Praktická elektronika/Výroba plošných spojů

Zde si ukážeme, jak vyrábět elektronické obvody. Obvykle to obnáší:

1. vytvořit plošný spoj
2. připájet na něj součástky.

Plošný spoj umožňuje spolehlivý kontakt a uchycení součástek i ve velkých obvodech, vypadá hezky a je mechanicky odolný. Můžeme jej navrhnout pro konkrétní zapojení anebo si vytvořit univerzální plošný spoj, kde podle libosti umístíme vodivé plošky a součástky pájíme přímo na ně (bez vrtání děr). Univerzální plošné spoje lze také koupit již vyleptané a předvrtané.

Plošnému spoji se někdy můžeme vyhnout:

• V malých obvodech můžeme součástky spojovat ve vzduchu (tzv. "vrabčí hnízdo" či "manhattan").
• Namísto leptání rozsáhlejšího spoje pro daný účel lze vyleptat proužky kuprextitu (široké 10 mm), na nichž jsou naneseny měděné vodivé proužky (široké 2,5 mm).
• Zejména pro práci s digitálními obvody využijeme nepájivá kontaktní pole, též žertovně označovaná jako nekontaktní pole, u nichž stačí součástky jen zastrkovat do připravených dírek. Nepřekročte šířku nožiček 0,5 mm, protože pokud se kontakty uvnitř desky příliš roztáhnou, už se dají jen těžko ohnout zpět. Slouží hlavně pro prototypová a experimentální zapojení, v nichž se nevyskytují velké proudy. Vyrábějí se v různých velikostech a cena se pohybuje podle velikosti od 100 Kč do 400 Kč.

Součástky, vodiče a dráhy na plošném spoji spájíme cínovou slitinou, která zajistí spolehlivý kontakt.

Výroba plošného spoje

Pro malé obvody je nejsnazší nakreslit fixou požadované spoje a zbytek měděné plochy vyleptat. U složitých nebo hromadně vyráběných obvodů je lepší použít leptání fotocestou z počítačem natištěné předlohy a samotné rozmístění součástek navrhnout ve specializovaných programech.

Potřeby a materiál

• Cuprextit (laminátová deska s mědí, vhodná cena asi 50 ~ 100 Kč za desku 30x30 cm)
• Čerstvá lihová fixa (stačí za 15 Kč), případně lihový lak, pokud by se lihová fixa podleptávala
• Vrtačka (nejlépe stojanová)
• Vrtáčky průměru 0,8, 1, 1,5 popř. 2 mm (lze koupit běžně do 20 Kč)
• Vanička na leptací roztok (ne jídelní talíř!)
• Role toaletního papíru na rychlé otření leptacího roztoku z čehokoli, nejlépe však leptat u umyvadla.
• Chlorid železitý nebo odpovídající leptací roztok.

Chlorid železitý je látka jednak žíravá a jedovatá, jednak nesmírně žlutá, pročež omezme kontakt s ní na minimum. Ostatní leptací roztoky bývají ještě horší, i když obvykle tolik nebarví žlutě.

Roztok chloridu železitého (FeCl₃) se používá nejvíce. V něm obsažené trojmocné železo se redukuje na dvojmocné velmi ochotně, až tak, že se uvolněnému chlóru vyplatí se zakousnout do mědi. Leptat lze ale různými jinými oxidačními činidly (často se používá i kyselina chlorovodíková s 10%-ním peroxidem vodíku a vodou v poměru 1:1:1). Běžnou kyselinou se měď neleptá.

Návrh obrazce — krok za krokem

Nakreslíme si schéma na papír a promyslíme ho tak, aby se cesty co nejméně překračovaly (dělání drátěných propojek je práce). V této fázi návrhu je potřeba tužka a mazací pryž (známá jako "guma").

Všechny součástky mají rozteče vývodů v násobcích desetiny palce (0,1 in). To je asi 2,5 mm. Proto se pro návrh rozmístění pájecích plošek velice dobře hodí čtverečkovaný papír.

Poté tento "šmírák" překreslíme tak, jak jej chceme dát na plošný spoj. Spoje by měly být spíše oblasti, které dohromady pokrývají většinu plochy mědi. (Pokud necháme spoje tenké, spotřebujeme podstatně více leptacího roztoku a to také nemívá dobrý vliv na kvalitu vyráběného plošného spoje.)

V této fázi je možné vytvořit si i tzv. osazovací výkres. Ten udává rozložení součástek na desce.

Každý plošný spoj má dvě strany. Stranu součástek a stranu spojů. Součástky prostrčí své vývody ze strany součástek vyvrtanou dírou na na stranu spojů a tam se připájí. Strana součástek, je vůči straně spojů stranově převrácená. Proto je potřeba návrh před překreslením na plošný spoj stranově převrátit. K tomuto účelu se velice dobře hodí pausovací papír.

Poté si pausovací papír (otočený ze strany spojů) přiložíme na dobře očištěný a odmaštěný plošný spoj a zafixujeme ho například izolepou. Dobře očištěný musí být proto, aby se na něj dobře pájelo, ale také proto, aby se dobře vyleptal. K čištění dobře poslouží houbička na nádobí a kuchyňský čistící prostředek.

Před překreslením je nutné obrazec stranově převrátit a mít stále na paměti, kde je strana součástek a strana spojů.

Poté v místech pájecích plošek (okolo děr, kde budou součástky připájeny) naznačíme důlčíkem budoucí díry. Toto "důlčíkování" má dvě funkce. Jednak slouží k zachycení vrtáku při vrtání, aby neodjížděl po mědi do stran, za druhé slouží jako záchytné body při překreslování navrženého obrazce z papíru na desku plošných spojů. Další vodící body pro kreslení obrazce mohou vzniknout bodnutím rýsovací jehly.

Nyní je vše připraveno pro kreslení obrazce na měděnou stranu plošného spoje a vrtání.

Návrh obrazce — rychlá cesta pro zkušené

Nakreslení schématu na kuprextit

Nachystáme si všechny součástky, které chceme použít. Následně schéma překreslíme (bez osového převrácení) jemnou tužkou na laminátovou stranu kuprextitu. Čáry tužkou je dobré vygumovat, protože tuha může být vodivý spoj. Zdůrazníme si tečky pro budoucí díry pro nožičky. Součástky případně příkládáme ke spoji a dáváme pozor na to, aby se tam všechny vešly a aby jejich nožičky pasovaly do spoje.

Tento postup je sice výrazně rychlejší, ale vyžaduje větší zkušenosti s výrobou plošných spojů.

Vrtání děr

Navrtání děr

Desku našeho plošného spoje oddělíme od zbytku kuprextitu. Většinou je nejvhodnější opakovaně naříznout laminát odlamovacím nožem podle plechového pravítka (s tlakem) a opatrně odlomit. Lze také opatrně odbrušovat laminát 1,5 mm vrtáčkem.

Provrtáme všechny díry na spoji. Pro většinu součástek je vhodný 1 mm vrták, u tlustonohých 1,5 až 2 mm.

Pokud kreslíte obrazec přímo na plošný spoj, provrtáním bezchybně přeneseme převrácený obraz dírek podle schématu na spodní (měděnou) stranu. Pokud překreslujete navržený obrazec z pausovacího papíru, je vhodnější vrtat až po vyleptání.

Při vrtání je vhodné kuprextit něčím podložit, abychom si neprovrtali prsty či stůl.

Spoj ze spodní (měděné) strany důkladně očistíme drátěnkou/houbičkou, o ostrou hranu strhneme otřepky po vrtání.

Nakreslení šablony pro leptání

Nakreslíme spoje mezi dírami podle schématu. Okolo každé díry (pokud možno) necháme 1 mm okraj, aby se dal dobře pájet. Kreslíme pečlivě a hutně.

Snažíme se pokrýt co nejvíce povrchu. Nejde tedy o vytvoření útlých spojů mezi dírami, ale naopak o vyleptání úzkých mezer mezi měděnými oblastmi. Je to důležité pro zdar leptání a pro úsporu leptacího roztoku. Zabarvíme i oblasti, které nevedou odnikud nikam. Pro vytvoření útlých mezer mezi spoji můžeme zabarvit celý povrch a pak vyrýt rýhu do barvy ostrým předmětem podle pravítka. Pokud se velké plochy uzemní, můžou sloužit i jako dobré stínění.

Na obrázcích vidíte plošný spoj začátečníka a zkušeného konstruktéra. Začátečník se stále ještě soustředil na vytváření cest, ale zkušený konstruktér opravdu vytváří úzké mezery mezi vodivými oblastmi.

Leptání

Leptání plošného spoje

Nejlepší je desku s nakreslenou šablonou položit na hladinu a nechat plavat díky povrchovému napětí. Při pokládání se dotkneme nejdříve jednou hranou a pak pomalu sklopíme na hladinu, aby se deska ani nepotopila, ani na ní nezůstaly bublinky. Měla by pod ní být hloubka nejméně 5 mm, aby bylo zajištěno dokončení leptání.

Samotný proces leptání (pro dobře nakreslenou desku a běžnou koncentraci FeCl₃) trvá asi 15–20 minut. Během něj je možné desku nadzvednout a podívat se na postup leptání, ale velmi opatrně – při manipulaci se snadno odlupuje barva. Náhledy se proto snažíme páchat co nejméně a deska by přitom neměla oschnout od leptacího roztoku.

Po doleptání roztok slijeme zpět (případně do jiné lahve), neboť se dá používat opakovaně. Plošný spoj opláchneme.

Závěrečné úpravy

Úspěšně vyleptaný plošný spoj

Před pájením můžeme očistit povrch od barvy lihem nebo drátěnkou, případně předem pocínovat a pokalafunovat kontakty (zejm. k tepelně choulostivým a výkonovým součástkám). Případné chyby lze do mědi vyškrábat nebo naopak spojit drátkem. Nyní můžeme spoj osadit součástkami.

Plošný spoj na ukázce je řídicí obvod a zdroj obdélníkového signálu pro řízení generátoru vysokého napětí (polomostového zapojení s dvěma FET tranzistory IRFP460). Generátor generoval (>6000 V DC, >10 mA?), ale byl naladěn na špatnou frekvenci, při které začal transformátor rezonovat (3. harmonická v obdélníkovém signálu), což vedlo k brzkému zániku tranzistorů. Po jejich výměně a opatrném přeladění na nerezonující frekvenci již funguje stabilně.

Pájení

Podstatou pájení je vodivě spojit dva povrchy. Používá se k tomu slitina olova a cínu, tzv. „pájka“ či „cín“. Taví se při cca 260 °C, proto se snažíme součástky nepřehřát a pájet krátce. Neměli bychom součástku ohřívat déle než je nutné.

Aby se oba povrchy cínem spojily, je potřeba:

1. Aby byly čisté, tzn. zbavené mastnoty a oxidů na povrchu. To zajistí namočení hrotu v kalafuně.
2. Aby byly ohřáté na 200 - 300 °C. Optimální teplota je, když kalafuna právě začíná vřít.
3. Aby byly z kovu, který cín dobře smáčí. To je např. měď, stříbro (a postříbřená ocel), zlato nebo mosaz. Naopak na železo nebo hliník přímo pájet nelze a musíme je předem natřít zvláštním pájecím roztokem.

Odstrašující přiklad

Je potřebné spájet dohromady dva vodiče.

Intuitivně prostě a jednoduše vezmeme vodiče, nabereme do páječky pájku (slengově by se řeklo: "nabereme si do pájky cín") a budeme se snažit vodiče slepit. Pájka ("cín") se k vodiči ne a ne přichytit. Po úporném snažení a žhavení to většinou dopadne špatně. Je to opravdu slepenec, jehož pevnost a hlavně vodivost není zaručena.

Jak by se to tedy mělo dělat?

Zásada číslo jedna: Kalafuna. Kalafuna, kalafuna, kalafuna a ještě jednou kalafuna. + Acylpyrin !!! Namáčejte hrot neustále do kalafuny. Tabletka normálního Acylpyrinu funguje jako prudké odkysličovadlo, ať vás ani nenapadne se nadýchat výparů !!! Používejte jej pouze v případě nouze, kdy se kontakty nechtějí spojit.

Zásada číslo dvě: Pocínovat. Ještě před pájením je nutné vodič pocínovat — to znamená nanést na něj tenkou vrstvu pájky ("cínu"). To je nejlepší provádět přímo ve vařící se kalafuně a vedle volně položené tabletky běžného (ne šumivého) Acylpyrinu.

