Поверхневий монтаж: трафарет і піч оплавлення в домашніх умовах



Коли починаєш шукати можливості зробити на продаж малу партію власних електронних пристроїв, то виявляєш, що цю задачу можна вирішити, не встаючи з крісла. Наприклад, так працює сервіс Seeed, що організує не тільки виробництво, але і продаж ваших пристроїв. Якщо ж ви не впевнені, чи буде попит, або просто бажаєте заощадити, то оптимальним варіантом, на мій погляд, буде замовити друковані плати де-небудь в Китаї, а собі залишити монтаж поверхневих (SMD) компонентів в домашніх умовах. Я хочу розповісти, як можна істотно прискорити поверхневий монтаж за допомогою саморобних трафаретів і імпровізованої печі оплавлення.
 
 Робимо трафарет
Трафарет (англ. stencil) в контексті поверхневого монтажу — це тонка пластина з вирізаними під контактні майданчики отворами. Він накладається на друковану плату і намазується паяльної пастою за допомогою шпателя. Далі трафарет прибирається, а на контактних майданчиках залишається рівний шар паяльної пасти.

Приклад використання трафарету з EEVblog
Зазвичай трафарети вирізаються з сталі або пластику, але це може дорого обійтися в масштабах малих партій. Наприклад, при замовленні плат 5х5 см мені пропонували виготовити трафарет за $25. Я ж збираюся розповісти, як за півгодини зробити трафарет з алюмінієвої банки, використовуючи ЛУТ!

  1. Вирізаємо з пивної банки прямокутник, вирівнюємо його гарячою праскою. Не переживайте, що не вдається повністю усунути увігнутість — при накладанні трафарету на плату ми будемо притискати його канцелярськими прищіпками!
  2. Зачищаємо внутрішню сторону прямокутника дрібним наждачним папером, щоб зняти захисний шар. Деякі люди пишуть, що знімають верхній шар їдким натром. На деякі види банок діє ацетон після підігріву їх праскою. Але взагалі наждачкою це робиться за хвилину
  3. Друкуємо лазерним принтером негатив на спеціальному папері для перенесення тонера (англ. toner transfer paper). Ця папір повністю віддає свій тонер за один (!) прохід ламінатора, на подив дешева, не вимагає раскисания у воді і може бути знята відразу після переносу тонера
  4. Прикріплюємо негатив до зачищеною і протерту спиртом стороні прямокутника за допомогою каптоновой клейкої стрічки (англ. kapton tape). Її особливість у тому, що вона витримує високі температури, зберігаючи клейкі властивості. Дуже спрощує виготовлення двосторонніх плат, коли треба точно закріпити папір навпаки заздалегідь виконаних отворів
  5. Пропускаємо отриманий бутерброд через ламінатор (один раз), знімаємо папір. Тонер з паперу повністю перейшов на прямокутник. Заклеюємо заготівлю скотчем з двох боків, крім шматочка, який треба витравити. Напевно, замість ламінатора можна використовувати гарячу праску, як це зазвичай робиться в ЛУТе, але ламинатором все-таки зручніше. Заклеювати треба з обох сторін, оскільки трафарет може містити випадкові подряпини
  6. Вытравливаем у відпрацьованому (після травички міді) розчині хлорного заліза. Цей розчин являє собою суміш хлорного заліза і хлорної міді. За моїми спостереженнями, така суміш взаємодіє з алюмінієм набагато більш бурхливо, ніж чистий розчин хлорного заліза. При витравлення змахуємо утворюється бурий наліт м'яким пензликом і періодично перевіряємо, чи не пора діставати наш трафарет (щоб не перетравити!)
  7. Знімаємо скотч, обрізаємо трафарет під розмір плати. Якщо у вікнах трафарету видніються обрізки захисного шару банки, то їх можна зняти липкою стороною скотчу
  8. Трафарет притискається до плати канцелярськими прищіпками, тонером вниз. Як шпателя можна використовувати пластикову картку або картонку. Після використання не забудьте протерти спиртом і трафарет, і шпатель, щоб очистити їх від налиплої пасти
Робимо піч
Трохи про температурному профіліПравильне оплавлення паяльної пасти вимагає дотримання її температурного профілю. Наприклад, профіль для безсвинцовой паяльної пасти може бути таким (з вікіпедії):

типовий температурний профіль печі оплавлення для безсвинцовой паяльної пасти
Швидкий нагрів до 150 °C, ловлення 1 — 2 хвилини, швидкий нагрів до 230 °C, розплавлення 30 секунд, охолодження. Сенс всіх цих температурних зон у тому, що вони ініціюють процеси, необхідні для утворення надійних контактів без зайвого перегріву компонентів. В одній зоні активізується флюс, в іншій розплавлення припою. Існує промисловий стандарт J-STD-20, описує рекомендовані параметри кожної зони.
Взагалі, найдешевший і простий спосіб оплавлення паяльної пасти — це ось такий:


Для малих партій підійде і сковорідка
Ще для оплавлення паяльної пасти можна використовувати термофен, задуваючи окремі компоненти або площі до тих пір, поки паста не розплавиться і не створить контакт. Я активно застосовував цей спосіб для своїх девайсів, але це було довго, призводило до ненадійних контактів і перегріву елементів. Наприклад, пасивні елементи могли поміняти свої значення в межах 5-10%! Особливо це стало актуальним після переходу на безсвинцовую паяльну пасту, вимагає більшу температуру для оплавлення.

І ось виявляється, що люди в інтернеті вже давно навчилися переробляти дешеві електродуховки в непогані печі оплавлення (англ. reflow oven) з правильним температурним профілем. Я теж вирішив послідувати їх прикладу і розповім, що в мене вийшло.

Я почав з того, що став моніторити дошку оголошень про продаж б/в електродуховок. Через якийсь час з'явилося оголошення про продаж DeLonghi потужністю 2.2 кВт з двома ТЕНами всього за $30. Щоправда, згодом виявилося, що Тени були зіпсовані в процесі експлуатації і виділяли на 300 Вт тепла менше.


Відкривши корпус, я виявив, що всередині все дуже добре організовано, і підключитися до Тенам буде просто.


Для управління Тенами я взяв найдешевші твердотілі реле (англ. solid-state relay, SSR) з оптичною розв'язкою на 25А по $3 за штуку.


В якості контролера я вибрав ControLeo, купивши його за $60 разом з термопарою і доставкою з США. Девайс прийшов у вигляді набору, який ще треба було допаять, розсвердлити, зібрати:


Контролер має дворядковий РК-екран, дві кнопки управління і чотири +5В виходу на реле. Програмний код відкритий і може бути залитий на пристрій за допомогою USB і Arduino IDE. Через кнопки управління реалізовано меню з можливістю налаштувати і протестувати виходи, а також почати процес оплавлення. Налаштування зберігаються в постійній пам'яті. Крім того, при їх зміні запускається навчальний режим, в якому контролер коригує час включення/вимикання реле для виконання вимог промислового стандарту оплавлення J-STD-20.

Приклад роботи контролера
У відповідності зі стандартом, швидкість нагріву печі оплавлення повинна бути не менше 1.25 °C/сек. Перші тести показали, що звичайних потужностей печі не вистачає, і швидкість нагріву 0.5 °C/сек. Тоді я зробив кілька кроків по поліпшенню швидкості нагріву. Кожен крок додав приблизно 0.25 °C/сек:

  • Утеплив піч брусками базальтової вати, загорнутими у фольгу (щоб не дихати мікроскопічної базальтової пилом)
  • " Додав новий ТЕН на 800 Вт — виявляється, їх дуже легко купити на господарському ринку, тільки скажи розмір!
  • Перевернув піч догори ногами (!), оскільки великі втрати тепла йшли через щілину скляних дверей


Таким чином, піч запрацювала. Після декількох експериментів я прийшов до висновку, що плати можна розміщувати прямо на прикладеній до печі металевій решітці, а термопару розташовувати над платою, зафіксувавши провід канцелярської защібкою. Тести показали, що зміна номіналів пасивних елементів — мінімальні. Загалом, піч готова — бери запікай!

Виміряний температурний профіль саморобної печі оплавлення

Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.