Ιδιοκατασκευές ηλεκτρονικού περιεχομένου: Από το Breadboard στο PCB (Μέρος 2

Sunday, October 16, 2011

Από το Breadboard στο PCB (Μέρος 2 - εκτύπωση πλακέτας)

-->

PCB και η μάσκα του (1)

Στο πρώτο μέρος είδαμε πως, από τη σχεδίαση στο breadboard γρήγορα και εύκολα μπορούμε να πάρουμε τη μάσκα για να συνεχίσουμε με την δημιουργία της πλακέτας.
Τώρα θα φτιάξουμε την πλακέτα με τη μέθοδο που βασίζεται στις φωτοευαίσθητες πλακέτες χαλκού.

Η πλακέτες αυτές: αποτελούνται από 3 επίπεδα ή "στρώσεις". Το πρώτο, είναι το πλαστικό αυτό το κιτρινοπράσινο που φαίνεται στην δίπλα φωτογραφία. Μετά έχουμε τη στρώση του χαλκού όπως και οι κοινές πλακέτες και τέλος είναι το φωτοευαίσθητο στρώμα το οποίο κάνει τη ζωή μας ευκολότερη.
Πώς λειτουργεί: Το φωτοευαίσθητο στρώμα είναι ανθεκτικό στο μείγμα που θα χρησιμοποιήσουμε για να αφαιρέσουμε το χαλκό. Άρα αυτό που πρέπει να κάνουμε είναι να αφαιρέσουμε όλο το υπόλοιπο στρώμα ώστε να φύγει ο χαλκός εκτός από τις διαδρομές και τα σημεία που θέλουμε. Επομένως, καίμε το φωτοευαίσθητο στρώμα που δεν θέλουμε χρησιμοποιώντας τη μάσκα που βγάλαμε από το fritzing και εκθέτοντας την πλακέτα σε υπεριώδη ακτινοβολία. Έτσι κατά την αποχάλκωση μένει αυτό που θέλουμε :)

Διαδικασία:

Βήμα 1: Ετοιμασία μάσκας

Αρχικά εκτυπώνουμε τη μάσκα σε 2 ή 3 διαφάνειες και τις τοποθετούμε τη μία πάνω στην άλλη έτσι ώστε να καλύψουμε τυχόν κενά εξαιτίας της εκτύπωσης (φωτ. 1)

Παρατήρηση: Μην τσιγκουνευτείτε τις παραπάνω κόπιες γιατί εάν υπάρχουν κενά στη μάσκα τότε οι διαδρομές στην πλακέτα θα είναι φαγωμένες ή εάν προσπαθήσετε να επιταχύνεται τη διαδικασία της αποχάλκωσης τότε τα σημάδια θα είναι καταστρεπτικά.

Βήμα 2: Ετοιμασία πλακέτας

Κόβουμε την πλακέτα εύκολα μια λάμα προσεκτικά χωρίς να αφαιρέσουμε το αυτοκόλλητο κάλυμμα και μετά καλό είναι να λιμάρουμε λίγο τις άκρες της, αν και μπορεί να γίνει και μετά την εκτύπωση.

Βήμα 3: Έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία

Για να αφαιρέσουμε την φωτοευαίσθητη στρώση θα χρειαστούμε ιδανικά ένα κουτί για να γίνει η έκθεση, μία λάμπα υπεριώδους ή αλλιώς blacklight και ένα κομμάτι τζάμι το οποίο να υπερκαλύπτει την πλακέτα.
Βγάζουμε το αυτοκόλλητο από την πλακέτα, τοποθετούμε τη μάσκα, από πάνω το τζάμι και όλα αυτά βρίσκονται σε ένα κουτί με την λάμπα, όπου το κουτί βρίσκεται σε σκοτεινό δωμάτιο.
Το τζάμι (λεπτό) θα το χρειαστούμε για να συγκρατεί τη μάσκα εφαρμοστά πάνω στην πλακέτα και να μην δημιουργούνται σκιές εξαιτίας του κενού που ίσως δημιουργηθεί.
Η λάμπα υπεριώδους (UV) είναι ιδανική λύση και μπορείτε να βρείτε σε κατάστημα υπολογιστών αφού χρησιμοποιούνται για case modding. Βέβαια είναι ακριβές και θα πρότεινα να πάρετε μια απλή λάμπα φθορισμού αρκετά watt και να κάνετε υπομονή μιας και θα χρειαστείτε περισσότερο χρόνο για σίγουρο αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, σε 10' έχουμε σίγουρο αποτέλεσμα με blacklight, ενώ με απλή θα χρειαστούμε 20' για σίγουρο αποτέλεσμα. Επίσης παίζει ρόλο και η απόσταση της λάμπας από την πλακέτα.

