Введение

Техника проводки электронных компонентов и методы прототипирования электроники

Оберточная проводка – это техника сборки электронных компонентов, изобретенная для проводки телефонных кроссбарных коммутаторов, а затем адаптированная для создания электронных плат. Электронные компоненты, установленные на изолирующей плате, соединяются между собой отрезками изолированного провода, проходящего между их выводами, при этом соединения выполняются путем обмотки нескольких витков неизолированных участков провода вокруг вывода компонента или контакта разъема. Провода могут быть обмотаны вручную или машиной и впоследствии подвергнуты ручной модификации. Эта техника была популярна в крупносерийном производстве в 1960-х и начале 1970-х годов и до сих пор используется для небольших партий и прототипов. Метод исключает необходимость проектирования и изготовления печатной платы. Оберточная проводка уникальна среди других технологий прототипирования тем, что позволяет создавать сложные сборки с помощью автоматизированного оборудования, которые затем можно легко отремонтировать или модифицировать вручную. Сборки, выполненные с помощью оберточной проводки, могут быть более надежными, чем печатные схемы: соединения менее подвержены выходу из строя из-за вибрации или механических напряжений на базовой плате, а отсутствие пайки исключает дефекты пайки, такие как коррозия, холодные и сухие пайки. Сами соединения более прочные и имеют меньшее электрическое сопротивление благодаря холодной сварке провода к контактным площадкам в углах. Оберточная проводка использовалась для сборки высокочастотных прототипов и небольших серий, включая гигагерцовые микроволновые схемы и суперкомпьютеры. Она уникальна среди автоматизированных методов прототипирования тем, что позволяет точно контролировать длину проводов, а также прокладывать вместе витые пары или магнитно экранированные витые четверки. Оберточная проводка стала популярной около 1960 года в производстве печатных плат, но в настоящее время ее использование резко сократилось. Технология поверхностного монтажа сделала эту технику гораздо менее востребованной, чем в предыдущие десятилетия. Снижение стоимости профессионально изготовленных печатных плат практически исключило эту технологию.

История

Ручная обмотка проводов была распространена в начале 20-го века в методах построения электронных схем по принципу «точка-точка», где требовалось надежное соединение для фиксации компонентов. Провода вручную обматывали вокруг клеммных колодок или штыревых разъемов, а затем припаивали. Современная технология обмотки проводов была разработана после Второй мировой войны в лабораториях Bell как способ создания электрических соединений в новом реле, предназначенном для использования в телефонной системе Bell. Команда разработчиков под руководством Артура К. Келлера создала «Keller Wrap Gun», а вся система обмотки была передана компании Western Electric для промышленного применения. После того, как комитет по выбору поставщика в Western Electric решил, что ручной инструмент будет изготовлен сторонним производителем, Western Electric объявила конкурс на заключение контракта. Компания Keller Tool из Гранд-Хейвена, штат Мичиган, поставщик роторных ручных инструментов для Western Electric, выиграла конкурс и внесла несколько изменений в конструкцию, чтобы упростить производство и использование инструмента. Keller начала производство инструментов в 1953 году, а затем получила лицензию от Western Electric, позволяющую продавать технологию на открытом рынке. Инструмент продавался под своим первоначальным названием, поскольку название производителя случайно совпадало с именем изобретателя. Первые транзисторные компьютеры IBM, представленные в конце 1950-х годов, были построены с использованием стандартной модульной системы IBM, в которой использовались задние панели с обмоткой проводов. Компания Apple Computer использовала обмотку проводов для создания ранних прототипов оригинального компьютера Macintosh (Macintosh 128K).

Метод

Правильно выполненное соединение для проводов 30 или 28 AWG состоит из семи витков (меньше для проводов большего сечения) оголенного провода с полутора-одного с половиной витками изолированного провода внизу для снятия механического напряжения. Квадратная стойка с твердым золотым покрытием таким образом формирует 28 избыточных контактов. Серебряное покрытие провода холодно сваривается с золотом. В случае коррозии она возникает на внешней стороне провода, а не на герметичном контакте, куда кислород не может проникнуть для образования оксидов. Правильно сконструированный инструмент для обмотки проводов оказывает давление до двадцати тонн на квадратный дюйм на каждое соединение. Электронные компоненты иногда подключаются к разъемам. Разъемы крепятся цианоакрилатом (или силиконовым клеем) к тонким пластинам из стекловолокна, армированного эпоксидной смолой (стеклотекстолит). Разъемы имеют квадратные стойки. Обычно стойки квадратные, высокие и расположены на определенном расстоянии друг от друга. Премиальные стойки изготавливаются из бериллиевой бронзы с золотым покрытием для предотвращения коррозии. Более дешевые стойки изготавливаются из бронзы с оловянным покрытием. Медный провод 30 калибра (~0,0509 мм²) с серебряным покрытием изолирован фторуглеродом, который не выделяет опасных газов при нагревании. Наиболее распространенная изоляция – "Kynar". Провод 30 AWG Kynar разрезается на стандартную длину, после чего с каждого конца снимается один дюйм изоляции. Существует три способа размещения проводов на плате. В профессионально изготовленных платах для обмотки проводов сначала укладываются длинные провода, а более короткие провода механически фиксируют их. Кроме того, для повышения ремонтопригодности сборки провода наносятся слоями. Концы каждого провода всегда находятся на одной высоте на стойке, поэтому для замены одного провода необходимо заменить максимум три провода. Также, для лучшей видимости слоев, они изготавливаются с использованием изоляции разных цветов. В сборках для обмотки проводов, предназначенных для использования в космосе или в авиации, провода заключаются в корпус и могут быть покрыты конформным воском для снижения вибрации. Эпоксидная смола никогда не используется для покрытия, так как это делает сборку неремонтопригодной.

