Výroba plošných spojů doma i venku

Když mi bylo -náct, vyráběl jsem podomácku plošné spoje různými postupy, ale všechny jsem je bohužel od té doby zapomněl. Zkoušel jsem tehdy lak, fix, jakýsi asfalt, vosk, frézku a jiné podivnosti, ale detaily odvál čas. Proto když jsem se k pájení po čtvrtstoletí vrátil, dlouho jsem se vyhýbal tvorbě plošných spojů (jelikož jsem nevěděl jak na to).

Můj stereofonní zesilovač i s vyleptaným letopočtem...

Všechny své nové výrobky jsem se místo toho snažil stavět na univerzálních destičkách, kdy jsem vývody součástek propojoval drátky místo vyleptanými/vybroušenými měděnými cestičkami. Vznikly tak i docela komplikované zapojení s kolikrát až vícevrstvými spoji (stále mluvím o těch drátkách), které mi teď doma řídí různé klíčové procesy jako například vytápění domu, měření teploty v bazénu či odjezdy autobusů. Čili je to funkční a spolehlivé, ale docela málo estetické:

nejmenovaný výrobek s místy až trojvrstvými spoji

Nakonec mě ale plošné spoje přece jen doběhly. Začal jsem totiž koketovat s USB a na to jsem potřeboval připojit k elektronice mini USB konektor. A ten už na univerzální destičce připájet nijak rozumně nejde. Takže jsem vybaven teorií od +Ondřej Caletka na jaře 2014 vyrobil podomácku svůj první plošný spoj v tomto století, a s úlevou jsem musel konstatovat, že to nebylo zas tak těžké/hrozné. Co k tomu bylo potřeba? Především program pro návrh plošných spojů, pak technologie převodu plošného spoje z obrazovky na kuprextit (viz níže) a pak už zbývalo desku jen vyleptat a vyvrtat.

Mini-USB konektor vyžaduje plošný spoj na míru

Program pro návrh plošných spojů mi pomohl vybrat +Ctirad Feřtr, který mi to vysvětlil politicky zhruba následovně: všichni navrhují plošné spoje v programu Eagle, který ale není svobodný a navíc je docela dost drahý. Můžeš si v něm sice navrhnout malou destičku (10x8 cm) v jakési Freeware Edition (bez zaplacení), ale jakmile se v něm naučíš a začneš chtít víc než dvojvrstvou nebo malou desku, narazíš na limity toho "demo režimu" a musíš si draze koupit plnou verzi. Proto rovnou začni v něčem jiném, nejlépe svobodném, ať se nenaučíš dělat v něčem, co tě pak bude jen omezovat.

Tomuto jevu (umět ovládat jen jeden program na danou věc, např. Corel, Word, Photoshop, ...) se říká vendor lock-in, buduje ho v lidech už naše (v tomto zcela prohnilé) školství a pak se lidi diví, že mají v práci i doma zavirované Windowsy (ať už zaplacené či ne) místo pohody s jakýmkoliv jiným operačním systémem. Případně skučí, že na Linux přejít nemůžou, protože tam není ten jediný program, který oni zrovna umí ovládat. Jako dlouholetý uživatel především svobodného software jsem si proto z dostupných svobodných (takže i zadarmo) možností rychle zvolil KiCad a jal se ho učit.

KiCad umí vizualizovat hotovou desku v 3D

KiCad EDA je velmi mocný a komplexní nástroj, nebo spíš celá sada nástrojů, a ze všech tutoriálů, které jsem o něm přečetl, rád doporučím především následující:

• seriál na HW.cz
• video návod Getting to blinky

Ještě musím speciálně zmínit, jak úspěšně tisknout z KiCadu na papír, protože jsem to dlouho ladil, tak ať ušetřím čas čtenářům. Nejdřív je potřeba buďto Export do SVG, nebo Plot do SVG a správně navolit možnosti, především tedy zrcadlově otočit, pokud tiskneme horní stranu dvouvrstvého plošného spoje. Pokud tiskneme spodní stranu nebo častěji prostě jen jednostranný plošný spoj, není nutno tisk  zrcadlově otáčet, protože se to otočení provede při přenosu předlohy na měď, viz níže. Při Export to SVG je důležité mít SVG Page Size nastaveno na “Current page size”, jinak ztratíme měřítko. Samozřejmě to předpokládá mít správně nastavenou velikost stránky v Soubor->Page Settings.

