Подготовить схему и выполнить трассировку печатной платы недостаточно для получения собственно готовой платы, в ее физическом воплощении. Чертеж печатной платы на экране монитора нельзя использовать для изготовления платы. И сегодня мы кратко рассмотрим, что еще нужно сделать.
Поскольку печатную плату любитель может изготовить сам, а может заказать изготовление в одном из многих сервисов, например, JLCPCB, мы будем рассматривать оба варианта. Но у обоих вариантов есть один общий этап, пренебрегать которым не стоит.
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.
Проверка выполнения правил проектирования (DRC)
Внешне, на чертеже на экране монитора, печатная плата может выглядеть отлично. Но досадные ошибки все таки могут быть. И не только допущенные самим пользователем. Например, в процессе трассировки платы были изменены правила проектирования. Пусть будет увеличен минимальный зазор между дорожками, исходя из возможностей производителя печатных плат. Но это изменение никак не отразится уже проложенных дорожках.
Если изменение невелико, например с 0.3 мм до 0.35 мм, зрительно может не получиться заметить несоответствие. Могут остаться не соединенными дорожками отдельные фрагменты цепи, что просто не будет видно, если отключено отображение связей (тонкие белые линии, ratsnest). Проверка соблюдения правил проектирования позволяет значительно снизить вероятность ошибки.
Запуск проверки осуществляется с помощью инструмента "Выполнить проверку правил проектирования" (пиктограмма с жучком, божьей коровкой) на верхней панели инструментов. Или через пункт меню "Проверить". Диалоговое окно проверки выглядит очень просто
Большинство настроек для проверки берется из параметров печатной платы. Но проверяемую ширину дорожек и диаметры переходных отверстий можно изменить в окне проверки.
Дополнительные параметры по умолчанию отключены. Я рекомендую включать перезаливку зон и сообщения обо всех ошибках дорожек. Проверять дорожки в зонах меди почти никогда не требуется. Да и сами эти дорожки можно просто удалить, так соединения в цепи будут выполняться медью зоны.
На иллюстрации я показал результат выполнения проверки печатной платы нашего учебного проекта, специально удалив одну дорожку, что бы создать ошибку. Результаты проверки выводятся в нижней части окна на двух вкладках. В данном случае, нарушений нет и левая вкладка будет пустая. А вот не подключенные элементы есть (специально удалена дорожка). И эта ошибка показана на правой вкладке.
Справа вверху отображается ход проверки. В данном случае, это не очень интересно, так как плата маленькая и проверяется быстро. Но для больших и сложных плат, с большим числом слоем, проверка может занять несколько минут. Особенно на медленных машинах.
Обнаруженные ошибки, разумеется, нужно исправить.
Подготовка платы к самостоятельному изготовлению
При самостоятельном изготовлении платы обычно используются ЛУТ или фоторезист. Причем фоторезист может быть негативным и позитивным. Для создания шаблона (для ЛУТ) или фотошаблона (для фоторезиста) можно использовать два инструмента, которые обладают значительно различающимися возможностями.
Печать платы
В простейшем случае используется инструмент KiCad - "Печать платы", который можно найти в левой части верхней панели инструментов. Давайте внимательно рассмотрим диалоговое окно печати
Прежде всего, важно отметить, что печать платы предназначена для создания проектной документации. Использование печати для самостоятельного изготовления платы является побочным, но вполне допустимым в любительской практике.
Печать выполняется непосредственно на принтер. Если требуется вывод в файл, то это должно делаться с помощью средств операционной системы или драйвера принтера (виртуальный принтер). Все настройки принтера, например, качество печати, должны устанавливаться средствами ОС или драйвера. В KiCad есть лишь подстройка масштаба.
В типовом случае, разумеется, нужно использовать масштаб 1:1, так как именно он позволяет получить на бумаге/пленке отпечаток с размерами соответствующими заданным. Однако, принтеры не всегда бывают точны. Исправить это помогает выбор масштаба "Пользовательский".
На заданное пользователем число умножаются все размерные параметры при печати. Это единый параметр. Раздельный масштаб по осям X и Y (длина и ширина), в данном случае, задать нельзя. Например, если задать пользовательский масштаб 0.95, размеры платы при печати будут уменьшены на 5%.
