Prototyp w godzine cz3, Elektronika, Warsztat, PCB

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
N O T A T N I K P R A K T Y K A
Prototyp w godzinę
− precyzja niemal przemysłowa
Płytki drukowane w domu, część 3
Trawienie
SpoúrÛd ca³ej gamy k¹pieli
przeznaczonych do trawienia
miedzi na p³ytkach PCB, w†wa-
runkach amatorskich na uwagÍ
zas³uguj¹ trzy ich rodzaje:
- RoztwÛr chlorku øelazowego
(FeCl
3
) o†stÍøeniu 28...42%
(wagowo) z†ewentualnym do-
datkiem do 5% kwasu solne-
go (HCl). Chlorek øelazowy
mimo swojej niekwestionowa-
nej popularnoúci ma kilka is-
totnych wad, m.in. wykonana
z†niego k¹piel wymaga inten-
sywnego mieszania usuwaj¹ce-
go powstaj¹cy osad, a†jej nie-
przezroczystoúÊ utrudnia wi-
zualn¹ kontrolÍ postÍpu tra-
wienia. Do tego naleøy jeszcze
dodaÊ legendarn¹†zdolnoúÊ do
tworzenia nieusuwalnych
plam.
- K¹piele kwaúne z³oøone z†kwa-
su siarkowego (H
2
SO
4
) lub sol-
nego (HCl) z†dodatkiem perhyd-
rolu (30% nadtlenek wodoru,
H
2
O
2
). Mieszaniny te nadaj¹ siÍ
do trawienia p³ytek precyzyj-
nych, s¹ rÛwnieø stosunkowo
³atwe do zestawienia w†warun-
kach amatorskich. Niestety ze
wzglÍdu na ma³¹ trwa³oúÊ nie
nadaj¹ siÍ do przechowywania.
- RoztwÛr nadsiarczanu amonu
(NH
4
)
2
SO
4
. Ze wzglÍdu na ma-
³¹ agresywnoúÊ k¹piel nadaje
siÍ praktycznie do wszystkich
rodzajÛw pokryÊ ochronnych,
a†zarazem pozwala na trawie-
nie p³ytek o†wysokiej jakoúci.
W†przemyúle jest obecnie sto-
sowana rzadko, ze wzglÍdu na
trudnoúci z†regeneracj¹ i†odzys-
kiem miedzi z†roztworu, co ma
jednak niewielkie znaczenie
W†trzeciej, ostatniej czÍúci cyklu
przedstawiamy zagadnienia zwi¹zane
z†trawieniem p³ytek drukowanych oraz - jest
to namacalny dowÛd na duøe moøliwoúci
opisywanej metody - wyniki osi¹gniÍte
podczas prac prototypowych. Zapraszamy!
w†warunkach amatorskich. We-
d³ug receptury podanej w†[1]
stÍøenie nadsiarczanu amonu
powinno wynosiÊ 200...300 g/
dm
3
. åwieøy roztwÛr jest bez-
barwny, a†w†miarÍ zuøywania
stopniowo przybiera barwÍ in-
tensywnie niebiesk¹. DziÍki
dobrej trwa³oúci moøe byÊ wy-
korzystany praktycznie do koÒ-
ca, a†stosunkowo niska cena
g³Ûwnego sk³adnika rÛwnieø
zachÍca do stosowania w†wa-
runkach amatorskich. Ze
wzglÍdu na szybkoúÊ trawienia
zaleca siÍ podgrzewanie k¹pie-
li do temperatury ok. 40
o
C.
Naleøy jednak wspomnieÊ
o†pewnym istotnym szczegÛle.
OtÛø wed³ug receptury, do sta-
bilnej pracy k¹pieli zalecana jest
domieszka katalizatora (chlorek
Elektronika Praktyczna 8/2003
59
N O T A T N I K P R A K T Y K A
m - czyli
ok. 1,4 mils. Z†drugiej strony, je-
øeli porÛwnamy uzyskane szero-
koúci úcieøek z†wymiarami nomi-
nalnymi (projektowymi), to mo-
øemy stwierdziÊ, øe†poszerzenie
na skutek rozp³yniÍcia tonera
i†zwÍøenie powsta³e w†efekcie
podtrawienia kompensuj¹ siÍ
wzajemnie, a†finalna szerokoúÊ
niewiele odbiega od za³oøonej.
