2018年10月23日 星期二

自幹世界線變動率探測儀(Nixie Tube Clock):電路板基礎

介紹了這麼多,我們終於要進到電路板了,之前介紹的許多東西在這邊一口氣要全部發揮出來,我是沒有很確定輝光管用洞洞板會不會有問題,不過要整合起來還是洗電路板比較潮。

電路板 - 也就是 Layout - 這種東西一定要用軟體幫忙輔助,例如小畫家,專業人士跟企業可能會用 altium ,我們沒錢的當然也有沒錢的玩法:例如開源軟體 kicad、網路的電路板軟體 easyEDA(需要註冊,可用 Google 帳號)、Eagle(需要註冊),其他兩個都要註冊,真正開源自由使用的其實是 kicad。

在這裡我是選用 easyEDA 來進行 layout,原因很簡單,因為 easyEDA 允許大家自由分享他們畫的元件跟 layout,我用的輝光管 IN-14 已經有人畫好插孔的 layout,我可以直接引入使用,不像 Kicad 還要自己下載其他人分享的描述檔匯入,方便性上比 Kicad 高一些。
當然 easyEDA 也是有壞處的,相比 Kicad 它的功能少了不少,像是 DRC,能檢查的只有基本的線寬、線距、鑽孔大小,用 electron 實作的網頁介面,進行一些大量操作的時候速度會明顯慢下來(例如大量元件 lock/unlock 會很明顯的頓一下),我個人的體驗是 Firefox 跑得明顯比 chrome 還要快跟穩www。

Layout 就請參考這個連結,裡面有完整介紹 pcb layout 的詳細步驟。
Layout 有兩種可能的設計:放在一塊板子或是把控制板跟插管板分成兩塊,我最後是選擇縮在一塊板子裡面,這樣只要洗一塊比較便宜(yay),不過相對來說也畫得沒那麼漂亮,從上面看除了輝光管之外還有一堆電子零件會比較醜,其實我不確定能不能兩塊畫在同一塊然後請板廠幫我切開,如果板廠是算面積計價,這樣對他們來說應該也沒差太多才對。

下面簡單介紹一下 easyEDA 在 Layout Editor 層的設定,還有跟 Layout 共同的概念,下一章再來提真正的實作,其實這篇我一直在考慮怎麼分成兩篇,畢竟內容太相關了,但合在一章內容好像又太多了:
  • Top/Bottom Layer
走線的部分,分別是正面金屬跟背面金屬,用這兩層畫連線。
隨著大家對小型化的要求,像我這樣單層、雙層的 layout 已經無法再微縮,市面的產品就有更多層…我查到最多六層的板子,easyEDA 也有支援 4 個 inner layer,不過我們只要雙層板就很夠啦。
  • Top/Bottom Silk Layer
正面文字/背面文字,用來寫字、元件名稱等,通常都是把元件集中在正面,背面文字是不需要用的。
  • Top/Bottom Paste Mask Layer
  • Top/Bottom Solder Mask Layer
Paste Mask 跟 Solder Mask 分別是焊膏防護層跟阻焊層
看到 Mask 這個關鍵字城鎮中心的鈴鐺就要噹噹一下,這表示這兩個東西畫的是負片,跟上面幾個正片相反,正片是哪裡畫東西,哪裡有東西;負片是哪裡有畫東西,就表示哪裡沒東西。
阻焊層應該比較好理解,哪裡有畫東西,哪裡就不會上阻焊層。
焊膏防護層它的目的是要在機器生產的時候貼 SMD 用的,因為我們是手焊所以可以不要管它,這層是在上錫膏的時候,依照這層的負片做成鋼板,把鋼板放在電路板上面之後塗錫膏再移除鋼板,所以造成錫膏層是正片的結果,詳細可以參考這部影片

  • RatLines:

這個是畫完 schematic 的時候 easyEDA 自動幫你產生的,標示哪個節點要走去哪個節點,理論上再畫完所有走線之後,應該只有 GND 的 Ratlines 會顯示出來;上完鋪銅之後則是完全不會有 RatLines。

  • BoardOutline

標示整個電路板的製造邊界。

  • MultiLayer

在 easyEDA 裡面,有三種不同的孔:Pad, Via 跟 Hole,這幾個有機會用到 MultiLayer。
相關內容可以參考工作狂人(這個網站幾乎找 PCB 資料一定會找到,超專業的硬體生達達人),我猜這純粹是用詞不統一的關係,總之他們的關係是這樣的:
Hole:正式名稱是(NPTH,Non Plating Through Hole,非電鍍通孔):單純的用鑽針在電路板上鑽一個洞,不做任何事,洞裡只有玻璃纖維,上下層亦不導通,事實上 easyEDA 最後鋪銅的時候,會自動繞過 Hole 以免短路,它的用途也就只有鎖銅柱固定電路板。
Pad:可選擇 Top/Bottom/Multi layer,如果選 Top, Bottom 的話就是一塊裸露沒上 solder mask 的金屬,easyEDA 會在 Solder Mask Layer 加上 Pad 的部分,讓這塊最後不上阻焊層;如果是 Multi layer 的話,則是正式名稱的 PTH(Plating Through Hole,電鍍通孔),鑽孔之後會在內部鍍鋼導通上下層,所有 DIP 元件的腳位都是走 Multi Layer 的 Pad,因此焊接只要焊背面,畫走線的時候無論 Top/Bottom 都能導通。
Via:Via 只有 Multi layer 的選項,和 Multilayer Pad 的差別,在於 Via 不會有 solder mask 的對應,也就是說它最後會被 solder mask 的綠漆蓋住,如果是高價位一點板子還會用把 Via 塞起來以免焊錫流進去,因此不能在 Via 焊東西,它只是用來導通電流的。
如果是多層板,還會有如埋孔跟盲孔等東西,不過這已經超出本文的範圍了。

我們上面提了這麼多,其實 easyEDA 在帶入元件的 footprint 的時候,他就幫我們畫好元件接腳 MultiLayer 的 Pad,只要用上下層金屬把各接點連起來就好,所以真正要編輯的層,其實也就只有 Top/Bottom Layer 連線,打一些 Via 來連接走線,加上 Top/Bottom Silk Layer 的註解;其他包含阻焊層、PTH、NPTH 鑽孔資訊,easyEDA 都會在匯出 Gerber 的時候幫我們處理好,除非有特別設計不然在 easyEDA 上阻焊層是留空就好。

整個電路板實作的流程大概是這樣:

  1. 依照元件,畫 schematic。
  2. 將 schematic 轉成 layout ,代入元件 footprint。
  3. 擺位置,各元件放到容易繞線不打架的位子上。
  4. 畫走線,鋪銅,上元件之外其他說明文字
  5. 列印 layout 檢查,匯出 gerber 檔下線製作

下篇文章就來走一次這個流程吧。
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