Для определения параметра масштабирования нужно выполнить печать пробной платы большого размера. Достаточно просто границ платы, компоненты и дорожки не обязательны. Параметр масштабирования достаточно рассчитать/подобрать один раз, если печать выполняется на один и тот же принтер.
Выбирать цветной режим печати смысла не имеет, даже для цветных принтеров. И совершенно точно не нужно выбирать печать рамки и основной надписи. Это может потребоваться при печати документации, но для изготовления платы точно не требуется.
Влияние параметра "Метки отверстий" показывает следующая иллюстрация
Дополнительные комментарии здесь вряд ли требуются.
Параметр "Печать зеркально" нужно устанавливать для верхних слоев меди и паяльной маски. Так и для ЛУТ, и для позитивного фоторезиста, отпечаток будет переворачиваться, что бы к плате была обращена именно сторона печати. Для нижних слоев зеркальную печать использовать не нужно.
Обратите внимание, я не случайно сказал "позитивный фоторезист"! При использовании функции "Печать платы" нет возможности использовать инверсию печати. То есть, это подходит только для ЛУТ и для позитивного фоторезиста.
Разбиение печати слоев на отдельные страницы позволяет за один раз напечатать все верхние или нижние слои. А режим без разбиения имеет смысл использовать только для печати документации. Вот пример для верхних слоев без разбиения на страницы, и с разбиением
Для печати без разбиения в выбрал цветной режим, что бы было хоть немного нагляднее. Слой маски был выбран как текущий, именно по этому маску видно (фиолетовый цвет). Вы должны помнить, что выбор слоя в редакторе в качестве текущего (активного) поднимает все элементы в том слое на передний план. А вот слою шелкографии не повезло, он оказался на заднем плане, так как слои меди имеют приоритет при отображении. Немного неожиданно и нелогично, что выбор активного слоя влияет и на печать платы, правда?
Почему нельзя напечатать вообще все слои, и нижние, и верхние, за один раз? Вспомните, что для верхних слоев требуется зеркалирование, для нижних нет.
Выбирать для печати слой Edge.Cuts не нужно, границы платы будут добавлены к каждому слою автоматически, если не включен параметр "Исключить слой контура платы". В большинстве случаев будет достаточно напечатать слои меди и маски (если маска будет использоваться). Шелкографию в домашних условиях делают относительно редко.
Печать платы это простейший вариант подготовки к изготовлению, но возможности настройки здесь минимальны. Для ЛУТ, тем не менее, он вполне может использоваться.
Черчение платы
Это более сложный, но и более функциональный способ. И именно он используется для подготовки платы к промышленном производству, как мы увидим далее. Но сейчас мы им воспользуемся вместо печати. А точнее, для печати.
Если у вас есть плоттер, то можно подготовить данные и для него, это будет действительно черчение. Можно использовать этот метод и для изготовления платы фрезерованием, если у вас есть соответствующий станок. Но поскольку у большинства есть лишь принтер, будем рассматривать именно черчение-печать.
Инструмент "Чертить плату" тоже располагается на верхней панели инструментов, справа от инструмента "Печать". И диалоговое окно у него более сложное
Прежде всего, нас будет интересовать параметр "Формат черчения". Тем более, что он его выбора зависит и список остальных параметров. По умолчанию устанавливается формат Gerber, но об этом чуть позже.
Как видно, при черчении уже нет возможности направить вывод прямо на устройство. Список форматов небольшой, но достаточный
- Gerber - стандартный формат при промышленном изготовлении печатных плат. О нем мы поговорим позже
- HPGL - векторный формат используемый многими плоттерами (графопостоителями). Поскольку плоттер не самый распространенный у любителей инструмент, мы не будем это рассматривать
- DXF - графический формат поддерживаемый многими САПР, изначально разработанный для AutoCAD. Мы не будем рассматривать
- Postscript - текстовый формат описания графических и текстовых документов. Этот формат поддерживается многими принтерами и многими графическими программами. Нам он подходит
- SVG - текстовый формат описания графических векторных документов. Поддерживается многими графическими редакторами. Нам он подходит
- PDF - в особом представлении не нуждается. Нам он подходит
Результат черчения в форматах Postscript и PDF можно просто распечатать на принтере. Формат SVG потребует для печати использования графического редактора. Однако, SVG позволяет выполнять масштабирование без потери качества, так как содержит не растровое, а векторное изображение.
