Piirikaavio

Usein jossain vaiheessa elektroniikkaharrastusta tulee tarpeelliseksi valmistaa oma piirilevy joko valmiiden ohjeiden tai itse suunnitellun piirikaavion perusteella. Kotikonsteilla levyn valmistus onnistuu varsin kivuttomasti ja sitä kannattaakin ehdottomasti kokeilla. Tässä oppaassa valmistetaan pieni yksikerroksinen piirilevyaihio pintaliitoskomponenteille valotus- ja syövytysmenetelmällä.

Piirilevymateriaalit

Piirilevyn kuparikerroksen alta löytyvää levyä valmistetaan useista eri materiaaleista. Halvin, mutta huonoin materiaali on paperimassapohjainen pertinax, eli fenolihartsi. Epoksilasikuitu on sen sijaan laadullisesti parempi ja hinnaltaankin vielä kohtuullinen. Epoksilasikuitu onkin nykyään yleisin piirilevyn valmistusmateriaali. Myös polyimidiä käytetään jonkin verran.

---

Piirilevymateriaalit ja -laadut jaotellaan seuraavien luokkien mukaisesti:

• FR1 - huono kosteudensieto
• FR2 - hyvä kosteudensieto ja soveltuu muun muassa yksipuolisiin kulutuselektroniikan piirilevyihin
• FR3 - kohtalaiset mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet
• FR4 - erinomaiset mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet ja soveltuu esimerkiksi monikerroslevyihin (yleisin piirilevytyyppi)
• FR5 - erinomainen korkeissa lämpötiloissa (itsestään sammuva)
• G10 - suuri eristysvastus, hyvä lujuus ja hyvä kosteudensieto
• G11 - sietää liuottimia

Yksi-, kaksi- ja monikerrospiirilevyt

Teollisesti valmistetuissa piirilevyissä voi olla johtavia kerroksia jopa useita kymmeniä. Kotikonstein onnistuu kuitenkin lähinnä yksi- ja kaksikerroslevyjen valmistus. Yksipuolisella kuparoinnilla piirilevykuvio on helppo suunnitella ja toteuttaa. Yhdellä johdinkerroksella ei kuitenkaan voida tehdä kovin monimutkaisia laitteita, koska johdotukset vaativat usein läpivientejä.

Kaksipuolisten levyjen valmistuskin onnistuu vielä kotikonstein, kunhan valotusmaskien kohdistustuksen tekee tarkasti. Läpiviennit piirilevyn ylemmältä kuparikerrokselta alemmalle kuparikerrokselle on tehtävä kuitenkin yleensä juottamalla. Suunnitteluvaiheessa läpivientien koko on hyvä valita mahdollisimman suureksi, koska poratessa on tärkeää, että reiän ympärille jää kuparia, vaikka ylä- ja alapuolien kohditukset olisivatkin hieman pielessä. Alle yhden millimetrin levyiset läpivientikuparoinnit ovat usein liian pieniä. Itse olen käyttänyt läpiviennin kuparoinnin halkaisijana 55 mils:iä (0,055 tuumaa), joka on millimetreissä noin 1,4.

Kun johdinkerroksia tarvitaan enemmän kuin kaksi tai kun läpivientejä on paljon, jää harrastajan ainoaksi mahdollisuudeksi tilata piirilevy joltain piirilevypajalta. Tämäkään ei välttämättä koidu järjettömän kalliiksi ja muutamilla kympeillä saattaa pärjätä, mikäli löytää edullisen vaihtoehdon esimerkiksi Kiinasta. Monikerroslevyissä varataan usein omat kerroksensa maatasolle ja käyttöjännitteille. Tämä helpottaa suunnittelua ja vähentää häiriöitä varsinkin radiotaajuussovelluksissa. Kerrosten välistä kapasitanssia on myös mahdollista hyödyntää käyttämällä sitä ohituskondensaattorin tavoin käyttöjännitteen nopeita vaihteluita vastaan.

Tarvittavat välineet

Koska harrastajilla on harvoin mahdollisuutta käyttää koneistoa, jolla onnistuisi piirilevyn johdinkuvioiden jyrsiminen, on valotusmenetelmä oman piirilevyn valmistukseen toimivin tapa. Jotta tämän oppaan ohjeiden avulla valotus- ja syövytysprosesseja voisi kokeilla itsekin kotioloissa, seuraavat tarvikkeet ovat enemmän tai vähemmän välttämättömiä:

