Rozbor kvality: přímý tisk PCB

Již tři měsíce testuji tiskárnu pro přímý potisk PCB desek. Bylo potřeba nejdříve kvantifikovat hardware a zjistit jaké to má limity, co to umí, neumí.

Výhody

žádné filmy = úspora
vysoká flexibilita v různých materiálech
možnost tisku desky, masky, potisku (teoreticky)

Nevýhody

nižší rychlost, především u opakujících se panelů
diskutabilní přesnost
extra drahé inkousty
levná tiskárna nezvládne drahé inkousty
levné inkousty nevydrží leptání

Nebudu tady rozebírat všechny problémy a jejich řešení, dalo to dost práce, je to drahá znalost.

Probereme si tisk – kvalitu a přesnost, na konci jsou ukázky, porovnání výroby přes film – fotocestou a stejné desky přímým tiskem.

Největší problém jsou tenké spoje vertikálně (kolmo na pohyb tiskové hlavy), protože je tiskárna levná, spíš ty tiskové body odhaduje, než přesně tiskne, takže občas to ujede, bavíme se třeba o 0,05mm. Na výsledné desce je potom vidět čára roztřepená/okousaná. A u příliš malé mezery vertikálně, tak může dojít ke zkratu. Na to navazuje problém druhý, tiskárna v reálu dělá spoje tlustší, než je v zadání, ve vertikálním směru klidně o 0,15mm větší, to kompenzuji vlastním SW.

Na levé straně je deska přes masku, na pravé přímým tiskem. Film byl vytištěn stejnou tiskárnou, ve stejném rozlišení 1400x1400dpi jako přímý tisk. Klikněte pro zvětšení.

Jak je vidět, třeba na PLUS znaku, přímý tisk umí výrazně lépe zachovat hrany. Fotocesta působí jako aliasing (rozmazání), snižuje se rozlišení – detaily mizí. To samozřejmě má tu výhodu, že jakákoliv zubatost čar je srovnána.

U písmene V je vše vidět. Tloušťka písmene není stejná, ale vršek je hranatý. Film je rovnoměrnější, ale kulatější.

 

Poslední je ukázka písma 0.55mm. Není to font, ale nekvalitní rastr z obrázku.

Jedna naprostá výhoda přímého tisku tu je. Všechny tisky jsou jeden jak druhej. Dá se tedy velmi dobře předpovídat jak bude výtisk vypadat a problémová místa lze modifikovat. Film se chová jinak, když náhodou někde není 100% krytí, přítlak filmu je to problém. Nanesený suchý fotorezist také není bezproblémový a obsahuje sem tam chyby, místa bez rezistu, trhlinky a tak.

Závěr

Když jsem tiskárnu pořídil, očekával jsem úplně jiné vlastnosti. O nějaké problematice kolem toho jsem nic nevěděl. Původně jsem chtěl zlepšit přesnost a přejít na mezery 0,15mm s 0,15m čárou. To se bohužel zatím nepovedlo a zřejmě ani nepovede. Limit začíná přibližně u těch 0,20mm, záleží potom na tlouštce mědi na desce.

Tiskárna je vlastně takové CNC s pracovní plochou 450x320mm, kde lítá piezo hlava z epson tiskáren. Ano, se správným inkoustem můžete jakoukoliv epsonku předělat. Agfa inkousty stojí 16 tisíc za dva litry, minimální množství. Takže tak.

Sice jsem se nedostal k 5 mils, ale díky téměř 100% sytosti je film z tiskárny vhodnější na osvit a lépe se tak chová u jemnějších detailů. Hlavní výhodou tak zůstává možnost výrobu desek do rozměrů 400x300mm. Ale to bohužel neprojde cnc vrtačkou, takže zatím nemohu nasadit.

Geometrie je trochu problém, sice tiskárna je velice přesná, opakovatelnost je výborná, je potřeba zajistit precizní kolmost X-Y os. Dále je nutné drobné rozměrové rozdíly dokalibrovat v SW, tam samozřejmě lze i tu kolmost kompenzovat.

Tisk masky a servisního potisku

V první řadě, nejsou inkousty a ty které jsou nejsou určené do piezo hlavy co mám já. Druhý problém je, že v Y ose je tiskárna přesná, ale počáteční bod není vždy na stejném místě, občas to plus mínus dva milimetry položí jinam. Na X ose je víceméně stejná. Spíše budu pesimista, soutisk je lepší než 0,2mm. Na něco super a na něco strašně moc. Mrzí mě, že nemám dobrý inkoust na tisk alespoň servisního potisku. Bylo by to super. Ještě si to pár měsíců vyžádá, než se dostanu k nějakému výsledku.