Ciekawego porÛwnania dostar-
cza
fot. 16
. Zestawiono na niej
fragment mozaiki z³oøonej z†rÛw-
noleg³ych úcieøek o†szerokoúci
6†mils wykonanych w†rÛønych
technologiach. Pocz¹wszy od gÛ-
ry moøemy zobaczyÊ wydruk
maski (600 dpi) na papierze kre-
dowym (a) i†úcieøki uzyskane za
jej pomoc¹ (b) oraz rezultaty
technologii przemys³owej z†mas-
k¹ fotopolimerow¹ (c) oraz
z†mask¹ metaliczn¹ Sn-Pb (d).
Technologie przemys³owe gwa-
rantuj¹ niemal idealn¹ powtarzal-
noúÊ i†jakoúÊ krawÍdzi niedostÍp-
n¹ dla mozaiki transferowanej
z†wydruku 600 dpi. Jednak
z†drugiej strony zwrÛÊmy uwagÍ
na zaskakuj¹c¹ prÛbkÍ (d), gdzie
z†nominalnej szerokoúci úcieøek
pozosta³o jedynie ok. 2†mils.
oka. Jednak daje on pewn¹ orien-
tacjÍ co do potencjalnych moøli-
woúci technologii ìkredowejî.
OprÛcz minimalnej szerokoúci
úcieøek, drugim waønym para-
metrem s¹ minimalne separacje
gwarantuj¹ce unikniÍcie zwarÊ.
Wykonane specjalnie w†tym celu
prÛbki testowe sk³ada³y siÍ
z†rzÍdu rÛwnoleg³ych úcieøek
o†stopniowo rosn¹cych odstÍ-
pach. Na
fot. 18
pokazano frag-
ment prÛbki z³oøonej ze úcieøek
o†nominalnej szerokoúci 6†mils.
Liczby na rysunku oznaczaj¹ od-
stÍpy pomiÍdzy osi¹ úcieøki cen-
tralnej a†osiami jej najbliøszych
s¹siadÛw. Jak moøna zauwaøyÊ,
w†miarÍ oddalania stopniowo za-
nikaj¹ oddzia³ywania miÍdzy s¹-
siaduj¹cymi elementami mozaiki.
Zapewnienie odstÍpu 6†mils
w†zasadzie gwarantuje, øe pomiÍ-
dzy s¹siaduj¹cymi elementami
Fot. 14. Trawiarka napełniona roztworem B327. Na dnie wi−
doczne są dwie grzałki akwaryjne, a z tyłu − kurtyna pęcherzy−
ków powietrza powodująca intensywne a jednocześnie równo−
mierne mieszanie roztworu. Pojemność robocza zbiornika wy−
nosi ok. 2,5...3 dm
3
a)
rtÍci (II) HgCl
2
o†stÍøeniu 8†mg/
dm
3
). O†ile ca³kowita iloúÊ i†stÍ-
øenie katalizatora zawartego
w†k¹pieli s¹ stosunkowo niewiel-
kie (dopuszczalne stÍøenie rtÍci
w†úciekach zrzucanych do kana-
lizacji komunalnej nie moøe
przekraczaʆ0,1 mg Hg/dm
3
), to
operowanie stÍøonymi zwi¹zka-
mi rtÍci podczas przygotowania
roztworu wymaga zachowania
specjalnych úrodkÛw ostroønoúci.
DostÍpny w†handlu
Wytra-
wiacz Drobnokrystaliczny B327
,
mimo braku na opakowaniu ja-
kichkolwiek informacji o†jego
sk³adzie, jest najprawdopodob-
niej mieszanin¹ sporz¹dzon¹ na
bazie nadsiarczanu amonu lub
nadsiarczanu sodu. W†chwili
obecnej moøna go uznaÊ za je-
den z†najwygodniejszych i†³atwo
dostÍpnych preparatÛw do tra-
wienia miedzi. Za jego stosowa-
niem przemawia m.in. to, øe nie
narusza resztek pow³oki kredo-
wej, a†takøe komfort wynikaj¹cy
z†klarownoúci k¹pieli.
Na
fot. 14
pokazano wygl¹d
amatorskiej trawiarki nape³nionej
czÍúciowo zuøytym roztworem
B327. Umieszczone na jej dnie
grza³ki akwariowe wraz z†regula-
torem utrzymuj¹ temperaturÍ
k¹pieli na poziomie ok.
