PCB: Metoda fotochemiczna oraz cynowanie bezprądowe

Autor: Dondu

Co jakiś czas zadajecie mi indywidualnie pytania jaką metodą wykonuję swoje niekomercyjne płytki PCB. Odpowiadam więc:

Dondu
Płytki PCB wykonuję tylko i wyłącznie metodą fotochemiczną na fabrycznie lakierowanych laminatach.

Dlaczego? Z wielu powodów, ale przede wszystkim:

• bezproblemowe wykonywanie ścieżek o szerokości i odstępach 9mil (a nawet węższych),
• możliwość spokojnego używania układów z wyprowadzeniami o rastrze 0,5mm,
• mała ilość uszkodzeń ścieżek,
• szybkość wykonania,
• powtarzalność procesu.

9mil? Co to znaczy? To jednostka miary wynosząca 1/1000 cala. Jest ona używana do pomiarów w programach do projektowania płytek PCB, a czasami także przez producentów elementów elektronicznych w ich dokumentacji. Czasami możesz także spotkać oznaczenie mils.

Przy okazji polecam do wykorzystania program do konwersji mil na mm i odwrotnie. To malutka aplikacja "always on top" znaleziona na forum w temacie: Konwerter jednostek mils<->mm + źródło

Czasami jest bardzo pomocna:

Możesz ją pobrać w wersji skompilowanej także tutaj: Mils <-> mm konwerter (kopia)

Prawie wszystkie zdjęcia w niniejszym artykule można znacząco powiększyć wybierając "Otwórz grafikę w nowej karcie".

Case study

W niniejszym artykule nie opisuję procesu wykonywania płytek PCB tytułowymi metodami, ponieważ na ten temat jest wiele poradników w języku polskim jak i angielskim. Pokazuję natomiast efekt w postaci konkretnego przypadku, który miałem już dla Was opisać dokładnie rok temu :-)

Poniżej jedna ze stron dwustronnej płytki PCB pewnego "tajemniczego projektu kuchennego" zaprojektowana do wykonania metodą fotochemiczną w warunkach domowych, bez ponoszenia zbędnego ryzyka w zakresie ścieżek jeszcze węższych niż użyte w projekcie 11mil i odstępach między nimi (np. nóżki mikrokontrolera) około 8mil.

Polygon (rozlana masa) wykonałem w wersji hatch (siatka), a nie solid (jednolita powierzchnia) w celu umożliwienia zrobienia zdjęć podświetlonych od drugiej strony.

Projekt zawiera rozdzielne masy analogową i cyfrową:

co jest oczywiście zgodne z zasadami dot. pomiarów ADC.

Do wykonania projektu użyłem mikrokontroler PIC18F67K90 w obudowie TQFP 64 piny o rastrze 0,5mm. Ze wszystkich 64 pinów mikrokontrolera w projekcie wykorzystałem 62 piny.

W dokumentacji możemy znaleźć informacje dot. wymiarów:

Na powyższym fragmencie dokumentacji (dataheet) zaznaczyłem informację dot. rastra:

Raster jest to odległość pomiędzy środkami pinów.

Raster widać na wymiarze oznaczonym małą literką e, a w tabelce gdzie wymiary podane są w milimetrach, wymiar e ma dodatkowo informację o skrócie BSC:

BSC - Basic Spacing between Centers (rozmiar pomiędzy środkami)

którą możesz często spotkać w dokumentacji różnych elementów elektronicznych.

Czyli dla naszego e=0,50 BSC [mm] oznacza raster 0,5mm, czyli 19,685mil.

W ramach ćwiczeń rozumienia rysunku i tabelek odczytaj maksymalne wymiary całego układu licząc do końców nóżek ... tak, spory to on nie jest i ma 64 piny :-)

Na podstawie rysunku i tabelki można dokładnie zaprojektować footprint (pady do przylutowania) w programie do rysowanie PCB np. Eagle. Jeżeli brakuje jakiegoś wymiaru to na pewno można go policzyć bazując na innych, zgodnie z Ogólnymi zasadami wymiarowania (kopia1, kopia2).

Metoda fotochemiczna

Jak już pisałem powyżej nie omawiam metody jako takiej.

Klisze wykonałem za pomocą drukarki laserowej o rodzielczości 1200dpi, na specjalnej folii do drukarek laserowych. Nie stosuj czasem zwykłej folii, bo uszkodzisz wałek drukarki!

Nie zrobiłem zdjęć płytki w trakcie jej wykonywania metodą fotochemiczną, więc załączam zdjęcie płytki wybrakowanej, której z powodu własnego błędu nie mogłem już użyć do dalszej obróbki. Tak mniej więcej wygląda płytka po naświetleniu i zastosowaniu wywoływacza:

Wybrakowana płytka po roku czasu poniewierania się wśród odpadów na zbliżeniu wygląda następująco:

Zastosowanie polygonu w wersji hatch pozwoliło mi na pokazanie wyglądu płytki podświetlonej od spodu:

Na powyższym zdjęciu widać przebarwienia padów drugiej strony płytki, dokonałem więc korekty:

Zdjęcie jest zrobione z umieszczoną w dolnej części przezroczystą linijką, która jest nieco porysowana stąd wydaje się, że płytka np. w obszarze oznaczonym cyfrą 5 płytka zawiera uszkodzenia (rysy). W rzeczywistości tak nie jest co widać na kolejnych zdjęciach.

