fotocesta: domácí výroba desek plošných spojů (DPS)

Vyrábět desky plošných spojů (DPS) v domácích podmínkách je metodou fotocesty velmi jednoduché. Tetno postup byl už popsán v různých časopisech a i na mnoha místech internetu. Chybět na elwebu by však takto základní věc rozhodně neměla. V následujícím článku popíši zkušenosti s "domácí" fotocestou tak, jak jsem je nabyl já. Netvrdím, že mé postupy jsou originálními ani, že jsou těmi nejlepšími. Věřím však, že třeba zrovna vám pomohou začít s výrobou plošných spojů.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Co budete potřebovat?
www.elweb.cz
Téměř vše je vidět na fotografii výše.
www.elweb.cz
1) UV lampa slouží k nasvícení fotocitlivého laku (naneseném na DPS) přes filmovou předlohu. Když nepočítám laserovou tiskárnu, tak je to zřejmě nejdražší potřebná věc. Já jsem ji zakoupil v provedení pro vytvrzování laku na nehtech a pak jsem ji musel stejně upravovat (viz dále), přestože ji v PS electronic prodávají pro osvit DPS. Určitě je možné lampu pořídit i levněji. Postačí hosrké sluníčko, které lze s trochou úsilí sehnat v některém z bazarů a nebo můžete zakopupit samostatně UV zářivku a k ní pak příslušný startér a lampu si vyrobit.
www.elweb.cz
2) roztok NaOH slouží pro vyvolání fotocitlivého laku. Lahev o objemu 0,5l vás vyjde přibližně na 20,-Kč. Koncentrace NaOH v roztoku by měla být dle návodu odpovídající pro konkrétní typ fotocitlivého laku respektive DPS s konkrétním lakem. Běžně však seženete pouze jeden typ lakem povrstvených DPS, pro který se doporučuje koncentrace 1,5% tedy stejná, jakou má běžně prodávaná vývojka, takže není co řešit. (Pořídíte v obchodech s elektronickými součástkami.) Můžete samozřejmě šetřit i na tomto roztoku a zakoupit bílé "lentilky", které rozpustíte ve vodě (cca 6 až 8 kousků na litr), ale vzhledem k ceně hotového roztoku v tom nevidím v tom žádné výhody. Spíše hrozí nebezpečí poleptání při nesprávném postupu rozpouštění.
www.elweb.cz
3) roztok FeCl₂ slouží k odleptání měděné plochy z DPS. Lahev o objemu 1l vyjde přibližně na 100,-Kč a vystačí až na 20dm². (Pořídíte v obchodech s elektronickými součástkami.)
www.elweb.cz
4) průhledná fólie do laserové tiskárny slouží k vyrobení filmové předlohy. Lze použít jakoukoli fólii určenou pro tisk na laserové tiskárně. Prodávají ji v papírnictvích nebo v copy-centrech a primárně je určena pro použití jako film do zpětných projektorů. Za jeden kus o rozměrech formátu A4 (210*297mm) zaplatíte něco kolem 10,-Kč. Kvalitnější fólie se po zahřátí v tiskárně méně zkroutí, takže se pak lépe přitisknou k DPS. Při dostatečném přimáčknutí plexisklem (viz dále) lze ale vyrovnat i poměrně značné zkroucení. Folie se samozřejmě nesmí změnit rozměrově (zcvrknout), ale to snad nedělají ani ty nejlevnější.
www.elweb.cz
5) DPS s fotocitlivým lakem K čemu slouží je snad jasné... Jedná se o klasickou desku cuprexitu povrstvenou mědí o tloušťce několika desítek mikro metrů. Na mědi je nanesen fotocitlivý lak. Desky se prodávají v mnoha různých rozměrech, ale vyplatí se obvykle zakoupit větší a pak si ji doma nařezat pilkou na železo nebo nastříhat nůžkami na plech. Jeden dm² přijde přibližně na 35 až 50,-Kč.
www.elweb.cz
6) Vrtačka Předpokládám, že už ji máte, protože bez malé "modelářské" vrtačky se člověk jako jste vy rozhodně neobejde. Pokud ne, nejlevnější se dá sehnat i za 250,-Kč a vystačíte si s ní. Rozhodně nemohu doporučit klasické velké vrtačky. I když je uchytíte do stojanu, nehodí se pro tak jemnou práci, jako je vrtání děr o průměru 0,8mm s přesností 0,1mm. Stojany pro malé "modelářské" vrtačky práci usnadní, ale přestože dostatečně kvalitní vrtačku koupíte i za poměrně nízkou cenu, ze stojanů s cenou pod 1000,-Kč budete zřejmě zklamaní. Stojan tedy podle mě buď kvalitní nebo žádný.
www.elweb.cz
7) Laserová tiskárna pro vytištění filmových předloh na průhledné fólie. Ne, inkoustová opravdu použít nelze. Pokud laserovou tiskárnu nemáte, můžete si předlohy nechat vytisknout u někoho, kdo ji má a nebo za pár korun v copy-centru. Do většiny copy-center stačí poslat soubor e-mailem nebo přinést na libovolném médiu (třeba flash kartě).
www.elweb.cz
8) Pájitelný lak slouží k závěrečné úpravě DPS pro lepší pájení a pro zabránění oxidace mědi. Bez tohoto laku měď zezelená a stane se nepájivou už po pár týdnech ne-li dnech. Nejlevnější pájitelný lak vyrobíte rozpuštěním rozdrcené kalafuny v lihu. Je to určitě lepší než nic.
www.elweb.cz
... ještě pilku na železo nebo nůžky na plech a to je snad všechno. Nakoupeno už máte a teď můžeme přejít k vlastní výrobě.
www.elweb.cz
Úprava UV světla
Pokud jste UV světlo vyřešili jiným způsobem, tento odstavec můžete klidně přeskočit.
www.elweb.cz
Pro osvit fotocitlivého laku na DPS jsem zakoupil ve výše uvedeném obchodě lampu primárně určenou pro vytvrzení laku na ženských nehtech v salonech krásy (...a nebo kdekoli jinde). Přestože je její cena poměrně vysoká (v té době 1600,-Kč), v internetových obchodech pro kosmetické salony tu samou prodávají dokonce za dvojnásobek (!). Má dvě zásadní nevýhody, které lze však drobnou úpravou odstranit. Sice propadne záruka, ale stává se z toho pak skutečně vynikající přístroj. První vadou na kráse je nevhodné rozmístění zářivek, které je uzpůsobeno pro vložení ruky, nikoli plošných spojů. Obě krajní zářivky jsou výrazně níže než ty prostřední. Použitelná plocha je přibližně 120*80 mm. Při vložení širšího plošného spoje dojde k nerovnoměrnému osvitu, které je nepřijatelné. Druhý problém už není tak závažný a týká se vestavěného časovače. Čas osvitu při použití časovače (120s) je možná vhodný pro nehty, ale pro popisované DPS je příliš dlouhý a při použití předlohy z laserové tiskárny dojde k jejímu částečnému prosvícení vlivem takto dlouhé expozice. Zářivky jsou přeci jen hodně blízko nad povrchem plošného spoje. Několika experimenty jsem dospěl k optimálnímu času expozice 50 až 60s. Se stopkami a ručním ovládáním vypínače to není žádný problém, ale proč časovač nevyužít, když už tam je.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Na tomto obrázku jsou vidět vnitřnosti rozebrané UV lampy. Vnitřek k mému překvapení vypadá poměrně precizně a vše je smontované pomocí šroubků, takže je snadné součásti bez poškození rozmontovat a opět složit. Nevýhodou tohoto postupu je, že vám vždy zůstaně několik součástek nebo alespoň šroubků, o kterých si myslítě, že tam nepatří, a že tam byly zbytečně... Číslem (1) jsou označeny krabičky vždy se dvěma startéry pro zářivky. V místě čísla (2) jsou vidět otvory pro původní umístění objímek pro zářivky. Tato plastová deska v lampě odděluje část s elektronickými obvody od prostoru se zářivkami a je v krytu lampy umístěna svisle. Číslo (3) pak ukazuje nové umístění krajních objímek pro zářivky. Aby byla mezi všemi zářivkami stejná rozteč (vzdálenost), bylo nutné o cca 7mm posunout i obě střední objímky. Posun objímek je však velmi snadný, stačí pro každou vyvrtat čtyři díry o průměru 4mm a přepájet kablíky. Dno jsem pak ještě pilkou na železo upravil tak, aby zakrývalo pouze část s elektronikou a pod celou částí se zářivkami zůstala lampa zespod otevřená.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
