BSW | Samodzielne wykonywanie płytek drukowanych

Samodzielne wykonywanie płytek drukowanych

Samodzielne tworzenie płytek drukowanych umożliwia konstruowanie urządzeń elektronicznych dostosowanych do własnych potrzeb. Kiedyś jedyna możliwością samodzielnego wytworzenia płytki było mozolne rozkładanie elementów na kratkowanym papierze, a następnie ręczne malowanie pędzelkiem zaprojektowanych ścieżek na laminacie. Dzisiaj dzięki zastosowaniu technik komputerowych projektowanie i wykonywanie płytek jest dużo prostsze i mniej podatne na błędy projektowe. W tym artykule podam mój sposób na płytki drukowane.

1. Projekt

Do projektowania używam programu Eagle firmy CadSoft. Występuje on w trzech wersjach (każda z nich na 3 systemy operacyjne). Najprostsza wersja Eagle Light jest darmowa pod warunkiem niekomercyjnego wykorzystania. Można w niej projektować płytki dwustronne o rozmiarze nieprzekraczającym 100x80 mm. W praktyce nie jest to dotkliwe ograniczenie, gdyż amatorskie wytworzenie większych płytek jest problematyczne.

W Eaglu można zacząć od tworzenia od razu płytki drukowanej, ale w praktyce lepiej najpierw narysować schemat, a dopiero później na jego podstawie przygotować płytkę. Program Eagle będzie wtedy podpowiadał które wyprowadzenia użytych elementów elektronicznych należy ze sobą połączyć. A w razie potrzeby mechanizm "backannotate" można dokonywać zmian na schemacie, które automatycznie przeniosą się na płytkę. Dzięki temu zawsze do płytki mamy dostępną dokumentację w postaci schematu.

Eagle jest programem typu CAD (ang. Computer Aided Design). Programy CAD maja swoją filozofię pracy tj. "narzędziocentryczność" - najpierw wskazujemy narzędzie a dopiero później obiekt. Taki sposób pracy nie jest zbyt intuicyjny i ciężko się samemu go nauczyć. Na szczęście do dyspozycji jest wiele książek, artykułów i instrukcji. Kursy Eagle były publikowane w czasopismach Elektronika Praktyczna - od numeru 5/2006 czy Elektronika dla Wszystkich od numeru 1/2012. Ja ucząc się Eagle korzystałem z opracowania Tutorial Eagle Praca Dyplomowa.

Przykładowy schemat zaprojektowanego przeze mnie urządzenia dostępny jest na rysunku 1, a projekt odpowiadającej mu płytki na rysunku 2. Program Eagle umożliwia eksport projektu w formacie Gerber wymaganym przez firmy zajmujące się produkcją płytek. Aby wykonać płytkę własnoręcznie należy ją wydrukować.

2. Wydruk

Używając metody termotransferu projekt płytki należy wydrukować na drukarce laserowej (koniecznie !). Bardzo ważny jest też odpowiedni papier - na pewno nie może być ten zwykły. Nadaje się papier kredowy, czy papier z druczków samokopiujących. Ja używam okładek folderów reklamowych - trzeba samemu poeksperymentować. Do wydruku należy wybrać tylko warstwy: Bottom, Pads, Vias i Dimension - dla płytki przewlekanej - spodnia strona. Dla wydruku wierzchniej strony płytki dwustronnej lub smd należy wybrać warstwy Top, Pads, Vias i Dimension. W tym drugim przypadku w opcjach drukowania należy zaznaczyć opcję Mirror. Ponadto zawsze należy zaznaczać : Black i Solid oraz Scale factor ustawiać na 1. W przypadku drukowania na grubszym papierze korzystnie jest go wstępnie nagrzać przepuszczając go przez drukarkę (drukując na nim pustą stronę).

Wadą drukowania tą metodą - zwłaszcza dla płytek przewlekanych - są wypełnione otwory na padach. Otwory powinny być wytrawione, bo wtedy przy wierceniu umożliwiają łatwe pozycjonowanie wiertła i jego mniejsze zużycie. Uzyskanie takiego wydruku w Eagle jest nieco bardziej złożone - należy uruchomić CAM Processor. W wyświetlonym oknie zaznaczamy warstwy jak wyżej oraz wybieramy Device = PS. Dla warstwy top opcję Mirror dla bootom odznaczamy oraz koniecznie, zawsze odznaczamy opcję Fill pads. Następnie podajemy nazwę pliku *.ps i naciskamy Start Job. Niestety w wyniku działania tej opcji dostajemy plik *.PS (Post Script), który należy przekonwertować na plik *.PDF używając w tym celu np. programu PDFcreator W tym celu Plik *.PS wystarczy przesunąć myszą nad okno programu PDFcreator a wyświetlony kreator pozwala na wygenerowanie, wyświetlenie i w końcu wydrukowanie pliku *.PDF. Uff...