Potom, v Ubuntu 12.04 výchozí prohlížeč obrázků Eye Of Gnome tiskne SVG o 6 % menší, než by měl, takže je potřeba to SVG předem zkonvertovat do PDF přes program Inkscape, takto:

$ inkscape --without-gui --export-pdf=foo.pdf foo.svg

Výsledné PDF už pak výchozí PDF prohlížeč v GNOME (Evince) vytiskne přesně a správně.

Jakmile máme plošný spoj hotový a na obrazovce i na papíře vypadá nádherně, je potřeba ho přenést na měď kuprextitu. Na to mi Ondřej doporučil nečekaně funkční postup, který je velmi dobře popsán v následující odkazu. Jen prozradím, že hlavní roli hraje lepicí papír, žehlička a laserová tiskárna:

• návod na HW.cz
• velmi podobný/stejný návod, takže spíš záložní odkaz

Mohu dosvědčit, že někdy se povede obtisknout obraz na měď tak perfektně, že nejde ani za nic odstranit - obvykle bohužel tehdy, když je špatně vytištěný nebo navržený. Když je návrh perfektní, tak se nažehlení naopak vůbec nedaří a je potřeba se obrnit svatou trpělivostí a zkoušet to pořád dokola, čistit, odmašťovat, přižehlovat a odmočovat, až se to prostě skoro povede. Jednou jsem to dělal celý víkend v kuse a povedlo se mi to až v neděli ve 22:30. Během toho martyria jsem přišel i na tak nečekané věci, jako že plocha některých žehliček není rovná, ale prohnutá dovnitř, takže s takovou člověk uprostřed nic nepřižehlí.

Drobné chybičky (odlepené/odplavané saze) se dají velmi dobře opravit pomocí fixy, a to prosím nikoliv té se zavádějícím nápisem "Centropen PERMANENT", ale té s nápisem "CD/DVD - LINER". Vyleptání je pak už téměř brnkačka, stačí jen trefit správnou dobu leptání, kdy je měď už co nejvíc odleptaná tam, kde zůstat nemá, a co nejméně naleptaná tam, kde zůstat má. Protože je horší, když zůstane tam, kde být neměla (vodivé zkraty mezi cestičkami - zdroj těžko odhalitelných poruch výrobku), raději to celé trošku přeleptám a výsledek pak vyspravím pocínováním.

Vyleptanou destičku vyvrtám a natřu roztokem kalafuny v acetonu, protože je to míň lepivé než roztok kalafuny v lihu. Pak se na to dá rovnou krásně pájet a všechno funguje jak má.

Výše popsaným domácím postupem se dá vyrobit jedna deska na prototyp celkem lehce, ale když by jich člověk měl dělat víc, a ke všemu stejných, anebo dokonce vícevrstvých a nedej bože s prokovenými otvory, potiskem a nepájivou maskou, začne v něm hlodat červíček, jestli by to nemohl raději udělat někdo profesionální za peníze. Prošel jsem si nabídku českých firem a musel jsem se smát skrz slzy. Cenově je to naprosto nedostupné až nesmyslné - startovní poplatek kolem tisícikoruny a pak poměrně mastné ceny za decimetr. Nechat si vyrobit takto malou sérii malých desek je smrt (příklad: 5x5 cm 10 ks = 1800 - 2000 Kč).

Proto jsem se při dalším hledání obrátil do zahraničí, jak na západ tak i na východ. V Číně a Hong Kongu existuje celá řada firem, například Seeed Studio, ITEAD Studio, Elecrow, Hackvana a určitě i další. První tři jmenovaní se v ostrém konkurenčním boji dostali až na cenu 9,90 US$ za 10 kusů plošného spoje 5x5 cm. To je vlastně cca 220 Kč, takže zhruba 8x levnější než výroba u nás.

Jelikož se cenově neliší a neměl jsem zkušenost s žádným z nich, vybral jsem si 1.října odpoledne Seeed Studio (doporučili Ctirad a Honza) a jal se mu posílat své výstupy z KiCadu. No, bojoval jsem s tím do tří ranních hodin následujícího dne. První problém byl se správným pojmenováním souborů, kdy Seeed (na rozdíl od jiných služeb) vyžaduje soubor s okrajem/ořezem desky s příponou GML - a to přesto že jeho FAQ tvrdí, že zvládne i GKO. POZOR, je to chyták - s GKO nepozná správně rozměry desky! Jiné služby (např. OSH Park, viz dále) naopak trvají na příponě souboru GKO, jinak hlásí "Error processing file".

