sábado, 8 de diciembre de 2012

PCB DIY



Una de las cosas sobre las que me preguntan mucho, es el procedimiento que utilizo para realizar los circuitos impresos, también llamados PCB, con los que monto los dispositivos electrónicos que utilizo en mis sistemas de control. Curiosamente, muchos piensan que dispongo de algún tipo de maquinaria, de la que se usa industrialmente para este trabajo, cuando realmente, salvo la insoladora, no utilizo más elementos que el ordenador con su impresora, y algunos elementos y herramientas corrientes.

Recientemente he retomado el tema de terminar el sistema de control de tracción, que se había quedado un poco estancado desde antes del verano ( Ya funciona? ). Las pruebas que efectué en ese momento dieron un resultado muy bueno, pero me di cuenta de que había cometido algunos errores, curiosamente en temas un poco accesorios pero que deberían ser corregidos, lo cual implica modificar los circuitos impresos y volver a montar los elementos. Como siempre, el rehacer algo que ya se ha hecho, y que realmente ha llevado bastante trabajo da muchísima pereza, así que me ha costado decidirme.

Así que en estos días ¡por fin! me he puesto con el tema, y he pensado que sería una buena oportunidad para hacer unos vídeos y explicar en un artículo como éste, cual es mi método para realizar los circuitos impresos. La verdad es que ya hice anteriormente otro artículo sobre la realización de circuitos impresos ( Fabricación de PCB ), pero desde entonces he perfeccionado bastante mis procedimientos.

He dividido el reportaje en tres vídeos, correspondientes a tres fases muy claras de proceso, a las que podríamos llamar fase informática, fase química y fase mecánica. de esta forma quedan tres vídeos cortos, de alrededor de cinco minutos, bastante soportables. Aunque he incluido unas rotulaciones que marcan los pasos más importantes, voy a hacer aquí una introducción a cada uno de ellos para facilitar su comprensión.

El primer vídeo muestra el diseño del circuito impreso. Ya he comentado alguna vez que utilizo el programa Paint Shop Pro (y además en una versión antigua) para generar el dibujo de las diferentes capas del diseño. Este programa, NO es un programa para diseño de circuitos impresos, así que no tengo ninguna ayuda en ese sentido. Sin embargo es un programa muy completo para el trabajo con imagen, incluso imagen fotográfica, y yo lo conozco bastante bien, así que me resulta cómodo utilizarlo. La característica esencial para este tipo de trabajo es que permite trabajar en capas superpuestas, así que se puede tener por un lado el dibujo del circuito de cobre, el dibujo de los componentes, el dibujo de la máscara, etc, en capas superpuestas y visualizar en cada momento las capas requeridas, incluso dejando las superiores en forma traslúcida para ver las capas inferiores.

Utilizo una resolución de dibujo de 600 pixels por pulgada, lo que me permite trabajar con grandes ampliaciones y una gran precisión. Además defino una malla de 2,54 mm de paso, de manera que situando los ojales según esa malla encajan todos los componentes con precisión absoluta.

Es muy difícil en unos cuantos segundos de vídeo dar una idea de la forma de trabajar con este programa, ya que se tardan bastantes horas en hacer uno de estos diseños, así que me he limitado a incluir unas pocas capturas de pantalla, para ilustrar algunos aspectos.

Para concretar diré que yo normalmente defino cinco capas, de las cuales, la inferior corresponde a la capa de cobre, en la que deben quedar dibujados los ojales y las pistas que constituyen el circuito impreso.


Por encima tengo una capa de "ayudas" que contiene por ejemplo la numeración de los pines de los componentes, las marcas de Colector Base y Emisor para los transistores, etc. Esta capa sólo sirve durante el diseño para referencia a la hora de identificar cada punto a conectar.



Por encima tengo una máscara, que es una capa azul uniforme. Casi siempre la tengo puesta muy transparente para que que no oculte las capas inferiores, pero es imprescindible para que la siguiente capa, que es blanca tenga un fondo oscuro para que se pueda ver.


La capa siguiente es la de "serigrafía de componentes" Ya se que la palabra serigrafía hace alusión a un determinado proceso de impresión, que es el que normalmente se emplea industrialmente para imprimir la imagen de los componentes, y esto ha dado lugar a que se emplee esta expresión, "serigrafía de componentes", para referirse precisamente a la imagen de la cara superior de los circuitos impresos, aunque no se haya hecho precisamente con serigrafía. En ese sentido yo voy a seguir empleando la palabra serigrafía. Aquí dibujo los contornos de los componentes, los círculos de los taladros, la rotulación de componentes, y también el nombre del circuito, el logotipo, etc. Esta capa es blanca, así que necesita tener debajo la máscara para que se vea.



