Historia programów do projektowania płytek drukowanych - część 1

Opowieść o projektowaniu płytek drukowanych (PCB) rozpocząć musimy u samego zarania dziejów elektroniki - w zamierzchłych czasach przed nowoczesnymi narzędziami CAD. Pozwoli nam to docenić, jakie szczęście mamy mogąc korzystać z takiego oprogramowania - kiedyś projektowanie PCB było długim i żmudnym zajęciem.

Obecnie mamy dostęp do wielu luksusów, jakie oferuje nam technologia. Ludzie 100 lat temu nie mogli nawet o niektórych z nich pomarzyć. Gdyby zobaczyli, jaką technologią dysponujemy teraz, to z pewnością byłaby ona dla nich nie do odróżnienia od magii.

Z pewnością dla nas, elektroników, jednym z ważniejszych wynalazków XX wieku była płytka drukowana. Technologię tą opracował i opatentował Paul Eisler w 1943 roku. Opatentował on metodę wytrawiania miedzianej folii, przyklejonej do dielektrycznego podłoża wzmocnionego włóknem szklanym. Jakkolwiek technologia ta stworzona została już w latach '40, to dopiero później, w latach '50 została doceniona wraz z pojawieniem się tranzystorów.

Zdjęcie po lewej stronie pokazuje radio lampowe z 1940 roku. W tych czasach nie było jeszcze płytek drukowanych. Wszystko wydaje się być w nieładzie. Elementy elektroniczne zamontowane są niemalże wszędzie; połączone zostały ze sobą krótkimi odcinkami kabli. Takie urządzenia były niesamowicie trudne w projektowaniu, testowani i debugowaniu. Cały proces produkcji wykonywany był ręcznie, co mocno zwiększało koszty urządzeń elektronicznych i pogarszało ich niezawodność.

Jeśli teraz przeniesiemy się szybko około 20 lat w przód, to zobaczymy w latach '60 XX wieku nowoczesne elementy do montażu przewlekanego montowane na pierwszych płytkach wielowarstwowych. Kolejne 20 lat w przód i możemy zobaczyć wprowadzenie pierwszych układów scalonych i elementów dyskretnych do montażu powierzchniowego.

Do lat '80 włącznie płytki drukowane projektowane były manualnie, bez wykorzystania komputerów. Jak inżynierowie radzili sobie z tym wyzwaniem? Jak to robili?

Jeśli chciałbyś w tych zamierzchłych czasach zaprojektować płytkę drukowaną, potrzebowałbyś szeregu specjalnych narzędzi i materiałów (całą listę obejrzeć można na pcbwizards.com):

* Stół kreślarski.
* Podświetlony stół.
* Mylarową siatkę.
* Narzędzie do orientowania pinów elementów elektronicznych.
* Szablony do odrysowywania.
* Arkusze mylaru o grubości 7 milsów.
* Arkusze mylaru o grubości 2 milsów.
* Kalkę techniczną.
* Specjalną taśmę cięto w różnych szerokościach.
* Nóż lub skalpel.
* Kolorowe długopisy.
* 5 milimetrowy ołówek HB i ołówek mechaniczny.

Pierwszym krokiem w tym procesie jest oczywiście narysowanie schematu. Dzisiaj robimy to - jak łatwo się domyślić - zupełnie inaczej niż kiedyś, gdy nie było do tego odpowiednich programów. Schematy kreśliło się ręcznie, tak jak każdą inną dokumentację techniczną w tamtych czasach.

Kreślarze używali standardowego zestawu ołówków, ostrzynek, ekierek, linijek i gumki pracując na specjalnym, pochylonym stole kreślarskim. Aby ułatwić sobie pracę, stosowano specjalne szablony - każdy element elektroniczny miał swój osobny, dzięki czemu łatwo było, aby każdy kondensator w układzie wyglądał tak samo. Najpierw nanosiło się elementy elektroniczne, korzystając z szablonów, a potem za pomocą ołówka, linijki i ekierki rysowało się połączenia elektryczne i już - schemat był gotowy.

