2012-11-22

Spausdintinių montažinių plokščių (PCB) gamyba namuose

Sudėtingėjant elektronikos projektams tenka spręsti dilemą – kaip kompaktiškai ir efektyviai sujungti diskretinius elektronikos komponentus, sutaupyti vietos? Ne ką svarbiau ir įsiveliančių klaidų skaičius projekte – kuo daugiau komponentų, jungčių – tuo didesnė tikimybė suklysti. Sprendimai jau senokai surasti – schemas projektuoti CAD programomis ir viską po to pervesti į spausdintinių plokščių pavidalą – PCB. Žinoma, turint visus brėžinius galima užsisakyti plokščių gamybą pas profesionalius gamintojus arba PCB gaminti namuose. Atitinkamai pirmuoju atveju kaina ir kokybė bus didesnė, tačiau paprastiems sprendimams – pilnai pakanka viską atlikti patiems. Taigi, šiame straipsniuke – kaip gaminti PCB plokštes namų sąlygomis.


I. Projektavimas

Apžvelgsiu visus procesus – nuo projektavimo iki plokštės paruošimo litavimui. Pirmiausia pradedame nuo projektavimo. Pradėti, aišku, reikia nuo elektronikos projekto idėjos ar pan. Imti kokią nors programinę įrangą ir nusibraižyti schemą, o po to ir PCB takelius. Galimas variantas – naudoti Sprint Layout programą (takelių braižymui) bei SPlan – schemos braižymui. Tačiau dažniausiai naudojama (rekomenduoju) EAGLE projektavimo/braižymo programa, su kuria abu etapai atliekami be didelio vargo. Pirmiausia sudaroma schema, o po to visi elementai perkeliami į PCB projektavimo etapą. Tokiu būdu lengviau išvengti klaidų ir galima lengvai redaguoti tarp dviejų langų. Takelius programa gali išvedžioti automatiškai, tačiau šituo pasikliauti labai neverta, nes visgi tai atlikti, geriau ir efektyviau nei žmogus, programinė įranga nesugeba.



Norint pasigaminti PCB, reikia iš programos gauti takelių vaizdus. Tai turėtų būti numatyta ir galima atlikti kiekvienoje programoje. EAGLE galima pasinaudoti CAM Processor priemonėmis ir atspausdinti plokštės takelius EPS faile. Reikia nepamiršti, kad takelių vaizdas turi būti veidrodinio atvaizdo (mirrored). Na ir gaminant vienos pusės plokštę užtenka spausdinti apatinį sluoksnį (layer).


Galutiniu atveju gauname juodai–baltą takelių vaizdą. EPS failus galima atsidaryti Adobe Acrobat programa ir paversti į PDF dokumentą ar pan. Kadangi toliau taikysime foto-rezistyvinį PCB gamybos metodą, tai turimą takelių vaizdą reikia atspausdinti ant skaidruolės (permatomas skaidrių A4 lapas). Dar kitaip jos vadinamos - "skaidriomis plėvelėmis". Skaidruolių galima įsigyti kanceliarinių prekių parduotuvėse (Office1, Copy1 ir pan.). Spausdinti galima tiek lazeriniu, tiek rašaliniu spausdintuvu. Geresnė kokybė gaunama lazeriniu, tačiau pasirinkus geriausią rašalinio kokybę, taip pat gaunami labai geri rezultatai. Jeigu vis dėlto lieka permatomų vietų ar skylių – galima jas pakoreguoti naudojant markerį. Atspausdinus takelių vaizdą ant A4 skaidruolės, jį reikia iškirpti. 

 

II. Metodas



           Plokštės gamybai šiandien paprasčiausia ir populiariausia naudoti foto-rezistyvinį (angl. photo-resist) ėsdinimo (angl. etching) metodą. Jame naudojama stiklo tekstolito (angl. glass fiber) plokštė padengta trim sluoksniais: pirmas nuo viršaus – šviesą nepraleidžianti izoliacinė medžiaga, antras fotorezisto sluoksnis, o trečias – vario. Fotorezistas yra speciali medžiaga, kurią apšvietus šviesos spinduliais (geriausia ir efektyviausia UV), ji tampa nebeatspari ėsdinimui (cheminiam veikimui). Pašalinus pirmą apsauginį sluoksnį takelių vaizdas projektuojamas ant plokštės pasitelkiant šviesą ir takelių kaukę. Po šio veiksmo lieka apšviestos ir neapšviestos fotorezisto vietos. Apšviestos vietos yra nereikalingos ir gali būti pašalinamos, todėl paveiktas fotorezistas yra pašalinamas cheminio ėsdinimo būdu, kol lieka tik vario sluoksnis. Toliau, naudojant kitas chemines medžiagas, tose vietose pašalinamas ir varis. Galiausiai lieka vario sluoksnis tik ten, kur fotorezistas nebuvo paveiktas, t.y. PCB takeliai.


