже когда не прокладываете дорожку, но подключить к нему дорожку сможете только если явно укажете, какой цепи оно принадлежит.
К сквозному переходному отверстию можно подключить дорожку в любом слое меди. К глухому, только в тех слоях, через которые оно проходит.
Полигоны
Заливка платы медными полигонами используется довольно часто. Чаще всего используется земляной полигон, например, в целях экранирования. Однако, полигон может быть соединен с любой цепью. Или может быть полностью изолированным. Другими примерами использования медных полигонов является увеличение ширины дорожек или создание поверхности отвода тепла.
Давайте рассмотрим простой пример использования медных полигонов. Подопытным кроликом снова выступит наша учебная плата симметричного мультивибратора. Откройте еще раз принципиальную схему и присвойте имя GND цепи эмиттеров. Напомню, для этого нужно разместить метку цепи.
Сохраните схему и обновите плату из схемы. При этом видимых изменений не будет, но одна из цепей получит заданное нами имя. Выберем на правой панели инструмент "Добавить зоны". Курсор мыши изменится на "карандашик".
Теперь щелкните левой кнопкой мыши, например, на левом верхнем углу предполагаемого медного полигона на верхнем слое (его, конечно, нужно сначала выбрать). Появится окно настройки полигона
Если нужный слой меди еще не выбран, это можно сделать в данном окне. Нужно выбрать и цепь, которой будет принадлежать полигон. Выбор "<no net>" создаст изолированный полигон. Остальные параметры пока оставим без изменений. Нажмите ОК.
Начальная точка и текущее положение курсора мыши теперь будут связаны "резиновой нитью". Кликните левой кнопкой мыши на правом верхнем и правом нижнем углах полигона. Особую точность соблюдать не обязательно, полигон можно будет отредактировать. Вот промежуточный результат
На левом нижнем углу полигона сделайте двойной клик левой кнопкой мыши. Полигон будет создан. Вот так, некрасиво, он у меня выглядит
Почему получилось не совсем то, что мы ожидали? Просто на медный полигон влияют и его параметры, и правила проектирования, которые заданы для платы.
Давайте отредактируем полигон. Для этого нужно поместить на ним курсор мыши и кликнуть левой кнопкой мыши. Вот результат
За точки на контуре полигона можно перемещать как стороны, так и углы между сторонами. После окончания редактирования просто нажмите Enter. Давайте совместим углы полигона с углами печатной платы
Во время редактирования внешний вид полигона изменится. В данном случае, использовался вариант контура "Полная штриховка". После нажатия Enter полигон отобразится в обычном виде
Параметр полигона "Зазор" устанавливает расстояние от границ меди полигона до окружающих объектов. В данном случае, я установил зазор равным 0.2 мм, а окружающие объекты это границы печатной платы.
Параметр полигона "Минимальная ширина" устанавливает минимальную ширину любого элемента полигона (кроме мостиков терморазгрузки). А вот расстояние между дорожками и элементами полигона (кроме терморазгрузки) задается в правилах проектирования.
У нас в правилах проектирования заданы широкие зазоры (0.5 мм), поэтому во внутренние области платы провести заливку не получилось. Давайте уменьшим величину зазора, у нас это задано для класса Default, до 0.3 мм. Минимальная ширина для полигона задана 0.254 мм. Теперь заливка получилась полная
Осталось разобраться с терморазгрузкой. Ранее мы уже касались этого вопроса. В данном случае у нас терморазгрузка используется для двух контактных площадок. Это вывод разъема и вывод транзистора. Давайте рассмотрим их подробнее
Тип терморазгрузки, как и ее использование, задается параметром "Подключение к контактной площадке".
Если нужно отредактировать не границы полигона, а параметры полигона, то нужно сделать на нем двойной клик. Или выделить его и нажать клавишу Е.
Аналогично создаются полигоны любой формы (как многоугольники), в любом слое, принадлежащие любой цепи.
Зоны запрета трассировки
Размещаются точно так же, как и полигоны меди. Только с помощью инструмента "Добавить области запрета" с правой панели инструментов. Окно настройки параметров зон запрета гораздо проще
Выбирается слой, в котором размещается зона запрета, и список запрещаемых элементов. Обратите внимание, что размещение зоны запрета не выполняет автоматическое изменение уже проложенных дорожек и медных зон! Зоны запрета влияют только на элементы размещаемые после создания зоны.
Давайте для примера добавим область запрета в правом нижнем углу платы. Сделайте это сами. Добавление зоны не произвело на заливку медью никакого впечатления. Что бы результат стал виден, нужно отредактировать параметры полигона (не его границы). Достаточно просто открыть окно редактирования параметров и ничего не изменяя нажать OK. Результат не заставит себя долго ждать
Заключение
Мы почти закончили изучение KiCad в объеме, который я посчитал достаточным для начинающих. Осталось совсем немного, разобраться с подготовкой платы к производству. Как самостоятельному, так и для заказа на одном из сервисов, например, JLCPCB. Этим и займемся в следующий раз.