• Laser- tai mustesuihkutulostin
• Tulostamiseen sopivaa piirtoheitinkalvoa
• Valmiiksi fotoresistillä päällystetty yksipuolinen piirilevyaihio tai vaihtoehtoisesti paljas kuparoitu piirilevyaihio ja esimerkiksi Positiv 20 -suojalakkaa
• UV-valaisin (hätätapauksessa käy myös halogeeni- tai hehkulamppu)
• Natriumhydroksidia (NaOH)
• Ferrikloridia (FeCl₃) tai vaihtoehtoisesti esimerkiksi natriumpersulfaattia (Na₂S₂O₈)
• Asetonia tai esimerkiksi kynsilakanpoistoainetta

Valotusmaski ja piirilevyaihio

Käytän itse valotusmaskin valmistamiseen HP:n mustesuihkutulostinta ja mustesuihkutulostimille sopivaa piirtoheitinkalvoa. Kun tulostimen asetuksista valitsee tulostusmateriaaliksi kalvon ja vetää käytettävän musteen määrää säätelevän asetusvivun kaakkoon, tulee tulostusjäljestä niin tummaa, ettei siitä näe läpi edes valoa vasten katsomalla. Tämä on tärkeää, sillä haalea tulostusjälki aiheuttaa sen, että valotusvaiheessa UV-valo pääsee vaikuttamaan myös peitettyjen alueiden alla olevaan lakkakerrokseen.

Mikäli maskin tulostukseen käytetään laser-tulostinta, kannattaa harkita Laser Toner Density -spraysuihkeen hankkimista. Aine tekee kalvolla hieman läpinäkyvästä lasertulostimen jäljestä täysin mustaa, jolloin valotus onnistuu paremmin. Suihke on varsin kallista (yli 40 euroa), mutta riittoisaa. Laser Toner Density -sprayta myy ainakin SP-elektroniikka.

EAGLE:lla suunnitellun DC-DC-muunninpiirin johdinkuvio

Yllä on kuvaruutukaappaus EAGLE-piirisuunnitteluohjelmistolla piirretystä ja PDF-tiedostoksi tallennetusta tulostusvalmiista johdinkuviosta. Koska piirilevyn valotus onnistuu tarkemmin, kun kalvolle tulostettu johdinkuvio on piirilevyn puolella, on tärkeää muistaa tulostaa itse kuvio peilikuvana.

Tässä oppaassa syövytämme DC-DC-muunninpiirille piirilevyn, joka on varsin pienikokoinen. Suurempien levyjen syövytys onnistuu tietysti täysin vastaavasti.

Mustesuihkutulostimella piirtoheitinkalvolle tulostettu valotusmaski

Lopputuloksena saatavan piirilevyn tarkkuuteen vaikuttaa kaikista eniten käytettävä valotusmaski. Maskin tarkkuuteen vaikuttaa sen sijaan käytettävä tulostin ja tulostuskalvo.

Valmiiksi valoherkällä suojalakalla lakattua piirilevyä

Yllä olevassa kuvassa on leikattu pieni pala valmiiksi lakattua piirilevyä. Valoherkkää lakkakerrosta suojaa valoa läpäisemätön sininen tarra, joka lähtee repäisemällä irti. Tarra kannattaa irrottaa vasta juuri ennen valotusta, koska esimerkiksi auringonvalossakin on aallonpituuksia, joiden kanssa lakka reagoi.

Valmiiksi lakatut piirilevyaihiot ovat hieman kalliimpia kuin paljaat kuparipinnoitetut aihiot. Satunnaisessa käytössä valmiiksi lakatut levyt ovat kuitenkin kätevämpiä, eikä lakkausta tarvitse tehdä lainkaan itse. Euro-1-kokoinen (160 x 100 mm) valmiiksi lakattu piirilevyaihio maksaa noin 3-4 euroa, kun tavallisia kuparipäällysteisiä levyjä voi saada parilla eurolla.

Lakkojakin on erilaisia, sillä piirilevyjen valmistukseen myydään sekä positiivi- että negatiivilakkoja. Eroina niillä on se, että positiivilakka suojaa kehityksen jälkeen valottumattomia osia ja negatiivilakka valottuneita osia. Purkillinen Positiv 20 -spraylakkaa maksaa noin 20 euroa. Olen huomannut, ettei lakkapurkki ole kuitenkaan erityisen riittoisa, joten itse lakkaaminen ei välttämättä tule edes edullisemmaksi kuin valmiiksi lakattujen aihioiden käyttäminen. Lakkaaminen teettää myös ylimääräistä työtä, eikä syövytyskuvio onnistu yleensä ainakaan tarkemmin kuin valmiiksi lakatuilla levyillä.