A takto již vypadá upravená UV lampa.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Obvod časovače obsahuje známý časovač 555, takže je i pro laika velmi snadné jej upravit. Šipky na fotografii vyznačují součástky, které je potřeba vyměnit. Elektrolytický kondenzátor spolu s rezistorem určují časovou konstantu 555ky v poněkud nestandardním zapojení monostabilního klopného obvodu. Kapacitu kondenzátoru doporučuji 2200 až 4700 uF. Rezistor vypájejte a připojte místo něj dva kablíky, na kterých bude sériová kombinace rezistoru o hodnotě 4,7k Ohm a potenciometru o hodnotě 50k Ohm. Jenom upozorňuji, že na tomto plošném spoji s časovačem je přímo síťové napětí a tomu by měly odpovídat i provedené úpravy. Kvůli bezpečnosti pro jistotu použijte raději potenciometr v plastovém pouzdru s plastovou osou a ne kovový (!).
www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz
1) příprava DPS
www.elweb.cz
Při manipulaci s plošným spojem přes den si zatáhněte závěs/žaluzie, je citlivý i na denní světlo, které obsahuje ve svém spektru samozřejmě i UV záření. Umělé světlo klasických žlutých žárovek (krátkodobě) nevadí. Po vybalení z černého obalu plošný spoj uřízněte na požadované rozměry pilkou na železo nebo ustřihněte nůžkami na plech. Potom můžete ještě okraje začistit jemným pilníkem. Dávejte pozor, abyste nepoškrábali lak (!). K odstranění pilin a prachu z DPS po pilování použijte proud vody nebo vzduchu, ale nikdy je neotírejte. Zbytek DPS důkladně zabalte do původního obalu a odložte.
www.elweb.cz
2) výroba filmové předlohy
www.elweb.cz
Zde popisuji pozitivní fotocestu. To znamená, že černá místa na fólii budou měděné cesty. Na těchto místech se fotocitlivý lak neosvítí a po vyvolání v roztoku NaOH zůstane na DPS (tedy bude bránit odleptání mědi z těchto míst). Naopak zbylá (průhledná a průsvitná) plocha na filmové předloze umožní osvícení těchto míst laku. Při vyvolání se takto osvícený lak "rozpustí" v roztoku NaOH a odplaví. Odkryje tak tedy měděnou plochu, která bude později odleptána.
www.elweb.cz
Jak jsem již zmínil, filmovou předlohu vytvoříte tiskem laserovou tiskárnou na průhlednou fólii. A teď jak to bude se zrcadlením předlohy. Poprvé se přezrcadlí kvůli tomu, že se jedná o spodní stranu DPS a v návrhovém editoru ji vidíte shora. Podruhé se však přezrcadlí tím, že přiložíte fólii potiskem směrem k DPS. 2x zrcadlení = původní předloha... Pro jistotu uvádím printscreen z návrhového programu Eagle:
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Konkrétně v Eagle nezapomeňte před tiskem zobrazit pouze ty správné vrstvy (bottom, pins, vias, dimension a možná i některé další dle konkrétního DPS) a nastavit také Scale factor na 1.
www.elweb.cz
Pokud to vaše tiskárna umožňuje, nastavte nejlepší kvalitu tisku a "spotřebu toneru" na maximální. Po vytištění předlohu vystřihněte nůžkami. Fólii můžete prohnat tiskárnou maximálně jednou, u těch kvalitnějších tak 2x nebo 3x. Pak je už příliš zkroucená teplem. Pokud chcete ušetřit peníze za další fólie, tak je z tohoto důvodu dobré si z fólie rovnou ustříhnout (s dostatečnou rezervou) potřebnou část. Předpokladem je, že tiskárna umí tisknout na libovolnou šíři papíru.
www.elweb.cz
Mnoho lidí doporučuje "trik s acetonem". Na vytisklou předlohu se nechají několik minut působit výpary acetonu a prý se tím má zlepšit kontrast předlohy. Po několika experimentech jsem došel k názoru, že tento "trik" příliš nefunguje. Většina laserových tiskáren, ale nedokáže s dostatečným kontrastem vytisknout větší černé plochy. To se týká nejen rozlité mědi, ale už i cest tlustších něž cca 2mm. Řešení je jednoduché. Stačí tyto plochy ručně přebarvit černou lihovou fixou (popisovačem). U takto širokých cest to není žádný problém a je to za chvilku hotové. Pokud byste přeci jen omylem přetáhli, můžete nežádoucí čáry po lihovce jemně vyškrábat žiletkou nebo ostrým nožem.
www.elweb.cz
3) osvit (expozice)
www.elweb.cz
Předlohu přiložte stranou s potiskem na DPS na stranu s lakem. Předlohu je potřeba dostatečně přimáčknout k DPS. K tomu jsem si vyrobil jednoduchou pomůcku s kusem plexiskla. Obyčejné sklo částečně filtruje UV záření, takže není příliš vhodné, ale použít lze také. Pomůcka pro přimáčknutí předlohy je vidět na následující fotce:
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Pod toto plexisklo stačí vložit DPS s předlohou a dotáhnout čtyři vruty. Pak se vše shora přiklopí UV lampou.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Dobu osvitu je potřeba zjistit experimentálně, protože záleží na mnoha faktorech, především na výkonu a vzdálenosti UV zářivek. Proto doporučuji nadělat si pět až deset malých testovacích DPS a vyzkoušet různé doby osvitu. Mně se osvědčilo 50 až 60s. Pokud je osvit příliš krátký, nebude se měď odleptávat tam kde má a když je moc dlouhý naopak se odleptá i tam, kde nemá, protože se předloha prosvítí zkrz.
www.elweb.cz
4) vyvolání
www.elweb.cz
Osvícenou desku vložte do roztoku NaOH mědí nahoru tak, abyste na ni viděli. Jako nádoby poslouží nejlépe fotografické misky, protože mají praktické "zobáčky" pro zpětné přelití kapalin do lahví. Někdo doporučuje pomáhat rozpouštění laku štětečkem. To lze, ale musíte použít opravdu měkký štětec, jinak hrozí nežádoucí poškrábání laku. Lepší je s miskou rukama trochu pohupovat tam a zpátky... Jakmile budou vidět kontrastní cesty a z DPS se už příliš nebude dále vyplavovat rozpuštěný lak, DPS vytáhněte (např. plastovou pinzetou) a omyjte pod tekoucí teplou vodou.
www.elweb.cz