Proces trawienia wykonywałem nadsiarczanem sodu (B327) przetrzymując płytkę w kąpieli nieco dłużej niż wymagał tego proces. Mierząc za pomocą programu graficznego ścieżki (na powyższym zdjęciu) i odnsząc się do 1 mm wg linijki najcieńsze ścieżki mają 9mil pomimo, że w projekcie miały 11mil. To jest efekt dłuższego przetrzymania w wytrawiaczu.

Footprint mikrokontrolera w maksymalnym zbliżeniu jakie mogłem wykonać wygląda następująco:

a po korekcie przebarwień:

Gdy powiększysz zdjęcie znajdziesz kilka uszkodzeń związanych z zarysowaniem podczas procesu od wydruku do wytrawienia oraz pojedyncze kropki wytrawione na ścieżkach.

Zarysowania kliszy lub lakieru UV:

Problemy tonera na kliszy lub lakieru na laminacie:

z czego tylko jeden jest krytyczny (strzałka czerwona). Pozostałe należy obserwować w szczególności po cynowaniu.



Cynowanie chemiczne

Kolejnym procesem jest pokrycie płytki warstwą cyny w procesie cynowania bezprądowego. Używam do tego środka AGT-086. Nie opisuję tutaj tej metody, ale polecam stronę kol. manekinen, który bardzo szczegółowo ją przedstawia.

Bezwzględnie istotne jest wypolerowanie powierzchni przed cynowaniem - używam do tego pasty polerskiej. Po tym procesie należy płytkę dokładnie odtłuścić tym bardziej, że część past polerskich zawiera wosk lub inne tłuste substancje. Zobacz krótki artykuł: Bezprądowe cynowanie laminatu

Po wykonaniu cynowania (około 5 minut w świeżo rozrobionej kąpieli) efekt jest następujący:

podświetlając od spodu:

Po prawej i lewej przebarwienia z taśmy klejącej
przytrzymującej płytkę podczas wykonywania zdjęcia.

pady mokrokontrolera i jego okolice oraz porównanie wcześniej wskazanych problemów:

Przerwana ścieżka (strzałka czerwona) oczywiście nie uległa naprawie. Niektóre (strzałki niebieskie) nadal są potencjalnymi problemami, ale niektóre z nich pokryły się warstwą cyny, która jest na tyle gruba, że w warunkach hobbystycznych możemy uznać ścieżkę za naprawioną (strzałki zielone).



Przylutowany mikrokontroler

A tak wygląda mikrokontroler przylutowany zwykłą lutownicą grotową z użyciem pasty do lutowania z drobinkami cyny:

Widać nieco zabrudzeń (włoski itp.) których do zdjęcia nie usunąłem. Montaż można oczywiście wykonać także lutownicą na gorące powietrze (hot air), ale należy uważać ponieważ powłokę cynowana chemicznie łatwo przegrzać.

Jeżeli podczas lutowania piny zostaną zwarte cyną należy użyć plecionki miedzianej, by nadmiar cyny zebrać. Czasami warto dodać nieco więcej topniku (żel lutowniczy bez cyny np. flux).

Na zdjęciu widać jak istotne jest odpowiednie wyskalowanie wydruku (na danej drukarce) np. w Eagle.


Porównanie do płytki fabrycznej

Dla porównania zestawiłem płytkę (tym razem fragmentem jej drugiej strony) z oryginalną, czytaj fabrycznie wykonaną płytką uniwersalną, o tym samym rastrze dodatkowo pokrytej soldermaską:

oczywiście linijka wprowadza dodatkowe rysy, co widać na zbliżeniu:

Podsumowanie

Metoda fotochemiczna nie jest metodą trudną. Spokojnie można ją opanować w kilka dni wykonując wstępne próby na malutkich kawałkach PCB (około 15x6mm).

Często dodatkowo robię footprint-y na kliszy, by móc odciąć wiele malutkich fragmencików laminatu i dokonywać prób z naświetlaniem, wywoływaniem i trawieniem.

Próby robić warto w szczególności po dłuższym okresie przerwy w wykorzystaniu rozrobionych kąpieli. Warto to także zrobić, gdy laminat jest stary lub zakupiłeś nową partię. Takie zabiegi pozwalają oszczędzić rozczarowań i dodatkowych kosztów, bo laminat z lakierem UV nie jest tani.

Skoro już o kosztach mowa, to metoda ta jest oczywiście droższa od metody termotransferu (żelazkowej), jednakże ma zalety, które opisałem na wstępie. Niewątpliwą zaletą wartą podkreślenia jest możliwość minimalizowania opracowywanych urządzeń poprzez używanie mikrokontrolerów w znacznie mniejszych obudowach i generalnie montażu SMD. To nieco redukuje koszty wykonania ponieważ relatywnie mniej laminatu zużywasz, ale nie jest to argument najistotniejszy.



Wasze doświadczenia?

Ciekawią nas Wasze doświadczenia z tą metodą oraz linki do poradników, czy filmów YT.