Następnie schemat był sprawdzany i ewentualnie korygowany. Zatwierdzony schemat przekazać można było dalej, do projektanta płytek drukowanych. W dzisiejszych czasach normalnym wydaje nam się, że schemat tworzy ta sama osoba, która rysuje płytkę drukowaną. W przeszłości tak nie było - za te dwie rzeczy odpowiadali różni inżynierowie - jedni specjalizowali się w rysowaniu schematów, drudzy w projektowaniu PCB. Pokazuje to z jednej strony, jaką drogę przebyła do dzisiejszych czasów technika projektowania urządzeń elektronicznych, a z drugiej strony obrazuje o ile więcej wiedzieć muszą dzisiejsi inżynierowie, którzy łączą w sobie te dwa fachy.

W momencie, gdy projektant (rzadko, kiedy projektantka - jeszcze w latach '80 XX wieku kobiety rzadko kiedy zajmowały się elektroniką) otrzymywał dokumentację, mógł rozpocząć rozplanowywanie płytki. Pierwszym krokiem było zazwyczaj rozplanowanie położenia elementów elektronicznych na laminacie. Cała płytka rysowana była na cienkich mylarowych foliach. Dzięki temu można było poszczególne warstwy położyć na sobie i umieścić na podświetlanym stole. Wtedy widać było dokładnie zależności pomiędzy położeniami elementów na poszczególnych warstwach projektowanego laminatu.

Elementy układane były z wykorzystaniem szablonów, od których odrysowywało się kształt wyprowadzeń/padów układu lub nawet naklejek z gotowymi, narysowanymi padami. Dostępne były całe arkusze z takimi naklejkami w różnych formach i kształtach, odpowiadających różnym obudowom układów elektronicznych, z jakich ówcześnie korzystano. Z pomocą tych szablonów lub naklejek rozmieszczano elementy.

Kiedy poszczególne elementy rozmieszczone są już na mylarowej folii, można rozpocząć ich łączenie. Na początku szkicowano poszczególnie ścieżki z pomocą pisaków, aby dało się je łatwo zmienić. Najczęściej używaną kombinacją na płytkach dwuwarstwowych był czerwony i niebieski (co zostało do dzisiaj w postaci domyślnej gamy kolorów nowoczesnych programów do projektowania PCB). Gdy inżynier był już zadowolony ze swojego projektu, szkic pisakiem zastępowała specjalna taśma o różnej grubości. Te taśmy również dostępne były w wielu kolorach, co ułatwiało odróżnienie od siebie ścieżek na poszczególnych warstwach.

Kolory i idea warstw projektu pozostały w zasadzie od wtedy do dzisiaj niezmienione. Ten wstęp historyczny z pewnością pozwoli nam lepiej zrozumieć, dlaczego obecne programy CAD do projektowania płytek drukowanych wyglądają tak jak wyglądają. Wszystko wynika z historii tego, jak projektowano je ręcznie.



Co dalej? Mamy już schemat i projekt płytki drukowanej w postaci poszczególnych warstw na folii mylarowej. Tutaj przebieg procesu nie odbiega za bardzo od obecnego. Folie wysyłane były (klasyczną pocztą) do zakładu produkcyjnego (tak jak dzisiaj wysyłamy Gerbery) i następnie z ich pomocą naświetlało się klisze, które wykorzystywane były do fotolitograficznego trawienia płytek drukowanych. Czasami klisze też naświetlało się w biurze projektowym i wysyłało do zakładu gotowe maski.

Czasy przed obecnością programów CAD z pewnością nie były łatwe. Projektowanie płytek drukowanych było trudnym i długotrwałym procesem wymagającym niezwykłych umiejętności manualnych. Od tego czasu robi się to łatwiej, szybciej i taniej. Komputery zagościły na biurkach inżynierów projektujących PCB w połowie lat '80 zeszłego stulecia. Oprogramowanie do projektowania płytek drukowanych przeszło dość złożoną ewolucję, ale o tym napiszemy w kolejnej części cyklu.

Źródła:
https://www.eeweb.com/profile/alex-tamari/articles/eras-of-pcb-design-the-land-before-cad
http://www.pcbwizards.com/

Pierwsza część jak narazie ciekawa. Poczekam na następne części, może dowiem się coś ciekawego.

