Cyfrowa trawiarka płytek PCB

Obecnie dużą popularność zdobywa wykonywanie płytek drukowanych w specjalistycznych firmach zewnętrznych. Zapewnia to w pełni profesjonalne wykonanie PCB jedno lub wielowarstwowych. Mimo licznych zalet bardzo wielu elektroników hobbystów wykorzystuje popularną od bardzo dawna metodę wytrawiania za pomocą chlorku żelaza lub środku B327. Aby wykonać płytkę zachodzi potrzeba stworzenia odpowiednich warunków fizycznych aby proces przebiegł prawidłowo. W poniższym artykule przedstawię Wam swój projekt, który samodzielnie opracowałem by ułatwić sobie życie podczas tworzenia różnych układów.

 

Jak  powstaje płytka drukowana.

Zakładając, że wymyśliliśmy jakiś projekt pełniący określone zadanie lub różnorodne czynności. Będzie on składał się z kilkunastu bądź kilkudziesięciu elementów elektronicznych pasywnych, aktywnych, układów scalonych itp. Współpracując ze sobą stworzą schemat elektryczny będący podstawą działania układu. Połączenia występujące między nimi w sposób fizyczny umożliwia mozaika ścieżek miedzianych. To tak jak twój komputer jest podłączony przewodem do gniazdka, gniazdko do sieci elektrycznej mającej swoje „korzenie” w elektrowni co zapewnia dostarczenie energii do urządzenia przewodami. Istotą jest utworzenie tych miedzianych łączeń między elementami elektronicznymi. W tym celu wykorzystuje się programy komputerowe takie jak Eagel lub KiCad itp. Ja jestem użytkownikiem tego drugiego i gorąco go polecam. Mimo mniejszej bazy fotoprintów ( czyli wirtualnych odzwierciedleń rzeczywistej budowy tranzystorów, mikrokontrolerów itd. w różnych obudowach) program jest w pełni darmowy. Dodatkowo jest dostępne spolszczenie, a obsługa jest bardzo intuicyjna. Wracając do tematu tworzy się połączenia między nóżkami elementów tzn. ścieżki między padami. Utworzone wszystkie połączenia nazywamy płytką drukowaną. Tutaj następuje kwestia, którą przedstawiłem we wstępie do artykułu. Można wykorzystać opcje programu i wygenerować pliki, a następnie dostarczyć specjalistycznym firmom nie mniej jednak tańszym procesem jest całkowite wykonanie układu w domowych warunkach zwłaszcza przy pojedynczym wykonaniu obwodu drukowanego.

 

Proces wytrawiania 

Po wyżej opisanym procesie komputerowego uzyskania mozaiki ścieżek następuje jej przeniesienie na płytę szklano – epoksydową pokrytą warstwą miedzi (laminat). W następnym artykule postaram się stworzyć poradnik szybkiego i łatwego procesu tworzenia płytki drukowanej. Kluczową rolą jest prawidłowe zakrycie tonerem obszarów miedzi podczas gdy reszta powinna zostać usunięta w procesie wytrawiania związkiem chemicznym. Po zakończeniu trawienia usuwając toner pozostanie mozaika ścieżek miedzianych umożliwiająca połączenia elektryczne. Jakość tego jest uzależniona od prawidłowego przebiegu wytrawiania w odpowiednich warunkach fizycznych. Mowa o proporcjach środka trawiącego, odpowiedniej temperatury oraz prawidłowego napowietrzania roztworu.

Prawidłowa dawka B327 to 100g na 0,5l wody jest ona zawsze podana na opakowaniu chemii. Polecam jednak zmniejszyć stężenie roztworu zwłaszcza jeśli wykonujemy pojedynczą płytkę PCB. Ważne żeby ilość środka trawiącego, która pozostała nam po wytrawianiu została umieszczona w wentylowanym pojemniku aby nie powstało nadciśnienie.  

Kluczową kwestią jest odpowiednia temperatura roztworu. Zbyt wysoka temperatura powyżej 50°C może spowodować podtrawienie pożądanych obszarów miedzi np. usunięcie cienkich ścieżek sygnałowych. Natomiast niska temperatura poniżej 40°C znacznie przedłuża czas wytrawiania nawet do 1-2 godzin (w moim przypadku) co stanowi duży kłopot. Raz nie zastosowałem podgrzewania roztworu co spowodowało bardzo długi proces trawienia(ok. 2h) mimo dosypywania środka trawiącego 🙁 . Prawidłowa temperatura wytrawiania powinna być ok. 45 stopni Celsjusza  zapewniając odpowiedni przebieg operacji.

Ostatnim ważnym aspektem jest odpowiednie wymuszenie obiegu roztworu poprzez napowietrzanie. Istotną rolę odgrywa ten czynnik w chlorku żelaza, gdzie tlen redukuje żelazo: Fe2 na Fe3To powoduje znaczne przyspieszenie wytrawiania płytek drukowanych. Natomiast w przypadku B327 powietrze pełni rolę mieszania roztworu: wyrównanie stężenia środka i temperatury oraz usuwanie utlenionej miedzi z laminatu.

