Autorius: Šarūnas („circuit“)
Aut. teisės: Šarūnas
Įdėta: 2007-08-17
View automatic English translation

Sudėtingų PCB gamyba namų sąlygomis

Įvadas

Aprašytas spausdintinio montažo plokščių (PCB — Printed Circuit Board) gamybos metodas labiausiai tinka sudėtingoms viensluoksnėms ir dvisluoksnėms plokštėms gaminti. Sudėtinga plokštė yra tokia, kurios takeliai yra nuo 0.1mm storio, jų yra daug bei skiria labai ploni tarpai. Šiuo metodu galima pagaminti labai kokybiškas plokštes. Dešinėje matote plokštelę, kurios takelių storis 0.4mm, o apvadas — 0.1mm.

Prieš gaminant plokštę reiktų turėti:

• Kompiuterį :-)
• Nubraižytą plokštę;
• Rašalinį arba lazerinį spausdintuvą;
• Įrankį plokštei pjaustyti;
• Spausdintuvui tinkančios plėvelės arba pusiau skaidraus „sviestinio“ popieriaus;
• Plono, ~3mm storio, stiklo, plėvelei prispausti;
• Fotorezistu dengtą stiklo tekstolito plokštelę;
• UV lempučių;
• Vonelę chemikalams;
• Apsauginius akinius ir gumines pirštines — saugumas pirmoje eilėje!
• Ryškalo (2% NaOH tirpalo);
• Vandens :-)
• Ėsdinimo tirpalo;
• Įrangos ėsdinimo tirpalui šildyti;
• Grąžtą;
• Smulkaus švitrinio popieriaus;
• Lituoklį;
• Kanifolijos-spirito tirpalo (fliuso);
• Išlitavimo juostelę arba šarvą nuo ekranuoto kabelio;
• Lydmetalio;
• Acetono;
• Vatos;
• Detalių į plokštę.

Kur įsigyti medžiagų?

Plokštėms pjaustyti ir gręžti naudoju tiesinį šlifuoklį „DREMEL 395“, stovą „DREMEL 220-01“ ir lanksčią žarną „DREMEL 225“. Žinoma, plokštes galima karpyti skardos žirklėmis, bet taip karpant pažeidžiamas aplinkinis fotorezistas, plokštė susilanksto ir nepavyksta kokybiškai prispausti stiklo. Taip pat galima pjaustyti siaurapjūkliu ar metalo pjūkliuku, bet tai užima gana daug laiko ir nėra labai patogu. Geriems įrankiams pinigų negailėkite, nes darbo vietos patogumas labai atsiliepia kūrinių kokybei :). Nesiūlau lėkt pirkt, bet jei kas sugalvotų, įsigyti galima užsakius per atstovus Lietuvoje (dauguma įrankių parduotuvių) arba Senukuose, bet pigiausia eBay.

Fotorezistu dengtų plokščių galima įsigyti bet kurioje elektronikos komponentų parduotuvėje. Belieka tik išsirinkti tinkamą storį (standartas 1.5mm), dydį ir sluoksnių kiekį (vienpusė arba dvipusė). Plokštės būna iš stiklo tekstolito arba iš „laminato“. Laminatas, tai tokia labai šlykšti ir trapi medžiaga, todėl naudoju tik stiklo tekstolito plokštes. Plokštės būna apklijuotos apsaugine plėvele (kad fotorezistas negautų UV spindulių esančių šviesoje), kurios spalva nurodo fotorezisto tipą. Aš naudoju su mėlyna plėvėle.

Plėvelių spausdinimui būna įvairių: lazeriniams ir rašaliniams spausdintuvams. Pirkdami būkite atidūs, nes rašaliniui spausdintuvui skirta plėvelė lazeriniame spausdintuve išsilydys ir galėsite jį išmesti. Plėvelių kainos svyruoja ~1Lt/vnt. Šios plėvelės gana brangios, taigi aš naudoju pusiau permatomą „sviestinį“ popierių, kuris šiam reikalui puikiai tinka. Kaina ~10..20ct/vnt. Jo, kaip ir plėvelių, galima įsygyti rimtesnėse kanceliarijos parduotuvėse.

UV lempučių (6W) galima įsigyti Senukuose, bet pigiausia Milgretoje. Šios lemputės yra vamzdelio formos (kaip standartinės liuminescencinės „dienos šviesos“) ir paprastai naudojamos pinigų tikrinimo aparatuose. Prie lempučių dar reiks lizdų lemputėms ir starteriams, starterių (po starterį lemputei), droselio (vienas droselis vienai arba dviems lemputėms), trupučio laidų bei dar ko nors pagal skonį. Tik nepirkit pigių „universalių“ starterių, nes su jais nuosekliai sujungtos lemputės neveiks, reikia pirkti brangesnius, tai galiai skirtus, starterius.