www.elweb.cz
5) leptání
www.elweb.cz
Leptací roztok je nutné před leptáním zahřát na cca 40 až 50 °C. To nejlépe uděláte v umyvadle s horkou vodou, do kterého ponoříte alespoň na 15 minut roztok v originální dobře zavřené lahvi. Pokud na něj ještě pustíte tekoucí horkou vodu, bude ohřívání rychlejší. DPS osušte (například papírovým kapesníkem). Do leptacího roztoku by se neměla dostat voda, způsobilo by to jeho znehodnocení. Potom DPS opatrně položte na hladinu kapaliny mědí dolu. Chce to trochu praxe. Desku musíte pokládat zešikma, aby se pod ní nevytvořily bubliny vzduchu. Pokud se vám potopí, vylovte ji, omyjte ji, osušte a zkuste to znova. Do roztoku pro leptání nevkládejte žádné kovové předměty, které nechcete zničit. Stačí pár desítek vteřin a třeba nůž je černý, poleptaný, prostě zničený. Pokládání pomocí nějakých pomůcek je prakticky nemožné. Použijte ruku... Buď si vemte gumové rukavice a nebo se nebojte namočit si konečky prstů. Když si je hned omyjete vodou a mýdlem, nic se vám nestane. Nebezpečí, které teoreticky hrozí od používaných chemikálií je vstříknutí kapky do očí. Takže je dobré nosit pracovní brýle nebo být opatrný a nebo obojí...
www.elweb.cz