В отличии от печати, черчение всегда создает отдельный файл вывода для каждого слоя. Вне зависимости от выбранного формата. Причем слой Edge.Cuts тоже будет располагаться в отдельном файле, если он выбран. При самостоятельном изготовлении платы в этом, обычно, нет необходимости. Поэтому выбирать слой Edge.Cuts, как и при печати, не требуется. Но, что бы контуры платы были напечатаны для каждого слоя, нужно отключить параметры "Исключить контур печатной платы с остальных слоев" (орфография программы сохранена) и "Исключить контур платы из шелкографии".
Разумеется, не нужно включать параметр "Чертить форматную рамку", если конечно мы не создаем документацию на проект.
Параметр "Метки отверстий" работает точно так же, как и при печати платы, поэтому дополнительно рассматривать его не будем. Параметр "Масштаб" доступен только для Postscript, но интереса для нас не представляет, так как возможен лишь выбор из фиксированных значений.
Только для Postscript доступен и параметр "Режим черчения". В режиме "Заполненный" результат будет иметь привычный вид. А в режиме "Контурный" получим вот такое
Здесь хорошо видны все сегменты дорожек, но нас такой результат вряд ли устроит. Впрочем, автоматическая заливка замкнутых контуров будет выполнена автоматически некоторыми принтерами.
Чуть ниже можно увидеть и знакомый нам параметр "Чертить зеркально". Для верхних слоев он должен использоваться, как и ранее
Обратите внимание, что мы пока говорим об использовании черчения для печати. При создании Gerber этот параметр, и последующий, будут недоступны.
Немного ниже расположен и параметр, которого не было при печати. А именно "Чертить негативно". Для ЛУТ и позитивного фоторезиста этот параметр должен быть отключен. А для негативного наоборот, включен. Это важный момент.
Весьма полезно выполнять и проверку заполнения зон перед черчением. Рекомендую включать этот параметр.
Немного подробнее стоит остановиться на параметре "Не закрывать переходные отверстия". Он касается только слоев маски. Если не включено, переходные отверстия не закрываются паяльной маской, как и обычные контактные площадки выводных компонентов. Это позволяет подключать к ним щупы измерительных приборов или пропаять, при возникновении сомнений в надежности. Если параметр включен, переходные отверстия будут закрыты паяльной маской.
Выбор слоев ничем не отличается от такового при печати. Только слои теперь не разделены на медные и вспомогательные.
Дополнительных параметров для форматов SVG и PDF нет. А вот для формата Postscript есть возможность задать разные коэффициенты масштабирования по осям
Это позволяет скомпенсировать погрешность принтера как по длине, так и по ширине. Ведь документ Postscript можно просто отправить на принтер. А документ PDF требует использование специальной программы для просмотра и печати. И коррекция размеров, если требуется, должна осуществляться в этой программе.
Формат SVG является векторным, поэтому для него возможно любое масштабирование. Но необходимо использовать графический редактор.
Если вас интересует, как поступаю я сам, когда изготавливаю плату не на производстве или в лаборатории, а дома, то могу сказать, что предпочитаю вывод в SVG с последующей сборкой отправляемых на печать (на пленке) документов в графическом редакторе. Редактор, кроме всего прочего, позволяет управлять и параметрами качества (разрешающая способность) и расхода чернил.
Дополнительные шаги, которые могут быть полезны
При изготовлении двухсторонних печатных плат или плат с маской возникает необходимость совмещения нескольких шаблонов при последовательных технологических этапах изготовления. Отметки для совмещения слоев/шаблонов можно разместит с помощью инструмента "Разместить миру для совмещения слоев" с правой панели инструментов
В данном случае, размещено три миры (отметки). Эти отметки будут напечатаны или начерчены, что позволит легко совмещать шаблоны в процессе изготовления платы.
Подготовка платы для заказа промышленного изготовления
В данном случае, прежде всего нужно ознакомится с требованиями производителя печатных плат. В частности, для уже упоминавшегося JLCPCB подготовка файлов в KiCad пятой ветки описана здесь
How to generate Gerber and Drill files in KiCad 5
Обратите внимание, здесь речь идет не о возможностях производителя, а о выборе параметров при создании файлов для заказа.
Необходимость размещать миры для совмещения слоев определяется производителем. Он же определяет, нужно ли устанавливать вспомогательное начало координат. Инструмент размещения вспомогательного начала координат находится на правой панели инструментов, чуть ниже инструмента для размещения миры и похож на него. Вспомогательное начало координат можно разместить, например, в левом нижнем углу платы. Или совместить с одним из отверстий.
