• Index
• Elektronika

Výroba DPS fotocestou

Máme-li navržený layout desky, dříve či později dojde na chvíli, kdy si bude muset doma bastlící elektronik vyrobit desku plošných spojů (DPS/PCB). Samozřejmě je nejjednušší si nechat vyrobit profi (tzv. "zelenou") desku u nějaké specializované firmy, ovšem úsměv poklesne při pohledu na výslednou cenu, která se pohybuje okolo cca 500,- Kč za dm².

Existuje několik možností jak si DPS vyrobit doma svépomocí. Velmi jednoduché desky se dají udělat metodou dělicích čar (zdlouhavé, slušně řečeno otravné a výsledek za moc nestojí), ale nepotřebujete krom lihu na umytí žádné chemikálie. O něco lepší metodou, kde už je zapotřebí navíc leptací roztok je nakreslit spoje na čistou DPS leptuvzdorným fixem a vyleptat - vše krom nakreslených spojů se odleptá. Pokud se jedná o jednodušší desku, není nezbytně nutné se pouštět do výroby fotocestou a pár takových desek si tímto způsobem vyrobím i dnes, výsledek není špatný, jen si musíte motiv na DPS ručně překreslit. A poslední metodou, o které se rozepíšu je výroba tzv. fotocestou. Chemikálií je zapotřebí více, práce je přibližně stejně jak pro malé desky, tak i pro desky do cca 200×200 mm, výsledek je ale na domácí podmínky perfektní.

Co budeme potřebovat

• DPS s fotocitlivou vrstvou - kupuji hotový v GM s již nanesenou vrstvou (hledejte "fotocuprextit jednovrstvý"), deska 200×300 mm stojí cca 200,- Kč
• Leptací roztok - chlorid železitý (FeCl₃), s jiným nemám zkušenosti a ani nemám důvod jiný používat, chlorid železitý mají ke koupi např. v GM (za cca 80 Kč/500 ml, hledejte "leptací roztok")
• Vývojka - slabý cca 3% roztok hydroxidu sodného (NaOH), dá se koupit hotový také v GM (za cca 40 Kč/500 ml, hledejte "vývojka"), já si jej vyrábím sám koupí hydroxidu (louhu) v drogerii ve formě zrníček a několik jich nechám rozpustit ve vodě
• Technický líh - umytí DPS po pocínování
• Aceton popř. nitroředidlo C6000 - ke smytí zbytků fotocitlivého laku po vyleptání DPS a zejména pro trik ke zvýšení kontrastu předlohy pro osvit
• Pauzovací papír formátu A4 - vytisknutí předlohy pro osvit
• Laserová tiskárna - vytištění předlohy na pauzovací papír
• UV osvitová jednotka - nezbytná pro osvícení desky s fotocitlivou vrstvou, toto bývá největším problémem - čtetě níže
• Tlusté plexisklo a tenkou molitanovou podložku - přitisknutí předlohy k fotocitlivému DPS
• Černý lihový/leptuvzdorný fix - používám jej pro korekce po osvitu, většinou není potřeba (mají jej také v GM)
• Plastové/porcelánové misky - plastovou s víkem na leptací roztok, vývojku, líh a porcelánovou otevřenou na aceton (výborné jsou dózy na potraviny s těsněním ve víku - kupoval jsem v Tescu za cca 80 Kč/ks) + jednu větší plastovou (obyčejnou bez těsnění) takovou, aby se do ní vešla ta malá s leptacím roztokem

UV osvitová jednotka

DPS má nanesenou vrtsvu leptuvzdorhého laku, citlivého na UV záření. V místech kde došlo k osvícení UV světlem se naruší struktura laku a ve vývojce se odplaví - princip fotocesty. Mnohé pokusy s fotocestou právě už v tomto místě končí, protože UV lampu doma málokdo má. Mé první pokusy s rtuťovou výbojkou ze staršího horského sluníčka fungovaly tak na půl a UV jednotka, prodávaná právě k účelům osvitu DPS (mají ji na GM - hledejte "UV osvitová jednotka") stojí více jak 9.000,- Kč.

