Načrtujmo sami
Samogradnje elektronike so s poceni računalniki v enem čipu spet priljubljene. A brez lastnega tiskanega vezja doma težko naredimo zares uporabno napravo. Katera programska orodja potrebujemo? Koliko stane, če vezje izdelamo doma, ali če ga naročimo po meri?
Raspberry Pi, Intel Galileo, BeagleBoard in podobni izdelki so odlični pripomočki za učenje osnov računalništva in elektrotehnike. Imajo precej digitalnih vhodov in izhodov, ki jih lahko s pridom izkoristimo za krmiljenje lastne elektronike. Podobno velja za sodobne 32-bitne mikrokrmilnike, kot sta Microchipova PIC18 in PIC32. Toda na prototipni plošči (angl. protoboard) ne moremo izdelati praktično uporabne naprave, saj le s spajkanjem zagotovimo trajne povezave med elementi.
Čeprav lahko v bolje založenih (spletnih) trgovinah z elektronskimi komponentami kupimo razna že izdelana tiskana vezja za prototipiranje, so ta primernejša za izkušene elektrotehnike in raziskovalce. Njihova prednost v primerjavi s prototipnimi ploščami je, da omogočajo izdelavo naprav z enako ali višjo zanesljivostjo kot serijski izdelki, a nam ni treba izdelati mask za tiskano vezje. Žal je spajkanje na prototipno tiskanino veliko zahtevnejše kot na običajno tiskano vezje, ker ni vnaprej predvidenih mest za vgradnjo elektronskih komponent. Prav tako ni vnaprej izdelanih povezav med njimi. Vsako prototipno vezje bomo morali zato improvizirati od začetka do konca in ga bomo težko ponovili. Vse drugo, denimo vgradnja v ohišje, je pri prototipnem vezju skoraj enako, če žične povezave niso pretirano dolge v primerjavi z dolžinami povezav, ki bi jih imeli na skrbno načrtovanem tiskanem vezju. Pomembno je tudi, da se držimo priporočil in navodil izdelovalcev posameznih električnih komponent (več na spletni strani: sites.google.com/site/pcusbprojects).
Preizkusna ploščica za spajkanje
Kljub temu ne smemo biti presenečeni nad začudenimi pogledi in vprašanji, kako dolgo bo naprava s številnimi žičnimi povezavami delovala. Odgovorimo lahko preprosto, z vprašanjem, če »vseved« morda ve, kako so delovali stari radijski sprejemniki na elektronke, med katerimi številni še niso »poznali« tiskanih vezij. Dejstvo je, da se niso kvarili zaradi odpadanja žičnih povezav, temveč predvsem zaradi pregorevanja elektronk, ki so bile približno enako zanesljive kot žarnice z volframovo nitko.
Načrtovanje tiskanega vezja
Praviloma, razen pri zelo preprostih vezjih, načrte posameznih plasti tiskanega vezja izdelamo na podlagi električnega načrta. S programskim orodjem s premicami povezane električne komponente razporedimo na ploščico tiskanega vezja, tako da je čim manj križanj povezav in da so (razen v redkih izjemah – npr. realizacija majhne kapacitivnosti) povezave med električnimi komponentami čim krajše. Nato se lotimo ročnega povezovanja nožic električnih elementov z vezicami želenih debelin, kot bodo na tiskanem vezju. V zmogljivejšo programsko opremo za načrtovanje tiskanih vezij, ki je navadno plačljiva, je vgrajen eden ali več samodejnih povezovalnikov (angl. auto routers), ki postavitev elementov in povezovanje opravijo samodejno. Podati moramo le položaje vhodnih in izhodnih konektorjev. V zadnjem koraku moramo na maskah le še ročno dodelati kako podrobnost.
Ročno izdelan vmesnik na prototipnem tiskanem vezju, ki omogoča nadgradnjo 8-bitnega mikrokrmilnika z 32-bitnim (več na: sites.google.com/site/pcusbprojects/4-velleman-experiment-board-k8055-pic-replacement/q-velleman-k8055-to-pic32mx250f128b-adapter-schematic)
Orodjarna brezplačnega orodja
Med brezplačnim programskim orodjem za načrtovanje tiskanih vezij je zelo priljubljen odprtokodni KiCAD, ki se spogleduje s profesionalnimi orodji. Manjka mu predvsem samodejni povezovalnik, namesto katerega ponuja izvoz podatkov in uporabo spletne aplikacije FreeROUTE, ki med našim testiranjem ni delovala niti v Microsoftovem Internet Explorerju, niti v Googlovem Chromu.
Drugače KiCAD podpira vse faze razvoja tiskanih vezij, od načrtovanja električne sheme, prireditve tipa podnožij elektronskim komponentam, izdelave maske za vsako od plasti tiskanega vezja in izvoza podatkov v oblike, primerne za strojno izdelavo tiskanih vezij (npr. oblika gerber). Vsebuje več knjižnic električnih komponent, med katerimi so dodatne knjižnice, ki so jih prispevali različni uporabniki. Knjižnice so zapisane v lahko razumljivi besedilni obliki, tako da brez težav dodajamo lastne elemente, lahko pa v ta namen uporabimo tudi priloženi urejevalnik.
Poleg knjižnic električnih shem so priložene tudi knjižnice mask za različne vrste ohišij električnih komponent. Uporabljamo jih v drugem koraku načrtovanja tiskanega vezja, ko za vsako električno komponento izberemo ustrezno masko glede na vrsto ohišja. Vse prireditve KiCAD zapiše v tekstovno datoteko CMP.
Prirejanje zna biti včasih težavno, saj so v knjižnicah tudi napake, zaradi katerih je lahko na tiskanem vezju na določeno nožico električnega elementa pripeljan napačen signal. Nam se je to zgodilo, ko smo povezovali napetostni stabilizator LM317T, pri katerem sta bili napačno povezani nožici za vhodno in izhodno (stabilizirano) napetost.
OrCADov program za načrtovanje električnih shem
Ročna odprava teh napak je za izkušenega računalnikarja dokaj enostavna, saj je tudi datoteka s povezavami tipa NET v človeku razumljivem zapisu. Mi se nismo odločili za popravljanje maske za obliko TO-220, temveč smo v datoteki NET preprosto zamenjali nožici 2 in 3. Potem smo lahko tudi na maski plasti tiskanega vezja še enkrat narisali ustrezno povezavo. KiCAD namreč ne dovoli povezovanja komponent na maski tiskanega vezja brez povezav v električni shemi. Če bi hoteli napako popraviti v električni shemi, bi morali napačno povezati nožici za vhodno in izhodno napetost, da bi bilo potem na maski prav, a tega nismo hoteli.
Tisti, ki se mu zdi KiCAD prezapleten, lahko uporabi tudi kako enostavnejše zastonjsko orodje za načrtovanje tiskanih vezij, kot je PCBWiz.
Plačljiva orodja za načrtovanje
Pri profesionalnih orodjih ne moremo mimo Altiumovih izdelkov, oziroma P-CADa, in Cadencovega OrCADa. Profesionalnih orodij je sicer še zelo veliko. Med njimi so: CadSoft Eagle, ExpressPCB, DipTrace, Altium CircuitMaker, Protel. Večina je obsežnih in vsebuje tudi samodejne povezovalnike in orodja za izdelavo električnih shem, pa tudi orodja za popravljanje mask za izdelavo tiskanih vezij.
Kljub temu smo pri OrCadu in P-CADu v priloženih knjižnicah zaman iskali električni načrt in masko za 32-bitni mikrokrmilnik PIC32MX250F128B. Microchip sicer ponuja zastonjsko knjižnico električnih shem za svoje čipe, a v nestandardnem zapisu, ki ga moramo s posebnim plačljivim programskim orodjem, Ultra Librarian, pretvoriti v datoteko LIB. Brez licence nam je uspelo masko mikrokrmilnika in njegov električni načrt zgolj prikazati in se prepričali, da bi bila ustrezna.
Knjižnic elektronskih komponent pri OrCadu in P-CADu ne moremo ročno popravljati, ker niso shranjene v tekstovnem zapisu. Kljub temu je treba priznati, da plačljiva orodja večinoma tako ali drugače ponujajo več funkcionalnosti od brezplačnih.
gEDA je eno redkih brezplačnih načrtovalskih orodji, ki deluje na veliko operacijskih sistemih
Maskiranje površine laminata
Izvedba tiskanega vezja ni trivialna, saj moramo najprej po samodejnem ali ročnem postopku vse maske za jedkanje v obliki dodatnega sloja nanesti na dele laminata, ki jih želimo ohraniti. Najenostavnejša in cenovno ugodna je izdelava mask po fotopostopku, pri katerem potrebujemo pozitivni fotolak, ki ga infrardeča svetloba razgradi. V trgovinah z mikroelektroniko lahko kupimo tudi laminat z že naneseno tanko plastjo fotolaka. Toda, POZOR! Če uporabljamo negativni fotolak, ki ga infrardeča svetloba utrdi, potrebujemo negativne maske (prosojno namesto neprosojno in nasprotno), saj se bodo z jedkanjem razgradili neosvetljeni deli.