κουτί με τα όλα του (2)

(3)

Το κουτί από την άλλη δεν είναι τίποτα φοβερό. Ένα απλό ξύλινο κουτί θα κάνει τη δουλειά μας, μακρόστενο κατά βάση (φωτ. 2). Αλλά αν δεν βρούμε, ακόμη και ένα ράφι όπου έχουμε προσαρμόσει κατάλληλα τη λάμπα θα κάνει δουλειά (φωτ. 3,4) προτείνεται βέβαια το κουτί για λόγους αξιοπιστίας.

πολύ πρόχειρα..(4)

Περιμένουμε λοιπόν, όσο χρειαστεί και μετά όσο βρισκόμαστε στο δωμάτιο με χαμηλό φωτισμό τοποθετούμε πάλι το αυτοκόλλητο στην πλακέτα για να την προστατεύσουμε από την έκθεση στο φως μέχρι να την εμφανίσουμε.

Βήμα 4: Εμφάνιση της πλακέτας - developing

Το στάδιο κατά το οποίο αφαιρούμε το καμένο στρώμα από την πλακέτα λέγεται εμφάνιση επειδή παρουσιάζει ομοιότητες με αυτό της εμφάνισης φωτογραφιών.
Θα χρειαστούμε μια λεκάνη ή μπολ, καυστική σόδα (αλλιώς ποτάσα ή NaOH) ή τουμποφλό και γάντια μιας χρήσης. Εάν δεν βρείτε σκέτη ποτάσα τότε αγοράστε ένα τουμποφλό από το σούπερ μάρκετ.
Βάζουμε λοιπόν τα γάντια μας, βάζουμε ποτάσα ή τουμποφλό στη λεκάνη και νερό κρύο ή ζεστό για γρηγορότερα αποτελέσματα. Ανάλογα το σκεύος που χρησιμοποιούμε προσθέτουμε και την ανάλογη ποσότητα ποτάσας. Εμπειρικά θα πρότεινα να καλύψετα τον μισό και παραπάνω πάτο του σκεύους με ποτάσα. Νερό βάζουμε παραπάνω από το απλά να καλύπτει την πλακέτα, αρκετό θα έλεγα. Ανακατεύουμε ώστε να μην υπάρχουν κόκκοι ποτάσας στο μείγμα γιατί θα το "κάψουν", δηλαδή θα αφαιρέσουν και περιοχές που δεν εκτέθηκαν στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Μισή κουταλιά της σούμας ή και γεμάτη συνήθως βάζω και η πλακέτα εμφανίζεται με την μία.

Στη συνέχεια βγάζουμε το αυτοκόλλητο από την πλακέτα και την τοποθετούμε στο μείγμα. Η διαδικασία δεν θα πάρει αρκετή ώρα, γι 'αυτό πρέπει να είστε εκεί όλη την ώρα. Καθώς αρχίζει η χημική αντίδραση θα παρατηρήσετε σιγά σιγά να εμφανίζετε το κύκλωμα και ένα στρώμα με αποχρώσεις ροζ-κοκκινωπό-μαύρο να σηκώνεται από την πλακέτα (φωτ. 5).
Όταν εμφανιστεί όλο το κύκλωμα, ακόμη κι αν το στρώμα δεν έχει φύγει μόνο του (αλλά είναι ορατό) βγάλτε την πλακέτα, είναι σχεδόν έτοιμη. Ξεπλύνετε με κρύο νερό και τρίψτε την απαλά ώστε να αφαιρεθούν τα υπολείμματα της καμένης φωτοευαίσθητης στρώσης. Εάν επιμείνουν τότε τοποθετήστε την ξανά για λίγο στο μείγμα.

κατά την εμφάνιση, σχεδόν έτοιμη(5)

Προσοχή: Την ποτάσα ή τουμποφλό το βάζουμε σιγά σιγά γιατί η αντίδραση με το νερό είναι εξώθερμη.

σφινάκι εμφάνισης (6)

ποτάσα αδιάλυτη (7)

Ανάλογα το μέγεθος της πλακέτας μπορείτε να χρησιμοποιήσετε και αντίστοιχα σκεύη. Αν και προτείνω να έχετε σταθερά κάποια τα οποία δεν θα τα χρησιμοποιήσετε για άλλη δουλειά και γιατί θα μάθετε τις αναλογίες.

Στη φωτογραφία (7) φαίνεται η ποσότητα ποτάσας (άσπροι κόκκοι στον πάτο). Είναι πιο λίγη από αυτή που περιγράφω, αλλά η διαδικασία πήρε παραπάνω χρόνο και χρειαζόταν ανακίνηση.

μετά την εμφάνιση (8)

Στη φωτογραφία (8) φαίνεται μια πλακέτα μόλις έχει εμφανιστεί πλήρως. Παρατηρήστε τις αποχρώσεις όπου υπάρχει η φωτοευαίσθητη στρώση και που όχι.