Kde ji sehnat?

Jednou z možností jak získat levněji osvitovou jednotku je pořídit si UV lampu z tzv. domácího nehtového studia (lak na nehty se vytvrzuje UV světlem) a mírně si ji upravit. Její cena se pohybuje okolo 500,- Kč. Spousta je jich např. na Aukru, kde stačí zadat hledat "UV lampa". Z Aukra jsem si jí pořídil i já - obvyklý model se 4 UV zářivkami 9W (celkově 36W) a časovačem 60/120 sekund/trvale zapnuto. Z elektrického hlediska se nic nemusí dodělávat, stačí strčit do zásuvky a zapnout. Je potřeba ale provést pár mechanických úprav, protože zářivky jsou původně rozmístěny tak, aby svítily jak ze shora tak ze stran. Osvit ze strany je ale pro nás nežádoucí, my chceme svítit pouze ze shora.

Úprava není obtížná, výsledek je na fotografiích níže. Je nutné odšroubovat dno lampy, odpojit přívody postranních zářivek a vyšroubovat patice. Přibližně v rovině dvou původních zářivek uprostřed si naznačte umístění nových děr na protažení přívodů a přišroubování těch postranních. Vychází to vcelku dobře, že budou přišroubované jen jedním vrutem nevadí. Druhá úprava spočívá v odříznutí postranních dolních vodících lišt, do kterých se původně dalo zastrčit plastové dno se zrcadlem - o něco se tak zvýší maximální plocha osvitu. V okolí zářivek na víku byla také původně od kraje ke kraji nalepená lesklá fólie. To je pro nás nežádoucí, my chceme, aby světlo dopadalo nebo se odráželo pouze ze zhora. Fólii proto strhněte úplně nebo jí jen nařízněte tak, aby se Vám podařilo strhnout jen postranní části - ty poté nalepte ke zbývajícím nahoře.

Vylepšení

Já jsem si UV lampu upravil poněkud více - viz fotografie. Původní analogové řešení časovače s obodem 555 a spínáním zářivek triakem jsem odstranil a postavil na kousku univerzálního DPS digitální časovací jednotku s malým MCU AVR ATtiny2313, 3-místným LED displejem a doplnil obyčejné relé pro spínání zářivek a malý transformátor do DPS pro napájení. Chtěl jsem využít všechny ovládací prvky - tedy zejména podsvícené tlačítko (slouží pro START/STOP osvitu a při delším přidržení pro konfiguraci) a původní 3-polohový přepínač doby osvitu slouží pro volbu jedné ze tří předvoleb. Do krytu jsem vyřízl okénko pro displej a přelepil tmavě zelenou fólií. Tato úprava není vůbec nutná, pouze usnadňuje práci - nemusíte vedle na hodinkách hlídat čas. Uvádět schéma popř. program pro ATtiny nemá smysl, postavil jsem to ze součástek co jsem měl v šuplíku a program je napsaný přímo pro konkrétní zapojení na univerzální DPS.

Výroba předlohy

Cílem je vyrobit maximálně kontrastní tzv. pozitivní předlohu motivu DPS pro osvit. Tato část je kritická, protože při nekvalitní (= málo kontrastní) předloze se prosvítí a ve vývojce se nám z DPS odplaví i samotné spoje. Samozřejmě, že je možné fotocitlivý lak znovu nanést (prodává se jako sprej - GM, hledejte "POSITIV 20") a osvícení opakovat, ale s nanášením laku nemám zkušenosti a navíc je to otravné a zdržuje to.

Příprava

Předpokládám, že motiv DPS již máme navržen, v jakém programu není podstatné. Já osobně jsem začal a naučil se v programu EAGLE (výrobce CadSoft), proto následující popis se bude vztahovat k tomuto programu. Je sice placený, ale do velikosti desky 80×100mm a max. dvou vrstev je pro nekomerční použití zdarma.