40...42
o
C, natomiast widoczna
z†ty³u rurka napowietrzaj¹ca wy-
twarza kurtynÍ pÍcherzykÛw po-
wietrza powoduj¹c¹ intensywne
i†rÛwnomierne mieszanie roztwo-
ru. Czas trawienia miedzi
o†gruboúci 35
b)
Mycie i†zabezpieczenie
p³ytki
Po wyjÍciu p³ytki z†trawiarki
pozostaje juø tylko zmycie maski
ochronnej. Polimerowy toner daje
siÍ ³atwo usun¹Ê za pomoc¹ po-
pularnych rozpuszczalnikÛw†orga-
nicznych np. acetonu lub (lepiej)
rozpuszczalnika Nitro. Jak siÍ jed-
nak zd¹øy³em przekonaÊ, po zmy-
ciu tonera na powierzchni miedzi
pozostaje cienka, woskowata war-
stewka mog¹ca skutecznie uprzyk-
rzyÊ pÛüniejsze lutowanie. Dlate-
go przed pokryciem p³ytki wars-
tw¹ topnika warto ostatni raz
przeszlifowaÊ j¹ pod bieø¹c¹ wo-
d¹ za pomoc¹ bardzo drobnego
papieru úciernego (>1000).
c)
m wynosi w†ta-
kich warunkach przeciÍtnie
12...15 minut.
Na
fot. 15
przedstawiono wy-
gl¹d úcieøek o†nominalnej szero-
koúci 6†mils, po wytrawieniu
i†czÍúciowym mechanicznym
usuniÍciu maskuj¹cego je tonera.
KrawÍdzie maski tworz¹ prze-
d)
Fot. 15. Podtrawienie krawędzi ścieżek. Na zdjęciu − ścieżki
6 mils po wytrawieniu i mechanicznym usunięciu części pokry−
cia maskującego. Widoczne “okapy” powstały na skutek roz−
puszczenia miedzi pod krawędzią tonera. Zwróćmy uwagę, że
rozlanie tonera i podtrawienie kompensują się wzajemnie,
dzięki czemu finalna szerokość scieżek niewiele różni się od
zamierzonej
Rezultaty
Po szczegÛ³owym przedstawie-
niu metody nadesz³a pora na
prezentacjÍ i†omÛwienie uzyska-
nych wynikÛw. Licytuj¹c swoje
osi¹gniÍcia w†wytwarzaniu domo-
wych PCB, najchÍtniej podajemy
minimalne uzyskane szerokoúci
úcieøek. Na
fot. 17
przedstawio-
no prÛbÍ oceny metody wed³ug
tego w³aúnie kryterium. Jak wi-
daÊ, úcieøka o†nominalnej szero-
koúci 4†mils zachowa³a†elektrycz-
n¹ ci¹g³oúÊ. Oczywiúcie nie na-
mawiam nikogo do realizacji ta-
kich projektÛw, a†sam test nale-
øy potraktowaÊ z†przymruøeniem
Fot. 16. Ścieżki 6 mils w róż−
nych wykonaniach: wydruk
600 dpi na papierze kredo−
wym (a); termotransfer z pa−
pieru kredowego (b); techno−
logia profesjonalna z maską
fotopolimerową (c); technolo−
gia profesjonalna z maską
metaliczną Sn−Pb (d). Wyko−
nania profesjonalne zapew−
niają znacznie lepszą równo−
mierność ścieżek niż metoda
termotransferowa, ale nie bez
niespodzianek − w ostatniej
próbce (maska SnPb) ze
ścieżek o projektowanej szero−
kości 6 mils zostało zaledwie
ok. 2 mils
60
Elektronika Praktyczna 8/2003
wieszone okapy, natomiast ukry-
te pod nimi úcieøki uleg³y pod-
trawieniu na g³ÍbokoúÊ porÛwny-
waln¹ z†gruboúci¹ warstwy mie-
dzi. Wszystkie prÛbki prezento-
wane w†artykule zosta³y†wykona-
ne na standardowych laminatach
o†gruboúci miedzi 35
µ
µ
N O T A T N I K P R A K T Y K A
N O T A T N I K P R A K T Y K A
Fot. 17. 6 mils... 5 mils... 4 mils... Gdzie leży granica? Ścieżka
4 mils mimo wyraźnych głębokich przewężeń zachowała ciąg−
łość i nienaruszoną górną płaszczyznę
mozaiki nie wyst¹pi¹ zwarcia
wynikaj¹ce ze zbyt bliskiego s¹-
siedztwa.
