Wytrawianie płytek drukowanych

Transkrypt

1 Wytrawianie płytek drukowanych Oczywiście najprostsze sposoby nigdy nie są najlepsze i dają raczej mierne rezultaty. Na tej stronię przedstawię dokładnie, krok po kroku jak wykonać płytkę metodą termotransferową. Jest to sposób kompromisowy pomiędzy jakością obwodu a ceną jego wykonania i dostępnością dla początkujących. Krok pierwszy to oczywiście zaprojektowanie obwodu w odpowiednim programie komputerowym, ja stosuję darmową, edukacyjną wersję programu EAGLE lub KiCad. Zdjęcie pierwsze przedstawia dwa wydruki komputerowe z programu EAGLE lub KiCad. Jeden wydruk przedstawia warstwę mozaiki ścieżek, którą trzeba będzie wytrawić, wydruk drugi to warstwa opisów elementów - będzie naklejona od strony montażu. Teraz bardzo ważna sprawa wydruk mozaiki ścieżek trzeba wykonać od razu na drukarce laserowej bądź wydruk skserować na kserokopiarce zwiększając zaczernienie na max. Ważne jest, by papier pokryty został grubą warstwą tonera i zaraz powiem dlaczego. Zdjęcie drugie przedstawia kupioną w sklepie płytkę laminowaną warstwą miedzi, trzeba ją dociąć na wymiar trochę większy niż ma zaprojektowana płytka. Zdjęcie trzecie - dociętą płytkę z laminatu musimy bardzo dokładnie umyć od strony miedzi, nie może na niej pozostać nawet ślad tłuszczu ani odrobinka tlenku. Płytka może być porysowana ale czysta tak jak na zdjęciu czwartym. Wojciech Sławski Strona 1

2 Zdjęcie piąte - przedstawia kartkę papieru, na którą naniesiona została warstwa tonera. Co do samego papieru to najlepszy jest papier kredowy, ale coraz trudniej taki zdobyć. Jeśli się nie uda można stosować papier o zwiększonej gramaturze. Metoda termotransferowa, jak sama nazwa wskazuje polega na termicznym przeniesieniu wzoru mozaiki ścieżek na warstwę miedzi. Do tego celu wykorzystamy żelazko ze zdjęcia szóstego odwrócone płytą grzejną do góry. Na płycie grzejnej kładziemy wyciętą wcześniej laminowaną płytkę miedzią do góry a na warstwie miedzi kartkę papieru tak, by toner przylegał do miedzi. Zdjęcie siódme i ósme - włączamy zasilanie żelazka i dociskamy papier do laminatu. Po osiągnięciu temperatury ok. 160 o C toner zacznie się topić i przywierać do miedzi. Grubą szmatką trzeba docisnąć papier w każdym miejscu aby stopiony toner wszędzie spotkał się z miedzią. Nie należy przekraczać temperatury 200 o C. Ja ustawiam swoje stare żelazko na 3/4 zakresu. Gdy już równomiernie dociśniemy papier do miedzi zsuwamy płytkę z żelazka i czekamy aż ostygnie. Wojciech Sławski Strona 2

3 Zdjęcie dziewięć i dziesięć - gdy płytka już wystygnie namaczamy ją w wodzie przez min. tak by papier zmiękł. Po tym czasie możemy go delikatnie zerwać. Jeśli zastosowaliśmy papier kredowy to jednym ruchem zerwiemy jego dużo większą część, pozostanie tylko warstwa kredy z resztkami papieru. Dwa kolejne zdjęcia - Co zrobić z resztkami kredy? rozpuszczamy je w rozcieńczonym kwasie octowym dostępnym w każdej kuchni :). Teraz, po usunięciu papieru toner pokrywa nam warstwę miedzi tylko w tych miejscach, w których będą ścieżki i punkty lutownicze. Musimy jeszcze pozbyć się miedzi z miejsc nie pokrytych tonerem. Aby pozbyć się niepotrzebnej miedzi kupujemy w sklepie elektronicznym drobnokrystaliczny środek trawiący o oznaczeniu B327, jest to nadsiarczan sodowy, który w roztworze Wojciech Sławski Strona 3