III. Medžiagos

            Taigi, pirmiausia reiki įsigyti variu+fotorezistu padengtą stiklo tekstolito plokštę. Tokias pardavinėja elektronikos prekių parduotuvėse. Jų būna įvairaus dydžio – 10x15cm, 7.5x10cm ir pan. Arba, jeigu turite stiklo tekstolito plokščių su vario danga, galima atskirai nusipirkti ir pačio fotorezisto bei apipurkšti jų paviršių. Na, bet šiuo atveju naudosime jau gamykliu būdu tolygiai padengtą plokštę nupirktą iš parduotuvės.

 
Toliau mums reikės UV šviesos šaltinio arba apšvietimo lempos, kuri skleidžia daugiau šių spindulių – tam puikiai tinka taupiosios lemputės. Manau paprasta apšvietimo lempa irgi turėtų tikti, tiesiog kuo daugiau UV – tuo greičiau fotorezistas bus paveiktas.



Taip pat prireiks ir cheminių medžiagų: natrio hidroksido (NaOH) – apšviesto fotorezisto pašalinimui bei geležies chlorido (FeCl3) – vario ėsdinimui. Šių priemonių visada galima įsigyti elektronikos prekių parduotuvėse, tačiau vieną iš jų galima rasti ir parduotuvėje. Kanalizacijos vamzdžių valiklis „Kurmis“ yra praktiškai ne kas kita kaip NaOH šaltinis. Taigi už pigesnę kainą galite nusipirkti daug šios cheminės medžiagos kiekvienoje buitinių prekių parduotuvėje ar „Senukuose“. Geležies chloridas – medžiaga, kurią galima irgi pasigaminti, turint metalo drožlių ir kitų cheminių medžiagų, tačiau tiesiog paprasčiausia šių granulių nusipirkti elektronikos prekių parduotuvėje. Na ir galiausiai likusio fotorezisto nuvalymui bus reikalingas acetonas – šio taip pat galima nusipirkti „Senukuose“ ar pan. 


Be visų priemonių dar prireiks ir plokščiadugnio indo – paprasčiausias variantas – maisto indas ar nuo ledų likusi plastikinė dėžutė. Joje maišysime reikalingas chemines medžiagas. Dar geriau – stiklinis, karščiui atsparus indas, kurį būtų galima šildyti, pvz.: Pyrex firmos stiklo indai. Taigi, turint visas medžiagas, galima vykdyti gamybos etapą. Kaip tik prie jo dabar ir eisime.

IV. Gamyba - ekspozicija

            Dažniausiai gaminama plokštė nėra tokio pat dydžio, kokio paradavinėjamos fotorezisto plokštės. Todėl reikia išpjauti reikiamo dydžio plokštelę. Tam puikiai tinka siaurapjūklis (liaudiškai „lubzikas“) ar kito tipo pjūklelis. Jeigu neturite ar nėra galimybės nupjauti, tai galima daryti ir taip - pjovimo linijoje išgręžioti daug skylučių ir po to tvirtai prispaudus prie stalo bei laikant - laužti. Tokiu atveju kraštas nebus toks gražus ir gali tekti palyginti dilde ar švirtiniu popieriu. Vis gi šį metodą reiktų taikyti didesniems gabalams - nes nulaužti ne taip jau ir lengva - ypač mažą stiklo tekstolito gabaliuką.