Cały proces można zobaczyć na archiwalnym materiale firmy Tektronix:

W pewnym polskim zakładzie produkującym na małą skalę odbywało się to tak, że projekt schematu był robiony "na brudno" a następnie Panie kreślarki rysowały go na kalce technicznej. Z tej dokumentacji kolejne osoby zajmowały się tworzeniem projektu płytki. Do dziś z tych czasów zachowało się w tabelce rysunkowej "kreślił/a" poniżej "projektował".

Rysowanie na kalce tuszem było dość upierdliwe, uczą jeszcze tego na rysunku technicznym?

Sam dawno temu projektowałem PCB na papierze milimetrowym, teraz korzystam z odpowiadającego mi oprogramowania i to jest normalna kolej rzeczy.
Nic w tym nadzwyczajnego

Christophorus wrote:

Do ułożenia diod LED na okręgach wystarczył kątomierz i cyrkiel.

Czy dziś ktoś by to potrafił?

Ja rysowałem na arkuszu podaniowym w kratkę. Kratki z grubsza pasowały do rastra układów DIP.
Jeżeli płyta była dwustronna, to ścieżki rysowałem dwoma kolorami. Niebieski spodnia( bottom), czerwony (top).
Później rysunek na przycięty laminat i wiercenie. Po wierceniu szlif papierem ściernym i zmywanie rozpuszczalnikiem nitro.

A później pióro kreślarskie i rzadko rozrobiony lakier nitro z dodatkiem barwnika( co by ścieżki było widać).

Ecch, płytkę czasami parę dni się robiło.

Teraz mam gotową płytę w mniej jak godzinę( projektu nie liczę) laminat z warstwą światłoczułą.

Ołówek, gumka, kartka w kratkę, kalka maszynowa, schemat układu i w drogę.
Gdzieś jeszcze mam kalki z starych projektów.

arturavs wrote:

Czy dziś ktoś by to potrafił?

Bez przesady, podstawówka to jest. Włącznie z gimnazjum które wchłonęła.

arturavs wrote:

A później pióro kreślarskie i rzadko rozrobiony lakier nitro z dodatkiem barwnika( co by ścieżki było widać).
Ecch, płytkę czasami parę dni się robiło.

Mam takie same doświadczenia.
Używałem tez wcześniej lakieru do paznokci, rapidografu etc.
Żeby złapać rozstaw elementów, przykładałem je bezpośrednio do kartki.
Kiedyś był problem ze środkiem do trawienia. Chlorek żelaza robiłem sam z kwasu solnego i gwoździ.
W erę komputerowego projektowania nie wszedłem, branżę nieco zmieniłem, elektroniką się interesuję, ale praktycznie był okres, że zerwałem z nią całkowicie.

Jawi_P wrote:

Używałem tez wcześniej lakieru do paznokci,

Mojej starszej siostrze też ginął. W początkach brata działalności.

Jawi_P wrote:

Chlorek żelaza robiłem sam z kwasu solnego i gwoździ.

U mnie kwas azotowy.

Później, po paru wyjazdach do stolicy na Wolumen, dostałem chlorku żelaza.

To były czasy.

Schemat jak schemat, mam jeszcze zeszyt A-4 z projektami z lat 1980-95 ale płytki od ok. połowy lat 80 były robione już "profesjonalnym" kwasoodpornym flamastrem firmy "Pentel". Kupowane były w Berlinie i przywożone do Polski. Koszt , ok. 3,5 USD szt.

Witam

Też zebrało mi się na wspomnienia i przedstawiam mój projekt licznika kilometrów i prędkościomierza do roweru na układach serii CD4000, który robiłem na początku lat 90-tych. Wtedy jeszcze nie znałem mikrokontrolerów, komputera również nie posiadałem. Dopiero w latach 95 i dalej schematy rysowałem na uczelnianych komputerach, na których był zainstalowany Orcad SDT. Płytki próbowałem projektować w Orcad PCB (swoją drogą dziwnie się w tym Orkadzie projektowało płytki, do dziś pamiętam, jak ni stąd, ni zowąd znikały wcześniej poprowadzone ścieżki - być może był to efekt działania jakiś reguł projektowych, o których nie wiedziałem). Potem nastały czasy Autotrax-a pod koniec lat 90, potem Protel.