4 wchodzi w reakcję z miedzią i "rozpuszcza ją". Zakupiony proszek należy rozpuścić w wodzie o temperaturze ok. 50 o C. Tu pokażę jak to można robić po prostu w kuchni. Potrzebne nam jest małe naczynie żaroodporne, które stawiamy na malutkim gazie, rozpuszczamy środek trawiący i wkładamy doń przygotowaną wcześniej płytkę. W trakcie mieszania roztworu, po kilku minutach zauważamy, że miedź w miejscach nie pokrytych tonerem po prostu znika, by po dłuższej chwili nie było po niej śladu. Jednocześnie roztwór z bezbarwnego staje się niebieski. Zabarwienie to pochodzi od jonów miedzi, które przeszły do roztworu tworząc siarczan miedzi. Na zdjęciu Nr 16 widzimy już wytrawioną płytkę, warstwa tonera zabezpieczyła miedź przed rozpuszczeniem w miejscach gdzie będą połączenia elektryczne. Teraz do akcji wkracza aceton, lub zmywacz do paznokci. Substancja ta będzie nam niezbędna do zmycia tonera z płytki. Widzimy to na zdjęciu Nr. 17. Nalewamy odrobinę zmywacza na szmatkę i zmywamy toner aż całkowicie odsłonimy warstwę miedzi. Nasza płytka jest już prawie gotowa, ale czeka nas jeszcze kilka czynności przed rozpoczęciem lutowania elementów Wojciech Sławski Strona 4

5 Teraz na dwóch kolejnych zdjęciach widzimy mechaniczną obróbkę płytki. Zawsze wycinam większą płytkę niż zaprojektowany wzór, dlatego że przy przenoszeniu tonera nie zawsze uda się wszystko dobrze ustawić. A tak mamy margines błędu, którego po wytrawieniu możemy się pozbyć. Po obcięciu nadmiaru tworzywa, brzegi wygładzamy papierem ściernym. Czynność kolejna to wiercenie otworów pod elementy. W tym celu potrzeba nam wiertełek o średnicach od 0,6 do 3 mm oraz w najlepszym wypadku wiertarki stołowej. Jeśli nie mamy wiertarki stołowej będzie musiała nam wystarczyć jakaś zwykła, ja stosuję miniwiertarkę kupioną w sklepie elektronicznym za 25 zł. Otwory wiercimy od strony warstwy miedzi. Gdy mamy wywiercone otwory możemy już zająć się płytką od strony montażu elementów. Z programu EAGLE drukujemy warstwę na której znajdują się opisy elementów. Wydruk należy wykonać na folii bądź na zwykłej kartce papieru samoprzylepnego. Następnie przy pomocy dwóch igieł wbitych w dowolne punkty lutownicze po przekątnej płytki ustawiamy kartkę tak by wszystkie punkty pokrywały się z wywierconymi otworami. Wojciech Sławski Strona 5

6 Gdy już wyrównamy papier odrywamy od niego z jednego rogu warstwę ochraniającą klej, ten w miarę nieduży kawałek odcinamy. Przykładamy papier z igłami znów do płytki, po wyrównaniu dociskamy odsłonięty odcinek. Gdy się przyklei możemy wyciągnąć igły, zerwać pozostałą część papieru ochronnego i przykleić pozostałą część nadruku. Po przyklejeniu papieru z opisem odcinamy jego nadmiar przy pomocy żyletki, następnie (jeśli drukowaliśmy na papierze) naklejamy nań bezbarwną folię samoprzylepną. Zabezpieczy nam ona opis elementów. Ostatnimi czynnościami jakie wykonamy będzie przebicie otworów w folii i naklejonym papierze oraz zabezpieczenie brzegów przed odklejaniem. Do tej ostatniej czynności przyda Wojciech Sławski Strona 6

