Elektronika – powrót po latach

Elektronika – powrót po latach

Swego czasu, zanim rozpocząłem “poważną” pracę zawodową, miałem czas na moje hobby – elektronikę. Teraz po latach (ok 15) w ramach odreagowania postanowiłem nieco odświeżyć wiadomości. W tym dziale opisywał będę swoje “projekty”, które uda mi się w chwili wolnego czasu zbudować i uruchomić.

W tym wpisie zajmę się podstawowymi narzędziami i sposobem na wykonanie obwodu drukowanego w domu. Jest to po prostu kompilacja przeczytanych w sieci wpisów dot. tego procesu.

1. Oprogramowanie (ja nie brombram, nie brombrałem i brombrać nie będę).

Windowsa nie używam, z tego powodu wybór padł na otwartoźródłowe, darmowe oprogramowanie – Kicad. Na początku trzeba się do niego przyzwyczaić (czeka nas pobieranie wielu bibliotek z elementami na schematy, jak i footprintów do PCB)  z różnych stron, ale wysiłek jest warty spróbowania. Ponadto po narysowaniu schematu, przypisaniu footprintów do elementów, a następnie ich rozmieszczeniu, można wykorzystać darmowy autorouter (www.freerouting.net). Jest on całkiem przyzwoity i nie wymaga wielu ręcznych ingerencji.

Trzeba tylko pamiętać, że na ekranie wszystko wygląda na duże, ładne i “na pewno dam radę to zmontować”. W rzeczywistości może być już znacznie trudniej.

2. Termotransfer na PCB.

Po zaprojektowaniu obwodu, drukujemy go z Kicad do formatu postscript (przyda się przeglądarka postscript’u). Strona dolna (B) normalnie, strona górna (F) w odbiciu lustrzanym (ważne!). Tutaj kila uwag:

  • drukuję tylko i wyłącznie na drukarce laserowej (to toner będę przenosić na PCB, atramentu się nie da, a ksero jest do niczego). Jeśli istnieje taka możliwość, zwiększam ilość tonera na papierze.
  • podczas wydruku z Kicad zaznaczam, aby program w miejscu otworów drukował małe znaczniki (pomoże podczas wiercenia)
  • do wydruku używam papieru kredowego zakupionego za 8zł/ryza w hurtowni papierniczej o gramaturze 115g/m2 (można użyć innego, ale lubię mieć powtarzalne wyniki pracy)

Moja drukarka niestety rozciąga wydruk w pionie (niewiele, ale przy dużych dwustronnych płytkach można popsuć sobie pracę). Ponadto papier kredowy znacząco się elektryzuje, co objawia się u mnie drobną “kaszą” tonera na papierze (kropka na 3 – 4 mm – szczotka antyelektrostatyczna nie bardzo działa). Należy mieć takie “kwiatki” na uwadze, przy wykonywaniu płytek. Najlepiej przetestować wydruki, sprawdzić jak wyglądają ścieżki, które w programie wydają się ok. Im mniej niespodzianek później, tym lepiej.

Laminat powinien być odrobinę większy niż wydruk (ok 5 – 6 mm margines). Należy go bardzo dobrze wyczyścić. Na miedzi nie może być ani odrobina tłuszczu. Tutaj przydaje się mleczko do czyszczenia (bez zarysowań heheh) oraz gąbka do naczyń z jedną stroną bardzo ostrą. Po czyszczeniu mechanicznym, usuwam resztę tłuszczu za pomocą żelu do mycia armatury (kamień i rdza ekhm…). Dodatkowo przecieram ręczniczkami nasączonymi w izopropanolu. (IPA, 1L ok 18zł na Znanym Portalu Aukcyjnym [zwanym dalej ZPA]. Po takim przygotowaniu przyjmuję zasłyszaną metodę NDP (nie dotykać paluchami).

Jeszcze raz: jakikolwiek tłuszcz na płytce i całość nie wyjdzie.

Przy wykonywaniu płytki jednostronnej kłopotu nie ma, po prostu należy przykleić wydruk tonerem do miedzi. Przy płytce dwustronnej konieczne jest złożenie wydruków “pod światło” (pomaga silna lampa oraz szklany blat). Ja przyjąłem sposób “na kopertę”. Używam taśmy dwustronnej której kawałki przyklejam do jednej strony wydruku, tak aby laminat krawędziami opierał się na niej. Drugi wydruk ustawiam pod światło i delikatnie przyklejam do drugiej strony taśmy. W tak przygotowaną kopertę wsuwam laminat.

Teraz czas na termotransfer. Polega on na roztopieniu tonera, który odkleja się od papieru kredowego, a przykleja do czystej warstwy miedzi. Toner topi się w temp ok 160stC. Można to zrobić za pomocą żelazka (koniecznie z równą podstawą, bez dziurek i innych wynalazków), ale dużo lepsze efekty daje laminarka.