            Pasiruošus skaidruolę su takelių vaizdu bei išsipjovus reikiamo dydžio plokštę, galime vykdyti ekspozicijos/apšvitinimo etapą. Jame darome taip – tamsoje (prieblandoje) nulupame/nuimame apsauginę plėvelę nuo plokštelės, uždedame skaidruolės takelių vaizdą ant viršaus (galima tvirtinti su permatoma izoliacija) ir padedame po apšvietimo/UV lempa. Taip švitinti paliekame apie 20 min. Taip pat tam, kad takelių vaizdas būtų patikimai prispaustas prie plokštės ekspozicijos etape, vietoj izoliacijos rekomenduojama naudoti fotorėmelį.

Reikia pastebėti, kad apšvietimo trukmė gali būti labai skirtinga. Priklausomai nuo lempos galios ir ar naudojamas stiklinis fotorėmelis (stiklas sugeria UV), apšvietimo trukmė gali būti ilgesnė ir atvirkščiai. Darant PCB pirmąkart reikėtų paeksperimentuoti – atlikti bandymus su keletu mažų bandomųjų plokštelių tam, kad surasti optimalų laiką – kai apšvitinama ne per daug ir ne per mažai. Apšvitinimas bendru atveju neturėtų trukti ilgiau nei 30 min.

 

V. Gamyba – fotorezisto ėsdinimas su NaOH

Praėjus ekspozicijos laikui – metas imtis chemijos. Į ėsdinimo indą pilame apie stiklinę (200ml) vandens ir dedame 0.5-1 arbatinį šaukštelį „Kurmio“ arba NaOH. Viską išmaišome. Toliau merkiame plokštelę į tirpalą ir stebime kaip ryškėja takelių kontūrai ant plokštelės. Galime pajudinti indą, pamaišyti, kad procesas vyktų greičiau. Taip pat galima naudoti ir šiltą vendenį (bet ne verdantį), kad cheminė reakcija vyktų greičiau. Ėsdinimas su NaOH vyksta apie 5 min. Praėjus šiam laikui takeliai ant plokštės turi pakankamai gerai matytis. Toliau išimame plokštelę iš tirpalo ir nuplauname po vandeniu. Išmaišytą tirpalą galima išpilti į kanalizaciją - t.y. panaudoti pagal paskirtį. Toliau vykdysime vario ėsdinimą.


PASTABA: Čia pateikiau savo naudojamą rekomendacinę koncentraciją/proporcijas, kadangi rasti optimalią kiekvienu atveju – dažnai tiesiog reikia užsiimti bandymais. Padarius stiprią koncentraciją – fotorezitas (tiek paveiktas šviesa tiek ir ne) bus nuėdamas akimirksniu – takelių vaizdo ant plokštės nebeliks visai. Padarius per mažą – reikės ilgai laukti, kol apšviestas fotorezisto sluoksnis bus nuėdamas, tada galima tiesiog įdėti daugiau NaOH. Verta pradėti eksperimentuoti su mažais NaOH kiekiais!

VI. Gamyba – vario ėsdinimas su FeCl3

            Kadangi apšviestos PCB plokštės vietos po NaOH apdorojimo jau yra be fotorezisto ir varis yra atidengtas – belieka jį taip pat nuėsdinti. Tam išmaišome naują tirpalą – pilame vėl apie stiklinę (200ml) vandens ir dedame geležies chlorido granulių, kol tirpalas pasidaro tamsiai rudos-žalios spalvos. Tuomet vėl įmerkiame plokštelę į tirpalą ir laikome apie 20 min. arba tol, kol visos variu padengtos vietos (išskyrus takelius) bus nuėstos. Kad paspartinti ėsdinimą, galime siūbuoti indelį, kad vyktų tirpalo maišymasis ir būtų skalaujama plokštelė. Šilto vandens naudojimas taip pat spartina cheminį procesą.






 
Baigus ėsdinimą šio tirpalo nereikėtų išpilti, kadangi jis dar gali būti panaudojamas ir kitą kartą. Vis dėlto laikomas ilgai jis praranda savo savybes – taip pat kaip ir naudojamas daugelį kartų!

 



VII. Kas toliau?

Taigi užbaigus praeitus etapus jau turime beveik užbaigtą PCB. Pabaigus vario ėsdinimo procesą imame acetoną, suvilgome juo skudurėlį ir nuvalome visą likusį fotorezistą nuo plokštės takelių. Takeliai tampa nebe tokie geltoni ir gražiai blizga variu.