3. Termotransfer

Następnym etapem prac jest przeniesienie toneru na płytkę laminatu miedziowanego za pomocą temperatury - stąd nazwa "termotransfer". Najprościej użyć do tego żelazka - stąd inna nazwa tej techniki - "metoda żelazkowa". Do termotransferu można też użyć zmodyfikowanej - w celu podniesienia temperatury - laminarki. Zanim jednak przystąpimy do "prasowania" trzeba przygotować laminat:

Do tak przygotowanej płytki toner powinien się chętnie "przekleić". Ja robię to tak: kładę płytkę miedzią do góry na twardym, ale podatnym podłożu (książka w miękkiej okładce), na niej kładę wydruk płytki tonerem do dołu. Taką "kanapkę" prasują żelazkiem nastawionym pomiędzy dwie a trzy kropki. Przy prasowaniu trzeba uważać, aby wydruk się nie przesunął względem laminatu. Po naprasowaniu (ok. 1-2minuty) kartkę należy ostrożnie odkleić - odmaczając całość w misce z letnią wodą. Teraz można sprawdzić jakość "odbitki". Drobne niedostatki należy poprawić specjalnym flamastrem do malowania ścieżek (dostępny w każdym sklepie elektronicznym). Jeśli nie jesteśmy zadowoleni z jakości zmywamy toner rozpuszczalnikiem i prasujemy jeszcze raz. Dla płytki dwustronnej należy jeszcze naprasować drugą stronę laminatu przy czym dość istotne jest wzajemne pozycjonowanie obu stron.

Laminat z naprasowanym rysunkiem ścieżek jest widoczny na fotografii 1. Teraz można przejść do następnego etapu.

4. Trawienie

Do trawienia wykorzystuje się powszechnie dwa preparaty: chlorek żelaza i B327 (nadsiarczan sodowy). Oba są sprzedawane w formie granulek lub proszku do rozpuszczenia w wodzie, oba mogą być przechowywane do powtórnego użycia (B327 w miękkiej, lekko ściśniętej plastikowej butelce). Oba środki mają też swoje zalety i wady.

B327 jest przez hobbystów częściej wykorzystywany. Po rozpuszczeniu ma postać przeźroczystej, lekko niebieskiej cieczy, co jest zaletą gdyż łatwo można kontrolować proces trawienia. Jego podstawową wadą jest to że się szybko zużywa. Wytrawiona miedź wiąże się z roztworem zmieniając jego barwę na coraz ciemniejszą. Zużyty rozwór - bardzo ciemny przestaje trawić.

Chlorek - kiedyś powszechnie stosowany - ostatnio stracił na popularności. Po rozpuszczeniu ma on postać brunatnej, mętnej cieczy. Trawi on miedź wytracając ją w formie osadu. Dlatego trawiąc w chlorku płytkę należy umieścić w poziomie miedzią w dół lub ustawić w pionie. Chlorek lubi podtrawiać miedź - dlatego należy kontrolować na bieżąco proces trawienia, aby móc go przerwać w odpowiedniej chwili (co z uwagi na nieprzeźroczystość roztworu jest nieco utrudnione). Największą zaletą chlorku (oprócz ceny - niższej niż B327) jest jego trwałość - praktycznie się nie zużywa - trawi cały czas tak samo. Co nie znaczy że jest wieczny - część roztworu wykrystalizowuje, część odparowuje - zatem nieco go ubywa. Ponadto co jakiś czas trzeba pozbyć się osadu przesączając rozwór przez filtr z gazy.

Do trawienia należy użyć płaskiego plastikowego pojemnika lub specjalnie skonstruowanego wąskiego szklanego akwarium. Roztwór do i w trakcie trawienia powinien być podgrzewany do ok. 40 OC przy pomocy np. szklanej grzałki akwarystycznej.

Uwaga !
W trakcie trawienia należy zachować szczególną ostrożność.
Roztwory trawiące i ich opary są niebezpieczne - trujące i żrące !

Wytrawiacz może niszczyć powierzchnie na które się rozleje, trwale zabarwić ubranie czy skórę - szczególnie chlorek. Warto zaopatrzyć się w plastikowe szczypce, aby nie mieć bezpośredniego kontaktu z roztworem.