7 nam się np. bezbarwny lakier do paznokci. Nasza płytka jest już gotowa, można przystąpić do montażu elementów. Jeśli chcemy płytkę cynować otwory wiercimy później. Cynowanie: Opisze metodę cynowania chemicznego (bezprądowego), która jest bardzo prosta i tania w wykonaniu. Cynowa powłoka zapewnia ochronę przed śniedzieniem, ładnie wygląda, a przy lutowaniu elementów cyna sama się rozpływa po padach szczególnie ważne jest to przy lutowaniu elementów powierzchniowych, gdzie lutowanie do gołej miedzi sprawia problemy i trzeba stosować dodatkowo topniki do lutowania.. W tym przypadku użyjemy gotowego roztworu cynującego na bazie tiomocznika Tannal ImmerTinn. Wraz z produktem otrzymamy instrukcję, a w niej producent/importer przywiązuje dużą wagę do opisu dokładnego oczyszczenia płytki nie bez powodu płytka musi być perfekcyjnie wręcz oczyszczona, inaczej nici z cynowania. Wiele osób pomimo zastosowania się do instrukcji, osiąga kiepskie rezultaty. Powłoka wygląda paskudnie, miejscami nie przylega, do tego pod wpływem wysokiej temperatury i topników traci swoje właściwości i po prostu zanika. Opiszę tutaj sztuczkę którą stosuje przy cynowaniu, twoje płytki będą wyglądały jak lusterko z perfekcyjną powłoką cynową, poniżej próbki. Przy przygotowaniu płytki do termotransferu potraktowaliśmy płytkę zmywakiem aby była chropowata taka płytka nie nadaje się do cynowania, choćby nie wiem jak byśmy ją odtłuścili. Przed cynowaniem, płytkę należy wypolerować dowolną pastą polerską. Ja używam pasty lekko ściernej AutoMax do nabycia w każdym sklepie motoryzacyjnym. Polerowanie wykonujemy okrężnymi ruchami przy pomocy szmatki pasta jak i szmatka szybko zrobią się czarne ale to dobrze miedź się ściera. Polerujemy aż do uzyskania połysku. Wżerów spowodowanych przez kiepski wydruk niestety nie uda się wyczyścić ale nie szkodzi. Po zabiegu płytkę czyścimy rozpuszczalnikiem przy pomocy miękkiej szmatki która nie porysuje nam powierzchni, płytka powinna wyglądać tak. Wojciech Sławski Strona 7

8 Kolejną rzeczą jest wykonanie roztworu preparatu cynującego. Nie warto zużywać od razu całej saszetki, bowiem rozrobiony preparat traci z czasem swoje właściwości. Dobrze jest rozrobić porcję ml w zupełności wystarczy. Użyjemy tylko i wyłącznie wody destylowanej (demineralizowanej) także do nabycia w motoryzacyjnym. Wodę zagrzewamy w plastykowym pojemniku do około 60-80*C, wsypujemy środek, i mieszamy aż do całkowitego rozpuszczenia. Preparat musi ostygnąć do temperatury pokojowej. Nie należy wdychać oparów preparatu, są one szkodliwe. Upewniamy się że płytka jest dobrze odtłuszczona i nie nosi najmniejszych śladów smug czy zabrudzeń jest to bardzo ważne ponieważ w miejscach tych nie powstanie powłoka. Umieszczamy płytkę w kuwecie z preparatem, i już po pierwszych sekundach widać jak zmienia kolor. Wystarczy około 5 minut na wytworzenie porządnej powłoki. Po wyciągnięciu płytki należy natychmiast opłukać ją pod strumieniem wody i wytrzeć do sucha czystą szmatką. Oto efekt. Wojciech Sławski Strona 8

9 Warstwa opisowa: Aby ucieszyć oko, możemy wykonać warstwę opisową. Normalnie wykonuje się je metodą sitodruku, ale w warunkach domowych możemy sobie pozwolić jedynie na termotransfer. Tak więc nasz opis będzie miał kolor czarny, ewentualnie inny jeśli mamy kolorową laserówkę. Toneru białego niestety nie kupimy :). Aby przygotować warstwę opisową w eagle wystarczy ładnie poukładać sobie wartości i nazwy elementów. Aby móc przesuwać je niezależnie, klikamy na przycisk Smash -przycisk- a następnie klikamy na elementy które chcemy odblokować. Przy nazwie i wartości każdego z nich pojawią się dodatkowe krzyżyki za pomocą których możemy je przesuwać tak jak elementy. Gdy już to uczynimy, do wydruku zaznaczamy jedynie następujące warstwy: tplace bplace tnames bnames tvalues bvalues tdocu bdocu. Jeśli np. mamy mało miejsca na opisy, możemy użyć samych wartości elementów nazwy wydają się być zbędne. W tym celu odznaczamy warstwy tnames i bnames proste. Jeśli chcemy drukować warstwę opisową wierzchnią zaznaczamy tylko warstwy z przedrostkiem t(top). Drukujemy w odbiciu lustrzanym, tak samo jak w przypadku wierzchniej warstwy mozaiki ścieżek. Chyba nie muszę wspominać że nadruk należy ułożyć zgodnie z otworami w płytce patrząc pod światło :) Są dwie techniki nanoszenia takiej warstwy. Jedna polega na przytwierdzeniu płytki do blatu, położeniu na wierzchu nadruku, i przyłożeniu od góry żelazka. Gdy temperatura rozpuści toner i przylegnie od do płytki, należy powoli przesuwać żelazko od lewej do prawej strony płytki, tuż za krawędzią żelazka odklejając w górę kartkę z nadrukiem. połowa toneru zostanie na płytce, a połowa na kartce. Sposób ten jest trudny, bowiem łatwo można wszystko zepsuć niechcący przesuwając kartkę w bok ale za to otrzymujemy nadruk bez śladu kredy tak jak w przypadku drugiego sposobu. Oto przykład tak naniesionego opisu. Druga technika to zwyczajnie przeniesienie toneru tak jak w przypadku ścieżek. Tak samo płytę umieszczamy w pojemniku z detergentem, później pod kran, ale tutaj trzeba ją czyścić delikatnie bo toner do gołego laminatu nie trzyma się już tak dobrze jak do chropowatej miedzi. Choć nie wiadomo jak dobrze byśmy odczyścili nalot kredy z toneru, to po wyschnięciu i tak pozostaną białe ślady. Wojciech Sławski Strona 9