Инструментальная работа

У "инструмента для обмотки проволоки" два отверстия. Провод и изолированный провод помещаются в отверстие у края инструмента. Центральное отверстие инструмента надевается на вывод (или контакт). Инструмент быстро вращается. В результате вокруг вывода обматывается от 1,5 до 2 витков изолированного провода, а поверх них – от 7 до 9 витков неизолированного провода. Вывод рассчитан на три таких соединения, хотя обычно требуется одно или два. Это позволяет использовать ручную обмотку для модификаций или ремонта. Один с половиной витка изолированного провода предотвращает усталость провода в месте контакта с выводом. Поверх изолированного провода обматывается неизолированный провод. Углы вывода врезаются с давлением в тонны на квадратный дюйм. Это вытесняет все газы из пространства между серебряным покрытием провода и золотыми или оловянными углами вывода. Более того, при 28 таких соединениях (семь витков на выводе с четырьмя углами) обеспечивается очень надежный контакт между проводом и выводом. Кроме того, углы вывода достаточно "острые": они имеют небольшой радиус кривизны.

Автоматизация

Автоматические машины для обмотки проволоки, производимые компанией Gardner Denver в 1960-х и 1970-х годах, были способны автоматически прокладывать маршруты, разрезать, зачищать и обматывать провода на электронную "заднюю панель" или "печатную плату". Управление машинами осуществлялось посредством инструкций по проводке, закодированных на перфокартах, перфорированной майларовой ленте и ранних микрокомпьютерах. Самые ранние модели машин (например, 14FB и 14FG) изначально имели "горизонтальную" конфигурацию, что означало, что плата для обмотки проволоки размещалась перевернутой (выводами вверх) на горизонтальную оснащающую пластину, которая затем закатывалась в машину и фиксировалась на вращающемся (с возможностью вращения стола TRP в четырех положениях) и перемещающемся (PLP = продольное положение паллеты в 11 положениях) паллетном узле. Эти машины включали в себя очень большие гидравлические блоки для питания сервоприводов, управляющих шариковыми винтами, установленными на приводах "А" и "Б", 1,8-метровый (6 футов) шкаф электроники, заполненный сотнями реле управления IBM, десятки соленоидов для управления различными пневматическими механическими подсистемами и считыватель карт IBM 029 для инструкций по позиционированию. Сами автоматические машины для обмотки проволоки были довольно крупными – 1,8 метра в высоту и 2 метра в ширину и длину. Обслуживание машин было чрезвычайно сложным и часто требовало забираться внутрь для проведения работ. Это могло быть весьма опасно, если предохранительные блокировки не поддерживались в исправном состоянии. Позже появились несколько меньшие машины с "вертикальной" конфигурацией (14FV), что означало, что платы размещались на оснащающей пластине выводами к оператору. Гидравлические блоки были заменены двигателями прямого привода для вращения шариковых винтов, с использованием роторных энкодеров для обратной связи по положению. Это обеспечивало оператору лучшую видимость обрабатываемого изделия, хотя максимальная площадь обмотки была значительно меньше, чем у горизонтальных машин. Максимальная скорость обмотки на горизонтальных машинах обычно составляла 500-600 проводов в час, в то время как вертикальные машины могли достигать скорости до 1200 проводов в час, в зависимости от качества платы и схемы проводки.

Рассмотрение

Проводная обмотка хорошо подходит для цифровых схем с небольшим количеством дискретных компонентов, но менее удобна для аналоговых систем с большим количеством дискретных резисторов, конденсаторов или других элементов (такие элементы можно припаять к колодке контактов и вставить в гнездо для проводной обмотки). Гнезда увеличивают стоимость по сравнению с непосредственным монтажом интегральных схем на печатную плату, а также увеличивают размер и массу системы. Множественные жилы проводов могут вызывать перекрестные помехи между схемами, что не имеет большого значения для цифровых схем, но является ограничением для аналоговых систем. Соединенные провода могут излучать электромагнитные помехи и имеют менее предсказуемый импеданс, чем печатная плата. Конструкция с использованием проводной обмотки не позволяет создавать земляные и силовые плоскости, как в многослойных печатных платах, что повышает вероятность возникновения шумов.