Z programu potřebujeme vytisknout dolní popř. horní motiv DPS. Nejde o nic složitého, program umí tisknout přímo, stačí jen nastavit zobrazení potřebné vrstvy (spodní - "bottom" nebo horní - "top"). Postup je následující:

• Klepnout na toolbaru na tl. Display.
• V zobrazeném dialogu klepnout na tl. None. To nám pro jednoduchost skryje všechny vrstvy a poté v seznamu vybereme jen ty potřebné - Bottom (máme-li motiv ve spodní/modré vrstvě) nebo Top (máme-li motiv v horní/červené vrstvě), Pads (pájecí otvory, součástí spojů), Vias (samostatné pájecí otvory) a Dimension (ohraničení DPS). Výsledek při tisku vrstvy BOTTOM by měl vypadat takto
• V menu File vybrat Print. V dialogu pro tisk v Options zaškrnout jen Black a Solid, ostatní odškrnout a ve Scale nastavit Scale factor = 1 (výchozí). Máte-li motiv v TOP vrstvě, zaškrtněte navíc volbu Mirror (důvod viz níže).

K tisku doporučuji laserovou tiskárnu a pauzovací papír, kde lze navíc použít trik s acetonem ke zvýšení kontrastu, viz níže. Výše uvedeným postupem vytiskneme jeden motiv DPS na jeden papír. Můžeme nanejvýš zvolit umístění na papíře a použít jej tak vícekrát, podle toho zda tiskárně nevadí vícenásobný průchod papíru.

Chceme-li najednou vyrobit např. několik menších DPS, musíme desky tzv. zpanelizovat. V EAGLU tato operace přímo dostupná není, lze ji ale obejít vytvořením prázdné desky (.brd souboru) bez schématu a přes funkci Cut desky nakopírovat. Druhou variantou je motiv vyexportovat do schránky jako monochromatickou bitmapu v požadovaném rozlišení a v libovolném grafickém programu je poté poskládat a vytisknout.

Po vytištění musí být předloha zrcadlově převrácena, protože ji budeme k DPS přikládat vytištěnou stranou a tím ji přezrcadlíme zpět. V EAGLU je proto při tisku volba Mirror (modrá/bottom vrstva, protože na ni vlastně koukáme skrz DPS už přezrcadlená je). Při exportu a vkládání do daného grafického programu si toto musíme zajistit sami. Doporučuji mít vždy na DPS nějaký jednoznačný text, protože právě podle něj snadno poznáte, že máte vytištěno správně.

Zvýšení kontrastu předlohy

Po vytištění předlohy laserovou tiskárnou je dobré ještě kontrast předlohy zvýšit. U některých tiskáren to nejspíše nebude nutné, ale rozhodě tím nic nezkazíte. Toner zapečený tiskárnou sice na první pohled vypadá na papíře velmi kontrastně, ovšem ve skutečnosti jsou mezi jednotlivými zrnky toneru nepatrné mezery, které se při osvitu projeví. Vypomoct si můžeme velmi jednoduchým trikem s acetonem. Stačí jej malé množství nalít na dno porcelánové misky a motiv potisknutou stranou na misku přiložit. Stoupající páry acetonu mírně toner naleptají a ten se tak sleje. Mám vyzkoušený čas okolo 3 až 4 minut, při příliš dlouhé době se již jemné motivy mohou vzájemně slít. Čas je nutné vyzkoušet, je závislý na typu toneru, tiskárny a množství acetonu v misce. Výsledek je patrný zejména při pohledu proti světlu (přes okno).

V tuto chvíli před osvitem je možné ještě na předloze provést drobné opravy černým lihovým fixem. Osobně jej krom korekcí používám ještě na velké černé plochy, které v zájmu úspory toneru tisknu jen vyplněné nějakým vzorem (mřížkou). Fix je oproti toneru levný a trvá to jen chvíli.