Kolejne zdjÍcia prezentuj¹
przyk³ady struktur, z†jakimi
moøna siÍ spotkaÊ w†rzeczywis-
tych projektach. S¹ to przejúcia
úcieøek pod standardowymi el-
mentami w†obudowach SMD:
0805 (
fot. 19
) i†SOT-23 (
fot. 20
)
oraz trzy úcieøki o†szerokoúci
6†mils (
fot. 21
) przeprowadzone
pomiÍdzy polami lutowniczymi
uk³adu scalonego w†obudowie
DIP (pola o†nominalnej úrednicy
62 mils w†rozstawie 100 mils).
Rozpoczynaj¹c artyku³ wspo-
mnia³em o rosn¹cym zapotrzebo-
waniu na precyzyjne, amatorskie
PCB, wynikaj¹cym z†silnego d¹øe-
nia producentÛw do miniaturyza-
cji obudÛw. Na
fot. 22
pokazano
fragment p³ytki drukowanej
z†przylutowanym uk³adem w†obu-
dowie QFP208 z†wyprowadzenia-
mi w†rastrze 0,5 mm. Jakkolwiek
nie widaÊ tego na zdjÍciu, to mo-
gÍ zapewniÊ, øe wszystkie pozo-
sta³e wyprowadzenia zosta³y przy-
lutowane do poprawnych pÛl†lu-
towniczych wytrawionych bez
zwarÊ i†istotnych ubytkÛw.
Opisy - warstwy
Overlay
Na zakoÒczenie wspomnÍ
o†jeszcze jednym zastosowaniu
metody termotransferowej. Kosz-
tem dodatkowych kilku minut
pracy moøemy nanieúÊ na p³yt-
kÍ opis elementÛw (warstwy
BottomOverlay
i†
TopOverlay
)
znakomicie u³atwiaj¹cy pÛüniej-
szy montaø (
fot. 23
). Poniewaø
Fot. 18. Ścieżki 6 mils w zmiennych odstępach. Liczby oznacza−
ją odległość w milsach pomiędzy osią ścieżki centralnej
a osiami jej najbliższych sąsiadów. Zachowanie ok. 6 mils se−
paracji wystarcza do wyeliminowania zwarć
Elektronika Praktyczna 8/2003
61
N O T A T N I K P R A K T Y K A
Fot. 19. Pojedyncza ścieżka (kolejno o szerokości: 10, 12, 15
mils) przeprowadzona pomiędzy polami elementu SMD0805
toner po zmyciu kredy przyjmu-
je nieciekaw¹ szarosin¹ barwÍ,
a†zarazem od warstwy opisowej
nie oczekujemy idealnej szczel-
noúci krycia, to tym razem mo-
øemy znacznie uproúciÊ techno-
logiÍ. Zamiast k¹pieli i†ømudne-
go zmywania kredy, po prostu
odrywamy papier na gor¹co,
jeszcze przed zdjÍciem p³ytki
z†øelazka. Wprawdzie znaczna
czÍúÊ wydruku pozostanie na
papierze, to jednak reszta prze-
niesiona na p³ytkÍ i†tak zapewni
dobry kontrast oraz czytelnoúÊ
znakÛw nawet o†wysokoúci za-
ledwie 40 mils.
w†dowolnym punkcie formatki
o†rozmiarach znacznie wiÍkszych
niø osi¹galne w†metodzie ìøelaz-
kowejî. Jednak i†ta metoda ma
swoje niezaprzeczalne zalety.
Jakkolwiek zaprezentowa³em
liczne przyk³ady wykonania
úcieøek o†szerokoúci 6†mils, to
jednak nie wyobraøam sobie np.
poprowadzenia w†ten sposÛb
magistrali 32 * 6†mils wzd³uø
ca³ej eurokarty. Jednak jak naj-
bardziej realne wydaje siÍ siÍg-
niÍcie po wymiar 6†mils w†kry-
tycznych punktach projektu, czy
teø np. wyprowadzenie úcieøek
spod obudowy o†rastrze 0,65
mm czy nawet 0,5 mm. Zw³asz-
cza øe w†realizacjach amators-
kich moøna sobie pozwoliÊ na
kaødorazowe dok³adne obejrze-
nie przetransferowanej maski
i†ewentualne poúwiÍcenie dodat-
kowych 20 minut na retusz lub
zmycie tonera i†kolejne prasowa-
nie. SzybkoúÊ dzia³ania i†to mi-
mo czasu jaki trzeba poúwiÍciÊ
na ewentualne poprawki stanowi
drugi niebagatelny atut metody.