Sam licznik funkcjonował długie lata i teraz przymierzam się do jego reaktywacji już na jakimś mikrokontrolerze. Jego obudowa była wykorzystana z jakiegoś mechanicznego prędkościomierza, który szybko uległ uszkodzeniu.

Pozdrawiam, KTP10302..JPG Download (3.13 MB) P10302..JPG Download (3.32 MB)
P10302..JPG Download (3.15 MB) P10302..JPG Download (2.83 MB) P10302..JPG Download (2.96 MB)

Oczywiście papier milimetrowy , grafion , czasem zwykła stalówka do atramentu z kałamarza. Rozstaw otworów "z przystawienia" . Lakierów używaliśmy różnych - jakie w zakładzie były . Natomiast do trawienia soda kaustyczna ale nie taka jak teraz w sklepach . Trzeba było dobrze pilnować bo cieńsze ścieżki potrafiło zeżreć pod farbą

Papier milimetrowy,kalka,rapidograf z igły lekarskiej(i rzadki tusz zakładowy) lub czasem lakier mamusi,punktak i młotek.Swojego czasu usiłowałem zrobić płytkę metodą foto(lata 70-te).Jakaś żelatyna z chromianem czy cuś podobnego,lampa od kwarcówki ,kalka z negatywem ścieżek i nawet coś tam wyszło ,ale do trawienia użyłem stężonego kwasu azotowego(nie polecam !).Nalałem na płytkę(!) i tylko syknęło,w łazience zrobiło się zielono od dymu(i duszno).Został pusty,goły laminat z pływającymi plamami ścieżek i oczywiście spodnie z dziurami od pryskającego kwasu.Dziś jestem związany z branżą PCB ale nie z racji "miłosci" do tej dziedziny.

@Tytus Kosiarski
Klawa komóra w tle. EXIF mówi, że zdjęcie zrobione wczoraj (28 lipca 2018) - korzystasz jeszcze z tego sprzętu?
Ja pewnie bym korzystał, gdyby nie problemy z akumulatorem.
Aparat DMC-LS75 ma już najmarniej 10 lat, więc może to jakaś stara fotka...

nowyARM wrote:

[...]Kilka razy wypróbowałem trawienie w kwasie azotowym ale słabo trawił.[...]

Kwas azotowy słabo trawił? Kolego, nierozcieńczony powoduje natychmiastowe wyparowanie miedzi. Nie wiem skąd miałeś ten "kwas", ale raczej był trefny , albo za bardzo go rozcieńczyłeś. Do dziś w "nagłych wypadkach" używam kwasu azotowego, trawi szybko i czysto. Trzeba go tylko rozcieńczyć w odpowiednich proporcjach (doświadczalnie).

Koderr wrote:

Kwas azotowy słabo trawił? Kolego, nierozcieńczony powoduje natychmiastowe wyparowanie miedzi.

I do tego produkuje obłok brązowego "dymu" złożonego z tlenku azotu. Masakra.
Rozcieńczony działa lepiej, ale i tak jakoś nie lubiłem tym trawić.
O tym, że kwas azotowy nie trawi miedzi jakoś nie słyszałem. I na chemii też o tym nie uczą...

Koderr wrote:

Do dziś w "nagłych wypadkach" używam kwasu azotowego

A gdzie można taki kwas azotowy "zanabyć"?
Bo chyba nie jest dostępny w prywatnym obrocie?

To były piękne czasy. Laminat, lakier nitro, rapitograf i kwas azotowy.
A teraz OrCAD i firma co to mi płytkę zrobi...

A ja moją pierwszą płytkę malowałem lakierem do paznokci, po czym wytrawiałem w wodzie wymieszanej z solą kuchenną w puszce metalowej po rybach

Zasilacz +9V, jeden biegun do puszki metalowej, a drugi do miedzi na laminacie. Do konserwy wlewałem ciepłą wodę z rozpuszczoną solą. Trwało to długo, ale dało się wytrawić prostą płytkę. Pomysł zaczerpnąłem wtedy z miesięcznika Radio Elektronik. A miałem wtedy jakieś 10 lat

nowyARM wrote:

Nie chce mi sie wierzyć, że ZX-Spectrum nie miał takiego programu skoro konkurencja (Atari) go miała.