Osvit DPS

Tímto krokem přeneseme motiv DPS na předloze na fotocitlivý plošný spoj. Uřízněte si potřebnou velikost desky s jistou rezervou a připravte si tenký molitan, plexisklo, nějakou zátěž a UV lampu. V tuto chvíli je vhodné pracovat v přítmí nebo alespoň ne na přímém světle. Fotocitlivá vrstva je citlivá i na sluneční světlo a umělé osvětlení, zejména od zářivek. Na rovnou (!) plochu si položte molitan, na něj kus desky a přiložte připravenou předlohu vytištěnou stranou na fotocitlivou vrstvu. Celek překryjte zmíněným plexisklem a zatěžte. Díky závaží a molitanu bude motiv co nejlépe dosedat na plošný spoj.

Nyní na plexi položte UV lampu, nastavte čas a zapněte. Doba osvitu je různá, osobně mám se svými pomůckami a desku s GM vyzkoušen čas cca 3:00 až 3:15 (min:sec). Při delším osvitu se předloha prosvítí a ve vývojce se nám odplaví vše. Čas je nutné odzkoušet, osobně jsem si vytiskl malý testovací motiv s několika spoji různých šířek, uřezal několik malých cca 2×2 cm destiček a zkoušel různé doby osvitu.

Vyvolání

Po osvícení DPS UV světlem následuje vyvolání ve vývojce. Vývojka je slabý, cca 3% roztok hydroxidu sodného (NaOH nebo louh, často je prodáván také jako čistič odpadů). Dá se koupit už hotová v GM nebo si ji můžete připravit sami. K přípravě stačí jen hydroxid sodný, který je ke koupi v drogerii, nejčastěji ve formě zrníček. Osobně si ji vyrábím sám, cenově je výrazně výhodnější - 500ml hotového roztoku se prodává za cca 40,- Kč, zatímco 1 kg balení hydroxidu stojí asi 50,- Kč a vyrobíte z něj stovky litrů. Mám vyzkoušeno asi 10 zrníček do cca 500ml vody a nechat rozpustit. Bude-li roztok slabý, vyvolání bude jen trvat déle. Naopak bude-li příliš silný, odplaví se z DPS vše.

Ihned po osvitu desku ponořte do zmíněné vývojky. Je-li vše vpořádku, uvidíte ve vývojce fialovou barvu - odplavující se rozpuštěný lak z osvícených míst. V odplacení je dobré roztoku pomáhat kolíčkem na prádlo se smotkem vaty na konci, ale jemně! Pokud bude probíhat vyvolávání příliš pomalu, je roztok příliš slabý - můžete nejlépe pinzetou postupně přidávat další zrníčka hydroxidu a smotkem vaty urychlit rozpuštění (pozor, aby se vám zrníčko nedostalo přímo na DPS, v místě kontaktu by se vše ihned odplavilo). Vyvolání je hotové, pokud se již nic neodplavuje a je jasně patrný motiv spojů. V tuto chvíli desku z vývojky vyjměte a omyjte pod proudem studené vody. Najdete-li na desce nějaké kazy, je možné je po osušení desky opravit leptuvzdorným fixem.

POZOR NA OČI!! Do vývojky můžete šáhnout holou rukou, roztok není při krátkém kontaktu s pokožkou a následném omytí vodou nijak agresivní. Dávejte ale pozor, aby se vám zejména při vkládání DPS do roztoku nedostal do úst (zapít něčím kyselým a k lékaři) nebo hůře do očí (ihned k lékaři!). Desku do vývojky nevhazujte, ale volně pokládejte, aby stihly unikat všechny bublinky a necáklo to.

Vývojka je použitelná opakovaně, při skladování se k ní nesmí dostat vzduch, jinak svou schopnost ztrácí. Proto ji mám uskladněnou v dóze na potraviny s těsněním ve víku, viz první odstavec. Měním ji ve chvíli, kdy už je příliš znečištěný odplaveným (= rozpuštěným) fotocitlivým lakem. Protože je roztok v podstatě louh, kterým se běžně čistí odpady, vylévám ji proto za tekoucího proudu horké vody do umyvadla.