Třídíte odpad, jste debilové!

Ano!

A teď si to rozebereme.

Jako všechno na týhle ekohoněný planetě je prostě recyklace jen otázka peněz. Když z recyklace budou padat zlatý cihly, tak garantuju, že nikde nezůstane ani zrnko plastu.

Taková ta veselá představa, že vezmete popelnici plnou plastu, uděláte abrakadabra a padaj z toho nový flašky na kolu, plastový díly aut, sáčky a bilion dalších věcí je představa určená pro batolata.

V reálu je tam náklad na separaci plastu na jednotlivý druhý, vyčištění, rozemletí, tepelný zpracování atd.

Já to za vás počítat nebudu, ale fakt každej kus plastu oddělíte od zbytku jiných materiálů (papír, hliník), kompletně ten plast umejete, aby byl čistej bez bordelu a podle druhu ho dáte k recyklaci?

Kelímky od jogurtu do myčky, plasty od kefíru, pokovené plastové obaly od sušenek s čokoládou. Co není 100% čisté frčí do kotelny. Ekologie brečí. Ta energie na umytí plastu něco stojí.

Věděli jste, že značná část těch zrecyklovaných plastů jde do spalovny? Nejsou vhodné k recyklaci.

Neexistuje firma, která by z těch hnusných plastů dělala něco užitečného, za co by chtěl někdo platit.

Ale v tabulkách jsme nejlepší v třídění, věděli jste, že spalování se označuje za energetické zhodnocení plastů a je to jeden ze způsobů recyklace?

Nejsem proti recyklaci, generuju kubíky plastů ročně, ale chtěl jsem aby si lidi sundali růžový brejle.

Mechanika slev aneb není to jak si myslíte

Znáte to, z doslechu nebo z vlastní zkušenosti. Vánoční sleva  šílených 50% znamená, že cena nejdřív vyrostla na dvojnásobek ..

Tyhle triky jsou jen taková oblbovačka do médií, vrtění psem.

V reálu se to dělá takhle.

Máme nějaký hypotetický produkt, který potřebujete cenově poladit = získat víc prašulí. Třeba jogurt, třeba Pierot od Olmy, prostě taková náhoda.

Normálně ho prodáváte za 10,90kč. Velitel přikázal zdražit, ale zákazník nebude radostí hýkat radostí. Takže se udělá letáková akce, kde se sníží cena z 10,90kč na 7,90kč. Lidi se můžou ušlapat, aby si urvali kus.

Takhle akce stojí prodejce dost peněz, ale cena je to konečná, vypustí omezené množství, může si tedy říct, proděláme na tom půl míče. Zadarmo k tomu je reklama, že ten olma jogurt je žravej, jo jasný, 15g cukru udělá svoje.

Stále stíháte. Teď přichází ta klička. Po skončení akce se vrátí cena na 13,90kč. Kolik se prodá? Přesně nic, lidi maj plný ledničky a nebudou za draho kupovat, blbý nejsou, jenže čas frčí a cena neklesá.

Hraje se takovej poker, kdo to dýl vydrží. A hle, ta kurva prodejce/výrobce to nevydrží a udělá slevovou akci z 13,90kč na 9,90kč. Lidi se můžou ušlapat, aby si urvali kus.

Prodejce “prodělal” 166 tisíc (2kč na kuse je vejš) a může dát druhý kolečko. Takže po skončení akce se vrátí cena na normálních 16,90kč. Hrajeme poker, nekupujeme, zlevňuje se na 12,90kč. Lidi se můžou ušlapat, aby si urvali kus.

Prodejce neprodělal a ještě má na trhu produkt s vyhoněnou cenou, která se bere jako normální.

Důležité je v tomhle koloběhu to pomalé rotování. Pamět není sloní a jestli to stálo před měsícem před akcí 12,15,13 to si úplně všichni nepamatujou.

Tak na to koukejte, celkem to frčí, olma tak jede velký bomby

PCB: povrchová úprava OSP

OSP není lak nanesený na povrch mědi. Jedná se o chemický proces, který se naváže na měd a tak ji chrání.

Zajímavostí je, že průměrná tloušťka vytvořeného povrchu je 0,5 um a rovinnost povrchu je lepší než u ENIG (nikl+zlato).

Nevýhodou je průměrná ochrana proti korozi a skladovatelnost tak do půl roku.

A teď prakticky

PMD chemicals prodává například Procirc 9611 OSP.

Procesní linka vypadá takto, platí pro ponořování do kádí:

  1. chemické čištění mědi a aktivace 3 – 5 min
  2. oplach 1-2 min
  3. další oplach 1-2 min
  4. microetch (známe ze staršího blogpostu)
  5. zase oplach 1min
  6. 5% kyselina sírová 1 minuta
  7. oplach 1 minuta
  8. 30-60s v procirc 9611 sop
  9. oplach 1 min
  10. druhý oplach 1 min
  11. sušení

Ph se udržuje mezi 2,5-3,1, teplota 40-45 stC, káď se nebublá vzduchem, jen pohybem. Čerpadlo bez kovových částí musí mít filtr 10um. Ohřívače pokryté teflonem.

Při prvním míchání roztoku se přidává 3,7ml/L čpavku (ammonium hydroxide), pokud je výsledná tloušťka povrchu nízká, přidává se čpavek 0,5ml/L, pokud je moc velká přidává se kyselina mravenčí 1ml/L.

Udržování lázně

měří se toho mraky.

Aktivní složka:

0,5ml roztoku domíchat DI vodou na 100ml, změřit spektrofotometrem na 270nm, Using a quartz cuvette zero with DI water, Measure the absorbances. Tohle provést s kontrolním vzorkem a originální chemií. Dopočítá se doplnění 9611R.

Kyselost:

25ml roztoku + 50ml DI voda, nekolik kapek  phenolphtalein indikatoru. Titrovat 1N hydroxidem. Počet ml x 4.35 = % kyselosti.Udržuje se mezi 90-120%.

A ještě tam mají metodu jak měřit tloušťku výsledku. Na 3x5cm desku se nanese OSP, potom se deska hodí do 5% sírové, za 3 minuty vyndá. Změří se absorbace pro 270nm. A pak se vzorcem vypočítá tloušťka. Asi bych to vynechal s tím “něco tam je, a to stačí”.

 

 

 

Image to gerber toolkit

Máš obrázek a potřebuješ gerber data pro pcb fabriku, aby ti z toho udělali dvoustrannou prokovenou desku s maskou a silkscreenem? Tak to máš problém a já už mám ve své stáji nástroj na převod.

Převod obrázků do gerber dat

Momentálně umím png převést do gerber dat. Základem je 1000dpi na vstupu. Decimetr čtvereční to zvládne za 5s s optimalizací výstupních dat, což je největší bolest. Bez optimalizace to zvládne za 1s. Výstupní soubor má 0,8MB (nebo 2,8MB) a samozřejmě záleží na datech.

Je to zatím proof-of-concept, který jsem ověřil na http://wiki.mypower.cz/desulfator viz https://twitter.com/plosnaky_cz/status/933841562135654400

Cílem je dokončit komplexní nástroj, který v obrázku najde otvory, detekuje velikost, z těchto dat připraví masku a celé to poskládá do gerber dat. K tomu bude editor silkscreenu, masky, top/bottom mědi atd.

Editor

Samozřejmě to nezvládne smd pady, takže to bude ruční práce, ale nebude problém z jednostranné desky (třeba z pdf) udělat data pro prokovenou oboustrannou desku s maskou a to, to je unikátní funcionalita.

Mohlo by to umět alespoň pomocníčky, jakože označím so8 pouzdro, nakreslím obdélník kde přibližně je a algoritmus najde nožičky (pady), udělá jim cutout do masky a na silkscreen plácne tvar, zeptá se na popisek a klávesou půjde otočit orientace a posunovat, změna velikosti atd.

Ve stejném duchu by to mělo pomáhat s odpory, kondenzátory, konektory atd.

 

 

PCB: prokovy – pokovení

Máme desku s aktivovanými otvory.