Для заказа изготовления платы (не сборки!) обычно нужно предоставить набор файлов. Для платы формат Gerber, для сверления отверстий формат Excellon. Вся работа выполняется через уже знакомый нам диалог черчения. Только нужно выбрать выбрать формат Gerber.
При этом необходимо включить параметры исключения контура платы из других слоев и шелкографии. А вот выбирать слой Edge.Cuts уже обязательно. Параметры меток отверстий, масштаба, зеркалирования, негатива, теперь недоступны. Что совершенно естественно.
Появился и новый параметр "Использовать вспомогательные оси как основные". Если вы не размещали вспомогательно начало координат, то этот параметр включать не стоит. Если же вспомогательное начала координат размещено, то параметр стоит включить. При этом все координаты автоматически будут отсчитываться от этого вспомогательного начала координат. Еще раз отмечу, что это нужно уточнять у производителя, у которого заказываете платы.
Появился и дополнительный блок параметров Gerber. Какие параметры можно выбирать, тоже стоит уточнить у производителя. Так для JLCPCB нужно использовать расширения Protel, но нельзя использовать расширенный формат X2 и включать атрибуты списка цепей. Важным параметром является и формат координат. Чаще всего нужно использовать формат 4.6.
Нажатие кнопки "Чертить" создаст набор Gerber файлов, которые можно передать производителю. Что у вас получилось можно с помощью программы просмотра Gerber файлов, которая входит в состав KiCad или любой сторонней программы. У некоторых производителей посмотреть на модель результата после загрузки файлов. Но для изготовления платы одних Gerber файлов недостаточно.
Информация (координаты, диаметр) для сверления и металлизации отверстий передается в отдельных файлах. Для их формирования нужно нажать кнопку "Сформировать файлы сверловки" в диалоговом окне черчения. Откроется новое диалоговое окно
Не стоит выбирать формат файла сверловки Gerber X2, если об этом явно не говорит производитель. Начало координат сверловки нужно выбрать "Абсолютные", если вспомогательное начало координат не размещалось. Иначе, выбирается "Вспомогательные оси".
Параметр "Единицы измерения сверла", в большинстве случаев нужно установить на "мм". Но это определяется производителем, как и все остальные параметры. "Формат нулей" следует выбрать "десятичный".
Отдельно нужно рассказать о файле карты сверловки. Это вспомогательный файл, который просто является графическим отображением информации о сверловке. Вы можете выбрать любой формат. Файл карты сверловки редко требуется производителю, вы создаете его для себя, для документирования.
Нажатие кнопки "Создать файл сверловки" создаст не один, а два файла. В одном будет информация о металлизированных отверстиях (контактный площадки выводных компонентов и переходные отверстия), во втором, информация о не металлизированных отверстиях (например, крепежные отверстия). Производителю нужно отправлять оба файла.
Заключение
Вот, собственно говоря, и все. Теперь вы знаете и как установить и настроить KiCad, как создать свои компоненты (и как они устроены), как создать свои посадочные места (и как они устроены), как подготовить схему, как создать на основе схемы печатную плату, как перейти к изготовлению или заказу платы.
Причем я старался показать все это не как отдельные кусочки, а в целом, как единый комплекс шагов. Полноценное использование EDA (САПР) сложнее, чем простых отдельных программ, например, известной Sprint-Layout. Но предоставляет гораздо больше возможностей. И позволяет работать с действительно сложными проектами.
Нужно ли именно вам использовать EDA, например, тот же KiCad, решать только вам самим.
Что осталось не рассмотренным в статьях? На самом деле многое. Какие то темы нельзя отнести к темам "для начинающих". Какие то требуют отдельного, и очень большого рассмотрения. Например, моделирование. Какие то темы весьма специфичны, например, создание ВЧ или СВЧ плат.
Я помню, что обещал рассказать о иерархических схемах. Хотя сложно сказать, насколько это подходит для начинающих. Тем не менее, рассказ будет, но немного позже. Уже для новой, шестой ветки KiCad. О ней тое будет рассказ, но речь пойдет лишь об отличиях и новых возможностях. Полного цикла статей о шестой ветке, как это сделал для пятой, не планируется. Во всяком случае, здесь на Дзен.