Nabyłem w tym celu leżakowy model Lervia KH4410 na ZPA za całe 40zł (polecam). Jednak zakresy typowych laminarek (80 i 125) odnoszą się do grubości folii w mikrometrach, którą można tymi maszynami laminować. Z temperaturą ma to niewiele wspólnego (zmierzone termoparą ok 100 i 130 stC). Trzeba popsuć laminarkę, przerabiając jeden z zakresów na ok 160stC. Znowuż pomogła “elektroda”, gdzie opisano w dość dokładnie schemat i miejsce przeróbki (polega ona na wymianie tylko jednego rezystora przy wzmacniaczu operacyjnym. Jedyną różnicą była wartość rezystora, w moim przypadku zastosowałem 2k2. To spowodowało rozgrzewanie się wałków laminarki do ok 170stC. Niestety same grzałki nagrzewają się znacznie bardziej (ok 230stC), przez co zmuszony byłem do usunięcia bezpieczników termicznych (które padają zdaje się w tym modelu przy ~220stC).

Przy tak przerobionej laminarce sam termotransfer to już przyjemność. Niektórzy się chwalą, że wystarczy jeden “przejazd”, ja natomiast dla pewności przeciągam obwód kilka razy (wg uznania, przecież się nie pali). To czy toner przylega do miedzi można poznać po spojrzeniu pod światło. Widać wyraźnie, grubsze miejsca, gdzie nadrukowane są ścieżki. Przy laminarce nie trzeba się także bać rozmazania tonera (częste w przypadku żelazka) ponieważ papier dociskany jest równomiernie i ze stałą prędkością.

Po tym zabiegu odczekujemy chwilę aż płytka wystygnie, a następnie wrzucamy całość do ciepłej wody z odrobiną proszku do prania (najlepsze efekty). W takiej kąpieli papier sam odchodzi od miedzi po około 5 – 10min. Następnie płytkę należy wypłukać pod bieżącą wodą.

Kolejna uwaga: Jeśli toner odchodzi od płytki podczas płukania, to procedurę powtarzamy. Być może miedź jest zabrudzona, może zbyt słabo przeniósł się toner. Także (niestety) najlepsze efekty uzyskuję na oryginalnym tonerze. [EDIT: Udało mi się zakupić toner – zamiennik do mojej drukarki (12A) za ok 10% ceny oryginału. Sprawuje się DUŻO lepiej niż oryginalny (sic!). Dużo zależy od tego, czy w zamienniku wymieniono bęben światłoczuły i jakiego użyto tonera.]

3. Trawienie i zabezpieczenie przed utlenianiem.

Po oczyszczeniu płytki dokonuję inspekcji pod lupą. Drukarki mają problemy z równomiernym nałożeniem tonera na duże zaczernione powierzchnie (pola masy itd). Jeśli zauważę jakikolwiek problem, poprawiam to miejsce za pomocą pisaka olejowego (bardzo dobry jest np. Edding 141F). Po wyschnięciu płytka trafia do środka trawiącego. Polecam B327 – nadsiarczan sodu. Jest zdecydowanie lepszy od chlorku żelaza III. Nie wytrąca się w nim miedź, nie podtrawia tak mocno ścieżek. Także nie barwi, ale i tak wypali dziurę w ubraniu.

Środek podgrzewam w plastikowej butelce (przechowywany potrafi wytworzyć podciśnienie, dlatego nie wolno stosować całkiem hermetycznego pojemnika), wkładając ją do b. gorącej wody. Po osiągnięciu ok 45stC przelewam do kuwety i wkładam płytkę. Jak to zwykle bywa są też trawiarki. Mi jednak na razie wystarczy energiczne (ale nie za bardzo, aby nie chlapać!) mieszanie roztworu. Chodzi o to, aby miedź została równomiernie wytrawiona bez podtrawień. Cały proces przy mieszaniu, bujaniu i odmawianiu zaklęć trwa ok 10 – 15min, w trawiarce także, ale bez zaklęć. Płytkę należy opłukać pod bieżącą wodą i już można pozbyć się reszty tonera (np. za pomocą w/w ostrej gąbki).

Stosowałem też rozpuszczalnik acetonowy. Jednak tutaj uwaga: Aceton silnie reaguje z klejem, którym mocowana jest folia miedziana do płytki (jeśli jest mocowana “na klej”). Stąd też zupełnie porzuciłem tą metodę na rzecz ostrej gąbki.

Podczas trawienia dochodzi zawsze do delikatnego podtrawienia ścieżek. Nic ważnego jeśli mają one grubość 0,8mm. Jednak gdy ustawimy grubość ścieżek na 10mils (0,254mm) to po wytrawieniu będą one cieńsze. Wystarczy dla testu ułożyć je obok siebie w równych odstępach. Po trawieniu odstępy będą większe niż grubość obwodów. Warto na to “wziąć poprawkę” przy projektowaniu (idealne wyniki uzyskałem przy ścieżkach o grubości 0,285mm i odstępach 0,254mm).