NaOH maišiuką galima nusipirkti elektronikos komponentų parduotuvėse, kaina apie 5Lt. Ant maišiuko paprastai būna naudojimo instrukcija. Lygiai taip pat ir su ėsdinimo tirpalu. Miltelius reikia suberti į ant pakuotės nurodytą vandens kiekį. Žmonės kalba, kad vietoje NaOH miltelių tinka chemikalas „Kurmis“, skirtas kanalizacijai valyti, tik reikia labai gerai atitaikyti koncentraciją (2%).

Lituoklį reiktų rinktis tokį, kad būtų patogu juo dirbti. Taip pat čia svarbų vaidmenį vaidina jo temperatūra — su per šaltu lituokliu sunku lituoti, na o su perkaitusiu lituojant gali atšokti takeliai bei perkaisti elektronikos komponentai. Optimali temperatūra 270..300°C. Kiniški lituokliai dažnai būna stipriai perkaitę, todėl šiam darbui netinka. Žinoma, galima pasidaryti galios ribotuvą nuosekliai lituokliui įjungiant diodą.

Kanifolijos-spirito tirpalo galima nesunkiai pasigaminti. Evitoje nusipirkti maišą kanifolijos (kainuoja porą litų). Kanifoliją suberti į stiklainį ir užpilti spiritu. Kaitinti ant vyryklės, kol ištirps. Gautas tirpalas puikiai tinka litavimui.

Lydmetaliai yra dviejų tipų: su švinu ir bešvinis (RoHS, PbFree). Bešvinis lydmetalis geras tuo, kad nesioksiduoja, dėl ko puikiai tinka takeliams aplituoti, kurie ilgą laiką išlaiko sidabrinį blizgesį ir nesioksiduoja. Deja bešvinis lydmetalis yra gerokai aktyvesnis ir labai greitai suėda net labai brangius lituoklių galiukus. Maža to, jis lituojant dar ir išskiria daug toksinų, taigi reikalinga gera ventiliacija. Bešvinio lydmetalio lydymosi temperatūra kiek aukštesnė, taigi lituoklio temperatūra turėtų būti 290..330°C. Aš siūlyčiau naudoti abu tipus: bešvinį takeliams dengti, o su švinu — detalėms lituoti.

Gamybos procesas

Žinoma, norint pagaminti plokštę, ją iš pradžių reikia nubraižyti kompiuteriu. Nubraižius prieš spausdinant reikia išjungti visus sluoksnius ir palikti tik tuos, kurių reikia. Jei reikia kelių vienetų galite vienu metu atspausdinti kelias plokšteles — sutaupysite daug laiko švitinant ir ėsdinant. Spausdinti veidrodine sistema (mirror). Jei namie neturite spausdintuvo, įdiekite virtualų spausdintuvą „PDFcreator“, per kurį spausdinant bus sukurtas PDF dokumentas, kurį galėsite atsispausdinti kitur. Tiesa, spausdinant reikia išjungti talpinimą į lapą, nes gausis nenatūralus dydis.

Kai plokštė atspausdinta, imame fotorezistu dengtą stiklo tekstolito plokštę, išpjauname truputį didesnį nei reikia gabaliuką (po porą mm nuo kraštų), išgręžiame kampe skylutę (kad galėtume pakabinti, jei chemikalai stiklainyje) ir nulupame apsauginę plėvelę. Plokštę dedame ant lygaus ir stabilaus paviršiaus, ant jos atspausdintą takelių vaizdą (rašalu/toneriu žemyn į plokštę) ir prispaudžiame stiklu. Svarbu, kad piešinys būtų kuo arčiau fotorezisto, nes, dėl difrakcijos reiškinio takelių kraštai gausis nelygūs. Virš šio sumuštinio pastatyti UV lempą. Naudojant 3mm stiklą, šviečiant dviem lempom ~3cm atstumu man prireikia švitint apie 12 minučių. Šis laikas labai priklauso nuo fotorezisto, plėvelės ir stiklo, taigi, prieš darant plokštę, patarčiau prisipjaustyti plokštės atraižėlių ir paeksperimentuoti.