Druhý problém byl v rozměrech desky: měl jsem ji sice 34x36 mm (takže pod požadovaných 5x5 cm), ale na vrstvě s popisy byly obrysy součástek a některé konektory mi přečnívaly obrys desky, a to tak, že hodně. No a Seeed spočítal rozměr celé desky podle rozměrů přečnívajících konektorů, takže jsem na šířku překročil 50 mm a měl jsem platit za nejbližší vyšší rozměr, tedy $19,90 za 5x10 cm. To jsem samozřejmě nechtěl, takže jsem ho pár hodin různě přemlouval. Nakonec mi nezbylo než úplně vyřadit vrstvu/soubor s potisky, abych dosáhl kýženého správného rozměru 34x36 mm. Nedokázal jsem v KiCadu zneviditelnit některé/všechny obrysy součástek, bohužel.

Třetí problém pak byl s otvory: na desce mám kombinaci prokovených a neprokovených otvorů, což KiCad při exportu v pohodě vyřešil dvěma soubory - normálním a NTPH (neprokoveným). Z výše uvedených výrobců tomu byl ochoten rozumět snad jen Elecrow, jestli se nepletu. Pro Seeed jsem nakonec, po dlouhém boji, oba soubory s vrtáním jednoduše sjednotil v textovém editoru v soubor jediný, takže budu mít ty dvě díry pod USB konektorem taky prokovené. To nevadí, hlavně, že tam budou. A díky bohům za to, že všechny výstupy jsou v čistě textových souborech, které se dají jednoduše ručně zeditovat, když není jiného zbytí.

Ještě zmíním zajímavou zkušenost s placením. Průběh objednávání není zrovna jednoduchý, postupně se člověk proklikává stránkami a nakonec PayPalem zaplatí $9,90. Pak ještě chvíli proklikává a vyplňuje formulář pro doručení a naráz mu naskočí další $4,01 za poštovné, takže je přesměrovaný znovu na PayPal a tam zaplatí celkovou cenu, $9,90 + $4,01 = $13,91. Přiznám se, že jsem z toho byl mírně zmatený - skoro to vypadalo, že desku platím dvakrát a dohromady to bude $23,81. Nakonec podle výpisu z banky se zdá, že jsem platil jen tu druhou částku. Proč jsem tedy v PayPalu musel potvrdit tu první nevím - možná šlo o nějakou rezervaci či test nebo prostě jen zmatek z jejich strany.

Takže za 10 kusů té desky pod 5x5 cm bude celková cena kolem 300 Kč i s poštovným. Pořád nejméně šestkrát levnější než u nás! Nevím ještě kvalitu ani rychlost, ale čekám a až to přijde, tento článek doplním. Bohužel jsem se trefil zrovna do nějakého čínského svátečního týdne, takže dnes je 8. října a moje deska pořád ještě není vyrobena, protože do včerejška tam všichni pařili a nic nedělali.

Pro srovnání jsem se ještě téhož dne rozhodl objednat si výrobu jiné desky v USA - v OSH Parku. Postup objednání byl radikálně jiný než v Číně: jednoduchý čistý web, který v reálném čase zpracuje nahraný soubor a bez nějakého proklikávání několika formuláři okamžitě vidím náhled hotové desky! To je nesmírně příjemné - člověk si tak zkontroluje, jestli má pojmenované správně soubory, jestli se export povedl atd. Mimochodem, OSH Park trvá na koncovce souboru s ořezem .GKO a odmítá zpracovat objednávku obsahující jen .GML, takže přesně naopak než Seeed Studio. Každopádně to ihned klidně oznámí, podobně jako problém s prokovenými+neprokovenými dírami a nechá nahrát opravený soubor.

Když potom člověk postupuje objednávkou dál, vidí každou vrstvu z těch 8 nahraných (přední a zadní měď, přední a zadní potisk, přední a zadní nepájivá maska, otvory a obrys desky) krásně vyobrazenou a tak si neustále kontroluje, že mu skutečně vyrobí to, co si přeje. Největší překvapení ale nastane, když OSH Park oznámí celkovou cenu: za 3 kusy (OSH Park dělá vše v násobcích 3 kusů) o rozměrech 18x16 mm zaplatím pouhých $2,20! Neuvěřitelná cena, která vychází z toho, že OSH Park chce jen $5 za 1 palec čtvereční a platí se přesně za skutečnou plochu desky, ať má jakékoliv rozměry! Toto je zásadní rozdíl proti Číňanům, kteří pracují v násobcích 5x5 cm a co přeleze byť jen jeden z rozměrů už padá do dalšího násobku (ale zas posílají za nižší cenu až 10 kusů, to se jim musí nechat).