Miał, dawno temu widziałem u kolegi. Nazwy sobie nie przypomnę. Wydruki robił na ploterze. Na Amstrada chyba też coś było.

U mnie w użyciu jako pierwszy był OrCAD jeszcze pod DOS. Później Protel, wersji nie pamiętam( na dyskietkach jeszcze). Gdzieś mam na dysku.
Nowsze wersje jakoś nie przypadły mi do gustu. Później Eagle. Od zeszłego roku, w związku z przejściem na linuxa KiCad.

Pierwszy program jakiego używałem to był EasyTrax. Następnie był AutoTrax z modułem schematic. EasyTrax był pełną i darmową wersją AutoTraxa, natomiast nie miał schematica. Oczywiście Wszystko pod DOS. Następnie kolega skądś przytachał Eagle. Oczywiście też był pod DOS'em. Naturalnie ten miał już moduł schematica i PCB i autoroutera. Instalowało się z kilku dyskietek.
Potem dopiero był Protel 4 pod Windowsy 3.11 a dopiero później pojawił się znany już chyba wszystkim Protel 99.
W międzyczasie testowałem pod dostem PCAD'a, Orcada. Niemniej jednak najfajniejszy był Eagle for DOS.
.... to były czasy - parędziesiąt lat temu.

Jawi_P wrote:

Koderr wrote:

Do dziś w "nagłych wypadkach" używam kwasu azotowego

A gdzie można taki kwas azotowy "zanabyć"?
Bo chyba nie jest dostępny w prywatnym obrocie?

A wiesz, w prywatnym obrocie nie próbowałem szukać, mam do niego bardziej "osobisty" dostęp.
Podejrzewam, że prywatnie również da się go zdobyć, ale z tego co wiem, jest dość drogi.

Koderr wrote:

Jawi_P wrote:

Koderr wrote:

Do dziś w "nagłych wypadkach" używam kwasu azotowego

A gdzie można taki kwas azotowy "zanabyć"?
Bo chyba nie jest dostępny w prywatnym obrocie?

A wiesz, w prywatnym obrocie nie próbowałem szukać, mam do niego bardziej "osobisty" dostęp.
Podejrzewam, że prywatnie również da się go zdobyć, ale z tego co wiem, jest dość drogi.

Można go kupić bez problemu w specjalistycznych składach chemicznych. Żadna tajemnica. Trzeba poszukać, w Łodzi jest to "Chemia" na ulicy Brukowej.
Nie wiem jak cena kwasu azotowego, ale raczej nie zwali z nóg.
Jak kupowałem stężony kwas solny (potrzebowałem może z 200ml), to kupiłem 5 litrów, bo był tani jak woda, a mniejszych opakowań nie mieli.
W sieci też można kupić kwas azotowy, np tu:
http://biochemia.com.pl/kwasy-c-19.html
65% 1 kg za 29 zł.
Ale 55% 1kg za 9,50. Skoro i tak do rozcieńczenia, to warto ten mniej stężony. I tak za dyszkę wyjdzie wanna roztworu.

Dziękuje za info.
Widać już można. Swego czasu był okres, że można było kupić tylko na firmę, znajmy miał hurtownię chemii przemysłowej.
Ten kwas i wiele innych jest chyba na liście co zwie się ona listą "prekursorów materiałów wybuchowych" czy jakoś tak, zresztą w ustawie o zwalczaniu narkomani tez chyba jest wspomniany m. in. ten kwas.
Dlatego niektórzy sprzedawcy trochę pogłupieli. To tak jak z oknami informującymi na stronach WWW o RODO i Cookie, makabra

Dodano po 2 [minuty]:

^ToM^ wrote:

Pierwszy program jakiego używałem to był EasyTrax.

O ten pamiętam, był, ale nie używałem. Natomiast pamiętam też samo PCB, te brązowe, papierowo-fenolowy? Co się ścieżki odklejały przy przy lutowaniu.

A nikt z Was nie używał "TranSet" - ów z Wojskowych Zakładów Graficznych? One były jeszcze do nabycia w połowie lat 90-tych, gdzieś powinienem jeszcze je mieć. Były robione różne, pod układy scalone, pod punkty lutownicze, i ścieżki zadanej grubości.