Wytrawianie trwa do kilkunastu minut - po jego zakończeniu płytkę, kuwetę, grzałkę i.t.d. należy dokładnie umyć. Ścieżki z miedzi są ukryte pod tonerem który łatwo zmywa się rozpuszczalnikiem. Wytrawiony rysunek ścieżek jest widoczny na fotografii 2.

5. Opisy

W przypadku jednostronnej płytki do montażu powierzchniowego można pokusić się o wykonanie na niej opisów elementów. Opisy nadrukowujemy również metodą termo transferu z tym że tym razem drukujemy warstwy: Dimension, tPlace, tOrigins, tNames i ewentualnie tValues oraz zaznaczamy opcję Mirror.

Opisy na płytce minimalizują ryzyko błędów montażu oraz dodają profesjonalnego wyglądu. Płytkę z opisami prezentuje fotografia 3.

6. Soldermaska

Profesjonalnie wykonane płytki posiadają ścieżki pokryte specjalną farbą. Odsłonięte są tylko pola lutownicze - stąd nazwa soldermaska. Funkcją soldermaski jest zabezpieczenie miedzianych ścieżek przed utlenianiem oraz w pewnym stopniu przed zwarciem w trakcie lutowania i użytkowania.

W warunkach amatorskich można się również pokusić o wykonanie namiastki soldermaski. W tym celu płytkę od strony ścieżek pokrywamy w całości farba do szkła. Ja używam farby Idea Vetro - do nabycia w sklepach dla plastyków w dowolnym kolorze :-). Farbę należy nakładać małym pędzelkiem z równo przyciętym, sztucznym włosiem. Do malowania płytkę należy ułożyć pod skosem tak aby nakładana farba spływała w dół. Tak nałożona ma równomierną grubość oraz brak smug od pędzla. Po pomalowaniu płytkę należy wysuszyć - najszybciej kładąc na powierzchni rozgrzanego żelazka - 2-4 minut wystarczy.

Płytka pokryta taką soldermaską wygląda przedstawiona jest na fotografiach 4 i 5. Największą wadą tej techniki jest konieczność wydrapania w lakierze miejsc do lutowania - padów. Ja do wydrapania używam małego śrubokręta płaskiego. Płytka z wydrapanymi padami jest widoczna na fotografii 6.

7. Wiercenie

Płytka do montażu przewlekanego musi posiadać otworki pod montaż części. Otwory muszą mieć różną średnicę w zależności od stosowanych elementów. W praktyce można poprzestać na 3-4 wiertłach:

Przyda się jeszcze wiertło 3,2 mm do wiercenia otworów montażowych (pod śruby M3).

Do wiercenia można używać dużej wiertarki stołowej (lub wiertarki ręcznej na statywie). Można też używać małej ręcznej wiertarki modelarskiej, lub dremela z końcówką wiertarską. Przed wierceniem płytkę należy umieścić na klocku lub deseczce z miękkiego drewna - dzięki temu po przewierceniu płytki nie zniszczymy blatu, a wiertło nie będzie się niepotrzebnie tępić. Płytka z wywierconymi otworami jest widoczna na fotografii 7. Teraz już tylko prosi się o lutowanie elementów.

8. Lutowanie

Do lutowania nie polecam lutownic pistoletowych, transformatorowych. Są one niewygodne w użyciu - mało precyzyjne, ciężkie i nieporęczne, łatwo nimi uszkodzić elementy przez przegrzanie. Najbardziej naturalnie leży w dłoni tradycyjna lekka kolba lutownicza o mocy 25-30W. Do lutownicy warto posiadać jeszcze podstawkę oraz gąbkę do wycierania grota (na mokro). Z grotów do lutowania elementów przewlekanych najlepiej się sprawuje stożkowy o średnicy 1mm. Do SMD lepiej używać nieco mniejszy - 0,4mm. Potrzebna jest jeszcze cyna z kalafonią, obcinaczki boczne, a do SMD jeszcze pęseta i... lupa stolikowa.

Lutować należy w kolejności od elementów najmniejszych do największych (przy SMD najlepiej zacząć od wlutowania układów scalonych).

Do lutowania dostępna jest cała masa poradników - np. na stronie Elportalu - Wszystko o lutowaniu.
Na początek polecam też fajny tutorial w formie komiksu - Lutowanie jest proste.

Moja płytka z wlutowanymi elementami jest widoczna na fotografii 8. Fotografia 9 przedstawia stronę lutowania.

Po zakończeniu lutowania ,obcięciu końcówek elementów, przetestowaniu modułu (i usunięciu ewentualnych błędów montażu) zmontowaną płytkę można zamontować w docelowym urządzeniu - fotografia 10.

Życzę powodzenia w wykonywaniu własnych płytek !