Po uwzględnieniu tych czynników zaprojektowałem trawiarkę realizująca opisane założenia. W tym celu wykorzystałem mikrokontroler ATtiny 2313 oraz program Bascom AVR jako układ sterowania. Natomiast płytkę wykonałem w programie KiCad. Podczas jej wytrawiania wykonałem przy okazji symulację pracy urządzenia.

Budowa urządzenia 

Podstawą urządzenia stanowi odpowiedni pojemnik na roztwór. Zdecydowałem się na płaskie, szerokie naczynie wykonane ze starej szyby z otworem na czujnik temperatury roztworu w prawej dolnej części. Od spodu została umieszczona taśma LED znacznie poprawiająca obserwację procesu wytrawiania zwłaszcza, że często zabiegi te wykonuje w garażu lub piwnicy. Jako napowietrzanie(mieszanie) wykorzystałem zwykłą pompkę akwariową, która spisuje się bardzo dobrze. Problem stanowiło ogrzewanie roztworu. Ciężko było dobrać odpowiednią grzałkę bo te do akwarium były z wbudowanym termostatem natomiast sieciowe miały duże moce znamionowe. Postanowiłem wykorzystać w tym celu nieużywaną i niezbyt praktyczną lutownicę samochodową zmieniając jej grot na spiralę z aluminiowego przewodu 16mm2. Jej moc 22 W może nie umożliwia nagrzanie zimnej wody do roztworu, ale skutecznie utrzymuje temperaturę wytrawiacza na poziomie 45 °C. Dodatkowo niewykorzystany pin mikrokontrolera zaprogramowałem jako diodę LED świecącą przy odpowiedniej temperaturze co można wykorzystać kiedyś do przeprojektowania za pomocą przekaźnika elektronicznego i grzałki 230V. Konstrukcja zasilany jest z sieci i transformator 12 V. Urządzenie zawiera dwa układy zasilania stabilizowanego na popularnych” LM-ach”. Napięcie 12 V zasila grzałkę, brzęczyk piezo oraz podświetlenie kuwety natomiast 5 V mikrokontroleroler sterujący pracą i wyświetlacz LCD. Front panel oraz płytka PCB zamontowana została na metalowej części po obudowie z zasilacza komputerowego. Ta ostatnia jest umieszczona na drewnianej podstawce podtrzymującej kuwetę roztworem oraz do niej jest zainstalowany transformator. Panel przedni wykonałem w programie KiCad.  

Zasada działania trawiarki

Po rozgrzaniu grzałki do odpowiedniej temperatury można przygotować roztwór w kuwecie trawiarki w odpowiedniej proporcji. Roztwór powinien mieć ponad 45°C( w tym celu można skorzystać z wody podgrzanej w czajniku elektrycznym). Podgrzewanie zapewnia skuteczne utrzymanie temperatury. Do pomiaru ciepła roztworu wykorzystałem czujnik DS18B20 wykonany w wodoszczelnej obudowie co zapewnia prawidłowy pomiar jak również separację od „żrącego” roztworu. Pompka sterowana jest przez przekaźnik elektroniczny dostający sygnał od mikrokontrolera zmieniając jej stan on/off cyklicznie co trzy minuty. Zabieg ten zastosowałem w celu minimalizacji podtrawienia najcieńszych ścieżek. Operacja nie powoduje dużych opóźnień w trawieniu płytki. Dwa przyciski umożliwiają ustawienie temperatury:( termostat z regulacją histerezy o 1°C ). Jeśli będzie ona niższa niż zadana( na ekranie LCD TP.N) to uruchomi się sygnalizacja akustyczna oraz kontrolka LED. 

 

Podsumowanie

Przy wykonywaniu sterownika do opisanego projektu wykonałem symulację przyszłej trawiarki co pomogło mi przy późniejszej budowie. Cały proces trwał około 30 min, a zatem porównując go do wcześniejszej męki z prowizorycznymi urządzeniami trwającej nawet ponad 2 godziny. Sam projekt do chwili obecnej spełnia swoje zadanie w stu procentach i do tej pory nie nastąpiła żadna przykra niespodzianka 😛 w postaci usterki. Korzystając z konstrukcji zminimalizowałem swój kontakt ze szkodliwymi chemikaliami mianowicie wystarczy przygotować roztwór w kuwecie i to wszystko. Cena za całość nie przekroczyła 50 zł. Prócz przedstawionych zalet  zyskałem kolejne doświadczenia jako elektronik, a także umiejętności w konstruowaniu(projektowaniu). Polecam każdemu majsterkowiczowi zbudowanie własnej trawiarki by tworzone nowości dawały jeszcze większą frajdę 🙂 .

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *