Od ručního návrhu DPS až k CAD: red&blue tape

Desky plošných spojů se navrhují už poměrně dlouhou dobu. Celá desetiletí se navrhovaly ručně s použitím různých technik. Až začátkem 80. let minulého století se začala situace velmi rychle měnit, a to díky nástupu počítačů a CAD programů. Sám už desky dávno nenavrhuji, ale své návrhářské začátky si dobře pamatuji.

První deska radioamatéra

Úplně první desku plošných spojů jsem si vyrobil ještě jako student průmyslové školy pro své tranzistorové rádio. Byla to doba nástupu polovodičů. Časopis Amatérské rádio byl plný různých námětů na jejich využití a rádia byla tehdy hitem. Jak plošné spoje vypadaly, jsem už zjistil, když jsem prozkoumal televizní přijímač, ale jejich výroba pro mě pochopitelně nebyla dostupná. Nezbylo než trochu improvizovat. Stránku Amatérského rádia s předlohou plošných spojů jsem přiložil na izolační destičku, důlčíkem jsem si přes papír vyznačil středy vývodů součástek a vyvrtal otvory. Potom jsem si z předlohy jednotlivé plošné spoje vystříhal, raději o něco širší, položil na tenkou měděnou fólii a jejich tvar obkreslil tužkou. Nakreslené tvary spojů jsem z fólie vystříhal a na destičku přinýtoval dutými měděnými nýtky v místech otvorů pro vývody součástek – tak vznikly prokovené otvory, které se mohly pájet. Protože se jednalo o jednostrannou desku, musel jsem použít i několik drátků jako propojku. Po osazení a zapájení jsem desku nastříkal sprejem na vlasy, protože nic lepšího po ruce nebylo. Na první pohled to vypadalo docela dobře a rádio vestavěné do krabičky od bonboniéry kupodivu i hrálo. Psal se rok 1963.

Obr. 1 Ukázka předlohy motivů desky plošných spojů z 60. let minulého století (ale zmíněné rádio to není)

Ruční návrh desky

K profesionálnímu návrhu desek jsem se dostal až v polovině 70. let minulého století, navíc ve firmě, která se elektronikou vůbec nezabývala. Desky bylo potřeba pro začínající automatizaci strojů, které si firma vyráběla pro svoji potřebu. Vymyslet malý řídicí systém s tehdejší TTL logikou nebyl až takový problém, ale zajistit výrobu desek ano. Jisté výrobní družstvo v Praze bylo nakonec ochotné oboustranné desky bez prokovených otvorů vyrobit, ale z dodaných podkladů. Nezbylo než obě strany spojů nakreslit samostatně na transparentní papír, tzv. pauzák, a to přímo v měřítku 1 : 1. Nejdříve jsem si nakreslil provedení desky tužkou a s pomocí kreslicích šablonek na čtverečkovaný papír, odkud jsem to překreslil na pauzák trubičkovým perem s černou tuší. Oba výkresy byly ještě doplněny o naváděcí značky − 3 křížky mimo obrys desky, aby bylo možné motivy správně sesadit.

Spoje byly asi 0,5 mm široké, ale mezi vývody jsem je zúžil, abych dodržel izolační mezeru. Pájecí plošky jsem kreslil jako větší kruh, abych získal uprostřed malý otvor pro pozdější navádění vrtáku. Desky neměly ani potisk, ani nepájivou masku, myslím, že to výrobce tenkrát ani nedělal. Dodané desky jsme ručně pocínovali a po osazení a zapájení součástek jsme je ještě něčím nalakovali kvůli ochraně. Desky byly sice oboustranné, ale bez prokovených otvorů, a tak nezbylo než vložit do pomyslných via otvorů krátký drát (zbytky zkracovaných vývodů rezistorů) a připájet ho z obou stran. Z obou stran se také pájely vývody součástek.

Protože jsem desky kreslil ve skutečné velikosti, nemohlo to být přesné, občas bylo potřeba některou nožičku vývodu lehce přihnout. Výsledek odpovídal tehdejším možnostem, ale desky se daly použít a nějaký ten rok vydržely.

Digitalizace ručního návrhu

Desky jsem potom ručně kreslil ještě pro několik dalších firem, až jsem se konečně v roce 1982 dostal k modernějšímu způsobu návrhu. Firma Edmonton Compudraft tehdy navrhovala desky na zakázku. Měla dokonce i fotoplotr, a mohla tak zákazníkům dodávat hotové filmy pro výrobu desek spolu s děrnou páskou pro řízení vrtačky.

Návrh desek byl sice pořád ještě ruční záležitostí, ale s jednou výraznou změnou – konečné zpracování návrhu se provádělo s pomocí tzv. digitizéru, který převáděl ruční návrh na digitální. V tomto případě se jednalo o zařízení firmy Gerber Scientific Instruments. Komplexní návrhová sestava Gerber PC-800 zahrnovala digitizér s jednoúčelovým počítačem napojeným přímo na Gerber fotoplotr a děrovačku děrné pásky pro data NC vrtačky. Jak to celé fungovalo?

Desky se navrhovaly ručně v měřítku 4 : 1 na čtverečkovaný papír v rastru 50 mil (1,27 mm), přičemž se vycházelo ze schémat na velkých výkresech. Kreslilo se barevnými tužkami, aby bylo možné rozeznat budoucí provedení jednotlivých filmů. Zatímco obrysy součástek a pájecí plošky byly kresleny černě s pomocí technických šablonek, jednotlivé spoje byly kresleny pouze středovou čárou různými barvami, které indikovaly vrstvu desky.

Ručně vypracovaný návrh se potom zpracoval na digitizéru, který vypadal jako větší rýsovací prkno se snímačem polohy. S ním bylo možné najet do libovolné části kreslicí plochy, sejmout polohu a přenést její data do počítače. Kurzor snímače se pohyboval v přednastaveném rastru 100 mil (2,54 mm), což v návrhu kresleném v měřítku 4 : 1 představovalo 25 mil (0,635 mm) – tím bylo snímání polohy středů plošek a rohů spojů velmi přesné a také rychlé. Zde je potřeba připomenout, že integrované obvody měly tehdy rozteče vývodů v rastru 100 mil, zatímco spoje se vždy táhly na rastru 50 mil.

Obr. 2 Příklad provedení digitizéru se snímacím zařízením

Z klávesnice počítače se zadal povel pro kreslení plošek (flash) spolu s rozměrem a tvarem plošky pomocí čísel D-kódů fotoplotru (např. D15 pro kulatou plošku o průměru 60 mil) a postupně se najelo na polohy všech pájecích plošek. Podobným způsobem se pokračovalo při snímání poloh via a montážních otvorů. Po zadání povelu pro kreslení čar (draw) se opět pomocí D-kódů zadala šířka spoje, definovala vrstva desky a postupně se sejmuly polohy začátku, všech rohů a konce čáry. Kreslení čáry se zakončilo předdefinovaným povelem.

Protože digitizér umožňoval vytvořit obrazec spojů přesně, mohly být pro integrované obvody použity menší pájecí plošky 60 mil (1,54 mm) a táhnout spoje šířky 10 mil (0,254 mm) mezi nimi při zachování potřebné izolační mezery 15 mil (0,381 mm).

Průběh digitalizace bylo možné kontrolovat na malém připojeném monitoru. Jakmile byla provedená digitalizace zkontrolována, mohlo se začít s plotováním jednotlivých filmů. Počítač uměl dokonce připravit automaticky data pro nepájivou masku, přičemž vycházel z rozměrů a tvarů pájecích plošek. Plotoval i vrtací výkres (kdo by to dnes potřeboval?) a vygeneroval děrnou pásku, kterou se tenkrát řídily vrtačky.

Později se ve firmě začal zkoušet i digitizér pro schematická zapojení kreslená volně od ruky. Po kliknutí na symbol ve výkresu bylo možné zadat typ elektrického symbolu (rezistor, tranzistor NPN atd.), natočit ho podle potřeby a přidat hodnoty atributů. Po zachycení symbolů se přešlo na digitalizaci jejich propojení, přičemž bylo možné zarovnávat polohy připojovaných symbolů a eliminovat tak kreslení od ruky. Bohužel jsem tomuto novému digitizéru nevěnoval tolik pozornosti, abych si dnes pamatoval více detailů. Byl to ale velký div tehdejší techniky, protože dokázal i mluvit a vyzýval uživatele k provedení různých úkonů – například k zadání hodnoty a referenčního značení součástky, značení vývodu atd.

Ruční návrh s red&blue tape

Díky zkušenostem s návrhem desek pomocí digitizéru jsem si později našel práci u firmy Novatel Communications, která si dala za cíl proniknout mezi výrobce mobilních telefonů a hledala nové zaměstnance. Zde bych měl poznamenat, že se tehdejší mobilní telefony používaly především v autech, protože by se rozhodně do žádné kapsy nevešly. Mě nejvíc zaujala informace, že by se měly desky navrhovat pomocí CAD programu. Byla to příležitost naučit se zase něco nového.

Než jsem dostal počítač s programem, navrhoval jsem desky opět ručně, ale jiným, pro mě novým způsobem, i když to byl vůči digitizéru krok zpátky. Vzniklý ruční návrh dostal totiž konečnou podobu pomocí samolepek pájecích plošek součástek a lepicích pásek v červené a modré barvě pro vytvoření plošných spojů. Průhledné samolepky s černě natištěnými pájecími ploškami různých pouzder součástek byly už v měřítku 4 : 1. Červené a modré samolepicí pásky v cívkách pro realizaci plošných spojů byly k dispozici v různých šířkách. Samolepky i pásky měly velkou pevnost v tahu a byly rozměrově velmi stabilní, mnohdy se daly použít ještě jednou, aniž by to bylo poznat. Nezbytným nástrojem pro práci s nimi byl ostrý vyřezávací nožík a pinzeta.

Obr. 3 Samolepky pájecích plošek různých pouzder a red&blue tape od firmy Bishop Graphics

Návrh desky se v počáteční fázi dělal úplně stejně jako při použití digitizéru − na běžném rýsovacím stole jsem s pomocí šablonek nakreslil na čtverečkovaný papír v měřítku 4 : 1 rozmístění součástek a zamýšlené plošné spoje vyznačením středové čáry – pro ně jsem používal barevné tužky pro indikaci strany desky – červenou pro horní a modrou pro spodní stranu.

Takto nakreslený návrh jsem potom přenesl na tzv. light table − stůl s podsvícenou skleněnou pracovní deskou. Připevněný návrh jsem překryl silnější, částečně transparentní fólií zvanou Mylar, která vynikala rozměrovou stálostí. Byla mírně matná a na lícové pracovní straně měla velmi jemný a hladký povrch, na který jsem postupně lepil samolepky s pájecími ploškami součástek, přičemž nakreslený podklad pod fólií byl pro mne vodítkem. Přesné samolepky a rozměrová stálost fólie zaručovaly dlouhodobou přesnost roztečí a velikost pájecích plošek i při změnách teploty. Vlastní spoje se realizovaly zmíněnou samolepicí barevnou páskou – červenou pro horní stranu, modrou pro spodní stranu desky. Pásky se lepily po segmentech spojů, protože je nebylo možné ohnout nebo vychýlit do strany. Nožíkem se páska po nalepení potřebného segmentu odřízla od cívky, a pokud spoj pokračoval dále pod jiným úhlem, seřízl se již nalepený konec pásky podle potřeby. Nejdříve se nalepily pásky jedné strany a přes ně potom pásky druhé strany desky. Pásky se mohly překrývat, stejné barvy dvakrát přes sebe, různé barvy jenom jednou. Pro vytvoření via otvoru bylo potřeba nalepit samolepku s individuální ploškou potřebné velikosti. Již nalepené spoje bylo sice možné odstranit, ať už po částech, nebo kompletně, ale když danou pásku křižovaly spoje té druhé barvy, byl to docela problém – překážející segmenty spojů se musely vyříznout, odlepit a potom zase vrátit zpět.

Obr. 4 Pracoviště pro návrh desek s použitím red&blue pásky (zdroj: pcbwizards.com)

Pájecí plošky mívaly ve výsledku (měřítko 1 : 1) průměr 70 mil (asi 1,75 mm), zatímco plošné spoje měly většinou šířku 15 mil (0,38 mm) – při této konfiguraci nešlo jen tak protáhnout spoj mezi vývody integrovaných obvodů, a tak se musely seříznout boky pájecích plošek.

Když byl návrh na fólii hotový, bylo potřeba s ním zajít k fotografovi, který návrh ofotil velkou pojízdnou kamerou a následně zmenšil na velikost 1 : 1. Při focení použil dva filtry – jeden pro červenou, druhý pro modrou barvu, přičemž oba filtry nechaly proniknout i barvu černou, použitou pro pájecí plošky a via otvory. Vznikly tak dvě fotografie, na kterých byly vždy pájecí plošky a příslušné plošné spoje dané strany desky.

Příchod SMD součástek pro povrchovou montáž způsobil mezi vývojáři desek rozruch, protože s nimi nikdo neměl zkušenosti. Probírali jsme tehdy s kolegy nejrůznější otázky. Jednou z nich byl například tvar a velikost pájecích plošek SMD součástek. Někdo tenkrát přišel s názorem, že by pájecí plošky měly mít na delších koncích půloblouk, aby se součástka při pájení sama vystředila působením kapilárních sil roztavené pájky. Žádné samolepky pro SMD se tehdy ještě nedodávaly a všichni vyčkávali na informace, co udělá s povrchovou montáží proces pájení. Nezbylo tedy než pracně každou plošku vyříznout z širší samolepicí pásky na potřebné rozměry a na jednom konci ji ještě zaoblit. Vyřezávání správných velikostí a tvarů z nalepené pásky byla úmorná práce v předklonu nad prosvětleným stolem, při soustavné kontrole pomocí lupy s vestavěným měřítkem. Když ale nakonec přišla skutečná vyrobená deska, na všechny problémy bylo zapomenuto. Ještě dnes se při pohledu na jednu z desek, kterou jsem takto navrhoval, divím, jak jsem to dokázal (obr. 5).

Obr. 5 Deska ze sluchátka mobilního telefonu navržená použitím red&blue tape v roce 1984.
Půlkruhové konce plošek SMD součástek a čtvercové testovací plošky byly ručně vyřezány z široké pásky.
Návrh této oboustranné desky trval asi dva týdny.

Vývoj mobilních telefonů pokračoval a s ním rostly i nároky na návrh desek. Bylo jasné, že s ručním návrhem nevystačíme. A tak se jednoho dne u mého stolu objevily bedny s počítačem a krabice s CAD softwarem. O tom ale až příště.