Po švitinimo plokštelė merkiama į 2% NaOH tirpalą. Atsargiai, ryškalas labai aktyvus! Naudokite gumines pirštines ir akinius. Tirpalui patekus ant odos nelaukite kol ims kristi mėsos ir bėkite gausiai praplauti vandeniu. Ryškinimo procesas labai jautrus temperatūrai ir koncentracijai, taigi laikas vėl parenkamas individualiai. Man kambario temperatūroje ryškinimas užtruko apie dvi minutes. Proceso pabaigą nustatyti nesunku — apšviestos vietos reaguoja su ryškalu ir tirpsta, matosi violetinės spalvos priemaišos. Ryškinimo pabaigoje fotorezistas pilnai pasišalina nuo apšviestų vietų ir lieka neryškūs takeliai. Šioje stadijoje paaiškėja švitinimo kokybė bei NaOH tirpalo koncentracijos tinkamumas. Jei švitinta nepakankamai ilgai arba ryškalo koncentracija per maža, fotorezistas netirpsta. Jei švitinta per ilgai, ištirpsta ir takeliai. Nuotraukoje galima įžiūrėti didesniuose takelių plotuose atsiradusias violetines dėmes — tai reiškia, kad švitinta buvo truputį per ilgai (persišvietė per trafareto dažus/tonerį). Dėl to plokštės ilgai ryškinti nereikia, nes tokios vietos gali ištirpti kiaurai. Mano atveju patirpęs tik paviršius, taigi plokštės kokybei įtakos neturi. Po ryškinimo plokštę reikia gerai nuplauti pratekančiu vandeniu bei švelniu teptuku nuvalyti fotorezisto likučius tarp takelių, kad šie netrukdytų ėsdinti.

Nuplauta plokštė merkiama į ėsdinantį tirpalą. Su nauju tirpalu kambario temperatūroje ėsdinimas vyksta apie pusvalandį, tačiau, geresniems rezultatams gauti, stipriai rekomenduočiau tirpalą pakaitinti iki 60..70°C. Tokioje temperatūroje ėsdinimo procesas vyksta labai greitai, o svarbiausia, takeliai gaunasi labai kokybiški ir galima pasiekti netgi 0.1mm storį. Ėsdinant patarčiau plokštelę teliūskuoti, nes ėsdinamo vario nuosėdos stipriai lėtina procesą. Beėsdinant matosi kaip nuogas varis pakeičia spalvą ir išryškėja būsimi takeliai. Kai plokštė išsiėsdina, patarčiau pateliūskuoti dar porą minučių (aukštoje temperatūroje pakaks minutės), nes kartais užsilieka labai plonas, akimi nematomas vario sluoksnis, kuris užtrumpina takelius. Po ėsdinimo plokštę gerai nuplauti pratekančiu vandeniu ir acetonu nuvalyti tekelius dengiantį fotorezistą. Takeliai turėtų būti blizgantys ir nekorėti. Jeigu takeliai gavosi korėti, reiškia, kad ėsdinama buvo gerokai per ilgai, buvo naudojamas per stiprus ryškalas arba peršviestas trafaretas. Korėti takeliai nesilituoja ir didelė jų varža.

Po sėkmingo takelių formavimo plokštė apdorojama mechaniškai — gręžiamos skylutės, pjaustoma. Po viso šito smulkiu švitriniu popieriumi užapvalinamos briaunos ir pašveičiami takeliai, kad susilygintų gręžtos lydvietės. Po šio apdirbimo plokštė ištepama kanifolijos tirpalu ir aplituojama, kad nesioksiduotų. Lituojama paprastu lituokliu ir lydmetaliu su kanifolija viduje. Verta paminėti, kad lituoklis neturėtų būti perkaitintas — optimaliausia temperatūra apie 300..350°C. Dirbant perkaitusiu lituokliu gali atšokti takeliai, todėl dauguma kiniškų lituoklių netinka, nebent naudojate galios ribotuvą. Aplituoti takeliai būna padengti gan storu lydmetalio sluoksniu, todėl imama išlitavimo juostelė, ištepama skysta kanifolija ir ją prispaudus lituokliu vedžiojama per takelius. Ši juostelė veikia kaip sugertukas ir surenka lydmetalio perteklių. Aplitavus plokštę, nuo jos acetonu nuvaloma susirinkusi kanifolija.

Ir, pagaliau, paruošus plokštę, ant jos sulituojami elektronikos komponentai. Geresnei prekinei išvaizdai gauti, nuo plokštės acetonu nuvalau kanifolijos likučius. Vėliau visa tai įmontuojama į korpusą arba, šiuo atveju, komponentai buvo užlieti skaidriais termoklijais. Pagaliau plokštė baigta ir galime džiaugtis savo kūriniu :-) Nuotraukoje matosi mano rankose gimęs USB AVR mikrovaldiklių programatorius.