Elektroplating

lázeň:

41l deionizovaná voda
30,5l koncentrovaný roztok copper sulfate (262g/l) = 8kg
29l 35% sulfuric acid (baterková)
13ml hydrochloric acid (35% HCl)
1,25l Polyethylene Glycol (PEG) 3350 (nebo polysorbate 20)

výsledkem je 100 litrů!

použití:

Na každý 1dm2 je potřeba 1,5A (DC) ze zdroje proudu pro lázeň.
Deska je připojena na záporný pól.
Elektrody jsou z mědi a jsou připojeny na plus zdroje. Musejí být >10cm od povrchu desky (na obě strany) a povrch elektrod by měl odpovídat velikosti panelu a rozměrově by měl dosahovat na celý panel ať nevznikají maxima.

Rychlost by měla být cca 2mils(50um) mědi za hodinu v otvorech (i na povrchu). Neboli pro 18um měd 22 minut v lázni. Z 18um desek se dělá oboustranná 35um s prokovy 18um!

Reverse pulse plating

Nic není tak jednoduché. Když budete mít setup, viz výše máte problém. Na hranách otvorů vzniká výrazně více mědi než uprostřed otvoru.

Na to je řešení, výrobci to mají složité a tajné ale je to jednoduché a snadné.

Ideální je, po čase otočit smysl proudu. Proud by měl být dvojnásobné hustoty a doba by měla být cca 1/5 času. Potom cca 1/2 času vypnout a opakovat od začátku.

V reálu stačí 10s klasicky, 3s otočit a bez pauzy. Bez změny proudové hustoty.  A tohle celé zvládne jedna 556 a relé pro reverzování. Strašně jednoduché.

Chytré stroje mají nastavitelnou délku klasické, reverzní a pauza času a velikost proudu.

Třeba takto: 10s (20A), 1s(-40A), 5s (0A)

Doplňky

Samotná lázeň by měla recirkulovat skrz 1mikron filtr, nečistoty se “zapečou” do desky, na to pozor. Především pokud nejede lázeň nonstop bude to problém (lze to obejít tak, že před výrobou se tam dá jedna dummy deska, která nachytá všechen bordel).

Lázeň má celkový odpor mezi 0,025 a 0,015ohm.

Deska by se měla lehce pohupovat rovnoběžně s anodami aby bylo pole ještě homogenější.

A mělo by probíhat provzdušňování, na těch 100 litrů nádrž by to mělo být 56 litrů suchého čistého vzduchu za minutu.

Měděné anody pro pokovovací lázeň

Amatérům stačí obyčejná měděná tyč, ale v profi výrobě jsou anody vytvořeny směsí mědi a fosforu, obsah fosforu se pohybuje od 0,040-0,065%.

Během procesu se na anodách vytváří jakýsi ochranný černý film, který prodlužuje životnost a zlepšuje efektivitu, zabraňuje vytváření “anode sludge”.

V lázni se přidává “chloride addition” ? TODO: zjistit více.
Dle testů je ideální 70-150 ppm chloride level.

NOVINKY:

Popis anod má třeba http://www.surfinetek.com/anodes.html Fosfoforané mají přesně to složení které popisuji.  Měděné kule se ukládají do koše, který je připojený na anody. Obchodní název Anode basket. Vyrábí se z různých materiálů jako titan, zircon, niobium, nerez, monel.  Které jsou pro mědění nevím. Ale dají se vybrat různé podle proudu atd. Poměr anody ke katodě je 2:1. To celé se obaluje do pytlíků tzv. “anode bags” jedná se o tkané polypropylenové pytle s váhou 8-13oz.  Je jich plno a vybírají se podle typu lázně, vzdušnění atd. https://www.alliedplating.com/product/anode-baskets/

Rozjasňovače

Jaké chemikálie použít pro rozjasňovače jsem zatím nenašel, dají se koupit jen komperční blackbox chemikálie.

Předpokládám, že bez nich bude výsledek matná “zašlá” měd. Což by se možná dalo řešit mechanickým leštěním povrchu.

PCB: prokovy – aktivace

Otvory máme hotové, chemicky nebo mechanicky pěkné. Nyní potřebujeme aktivovat otvory. To se dělá chemicky a metod je víc. Já znám jen jednu.

