Výroba desek plošných spojů fotocestou Každý kdo se jen trochu zabývá elektronikou se občas neobejde bez desky plošného spoje. Je možné používat univerzální desky plošných spojů, ale proč si nevyrobit vlastní od návrhu, osvicování, leptání po vrtání a osazení, když je to jednoduché. Povedu vás krok po kroku na názorném příkladu. NÁVRH OBRAZCE PLOŠNÉHO SPOJE Kresbu je v dnešní době nejjednodušší navrhnout pomocí nějakého programu pro návrh plošného spoje. Jako příklady návrhového programu uvedu například Eagle, Pads, Formica, Ferda mravenec a další. Já uvedu krok po kroku kreslení schématu a návrh obrazce v programu Eagle verze 4.01. Výhoda většiny návrhových programů je, že se dají stáhnout na Internetu jejich verze s částečným případně žádným omezením. V Eaglu je omezen rozměr navrhované desky na velikost 160x160mm. Nejprve je třeba překreslit elektrické schéma do editoru schémat současně s výběrem pouzdra jednotlivých součástek. Takže založíme si nový projekt například Blikac zvolením v hlavním menu položku FILE NEW PROJECT. Obdobným způsobem vložíme do projektu nové schéma FILE NEW SCHEMATIK. Otevře se editor schémat. obr.1. založení nového projektu a schématu
Jako ukázkovou konstrukci jsem vybral článek z časopisu KTE 5/2005 str. 11, SMD blikač pro náročné. Použiji však běžné vývodové součástky. Ikonou ADD vložíme požadované součástky z již připravených knihoven na kreslící plochu. Otevře se nám okno ADD, kde v levém rámci vybíráme knihovnu součástek, v dolním informace o součástce a v horních elektrická značka a vzhled pouzdra. V tab.1. jsou uvedeny názvy knihoven, součástek a pouzder, které v konstrukci budeme potřebovat. obr.2. výběr knihovny a následné vložení součástky do schématu označení hodnota součást obal knihovna C1 1uF CPOL-EUE2.5-5 E2,5-5 rcl D1 1N4148 DO35-10 diode D2 LED SFH482 SFH482 led IC1 LM555N LM555N DIL08 linear IC2 4017N 4017N DIL16 40xx R1 220k R-EU_0207/10 0207/10 rcl R2 220k R-EU_0207/10 0207/10 rcl R3 47k R-EU_0207/10 0207/10 rcl R4 47k R-EU_0207/10 0207/10 rcl R5 100R R-EU_0207/10 0207/10 rcl T1 BC547 BC547 TO92 transistor-npn PAD1 +5V 2,54/1,1 2,54/1,1 wirepad PAD2 GND 2,54/1,1 2,54/1,1 wirepad tab.1. seznam součástek
Po vložení a vhodném rozmístění součástek je třeba je propojit kliknutím na ikonu WIRE a tažením od vývodu k vývodu propojit součástky. Ještě nesmíme zapomenout z knihovny SUPPLY1 vložit a připojit do schématu značky GND, VSS a VDD (tyto značky jsou automaticky propojeny s napájením integrovaných obvodů, které nejsou ve schématu vyznačeny). Pro úplnost doplnit uzly tečkami JUNCTION. Změnit hodnotu součástek lze příkazem VALUE. Hotové schéma by mělo vypadat asi jako na obr.3. obr.3. hotové schéma A nyní můžeme přistoupit k navrhnutí obrazce plošného spoje. Velikosti pouzder součástek již máme zvoleny a zbývá už jen součástky na desce rozmístit a natáhnout cesty. Přepnutí z editoru schémat do editoru plošných spojů se provede příkazem BOARD. Hláška na obr.4. se nás ptá jestli chceme převzít součástky ze schématu do návrhu plošného spoje. obr.4. upozornění Po volbě YES se nám otevře nové (obr.5.) okno s náhodně rozmístěnými součástkami a bílým rámečkem.
obr.5. okno návrhu plošného spoje s náhodně rozmístěnými součástkami Příkazem MOVE přesuneme součástky na potřebné místo do rámečku, který následně zmenšíme na potřebnou velikost. Cesty natáhneme místo tmavožlutých vzdušných spojů příkazem ROUTE. Pokud již není na desce žádný vzdušný spoj a návrh je k naší spokojenosti (obr.6.) můžeme přistoupit k tisku předlohy. obr.6. hotový návrh desky plošného spoje TISK PŘEDLOHY Z celého návrhu potřebujeme vytisknout jen hranice plošného spoje, cesty a pájecí plošky. K tomuto účelu použijeme příkaz DISPLAY. Objeví se okno s nabídkou hladin (obr.7.).