Y por último en la capa superior tengo la imagen de los componentes obtenida con un escaner. Esto resultó una idea muy buena que ya expuse anteriormente ( Llegan los servos y III ) y que consiste en tener escaneada, una colección de componentes, tales como resistencias condensadores, transistores circuitos integrados, etc, y no solo eso sino disipadores, conectores y demás componentes. Están escaneados vistos desde arriba y a la misma resolución con que hago el dibujo, 600 ppp, así que en esta capa puedo ir situando esas imágenes y tener una referencia exacta de lo que ocupa físicamente cada elemento, y puedo moverlos y girarlos para encontrar la mejor situación posible,


Por supuesto, las capas no se dibujan sucesivamente, sino simultáneamente. El proceso es más o menos, escoger la imagen escaneada del componenente, y situarla adecuadamente, después dibujar los ojales de sus terminales en la primera capa, situarlos exactamente en la cuadrícula, y unir estos ojales al resto del circuito con pistas, que no son más que líneas del grueso adecuado. Una vez hecho eso, dibujo el contorno en la capa de serigrafía e incluyo en la misma la rotulación adecuada. Este proceso se sigue aproximadamente en la primera parte del vídeo

El vídeo acaba mostrando como se imprimen, en primer lugar la hoja de serigrafía, que se imprime sobre un papel especial para calcomanías, y después la hoja del fotolito, que la imprimo sobre film especial para transparencias.

Estas hojas para calcomanías las venden en tiendas y webs dedicadas al modelismo estático (barcos aviones, etc) y vienen en dos variantes: con fondo blanco y con fondo transparente. Yo las utilizo con fondo blanco y en mi caso pido las que son para impresoras de inyección de tinta.

Sobre esta hoja imprimo naturalmente la  máscara azul y la capa de serigrafía, con lo cual obtengo una calcomanía con toda la cara superior del circuito impresa en blanco sobre fondo azul. Este método tiene un inconveniente, y es que una vez impresa la imagen en este papel especial, tarda 24 horas en secarse, y luego hay que aplicar varias capas de barniz que también deben secarse, así que se tarda más de un día en tener las calcomanías listas para su uso.

La impresión del fotolito se hace como decía sobre film para transparencias, ajustando la impresora para imprimir con la máxima definición y el máximo contraste. También conviene dejar secar la tinta unas cuantas horas antes de utilizarlo.

Pues bien, aquí está este primer vídeo:




En el segundo vídeo se puede ver todo el proceso químico de la placa. Comienza con la exposición a la luz ultravioleta de la placa sensibilizada. En el vídeo vemos cómo se coloca el fotolito sobre el cristal de la insoladora, y sobre él se coloca la placa, a la que previamente quitamos la capa de protección adhesiva.

Una vez dada la exposición, que en este caso es de 90 seg. vemos como se prepara el revelador. Este revelador no es más que una disolución de hidróxido sódico que está preparada en una botella al 6 % (30 g por medio litro de agua), y en el momento de ser utilizada se diluye en una proporción 1:5 con agua templada. Como se ve, al introducir la placa en este baño, la imagen aparece de forma casi instantánea. En el vídeo la placa se pasa a una segunda bandeja que contiene únicamente agua, para detener el proceso.

Lo que ha ocurrido aquí es lo siguiente: La placa virgen está recubierta de una emulsión fotosensible. Cuando esta emulsión recibe la luz ultravioleta se vuelve soluble. Como interponemos el fotolito, las partes negras (pistas) no reciben luz y quedan insolubles, mientras que las partes transparentes dejan pasar la luz que hace que esas zonas se vuelvan solubles.  Entonces al introducir la placa en el revelador, las partes solubles de la emulsión, se disuelven, dejando el cobre al descubierto, mientras que la parte que no ha recibido luz se queda sobre el cobre cubriéndolo.

En el siguiente paso introducimos la placa en una disolución de cloruro férrico. La proporción es de 500 g de cloruro férrico por litro de agua. Conviene que este proceso se haga a una temperatura de unos cuarenta grados, y dura unos 10 minutos, así que para mantener la temperatura, yo, lo que hago, es poner la bandeja del cloruro, en el fregadero, con unos centímetros de agua caliente en el fondo. Hay que agitar continuamente la placa. En este proceso el cloruro de hierro disuelve el cobre que había quedado descubierto en el revelado, mientras que la emulsión no disuelta mantiene inatacado el cobre protegido. Visualmente comprobamos cuando ha desaparecido todo el cobre descubierto y cuando ésto ocurre, sacamos la placa del baño y la lavamos con agua.

El siguiente paso es eliminar la emulsión que tenemos todavía sobre el cobre que no ha sido atacado. Como se ve en el video, un poco de acetona disuelve inmediatamente el resto de la emulsión.