10 Można się wspomóc kwaskiem cytrynowym który reaguje z kredą, i w jego roztworze czyścić opis. Jeśli nie przygrzaliśmy zbytnio płytki przy przenoszeniu, uda się osiągnąć zadowalający rezultat inaczej kreda dostanie się głębiej w toner i ślady pozostaną. Dodatkową czynnością jest polakierowanie strony z opisem oczywiście jeśli jest to płytka jednostronna. Wystarczy najtańszy przeźroczysty lakier w spray u (emulsja uniwersalna). Lakier nie dość że zabezpieczy opis przed zdrapaniem się, nie dość że dzięki niemu toner nasiąknie i nie będzie widać ani śladu kredy, to nasza płytka będzie piękna i błyszcząca. Lakier nanosimy jedną grubą warstwą tak aby jednolicie wypełnił całą powierzchnię płytki co z resztą widać na zdjęciu. Lakier, pomimo że już po 10 minutach wygląda na wyschnięty, to jednak jest to gruba warstwa i potrzebuje około godziny na porządne wyschnięcie inaczej z łatwością pozostawimy odciski palców. Montaż elementów na płytce gorące powietrze: Lutowanie przy pomocy stacji hot-air jest szybkie i wygodne, jednak odpowiednio droższe. Przede wszystkim potrzebna będzie nam sama stacja, najtańsza chińska Aoyue to wydatek ok 250zł. Na wstępie jeszcze dodam, że płytka do lutowania gorącym powietrzem powinna być dobrze pocynowana. Wojciech Sławski Strona 10

11 Do tego potrzebna nam pasta do lutowania zawierająca sproszkowane lutowie i topnik, najmniejsza porcja z jaką się spotkałem to 8g cena 8zł. Oczywiście czym większe opakowanie kupimy, tym bardziej zakup będzie opłacalny. Taka pasta niestety ma datę ważności i szkoda jeśli się zmarnuje. Przechowywać ją należy w lodówce, a jak pisze producent przed użyciem wyjąć zawczasu aby osiągnęła temperaturę pokojową. Jedna ważna uwaga przy wyborze pasty pastę kupujemy tylko i wyłącznie OŁOWIOWĄ. Cyna z zawartością ołowiu topnieje w niższej temperaturze i powoduje że elementy się ładnie układają na swoich miejscach za sprawą napięcia powierzchniowego. Do tego szereg innych zalet takich jak mniejsze ryzyko powstania zimnych lutów, mniejsze ryzyko przegrzania układów i laminatu, oraz kilkukrotnie krótszy proces lutowania. Strzykawkę należy zaopatrzyć w cieniutką igłę spiłowaną na płasko, przy czym igła cieńsza tym precyzyjniej można nakładać pastę i tym ciężej ją wyciskać. Może się zdarzyć że zamiast pasty wychodził będzie tylko topnik, tania pasta + cienka igła da taki efekt. Należy sprawdzić czy igła nie jest zapchana, oraz wyjąć tłoczek i zwyczajnie pastę w strzykawce przemieszać jakimś drucikiem. Wyciskać topnik dopóki nie zacznie lecieć wraz z pastą. Najwięcej problemów sprawi nam nakładanie pasty na pola lutownicze. Pasta jest gęsta, więc ciężko się ją wyciska. Gęsta pasta często jest sucha i po wyciśnięciu zamiast fajnie przyklejać się do padów rozpada i rozwarstwia się. Dla ułatwienia pastę można lekko podgrzać, np przy żarówce lub delikatnie smyrnąć gorącym powietrzem. Gęstość pasty należy dobrać doświadczalnie, tak aby wygodnie było nam ją nakładać, przy czym przy podgrzewaniu nie można przesadzić aby nie rozpuścić topnika. Na pojedyncze punkty lutownicze (rezystory, kondensatory) pastę nakładamy punktowo. Przy elementach takich jak układy scalone z wąskim rozstawem nóg, pastę można po prostu nałożyć wzdłuż padów. Nie jest to proste, kreska musi być ciągła i cieniutka na całej długości. Każda przerwa, poprawka, pogrubienie, poskutkuje tym że cyna na pinach się zleje i trzeba będzie je rozdzielać grotem choć zawsze znajdzie się coś do poprawki :) Wojciech Sławski Strona 11