Leptání

Ihned po omytí vyvolané desky je možné ji nechat vyleptat v leptacím roztoku. Já používám chlorid železitý FeCl₃, další možností je v roztoku kyseliny chlorovodíkové a peroxidu vodíku v poměru 1:2, které je sice výrazně rychlejší, ale nikdy sem to vzhledem ke kyselině neměl potřebu ani vyzkoušet. Leptání v chloridu železitém je sice pomalejší (cca 5-10× v závislosti na teplotě roztoku), ale nepracujete s kyselinou a nepotřebujete žádné nástroje pro manipulaci s deskou. V následujících odstavcích bude tedy jako leptací roztok uvažován pouze chlorid železitý. K zakoupení je v GM za cca 80,- Kč za 500 ml.

Roztok je vhodné v průběhu leptání udržovat zahřátý, leptání je pak výrazně rychlejší. Z tohoto důvodu mám na leptání dvě dózy, jednu menší s těsněním ve víku s roztokem a druhou větší obyčejnou. Po sundání víka z té s leptacím roztokem ji položím do té větší, do které naleji vařící vodu z rychlovarné konvice (tak, aby dóza s leptacím roztokem v té větší neplavala).

Desku pomalu pod mírným úhlem pokládejte na hladinu roztoku (aby nevznikaly vzduchové bubliny), mědí směrem dolů. Deska se na hladině drží a leptání je tím rychlejší, odleptaná měď ihned klesá na dno misky a nepřekáží. Leptání v závislosti na teplotě roztoku trvá asi 10 až 15 minut (s ohříváním vařící vodou). Necháte-li desku v roztoku příliš dlouho, spoje se podleptají a úzké cesty se mohou odleptat úplně. Průběh lze vcelku snadno kontrolovat, motiv začne po chvíli skrze DPS prosvítat. Desku můžete z roztoku kdykoliv vyjmout, zkontrolovat a vrátit zpět na hladinu. Leptání je (téměř) hotové, kdy je patrný prosvítající celý motiv. Já v tuto chvíli desku otočím a drobná nedoleptaná místa přejíždím smotkem vaty, namočeným v leptacím roztoku, dokuď nejdou všechna potřebná místa dokončena. Poté desku z roztoku vyjměte úplně a omejte pod proudem vody.

ZNOVU: POZOR NA OČI!! Do chloridu železitého můžete sáhnout holou rukou, špatně se to ale smývá. Doporučuji si pořídit tenké rukavice, např. ty, které bývají v supermarketech u pečiva, výrazně se tím zvyšuje komfort práce s leptacím roztokem. Dejte si pozor, aby se vám roztok nedostal do pusy nebo do očí! - s prací nespěchat. Pro leptání si vyberte vhodné prostory - osobně vše s chemií provádím v koupelně. Nedoporučuji leptat v obýváku nebo u sebe v pokoji. Rovněž dbejte na to, aby se vám roztok nedostal na oblečení nebo na cokoliv jiného v okolí - smývá se to těžko i z umyvadla, z oblečení vám garantuji, že to nedostanete. Pokud leptáte jako já ve společných prostorách bytu, je minimálne slušností dát o tom ostatním vědět!

Leptací roztok je stejně jako vývojka použitelný opakovaně. Skladujte jej tak, aby k němu nemohl vzduch (viz uzaviratelné dózy s těsněním ve víku). Nikdy jej neřeďte vodou ani ničím jiným! - zlikvidujete ho. Jedna dávka v dóze je použitelná na vcelku velké nožství desek (ze zkušenosti asi 10 až 20), roztoku stačí v dóze jen několik milimetrů. Čím je roztok starší, tím jde leptání pomaleji a je tmavší (znečištěný). Na dně dózy je po více deskách patrný nános odleptané mědi. Použitý roztok by se do umyvadla vylévat neměl, vylévejte ho do nějaké nádoby a jednou za čas to odneste do sběrného dvora.