Ahora tenemos ya la placa con el circuito reproducido en cobre. Para terminar, después de un buen lavado y de secar bien la placa, y antes de que empiece a oxidarse, pulverizamos la placa con un barniz especial (Plastik 70) que lo protege de la oxidación, y además facilita la operación de soldadura.

Este es el segundo vídeo:




El tercer vídeo, muestra el final del proceso. El vídeo comienza mostrando como se barnizan las hojas de calcomanias, lo que se hace con el mismo producto Plastik 70 (se puede utilizar también barniz acrílico pero tarda mucho más en secar) Conviene dar cuatro o cinco capas de barniz, para que la calcomanía resultante tenga consistencia.

Después vemos el proceso de taladrado de los agujeros. Como no tengo un soporte para el taladro, tengo que hacerlo a pulso, así que hay que armarse de paciencia. Normalmente uso brocas de 0.7,  1,  y 1.3 mm según el diámetro de los terminales de los componentes. También de 3,5 mm para los taladros de los tornillos.

A continuación viene el recortado de las placas al tamaño exacto. La mayoría de la gente lo hace  incluso antes de la insolación. En mi opinión esto obliga a trabajar con un gran precisión para colocar el fotolito exactamente en su lugar, así que yo dejo los rebordes hasta el final, Con eso tengo unos rebordes que me permiten sujetar la placa durante todo el proceso, incluso con sargentos, como se ve en el taladrado. Mis fotolitos llevan una marca (linea verde en la capa 1) que indica exactamente por donde hay que cortar, marca que se transfiere al cobre como el resto del dibujo, así que luego se puede cortar con toda precisión. En el vídeo se ve que incluso si hago más de un circuito en la misma placa, los manejo juntos durante todo el proceso hasta este punto.

Otra originalidad es la forma de cortar la placa. Como se ve en el vídeo utilizo una tijera de hojalatero, lo cual es mucho más rápido que emplear una sierra, y deja un borde recto y liso que no necesita ningún repaso. Estas tijeras permiten un corte totalmente preciso aunque parece que son una herramienta basta.

Una vez cortadas a medida, viene el famoso tema de colocar la calcomanía de la parte superior de las placas. Como se ve utilizo un adhesivo para calcomanías en la placa (Microset) y a continuación deslizo la calcomanía que ha estado en remojo unos minutos en agua templada y jabonosa. En ese momento se puede ajustar la calca a la posición exacta. Una buena forma de hacerlo es guiarse por los agujeros grandes que suelen ponerse en las esquinas. Es una buena idea tener una linterna o una lámpara que permita mirar el circuito por transparencia para guiarse con los agujeros. A diferencia de lo que ocurre cuando se ponen calcas en superficies curvas, aquí conviene que la película que se transfirere sea fuerte e indeformable. Por eso decía que conviene dar varias capas de barniz, y dejarlas secar totalmente.

Después se alisa con un pincel, y se elimina el exceso de agua. Se observa que dejo la calca un poco grande, de forma que sobrepasa los bordes. Dejando los bordes sin cortar se deja secar totalmente la calcomanía.

En el paso siguiente vemos como se elimina el sobrante de la calca. Pasando una lima plana sobre los cantos, la calca se corta exactamente al tamaño de la placa sin ningún peligro de que se despegue.

Por último hay que perforar agujeros en la calca en correspondencia con los agujeros de la placa. Para los taladros pequeños basta pinchar desde arriba con una aguja. Para los agujeros más grandes, utilizo un cutter bien afilado para eliminar la película sobrante.



El resultado es absolutamente profesional, tal como se puede ver en la fotografía de la cabecera. Nadie diría a la vista de esa imagen diría que se trata de una placa de circuito impreso artesanal.

Es curioso que al subir estos vídeos s YouTube, como YouTube te presenta una lista de vídeos con temas parecidos, me han aparecido una buena lista de vídeos que han publicado un montón de personas, cada uno con su forma de hacer los circuitos impresos. ¡Es increíble la cantidad de inventos que ha hecho la gente para conseguir esto!

Y todavía salen muchos más si se pone en el buscador "PCB DIY" (Cuya traducción es "Printed Circuit Board   Do It Yousef") y que he utilizado como título de esta página como homenaje a la jerga de los aficionados americanos, así que si algún lector desea experimentar con otras técnicas, tiene dónde buscar.

Espero que estas indicaciones sirvan para cualquiera que quiera disponer de sus propios circuitos impresos. Evidentemente, si ya se dispone del diseño del fotolito, como es el caso de los circuitos publicados en la sección de descargas de este blog, no hay más que imprimirlo en una hoja de transparencia, para pasar a la parte química.


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