Pyrolytická aktivace otvorů

lázeň:

deionizovaná voda 240ml
copper sulfate 30g
calcium hypophosphite (Ca(H2PO2)2) 31g
25% ammonium hydroxide 40ml
tekuté mýdlo 6ml

příprava:

140ml vody + 30g copper sulfate. zamíchat.
přidat 22g hypophoshite, míchat 4 minuty
přefiltrovat (odstraní se sediment=calcium phosphate)propláchnout přes filtr dalších 100ml vody
do výsledku přimíchat 40ml (25%) amoniaku
rozpustí se do tmavě modré “vodičky”
přidat 6ml mýdla, míchat 10s
přidat 9g hypophoshite, míchat 10s

použití:

vrtaná deska se nejdříve musí microetchnout! To je rychlý průchod klasickým leptáním, deska má “zrůžovět” a pak jde po oplachu do aktivátoru. Oplachuje se deionizovanou vodou!
Při aktivaci je potřeba pohlídat pouze a jen, aby se aktivátor dostal do otvorů a nebyla tam vzduchová bublinka. U většich otvorů to není problém. U otvorů <0,6mm je vhodná technika: vodorovně položit desku k hladině a silou ji zatlačit do nádrže. Aktivátor se protlačí skrz otvory a vytlačí vzduch. Takto stačí v aktivátoru 3s a zase vytáhnout ven, bez dotyku dna, stěn.

Potom se dá deska vertikálně a přebytečný aktivátor vyteče. Čas tak minuta, dvě. Potom se deska vezme, zatočí 360st aby se v otvorech rozléval aktivátor všude.

Vložit do pece a dosáhnout teploty 125stC, udržet 10 minut, potom přejít na 175stC na 8 minut. Klesnout s teplotou na 100st. Potom lze desku vyndat.

Desku povrchově očistit, neagresivně, jemná houbička. Připraveno pro pokovení

 

skladování:

aktivační roztok se uskladňuje v temnu a uzavřené nádobě, aby neunikal čpavek. teploty normální.

PCB: prokovy – otvory

Vysvětlíme si technologii kolem výroby prokovů, přesněji “black magic” skrytou za obyčeným otvorem v laminátu.

Standardní postup výroby prokovů je takový, že nejdříve se čistá oboustranně měděná deska laminátu provrtá. Potom se otvory aktivují, aby elektřina vedla z jedné strany na druhou a pak se to celé pokovuje. Takže se zvětší finální tlouštka mědi, celoplošně.

Výrobní problém, který musí každý výrobce PCB vyřešit je rozpouštění laminátu.

Vrtání má lokálně takovou teplotu, že se epoxid začíná rozpouštět a při průchodu mědí je tento epoxid v malé vrstvičce nanesen na stěny mědi. Nemusí to být 100% pokrytí a více se to týká vícevrstvých desek. Ale tento problém tu je a má několik řešení. U dvoustranných desek problém nemusí prakticky vznikat, protože mezikruží na obou stranách desky je a lze se tak i přes rozteklý laminát napojit na měd. Může tam ale vznikat zúžení.

Mechanický desmearing

První metoda je omezit/ zabránit zahřívání vrtáku. Tedy mechanická cesta. Samozřejmostí jsou ostré vrtáky. Výborné výsledky lze dosáhnout dvojvrtání. Nejdříve se plnou rychlostí udělá otvor o desetinu menší a potom se dočistí finální velikostí. Problém je samozřejmě mnohem delší čas na vrtačce.

Chemický desmearing

Skládá se ze tří kroků. Kondiční lázen s n-methyl pyrolidone, desmearing v permanganátové lázni a neutralizace v sulfuric acid (h2so4) lázni.

Podrobnosti znám je o permanganátové lázni:
80g/l permanganate (Na nebo K)
45g/l sodium hydroxide
lázeň 80stC a čas 10 minut

Potom je tu ještě další krok pro zlepšení přilnavosti mědi při prokovení, říká se mu Etchback:

Lázeň je složená takto:

Sodium permanganate ( NaMnO4) 20% v/v
Sodium hydroxide 60g/l
Teplota lázně: 80 st. C
čas v lázni: 15 minut

Regenerace

Použitím lázně se přeměňuje permanganát na manganát. Tím se lázeň vyčerpává. Lze elektrolytickou regenerací prodloužit životnost lázně 3-5x. Podrobnosti o regeneraci neznám.

Chemický desmearing v2

Deska se ponoří do acetonu. Ten má za následek lehké naleptání epoxydové pryskyřice. V lázni 15 minut

Poté se deska ponoří do  KMnO4, to odstraní naleptané zbytky. 100ml vody na 1g. 15minut v lázni.

Nakonec očištění tekoucí vodou a může se aktivovat.

Technika se označuje jako “swell-and-etch”