Závěrečné úpravy, vyvrtání a osazení

Po vyleptání na omyté desce zůstala na spojích vrstva leptuvzdorného laku. Ten je dobré z desky umýt až po oříznutím a zabroušením na požadovaný rozměr, vyhnete se tak jednomu zbytečnému omývaní desky acetonem před pocínovaním. Lak z desky je možné omýt zmíněným acetonem nebo nitroředidlem C6000.

Pocínovaní

Desku je vhodné po vyleptání a omytí povrchově ošetřit. Nejjednodušší je potřít ji např. kalafunou rozpuštěnou v lihu, naopak nejlepší je podle mě pocínování desky. Existují pro to i přímo určené přípravky pro tzv. chemické pokovování, ke koupi jsou také např. v GM. Vyzkoušel jsem cínovací lázeň (z GM), výsledek ale za moc nestál, zůstal jsem tedy u ručního pocínování desky mikropáječkou. Sice to trvá déle, než jen potření kalafunou, ale deska je pak velmi dobře pájitelná a to i po delší době.

K ručnímu cínování použijeme zmíněnou mikropáječku, pájku a pájecí kapalinu. Nejdříve na očištěnou desku naneste pájecí kapalinu. Páječku si nastavte na o něco vyšší teplotu, než při běžném pájení (350 až 400°C oproti 300°C), přidejte trochu pájky a páječkou se příjížděním ze strany na stranu snažte pájku jakoby "roztírat". Jde vcelku to dobře, důležitý je dostatek pájecí kapaliny. Po dokončení desku omyjte lihem, výsledná deska je na obr. . Cínujte desku ještě před vyvrtáním, pájecí kapalina pak nebude protékat skrze otvory na podložku.

Vyvrtání a osazení

Teprve až po pocínování desky vrtám potřebné otvory. Nejlepší je k tomu menší vrtačka se stojanem (např. Proxxon nebo Dremel), mě prozatím dostačuje obyčejná ruční minivrtačka na 12V, se kterou jsem již vyvrtal spoustu desek a na větší otvory hobby aku vrtačka. Vrtáky 0,8 a 1mm kupuji v GM. Pokud máte možnost, na větší či nepravidelné otvory jsou velmi dobré malé zubařské frézky (klidně i použité, pro frézování DPS jsou ostré ještě více než dost). Nebuďte líní vyměňovat vrtáky! Rozdíl mezi 0,8 a 1mm je více než znatelný. Při vrtání pomáhají měděné pocínované spoje - vedou vrták.

Vyvrtaná deska je připravena k osazení. Osazujte nejdříve SMD součástky, poté na druhé straně desky drátové propojky, nízké součástky a jako poslední typicky elektrolytické kondenzátory a konektory. Pájím běžnou olovnatou pájkou. Nepřehánějte to s teplotou, nejčastěji mám nastaveno 300°C.

Závěr

Výsledek je na domácí podmínky velmi dobrý, celý postup se dá zvládnout za asi půl hodiny až hodinu a ani se při tom nemusíte zašpinit. Potřebné chemikálie skladujte na vhodném místě, ne na přímém slunci, ne v dosahu dětí. Výše uvedenou metodu používám i na malé desky s jen pár součástkami.

Fotocestou lze vyrábět i oboustranné desky, v GM se i prodávají oboustranné fotocitlivé desky. Principiálně to není složité, vytištěné předlohy je jen nutné přes sebe přesně srovnat, osvit provádět z obou stran, stejně tak vyvolání a leptání. Problémem jsou ale prokovené otvory, které v domácích podmínkách neuděláte - prokovky si tak musíte vyrobit ručním "prodrátkováním", které je ale problematické např. u kondenzátorů nebo konektorů - musíte si prokovky umísťovat na vhodná místa. Celkově vzato: jde to, ale musíte mít opravdu vážný důvod k výrobě oboustranné desky.