Rozžhavíme páječku a nabereme do ní trochu pájky:

Vodič vnoříme do tekuté kalafuny a pájku ("cín") po něm roztíráme:

To uděláme u obou dvou vodičů. Potom stačí jen pocínované vodiče k sobě přiložit a opět lehce pájku ("cín") rozetřít:

Samozřejmě předtím namočíme hrot páječky do kalafuny.

Pájení na plošný spoj

Dobře zapájený vývod má tvar kužele

Špatně zapájený vývod má tvar kuličky...

...spojení dřív nebo později přestane být vodivé

I když to tak na první pohled nevypadá, je pájení na plošný spoj v podstatě stejné jako spájení dvou vodičů. Jde vlastně o pocínování pájecí plošky a vývodu součástky.

Nejprve tedy prostrčíme vývody součástky na stranu spojů. Nabereme trochu kalafuny na hrot páječky, z jedné strany přiložíme pájku, z druhé cín a snažíme se rozetřít cín po pájecí plošce. Pokud se to nedaří přidáme ještě kalafunu.

Pokud se podařilo cín dobře rozetřít po pájecí plošce je už většinou spojen s vývodem součástky. Pokud ne, snažíme se pájku hrotem páječky jakoby povytáhnout po vývodu součástky nahoru, abychom docílili kuželovitého tvaru.

Nevzdávejte to. Jistě vám to nepůjde napoprvé. Pájení je dovednost, která se nedá přečíst. Takže pájet, pájet a pájet.

Dávej si pozor na příliš ostré vývody při pájení. Tyto tzv. špičky mohou být potenciálními zdroji rušivého záření.

Univerzální deska plošných spojů

Je to deska s již předvrtanými otvory a měděnými ostrůvky různých tvarů. Nejčastěji to jsou malé obdelníčky. Součástky se pájí stejně jako na běžný plošný spoj. Vodivé cesty se vytvářejí spojením měděných ostrůvků pájkou nebo drátovou propojkou.

Výhoda v rychlosti přípravy a v univerzálnosti.

Manhattan (vrabčí hnízdo)

Tento způsob výroby se hodí velice dobře v situacích, kdy potřebujeme něco rychle odzkoušet nebo navrhnout. Pokud vyleptáme klasický plošný spoj a při oživování zjistíme, že obvod je chybně navržen, dělají se zásahy do plošného spoje velice špatně. Při výrobě zařízení ve stylu Manhattan máme absolutní volnost a není problém kdykoli do zapojení zasáhnout a něco v něm změnit. Z tohoto důvodu se velice dobře hodí pro vývoj zařízení.

Na druhou stranu je třeba říci, že takto vyrobená zařízení mají malou mechanickou odolnost a pokud by byla vystavena mechanickému namáhání (například běžné poměry v šuplíku) můžou se vývody součástek "utřepat".

Pomocí rýsovací jehly nebo pilky na železo můžete vytvořit z klasického plošného spoje tzv. univerzální desku. Jsou to vlasně měděné ostrůvky, které slouží jako vodivé uzly.

RCoscillatorobr.jpg

I přes jednoduchost a univerzálnost univerzální destičky se najdou tací, kterým se příprava zdá složitá. Ti si potom (jestli vůbec) rozdělí destičku na minimum oblastí.

Největší oblast (často jediná oblast) slouží jako uzemnění a ostatní uzly jsou vytvářeny ve vzduchu.

Obrovskou výhodou je rychlost. Pokud se rozhodnete v zapojení něco změnit, je to opravdu dílem okamžiku.

Nepájivé pole

Další možností, která je opravdu jen a jen pro vývoj a nikoli pro zařízení, které má reálně sloužit je tzv. nepájivé pole.

Je opravdu nepájivé. To znamená, že obsahuje pružné kontakty, které jsou v řadách nebo sloupcích spojené. To s sebou přináší jisté problémy, pokud některý kontakt pruží špatně — nevede. Pozor na příliš tlusté nožičky některých součástek, pokud se kontakt roztáhne, už se nedá vrátit zpátky.