obr.7. výběr zobrazované hladiny Pro tisk potřebujeme vybrat pouze BOTTOM, PADS a DIMENSION. Výsledný obrazec (obr.8.) vytiskneme na pauzovací papír zrcadlově. Zaškrtáme políčka MIRROR, SOLID a BLACK (obr.9.). obr.8. obrazec připravený pro tisk
obr.9. možnosti pro tisk Tisknout zrcadlově na pauzovací papír je vhodné, aby natisknutý povrch při osvitu přiléhal přímo na fotocitlivý lak a nedopadal paprsek světla pod černé plochy. Nyní se však již neobejdeme bez potřebných přípravků. OSVIT Pro osvit budeme potřebovat zdroj UV záření. V nouzi lze použít i žárovku nebo sluneční paprsky, ale doba osvitu se podstatně zvětší. Já používám horské slunce s výbojkou RVK125W (obr.10.). obr.10. horské sluníčko Dále nějaký průhledný rám například dvě sešroubovaná skla (obr.11.) a cuprextit s nanesenou vrstvou fotocitlivého pozitivního laku, kterou lze zakoupit v obchodě s elektrosoučástkami. obr.11. skleněný rám
Desku cuprextitu ostřihneme na požadovaný tvar (o malinko větší než bude velikost hotové desky) nejlépe nůžkami na plech (obr.12.) a vložíme i s předlohou do skleněného rámu. Předlohu na pauzovacím papíře nesmíme otočit, aby nebyl výsledný plošný spoj zrcadlově, proto doporučuji vždy při návrhu na desku napsat například název výrobku hladinou BOTTOM a vkládat předlohu na cuprextit, aby písmo bylo čitelné. Sevřením skel k sobě se již předloha ani deska nemůže pohybovat a může být osvícena. Osvit provádíme ze vzdálenosti asi 40cm po doby asi 15minut. Vzdálenost a doba osvitu záleží na výkonu zdroje světla a typu fotoeemulze. Toto je vždy třeba nejprve vyzkoušet předem na malém kousku cuprextitu! Po osvitu můžeme přistoupit k vyvolání obrazce a leptání. obr.12. nůžky na plech VYVOLÁNÍ PŘEDLOHY Budeme potřebovat vývojku, misku na vývojku a na vodu a plastovou pinzetu. Vývojka je 1,5% roztok hydroxidu sodného NaOH. Namíchaný roztok lze také koupit v obchodě s elektrosoučástkami. Do jedné misky nalijeme dostatečné množství vývojky a do druhé vodu. Osvícenou desku ponoříme do vývojky a mícháme s ní dokud se neobjeví obrazec (obr.13.). Okolo obrazce nesmí zůstat žádná vrstva fotocitlivého laku, aby se podařilo leptání. Na druhou stranu nesmíme nechat rozpustit obrazec, aby se neodleptala celá plocha mědi. Při práci s fotocitlivou deskou se musí pracovat za bezpečnostního osvětlení červeným nebo žlutým světlem! Doba vyvolání závisí na koncentraci a teplotě roztoku a době osvitu. Pohybuje se v řádů desítek sekund a dá se urychlit ohřevem vývojky na teplotu kolem 50 C. obr.13. vyvolávání osvícené desky Vyvolanou a osušenou desku (obr.14.) můžeme vyleptat. obr.14. vyvolaná deska
LEPTÁNÍ Pro leptání potřebujeme chlorid železitý FeCl 3, který se dá koupit v obchodě s elektrosoučástkami, a další misku. Pro leptání už potřebujeme jen plastovou pinzetu. Stejně jako při vyvolávání je lepší okřát roztok na teplotu kolem 50 C. Tímto se celý proces zkrátí. Vyvolanou a osušenou desku vložíme do misky s kyselinou a necháme leptat. Pokud leptáme jednostrannou desku je vhodné položit desku na hladinu stranou spojů dolů. Tímto se odleptané částice odplaví na dno a stále čerstvý roztok působí na měď- Tento postup však vyžaduje čistý roztok a nesmí zůstat pod deskou vzduchové bubliny. Jinak jednodušší je položit desku na dno stranou spojů nahoru a neustále pohybovat případně potírat nějakým odolným štětečkem. Leptání je hotovo po 15-30-ti minutách po úplném rozpuštění osvícených ploch. Pokud leptáme desku na hladině, tak obrazec je vidět skrz desku (obr.15.) jinak se deska musí kontrolovat průběžně vytahováním z roztoku. Po vyleptání je třeba desku omýt a osušit. obr.15. obrazec viditelný při leptání na hladině obr.16. vyleptaná deska bez fotolaku Osušenou desku zbavíme fotoemulze omytím lihem případně jiným rozpouštědlem(aceton, ředidlo) a zkontrolujeme zda nedošlo k naleptání cest. Zbylá měď musí být lesklá a neporušená (obr.16.). Nyní můžeme přistoupit k závěrečnému opracování. MECHANICKÉ OPRACOVÁNÍ Měděný povrch je třeba ošetřit ochranným lakem. Vhodná je například rozpuštěná