12 Podzespoły takie jak kondensatory elektrolityczne czy podzespoły z elementami plastykowymi lepiej lutować ręcznie aby uniknąć ich przegrzania i/lub stopienia. Teraz, zwyczajnie układamy podzespoły na płytce na swoich miejscach. Najlepiej będzie ułożyć wszystkie i wszystkie za jednym zamachem zlutować, aby nie grzać kilkukrotnie płytki narażając podzespoły na uszkodzenie. Nic nie szkodzi jeśli element się przesunie i rozmaże pastę, przy grzaniu i tak uformują się ładne kulki. Na kolbę nakładamy średnią dyszę. Nadmuch ustawiamy na około 1/4, tak aby lutownica nie zdmuchnęła podzespołów z płytki pasta pod wpływem temperatury się rozrzedza i podzespoły mogą odfrunąć w siną dal. Temperaturę ustawiamy na *C (temperatura dla pasty z zawartością ołowiu, jeśli mamy Pb free to ustawiamy *C). Jeśli nie mamy pomiaru temperatury tak jak w tym przypadku, dobrze będzie ją sprawdzić przy pomocy termometru lub metodą prób i błędów. Wykonując powolne okrężne ruchy, równomiernie nagrzewamy całą płytkę aż do momentu kiedy pasta zacznie topnieć. Teraz podzespoły odmuchujemy najlepiej grupami, dmuchając w poszczególne pady tak aby pasta całkowicie stopniała i stworzyła ładne trwałe połączenie. Układy scalone odmuchujemy również okrężnymi ruchami, dmuchając na nogi nie na środek układu. Nie można oczywiście doprowadzić do przegrzania płytki czy elementów, a o to nie trudno. Gdy tylko pasta stworzy ładne połączenia, przechodzimy w następne miejsce. Jest to metoda bez użycia podgrzewacza, i na początku należy podgrzać całą płytkę. Jeśli tego nie zrobimy i będziemy grzać tylko jeden punkt, laminat w tym miejscu się rozszerzy i powstanie wybrzuszenie a to będzie prowadziło do pękania laminatu lub ścieżek. W tym przypadku lutuję pastą bezołowiową, temperatura jest wyższa. Po ostygnięciu wszystko wraca do normy, jednak jest to już temperatura graniczna dla takiego laminatu. Lutowanie gorącym powietrzem trwa szybko i można polutować wiele płytek w krótkim czasie. Można również łączyć dwie techniki, drobne układy scalone lutować gorącym powietrzem a podzespoły pasywne takie jak rezystory, lutować grotem pasta wystarczy na długo. Szczerze polecam potrenować na jakichś starych płytkach. Można użyć płytek ze starych dysków twardych, płyt głównych, ale takich mających już swoje lata kiedy nie było jeszcze tak dużej minaturyzacji znajdziemy tam sporo podzespołów na których można poćwiczyć. Przy okazji nauczymy się wylutowywania, bo wpierw elementy te musimy z płytek usunąć. Elementy takie jak układy scalone ogrzewamy dookólnie, lekko podważając jeden z rogów. Inne podzespoły nagrzewamy normalnie i zdejmujemy pęsetą. Pady na płytce oczyszczamy przy pomocy topnika i plecionki rozlutowniczej. Można zacząć zabawę. Gdy na płytce jest soldermaska a pady są dobrze pocynowane, lutowanie nie sprawia żadnych problemów. Ciężej jest przy płytkach domowej roboty. Wojciech Sławski Strona 12