A šok na závěr: zatímco Seeed Studio chce zaplatit poštovné (což je u Číňanů nezvyklé), tak americký výrobce posílá hotové plošné spoje kamkoliv po světě zadarmo (což je pro změnu nezvyklé pro Američany, kterým poštovné na rozdíl od Číňanů nikdo nedotuje).

Nyní zbývá čekat, kdy a v jaké kvalitě vyrobené desky přijdou. Osobně jsem původně sázel na Číňany, ale zatím se zdá, že USA vede. Ještě toho 2.října v 21:00 zařadili mé destičky na velkou desku spolu s ostatními zájemci a odeslali ji výrobci (v 21:06). A dnes, 8. října, mi v 20:07 napsali, že deska přišla a že ji teď musejí rozřezat a o 4 minuty později další mail, že už je to rozřezané a pošta už mi to doručuje. To je rychlost!

Z mnou uvedených údajů si už asi každý spočítá, kdy se mu vyplatí dělat si desky doma a kdy je lepší je zadat venku, a na kterou světovou stranu. A až mi desky dorazí, najdete zde pokračování se zhodnocením kvality a rychlosti výroby/dodání.

Doplněno 30.října 2014:

Obě objednávky už dorazily hotové, takže můžu hodnotit. První dorazila zásilka ze Západu, a kupodivu doporučeně (tj. podepisoval jsem pošťačce převzetí, tzn. pošta se zásilku neodváží někde zašantročit - při poštovném zdarma je to paráda!). V tenké obálce odeslané z Oregonu byly tři nádherné kousky plošných spojů a jedna reklamní samolepka OSH Parku. Odesláno 8. října, dorazilo 23. října.

Odhlédnu-li od otřepů na třech stranách každé destičky, které jsem musel sundat pilníkem, jsou ty desky nádherné. Pozlacené, natřené pěkným silným lakem, paráda!

Z Východu dorazila zásilka včera, tj. 29. října. Byla taktéž zaslána doporučeně, a mnohem lépe zabalena - v tvrdé kartonové krabičce. Odeslána byla 10. října ze Singapuru, čemuž trochu nerozumím (myslel jsem, že Seeed je v Číně), ale nevadí. Plošné spoje byly vakuově zabaleny do bublinkové fólie a podle popisky na ní vyrobeny už 5. října. Zajímavé (myslel jsem si, že ctili ten týdenní svátek na začátku října, ale asi ne).

Kvalita desky samotné je OK, řekl bych. Sice se neleskne zlatem (zlato bylo v Seeedu za příplatek), ale zas oceňuju, že nemusím nic dopilovávat - Seeed mi to ořezal úplně přesně tak, jak jsem mu nakreslil, což je speciálně v tomto případě zásadní (deska přesně padne do krytky konektoru).

K rychlosti celého procesu: OSH Park vyrobil a odeslal během 6 dní (8.10.) a pak už to bylo na poště - 15 dní z Oregonu do Česka. Seeed to sice vyrobil rychleji (za tři dny), ale chvíli mu trvala logistika, odeslal později (až za osm dní od objednávky) a ze Singapuru to sem šlo o chlup déle (18 dní, odečtu-li náš státní svátek, aby to bylo fér). Celkově vyhrává USA nad Čínou - 21 dní oproti 27 dnům. Nejspíš ale celý závod ještě jednou zopakuju, abych vyloučil vliv těch říjnových svátků.

Více méně je to vlastně jedno - když má člověk 4 týdny čas, může směle objednat tam i tam. V OSH Parku zaplatí přesně za každý milimetr čtvereční, v Seeedu za bloky 5x5 cm, ale zas mnohem nižší cenu. A kvalitu je vidět na fotkách výše, s obojím jsem spokojen (vlastně jsem z toho úplně nadšený :-)

EDIT 29.11.2014:
Celý závod jsem pro jistotu zopakoval. Start 5. listopadu, v cíli první USA 26. listopadu, Čína přes Singapur vzápětí, tedy 27. listopadu. Zajímavé je, že tentokrát se pošťačka vůbec neobtěžovala doručit mi doporučené balíčky až do ruky - vždycky jsem ho našel ležet na dně schránky... Jo a kvalita naprosto identická jako v předchozím pokusu - dokonce i ty otřepy z USA byly nachlup stejné.

EDIT 2.6.2015:
Napsal jsem pokračování k tématu, tentokrát o levné komerční výrobě kusových plošných spojů v Česku.