Βήμα 5: Αποχάλκωση - etching

Κατά την αποχάλκωση τοποθετούμε την πλακέτα σε διάλυμα για άλλη μία φορά. Το διάλυμα μπορεί να είναι είτε τριχλωριούχου σιδήρου, που είναι το κλασσικό διάλυμα για αποχάλκωση είτε σε διάλυμα υπεροξειδίου του υδρογόνου και υδροχλωρίου. Τριχλωριούχο σίδηρο μπορείται να βρείτε στα καταστήματα ηλεκτρονικών.

αποχάλκωση (9)

Εδώ θα χρησιμοποιήσουμε την άλλη μέθοδο, αυτή του περιντρόλ (υπεροξειδίου του υδρογόνου)-υδροχλωρίου. Το υδροχλώριο υπάρχει στα ράφια των σούπερ μάρκετ, ενώ το περιντρόλ χρησιμοποιείται από τα φαρμακεία, μην ντραπείτε :)
Λοιπόν, σε μια λεκάνη βάζουμε ένα μέρος περιντρόλ τόσο ώστε να καλύπτει την πλακέτα και 3 μέρη υδροχλωρικού οξέος μαζί με άλλα 3 μέρη νερό. Επίσης η αργή ροή του διαλύματος επιταχύνει την διαδικασία, αλλά όχι η "βίαιη". Δηλαδή μπορείτε να κουνάτε τη λεκάνη αλλά να μην την κάνετε shaker.
Ανάλογα την ποσότητα του υδροχλωρικού και την κίνηση ο χρόνος αλλάζει δραματικά. Μπορεί να τελειώσει και σε 2-3 λεπτά αλλά δεν το συνιστώ γιατί μικρός χρόνος σημαίνει μεγάλη ταχύτητα που συνεπάγεται ότι ίσως να μην έχουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Τυπικά θα έλεγα ας πούμε 33ml περιντρόλ, 100ml HCl και 100ml νερό.

στιγμιότυπο αποχάλκωσης (10)

Η φωτογραφία (10) δείχνει την πλακέτα στη μέση της αποχάλκωσης. Εάν παρατηρήσετε ο χαλκός αφαιρείται σύμφωνα με τη μάσκα. Αλλά επειδή δημιούργησα μεγάλη ροή στο διάλυμα άρχισε να αφαιρείται και χαλκός που δεν έπρεπε.

Τέλος ξεπλένουμε την πλακέτα όταν αφαιρεθεί τελείως ο χαλκός. Κάνουμε τις λεπτομέρειες με ένα ξυράφι ή άλλο αιχμηρό αντικείμενο και είναι έτοιμη για τρύπημα.

Βήμα 6: Τρύπημα - milling

Για τις τρύπες της πλακέτας θα χρειαστούμε τρυπάνια από 0.5mm - 3mm. Πράγμα που σημαίνει ότι οι κοινές συσκευές δεν μπορούν να τα κρατήσουν. Μία λύση είναι να βρούμε αντάπτορα που προσαρμόζεται σε ένα κοινό τρυπάνι. Ενώ η άλλη ακούει στο όνομα rotary tool ή πολυεργαλείο όπου ο άξονας περιστρέφεται με ταχύτητες έως 35.000 rpm και είναι σχεδιασμένα για δουλειές με μεγάλη λεπτομέρεια. Επίσης μια βάση όπου θα βρίσκεται το τρυπάνι είναι απαραίτητη, ειδικά εάν έχει ολοκληρωμένα κυκλώματα και γενικά αρκετές τρύπες.

Βήμα 7: 'Ελεγχος βραχυκυκλωμάτων

Πάντα πρέπει να κάνετε έλεγχο για βραχυκυκλώματα στις πλακέτες που φτιάχνετε μόνοι σας. Είτε αφού τελειώσετε με την αποχάλκωση ή και το τρύπημα είτε καθώς κολλάτε τα εξαρτήματα. Εάν επιλέξετε να κάνετε έλεγχο πριν τις κολλήσεις πρέπει να επανεμφανίσετε (βήμα 4) την πλακέτα γιατί το στρώμα που έχει μείνει στις διαδρομές και επαφές του φωτοευαίσθητου υλικού δεν είναι αγώγιμο και δεν φεύγει τόσο εύκολα.
Προτείνω σε σύνθετες πλακέτες να κάνετε έλεγχο αμέσως μετά την αποχάλκωση γιατί οι διαδρομές μπορεί να είναι πολύ κολλητά. Είναι αυτονόητο ότι μόλις τελειώσετε τουλάχιστον με τις κολλήσεις ξανακάνετε έλεγχο.

Τέλος μετά και τον τελευταίο έλεγχο για βραχυκύκλωμα ύστερα από τις κολλήσεις μπορείτε να περάσετε την πλακέτα με ειδικά βερνίκια για να την προστατέψετε από την διάβρωση.

Να υπενθυμίσω ότι καλό είναι να κάνετε πρώτα τα πειράματά σας για τις αναλογίες των διαλυμάτων με μικρά κομμάτια πλακέτας, ή αλλιώς trial and error.

Υλικά (βασικά):