A to przykładowe efekty po trawieniu i czyszczeniu z tonera:

Teraz można zabezpieczyć miedź przed utlenianiem za pomocą kalafonii rozpuszczonej w spirytusie (w izopropanolu).

Odkryłem jednak ostatnio ciekawy artykuł (patrz pkt.5), na temat bielenia miedzi stopem Lichtenberga (znowu ZPA – 60g pałeczka za ok 28zł). Stop ten składa się z 50% z bizmutu, 30% z ołowiu i 20% cyny. I choć brzmi groźnie, bizmut jest tutaj najmniej toksyczny. Proszę uważać na ołów i cynę, nie są zdrowe. Po pracy należy umyć ręce. Pod żadnym pozorem nie wykorzystywać naczynia do przygotowania posiłków!

Zaopatrzyłem się w naczynie żaroodporne (szkło ma gładką powierzchnię – to pomaga). Ustawiam je na palniku gazowym z wrzątkiem (ok 1l). Na każde 100ml wody dodaję 15 – 20g kwasu cytrynowego (najlepiej kupić od razu 0,5kg :). Kwasek cytrynowy podnosi temperaturę wrzenia wody o 1 – 2stC na każde 5g rozpuszczone w 100ml wody (tak na oko i termoparę).

Temperatura topnienia stopu to ok 91,6stC (!) Doskonale przywiera do miedzi na płytce. 60g wystarczy naprawdę na bardzo długo. Nie sądzę, abym na jedno bielenie (ok. 10x8cm) zużył go więcej niż 1,5g. Gruba warstwa stopu będzie połyskliwa, cienka – matowa. Nie powoduje ona pogorszenia lutowalności (wręcz przeciwnie), która pozostaje bardzo dobra nawet w dłuższym czasie (bielenie chemiczne to ok 2 tyg dobrej lutowalności). Także odpowiednio cienka warstwa nie spowoduje spadku temperatury topnienia docelowego lutowia.

Do pokrywania można przygotować sobie np. grubą linkę miedzianą (używam przewodu uziemienia 10mm2) w roli “pędzla”. Pałeczką można rozsmarować niewielką ilość stopu po płytce (bardziej wygląda to na rysowanie), linką miedzianą natomiast idealnie rozprowadzić go po powierzchni.

Tip: Po zakończeniu bielenia można przycisnąć stroną bieloną do dna naczynia żaroodpornego i przesuwać kilka razy w jedną i drugą stronę. Dno jest dużo bardziej gorące za sprawą palnika, stop idealnie rozpłynie się po całej powierzchni do jednolitej grubości. Efekt jest naprawdę ładny. W punkcie 5. autor podaje nieco inny zestaw narzędzi.

4. Wiercenie otworów.

Warto zaopatrzyć się w mini wiertarkę, która będzie miała wysokoobrotowy silnik (od 10000 to 15000 obr/min). Z taką ilością obrotów wierci się otwory o średnicach 0,6 – 1,1mm w laminacie (np FR4) w warunkach domowych. Wiertarka – np. Velleman 2915. Do niej przyda się stojak. Ja zakupiłem stojak do wiertarki DS-12. Wymaga on przeróbki do przyjęcia innej wiertarki niż AD-12, a także zlikwidowania tylu luzów ile się da (polecam coś innego jeśli tylko wpadnie w ręce i będzie bardziej precyzyjne). Przy samej wiertarce warto zwrócić uwagę na uchwyt, aby potrafił przyjąć wiertło o średnicy ok 3mm. Dlaczego? Otóż wiertła HSS radzę od razu sobie odpuścić. W laminacie FR-4 po około 30 otworach wiertło zaczyna psuć płytkę, tępi się i powoduje rozwarstwienie przy przechodzeniu przez materiał. Koszt takiego wiertła to ok 1zł. Znalazłem wiertła węglikowe z widią VHM stosowane w wiertarkach CNC. Koszt to ok 6zł/szt. Mają one trzpień o średnicy 1/8″ (3,175mm), który przechodzi w część roboczą. Takim wiertłem wykonałem już kilka płytek (ok 400 otworów) i nie zauważyłem pogorszenia jego właściwości. Otwory są bardzo równe bez efektu wystrzępiania.

Tip: Mimo, że podczas trawienia powstały znaczniki na polach lutowniczych, które ułatwią prowadzenie wiertła, w rzeczywistości przez delikatne bicie wrzeciona, wiercenie wiertłem np. 0,6mm będzie trudne. Warto poświęcić trochę czasu na punktowanie pól małym punktakiem (można oszlifować cienki wkręt).

5. Czego się naoglądałem?

Świetny opis całego procesu wytwarzania PCB (i nie tylko) jest tutaj: mdiy.pl

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

*

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.