Z računalniškim tiskalnikom natisnemo masko za posamezno plast tiskanine na prosojnico in z njo prekrijemo s fotolakom premazano ploščico laminata. Nato jo osvetlimo s posebno infrardečo svetilko. Sledi jedkanje, s katerim odstranimo baker na mestih, kjer je fotolak razpadel. Nato moramo očistiti še preostali fotolak. Alternativa je uporaba letraseta ali posebnega maskirnega pisala. Namesto slednjega lahko uporabimo tudi črna vodoodporna pisala, ki jih kupimo v knjigarni. Toda s slednjimi je maska manj kakovostna.
Laminati in lastnosti tiskanih vezij
Izbor laminata narekuje številne lastnosti tiskanih vezij. Prevodna plast je praviloma narejena iz plasti bakra, debele med 5 in 70 mikrometri (mikrometer je tisočinka milimetra), debelina izolirne plasti pa je največkrat od 0,8 do 1,6 milimetra. Najpogostejši izolator je pertinaks, ki ga večinoma uporabljamo tudi za domače projekte. Sodobnejša tiskana vezja z večjo gostoto povezav so narejena na podlagi vitroplasta, ki zdrži višje temperature.
Večplastno tiskano vezje
V industriji uporabljajo tudi druge materiale. Najcenejša tiskana vezja lahko izdelajo tudi na papirni osnovi, za visokofrekvenčne naprave (osciloskope, oddajnike in sprejemnike na GHz področju) pa izdelujejo tiskana vezja na podlagi teflonskih laminatov z boljšimi električnimi lastnostmi. V nosljivih in prenosnih napravah pogosto zasledimo tudi tiskana vezja na plastični foliji. Izdelavo slednjih lahko za večje serije naročimo tudi pri slovenskih izdelovalcih.
Jedkanje
Za izdelavo tiskanega vezja potrebujemo laminat iz električnega izolatorja, debel okoli 1,6 mm, na katerega je nanesena zelo tanka plast bakra z ene strani ali z obeh (za dvoplastna vezja). Dobimo ga v bolje založeni trgovini z elektronskimi komponentami. Tiskano vezje nastane, ko z laminatne plošče odstranimo odvečni baker in s tem dobimo mrežo bakrenih povezav med mesti, na katera bomo prispajkali elektronske komponente.
Najpogosteje za odstranitev odvečnega bakra uporabljamo jedkanje laminata v raztopini klorovodikove kisline (HCl), vodikovega peroksida (H2O2) in vode (H2O). Natančnost in hitrost jedkanja sta odvisni od pravega razmerja HCl, H2O2 in vode, ki mora biti prilagojeno laminatu in vzdržljivosti nanesene maske. Obe kemikaliji, HCl in H2O2, lahko kupimo v trgovini s kemičnimi sredstvi. Pozor! Ne pozabimo, da HCl in H2O2 že kupimo v vodnih raztopinah, zato jo moramo dodatno razredčiti z vodo le toliko, kot je treba glede na vsebnost HCl oziroma H2O2 v raztopini, ki je navedena na embalaži. Hkrati se moramo zavedati, da se vsebnost H2O2 pri daljšem hranjenju lahko spremeni, saj se del lahko hlapljivega vodika izloči in uide iz embalaže.
V trgovinah z elektronskimi komponentami nam bodo namesto omenjenih kemikalij ponudili železov triklorid (FeCl3), ki deluje počasneje in je manj obstojen pri daljšem hranjenju kot vodni raztopini HCl in H2O2, če ju hranimo ločeno. Pri uporabi FeCl3 ostane tudi več nesnage. Njegova prednost je predvsem v tem, da je že pripravljen za uporabo in nam ni treba delati mešanice z vodo.
Del proizvodne linije za množično izdelavo tiskanih vezij
Rezkanje kot alternativa jedkanju
Nepotreben baker lahko odstranimo tudi mehansko, pri čemer izdelava mask za jedkanje ni potrebna. Toda brez dragega (laserskega) rezkarja CNC (računalniški numerični nadzor, angl. computer numerical control) bomo težko dosegli ustrezno natančnost, ne da bi porabili nekaj tednov časa. Z nožkom alfa in močno roko lahko v enem popoldnevu izdelamo le najenostavnejša vezja iz 10 ali manj diskretnih elementov.
Drugi postopki
Sledi nanos take zaščitne plasti, ki prepreči oksidacijo preostale bakrene plasti, a ne prekrije kontaktov, na katere bomo prispajkali elemente. Namesto tega lahko za domačo rabo celotno vezje s spajkalnikom prevlečemo s tanko plastjo cina. Včasih so to možnost uporabljali tudi v industriji, danes pa so drugi nanosi cenejši in obstojnejši.
Pri več kot dvoplastnem tiskanem vezju je treba še lepiti dva ali več dvoplastnih laminatov in vmesne izolacijske plasti. Treba je dodati tudi navpične skoznike (angl. vias), ki povezujejo različne plasti. Toda takega tiskanega vezja skoraj ne moremo izdelati doma, lahko pa ga naročimo pri ponudniku z boljšo strojno opremo za izdelavo tiskanih vezij.
Pomemben korak pri izdelavi tiskanega vezja je tudi izdelava izvrtin za »klasične« elektronske komponente, ki jih spajkamo s spodnje strani. Za komponente SMD (površinsko nameščene naprave, angl. surface mounted devices) izvrtin ne potrebujemo.
Pri polavtomatski izdelavi potrebne izvrtine naredimo z majhnim namenskim ročnim vrtalnikom (lahko tudi z navadnim, če ima regulator hitrosti vrtenja motorja, a to zahteva zelo veliko spretnosti). Za večino električnih komponent zadošča izvrtina s premerom okoli 1 mm.
Pri povsem samodejni izdelavi izvrtine naredi stroj. Kljub temu moramo vezje pregledati in preveriti, ali je ustrezno izdelano, saj lahko nastanejo podobne napake kot pri tiskalnikih, ki tiskajo na papir. Denimo, zamik zgornje in spodnje plasti vezja, napačno razmerje med širino in dolžino, zamaknjene izvrtine ipd.
Sestavljanje
Na gotovo tiskano vezje moramo prispajkati še elektronske komponente. Za ročno spajkanje so primernejša vezja s klasičnimi komponentami. Nožice elekričnega elementa vtaknemo skozi luknjice v tiskanem vezju, jih po potrebi shrajšamo in nato prispajkamo. Pri tem velja omeniti tudi možnost, da na tiskano vezje prispajkamo le podnožja večjih čipov. To je malenkost dražje, a nam omogoča enostavno menjavo komponent ob morebitni okvari.
Strojno nameščanje elektronskih komponent izvede robot. Pri serijski proizvodnji tiskanih vezij so komponente nameščene na papirnih trakovih, s katerih jih pobere robotska roka in jih (navadno) prispajka ali nalepi na tiskano vezje. Pri večplastnih tiskanih vezjih je treba nameščanje komponent ponoviti za vsako plast posebej. Pri tem je treba paziti, da z visoko temperaturo ne poškodujemo že nameščenih komponent z druge strani. Za občutljivejše komponente je priporočljivo uporabiti podnožja, saj jih tako lahko vstavimo v gotovo vezje brez spajkanja.
Programsko orodje Fritzing za načrtovanje tiskanih vezij
Po naročilu
Večina ponudnikov izdelave tiskanih vezij po naročilu pričakuje naročila večjih serij. Zato svojih cenikov ne objavijo v spletu, temveč so se pripravljeni tudi pogajati za ceno. Splača se naročiti le večje serije enakih tiskanih vezij, saj so stroški za predpripravo dokaj visoki. Cene se gibljejo od okoli 200 do okoli 600 evrov za nekaj deset kosov (samo za tiskanino), pri čemer je cena odvisna tudi od ponudnika. Tudi če bi naročili le en kos, bi cena zaradi predpriprave ne mogla biti dosti nižja.
Nekateri ponudniki, kot je slovenska AX Elektronika, imajo povsem drugačno filozofijo. Po zelo dostopnih cenah prodajajo »parcele« za strojno izdelavo prototipnih tiskanih vezij (www.svet-el.si/proizvodi-in-storitve/tiskana-vezja/1796-pcbparcela). »Parcela« je del velikega laminata, kjer po načrtu vsakega naročnika (datoteke tipa gerber) izdelajo želene količine tiskanih vezij. Pri tem skušajo zapolniti vso površino laminata. Zbiranje naročil poteka v povprečju teden ali dva. Ko se celotna površina laminata zapolni s parcelami, izdelajo tiskana vezja in jih razrežejo. Cena dveh tiskanih vezij velikosti 4 x 5 cm (20 cm2) je približno 10 evrov. Cena na kvadratni centimeter za več kot deset kosov je še nekoliko nižja. Toda naročnik mora sam zagotoviti celoten načrt za izdelavo tiskanega vezja, od masti do zaščitnih premazov.
Tuji mednarodni ponudniki izdelave tiskanih vezij pričakujejo večja naročila. Pri tem bomo, denimo, za 50 enakih dvostranskih tiskanih vezij velikosti 5 x 5 cm na spletni strani imall.iteadstudio.com/open-pcb/small-batches-pcb.html?pcb_quantity=215 odšteli 45 dolarjev in poravnali poštne stroške. Če res potrebujemo toliko tiskanih vezij, je cena ugodna, drugače pa bomo za parcelo odšteli manj. Pred nakupom moramo vsekakor preveriti tudi možnosti plačila in dostave izdelanih integriranih vezij.
Načrtovanje povezav med elementi na tiskanem vezju v P-CADu
Kako začeti?
Domača izdelava enostavnih integriranih vezij z dvema plastema tehnično ni zapletena, saj potrebujemo le ustrezen laminat in nekoliko izkušenj. Kljub temu potrebnega materiala ne moremo kupiti v količinah, ki bi jih potrebovali za enkratno ponovitev postopka. Za pribor in kemikalije bomo odšteli okoli 30 evrov. To približno za trikrat presega znesek, ki ga moramo plačati za izdelavo pri ponudniku »parcel«. Če se izdelave elektronike lotevamo bolj ljubiteljsko, je morda zadnja možnost ugodnejša.
Nakup »parcele« je elegantna možnost za tiste, ki si želijo izvesti zgolj manjši projekt. Za elektrotehnične navdušence, ki bi vsak teden izdelali novo tiskano vezje, je najprimernejša in najcenejša »lastna proizvodnja«. Bistveno je, da pred jedkanjem prvega zahtevnejšega dvostranskega tiskanega vezja izdelamo vsaj eno ali dve enostavnejši, enostranski tiskani vezji, da dobimo občutek za pravilno izvedbo postopka, obenem pa kak neuspeli poskus ne pomeni velike izgube časa in denarja, še posebej, če masko za jedkanje na bakreno plast laminata nanašamo ročno, pri čemer za zahtevnejše projekte porabimo tudi po več ur.
Če pa želimo imeti doma lasten laboratorij in imamo veliko izkušenj s spajkanjem, se splača razmisliti tudi o uporabi ploščic tiskanih vezij za prototipiranje, ki so gotovo najcenejša možnost. Ploščica velikosti 7,91 cm x 5,11 cm stane na spletni strani www.conrad.si/Preizkusna-ploscica,-79,1-x-51,1.htm?websale8=conrad-slowenien&pi=530126 zgolj 89 centov, to je okoli 10-krat ceneje, kot če naročimo izdelavo lastnega tiskanega vezja. Seveda pa bomo za izdelavo več prototipov potrebovali bistveno več časa (vsaj 5-krat več), kot če bi elektronske komponente le prispajkali. Obenem ne moremo uporabiti komponent SMD, ki imajo bistveno manjši razmik med nožicami. Tiskana vezja za prototipiranje s komponentami SMD so bistveno dražja, stanejo tudi do 10 evrov. Zato se naročilo tiskanega vezja izplača, razen če se lotimo razpolavljanja kontaktov na tiskanem vezju za prototipiranje kar z nožkom alfa (sites.google.com/site/pcusbprojects/home/simple-usb-microcontroller-programmer).
Ne pozabimo tudi, da je treba pri jedkanju dvoplastnih tiskanih vezij spodnjo stran podložiti ali pa vezje pritrditi v navpičnem položaju. S tem omogočimo normalen potek kemične reakcije na vseh bakrenih površinah …
Izdelava tiskanih vezij po naročilu
Domači izdelovalci:
www.svet-el.si/proizvodi-in-storitve/
tiskana-vezja/1796-pcbparcela
www.lingva.si/povprasevanje.php
www.aka-pcb.si/
www.luznar.com/
www.tiskanavezja-grohar.si/
Tuji izdelovalci
imall.iteadstudio.com/
www.seeedstudio.com/depot/
oshpark.com/