Bior¹c pod uwagÍ, øe na wyko-
nanie p³ytki jednostronnej po-
trzeba nie wiÍcej niø 50...60 mi-
nut (oczywiúcie nie licz¹c wier-
cenia), moøna siÍ pokusiÊ o†wy-
konywanie p³ytek drukowanych
ad hoc
, do kolejnych wersji uru-
chamianego prototypu.
Przede wszystkim jednak za-
chÍcam do eksperymentÛw.
Prawdopodobnie spore moøli-
woúci tkwi¹ jeszcze w†wykorzys-
taniu coraz powszechniejszych
drukarek 1200 dpi a†takøe w†po-
szukiwaniu innych materia³Ûw
do wydruku. Przypomnijmy -
szukamy noúnika o†g³adkiej po-
wierzchni, odpornego na tempe-
raturÍ druku i†prasowania a†zara-
zem usuwalnego w†wodzie lub
innym rozpuszczalniku obojÍt-
nym wobec tonera.
Wachlarz zagadnieÒ zwi¹za-
nych z†amatorskimi PCB jest do-
syÊ szeroki, a†kilka z†nich zosta-
³o jedynie zasygnalizowane, jak
np. sposoby wykonywania p³ytek
dwustronnych czy konstrukcja
trawiarki. Jeøeli Czytelnicy wy-
kaø¹ zainteresowanie tym tema-
Fot. 21. Potrójne przejście pomiędzy polami układu w obudowie
DIP (ścieżki 6 mils, pola lutownicze 62 mils w rozstawie 100 mils)
tem, to moøemy powrÛciÊ do
niego w†kolejnych numerach.
Marek Dzwonnik, AVT
marek.dzwonnik@ep.com.pl
- specyfikacja zamieszczona
na stronie producenta.
makepcb/index.html - artyku³
z EP
kontakt/kc20man.HTM - szcze-
gÛ³owa instrukcja stosowania
Positivu
akademia/pcb/pcbes.html -
polskie opisy wykorzystania
Positivu i folii TES-200
Odnoúniki
1. ìTechnologia i montaø p³ytek
drukowanychî, Jerzy Michal-
ski, seria USE, WNT, Warsza-
wa 1992, ISBN 83-204-1413-X
-> KontaktChemie
-> Positiv20
Podsumowanie
PorÛwnuj¹c rezultaty metody
termotransferowej z†minimalnymi
wymaganiami nak³adanymi przez
wiele firm zajmuj¹cych siÍ pro-
dukcj¹ p³ytek drukowanych, ³at-
wo ulec z³udnemu wraøeniu,
øe†oto w†amatorskim rÍku mamy
narzÍdzie doskona³e. Nie traÊmy
jednak zdrowego rozs¹dku. Gra-
niczne moøliwoúci profesjonalis-
tÛw siÍgaj¹ znacznie dalej, a†sta-
wiane ograniczenia maj¹ zagwa-
rantowaÊ niemal 100% bezb³Íd-
noúÊ i†powtarzalnoúÊ wykonania
Fot. 22. Fragment płytki testowej i zamontowanego układu scalo−
nego w obudowie TQFP208 z wyprowadzeniami w rastrze 0,5 mm
Fot. 20. Pojedyncze (12 mils)
i podwójne (8 mils) przejście
pod obudową SOT−23
Fot. 23. Złącze ISP na podstawce uruchomieniowej opisane
(warstwa
Top Overlay
) metodą termotransferową z oderwa−
niem papieru na gorąco. Wzdłuż górnej krawędzi widoczny
zarys sprężystych szpilek testowych produkowanych przez Q&A
rozmieszczonych w rastrze 100 mils. Całkowita wysokość zna−
ków wynosi 60 mils
62
Elektronika Praktyczna 8/2003
[ Pobierz całość w formacie PDF ]