www.elweb.cz
Při dostatečném zahřátí leptacího roztoku bude deska vyleptaná do deseti minut. Pokud je alespoň trochu průsvitná, snadno to poznáte:
www.elweb.cz

www.elweb.cz
6) odstranění zbylého laku
www.elweb.cz
Desku vyndejte, omyjte a osušte. Pak ji vložte znovu pod UV lampu a exponujte, tentokrát už bez filmové předlohy. Opakujte vyvolání v roztoku NaOH. Omyjte ve vodě a opět osušte.
www.elweb.cz
7) Potření pájitelným lakem
www.elweb.cz
Desku potřete jemným štětečkem (nebo tamponem) pájitelným lakem. Jak jsem již zmínil, pokud se vám nechce kupovat, můžete jej provizorně vyrobit rozpuštěním rozdrcené kalafuny v technickém lihu.
www.elweb.cz
8) vrtání
www.elweb.cz
Desku vyvrtejte. K tomu vám dám už jen jednu radu: Nebuďte líní vyměňovat vrtáky. Většina klasických součástek vyžaduje díry o průměru 0,8mm. Nevrtejte je vrtákem 1mm. I když se to nezdá 0,2mm rozdíl je opravdu podstatný. Ve výbavě byste měli mít pro běžné součástky alespoň vrtáky 0,8 ; 1 ; 1,2 ; 1,4 ; 2 mm.
www.elweb.cz

www.elweb.cz

www.elweb.cz
Závěr
www.elweb.cz
Touto metodou lze vyrábět bez problémů desky v páté třídě přesnosti. Výroba jedné desky trvá s trochou praxe přibližně 20 minut. Celkové variabilní náklady se pohybují mezi 50 a 60,-Kč na 1dm².

fotografie/obrázek ve formátu jpg
fotografie/obrázek ve formátu jpg
fotografie/obrázek ve formátu jpg
fotografie/obrázek ve formátu jpg
fotografie/obrázek ve formátu jpg