kalafuna v lihu nebo nějaký ochranný pájitelný lak, který se dá zakoupit. Vytvoříme celistvou vrstvu laku na straně spojů a necháme zaschnout. Takto musíme učinit okamžitě po odstranění fotoemulze, protože měď velmi rychle oxiduje. Pokud je lak tvrdý vyvrtáme všechny pájecí plošky příslušným vrtákem. V konstrukci jsem použil pájecí plošky pro díry o průměru 0,8mm pro všechny součástky a 1mm pro přívodní vodiče. Vrtat lze na stojanové vrtačce nebo malé ruční. Na stojanové vrtačce se mi osvědčilo vložit pod stojan malou lampičku a prosvěcovat desku zespodu. Pokud je strana spojů vzhůru je krásně vidět pájecí plošky a
snadno se trefí s vrtákem na správné místo. Po vyvrtání všech děr je vhodné srazit otřepy ze strany součástek větším vrtákem. Nyní stačí desku ostřihnout na správný rozměr a případně opilovat. Výsledný zhled hotové desky plošného spoje by měl vypadat jako na obr. 17. a obr. 18. obr. 17. hotová DPS strana součástek obr. 18. hotová DPS strana spojů OSAZENÍ A PÁJENÍ Podle osazovacího plánu (v programu Eagle stačí zapnout hladinu tplace) zapájíme nejprve pasivní součástky (rezistory,diody a kondenzátory) dále tranzistor a nakonec integrovaný obvod. Pájet doporučuji pájkou Sn60Pb o průměru 1mm mikropájkou na teplotu asi 240 C. Hrot přiložíme k pájecí plošce tak, aby se teplo přenášelo na pájecí plošku i vývod pájené součástky. Po přiložení pájky se rozlije po celém ostrůvku. Spoj musí být lesklý a po celé plošce. Nakonec připájíme nějaké napájecí vodiče. A NYNÍ TROCHA TEORIE... Desku plošného spoje máme hotovu a osazenou. Teď už stačí jen připojit zdroj a vše musí fungovat. Ale nejprve se podíváme na schéma a zamyslíme se nad tím jak a proč... Ze schématu je vidět, že časovač 555 pracuje v režimu astabilního multivibrátoru (astabilní = ani jeden ze stavů na výstupu není stabilní a za určitou dobu bude změněn). Frekvence na výstupu Q je dána vzorcem (1.1). V konstrukci jsem pro lepší efekt použil kondenzátor s hodnotou o řád nižší, aby se výsledná frekvence blikání zvýšila. 1,44 1,44 f = = = 21,8Hz ( R 1 + 2R 2 ) C1 ( 220k + 440k) 100n (1.1) Oscilogram z výstupu integrovaného obvodu je na grafu 1.
graf 1. výstup astabilního multivibrátoru Z výstupu multivibrátoru je taktován 5-ti stupňový Johnsonův čítač, který má povoleno čítání (ENA = log.0 a RES = 0). Funkce obvodu 4017 spočívá v postupném přesouvání log.1. z výstupu Q0, reagující na náběžnou hranu na vstupu CLK, na výstup Q1 a dále Q2...Q9. Po přetečení čítače se jde od začátku. Této funkce využívá blikač k provedení jednoho dvojzáblesku s delší pomlkou. Záblesk LED je v tu chvíli, když se log.1. přesune na výstup Q1 nebo Q2. Spínacím prvkem v tomto případě je tranzistor T1. Signál na výstupu Q1 je na grafu 2. graf 2. výstup Q1 čítače 4017
Pro zajímavost je ještě na grafu 3 oscilogram napětí na bázi tranzistoru a na grafu 4 proud LED měřený na předřadném rezistoru R5. Hodnota proudu je tedy 100x menší než je uvedeno v oscilogramu. Proud LED dosahoval špičkově 45mA. graf 3. napětí na bázi T1 graf 4. proud LED (měřeno jako úbytek napětí na rezistoru 100R) Nakonec na grafu 5 je zobrazeno výsledné napětí na LED a tedy i graf závislosti svitu LED na čase.
graf 5. napětí na LED Výsledná frekvence dvojzáblesků je tedy 10x menší než taktovací frekvence astabilního multivibrátoru. Pohybuje se kolem 2Hz a časová prodleva mezi jednotlivými záblesky je asi 50ms. ZÁVĚR V konstrukci jsem použil nakonec kondenzátor s kapacitou 100nF, aby výsledný efekt se přibližoval stroboskopům osvětlující letadla. Jako podstatný problém byl výkyv napájecího napětí, který není v konstrukci ošetřen a tak jsem připájet keramický kondenzátor velikosti 0805 hodnoty 100nF mezi vývody 16 a 15 integrovaného obvodu 4017. Zákmity způsobovaly špatnou činnost obvodu 4017. Na obr.19. je celý hotový blikač. obr.19. hotová konstrukce DOPORUČENÁ LITERATURA Rádio plus KTE 9/2004, str.12, Konstrukce osvitové lampy pro fotoleptání, Jindřich Fiala CMOS 4000 díl I., BEN, Petr Jedlička Časovač 555 praktická zapojení, BEN, Jan Hájek