            Sekantis etapas yra skylučių gręžimas. Šiam galima panaudoti mini drėles, tiek ir „Dremel“ ar kitos firmos produkciją. Priklausomai nuo skylučių dydžio pasirenkami atitinkami grąžtai - 0.8-1.2mm, 1.5mm ir pan. Tiesiai išgręžti skylutes ne taip jau paprasta, kaip gali pasirodyti! Grąžtas turi būti įveržtas tiesiai, o laikiklis tikslus. Taip pat tikslumas pasiekiamas naudojant stove įtvirtintą grąžtą, o ne laikant jį rankose. Kadangi namie dažniausiai tokios prabangos nėra ar ne visi ją turi, tai tiesiog pasinaudojau paprastu metodu – mini dremeliu ir išgręžiau skylutes.


Apnuoginus varį atsiranda problema – dėl atmosferos poveikio palaipsniui takeliai ima oksiduotis - žaliuoja. Siekiant to išvengti galima atlikti tokius veiksmus – variu padengtą plokštės pusę nulakuoti permatomu laku, galima ir nudažyti. Taip pat kitas būdas – takelių paviršių padengti lydmetaliu aplituojant. Dar vienas būdas – pasinaudoti karštais klijais, skystu silikonu ir padengti sluoksniu, bet žinoma – tik tada, kai komponentai jau sulituoti. Aš šįkart pasirinkau takelius tiesiog padengti lydmetalio sluoksniu.

 

VIII. Pabaiga

            Na štai, apžvelgiau šiuolaikines PCB gamybos namų sąlygomis ypatumus. Tikiuosi, jog paskaitę šį straipsnį sužinojote, kaip tai veikia ir kaip pasigaminti savo spausdintinę plokštę, kurią būtų patogu ir efektyvu naudoti bei nebaisu ir kitiems pademonstruoti. Iki kitų kartų, sėkmės eksperimentuojant!

6 komentarai:

  1. Ačiū, naudinga! Su koncentracijom daugmaž aišku, tačiau su ekspozicijos laiku tai visai mistika. Neaišku, kada gana. Kas būna, jeigu per daug?

    AtsakytiPanaikinti
    Atsakymai
    1. Tiesiog reikia išsibandyti su mėginukais ir rasti sau tinkamą variantą. Trukmė priklauso nuo lempos galios (W), taip pat nuo lempos atstumo iki plokštės, tiek ir nuo to, ar spinduliai pasieks plokštę tiesiogiai ar dar pereis per stiklą.

      Kai apšvitinama per mažai - fotorezistas liks nepaveiktas, NaOH jo nenuės - nesusidarys takelių vaizdas, o FeCl nenuės vario arba ėsdinimo laikas bus labai ilgas. Jeigu po NaOH apdorojimo nėra aiškaus takelių vaizdo, tai galima bandyti dar švitinti, tik reikia tiksliai atitaikyti skaidruolės kaukę.

      Ašvitinti per daug įmanoma, jeigu paliekama labai ilgam laiko tarpui. Kad ir kiek rašalo takelių vaizdas būtų juodas, vis tiek per jį praeina net ir prislopinta šviesa (nebent takeliai būtų iš tankios/nepralaidžios medžiagos - ko rašalo spausdintuvas negali užtikrinti - norint tuo įsitikinti, siūlau pažiūrėti į skaidruolę prieš šviesą) ir per ilgą laiką fotorezitas po juo bus paveiktas, o paveikus - mes jau žinome, kad ryškinimo fazėj NaOH tiesiog jį nuės. O po to - kelio atgal nebus jau - arba teks pirkti naują plokštę arba naudoti dažų metodą, o gal net ir fiziškai graviruoti takelius.

      Bendru atveju apšvitinimas neturėtų trukti ilgiau nei 30 min.

      Panaikinti
    2. Seip jai apsvitinta pakankamai sviesoje turi vos vos matytis tokia sviesiai geltoni takeliu konturai

      Panaikinti
  2. Atsakymai
    1. Cituoju: "skaidruolių galima įsigyti kanceliarinių prekių parduotuvėse". Jos dar kitaip vadinamos spausdinimo plėvelėmis ir pan. Google "Plėvelė A4 spausdintuvui" arba nueiti į artimiausią kopijavimo/spausdinimo centrą - pvz. Copy1, galbūt ten galėsite įsigyti.

      Panaikinti