Positiv 20 -lakalla lakattu paljas kaksipuolinen piirilevyaihio

Mikäli oikean tyyppistä piirilevymateriaalia ei saa valmiiksi lakattuna, niin voi olla tarpeellista turvautua Positiv 20 -lakkaan. Yllä olevassa kuvassa nähdään kuivumassa noin 12 x 20 senttimetrin kokoinen juuri lakattu kaksipuolinen piirilevy. Kun lakkapinta on tarve saada molemmille puolille levyä, on toisen puolen hyvä antaa kuivua ennen kuin levyn kääntää ympäri. Kuivumista voi nopeuttaa esimerkiksi kuumailmapuhaltimella tai laittamalla levy alle 100-asteiseen uuniin vaikkapa puoleksi tunniksi. Muutoin kuivuminen kestää useita tunteja.

Lakkapinta on kuivunut tarpeeksi viimeistään seuraavana päivänä, jolloin päästään valottamaan. On tietysti sanomattakin selvää, että levy on syytä jättää kuivumaan pimeään paikkaan, eikä todellakaan esimerkiksi auringonvaloon tai lampun alle.

Ennen lakkausta kuparipinnat on syytä puhdistaa esimerkiksi hienolla teräsvillalla ja pyyhkäistä Marinolilla, Sinolilla tai vaikkapa asetonilla.

Valotus

Käytän valotukseen vaimolta lainattua kynsigeelien kovettamiseen tarkoitettua UV-uunia, jossa on sisällä neljä kuuden watin UV-loisteputkea. Mikäli uunia ei halua hankkia, voi sellaisen rakentaa itsekin UV-loisteputkista tai vaikkapa UV-ledeistä. Valotukseen on mahdollista käyttää myös tavallista hehku- tai halogeenilamppua, mutta tällöin tarvittava valotusaika venyy pitkäksi (jopa tunti) ja epäonnistumisen riski kasvaa. Geelikynsiuunissa olen todennut hyväksi valotusajaksi noin kaksi minuuttia. Sama aika valotusaika sopii myös kynsille, jonka takia ainakin käyttämästäni uunista löytyy valmiiksi 120 sekunnin ajastin. Mikäli kynsiuuni kiinnostaa, niin niitä saa edullisesti esimerkiksi eBay-verkkohuutokaupasta (noin 20-30 euroa toimituskuluineen).

UV-uuni

Piirilevy UV-uunissa valottumassa

Kalvolle tulostettu johdinkuvio asetetaan mustepuoli kuparia vasten ja painetaan tiiviisti kiinni lakkapintaan esimerkiksi lasin palalla. Painan lasia yleensä käsin, mutta piirilevyn ja valotusmaskin voisi puristaa kiinni toisiinsa myös esimerkiksi pienellä lasisella valokuvakehyksellä tai puristimilla.

Kehitys

Kehityksellä tarkoitetaan valotuksen jälkeistä toimenpidettä, jossa suojalakka poistetaan valottuneelta (positiivilakka) tai valottumattomalta alueelta (negatiivilakka). Kehityksessä olen käyttänyt yleensä itse sekoitettua 7 promillen (0,7 painoprosentin) natriumhydroksidi- eli lipeäliuosta (NaOH).

100-prosenttisia natriumhydroksidirakeita, jotka liukenevat veteen

Natriumhydroksidirakeet imevät itseensä varsin hanakasti kosteutta ympäröivästä ilmasta, joten ne on hyvä säilyttää ilmatiiviissä paikassa (esimerkiksi kahdessa sisäkkäisessä minigrip-pussissa).

Kodin putkimies on 10-prosenttista natriumhydroksidiliuosta

Helpompi ja luultavasti hieman edullisempikin tapa on hankkia Kodin putkimies -nimistä viemärinavausainetta, joka on 10-prosenttista natriumhydroksidia. Kun 0,7 desilitraa nestettä sekoitetaan 0,93 litraan vettä, saadaan juuri sopivan tujua kehitysnestettä. Mikäli uskoo Kodin putkimiehen käyttöohjeita, käytetyn natriumhydroksidin kaataminen viemäriin pitäisi olla täysin luvallista. WC-pönttöön Kodin putkimiestä ei saa kaataa.

Suosittelen hankkimaan esimerkiksi kuvassa olevaa viemärinavausainetta, koska hieman edullisempien halpamerkkien pulloissa ei kerrota natriumhydroksidin tarkkaa määrää. Yhdessä kaupassa katsomassani pullossa luki, että neste sisältää natriumhydroksidia 15-30 prosenttia.

Hieman liian tujun kehitysnesteen käytössä en ole huomannut ongelmia, mutta liian laiha kehitysneste ei välttämättä poista kaikkea valottunutta lakkaa ja syövytys epäonnistuu.

Natriumhydroksidi on syövyttävää ainetta, joten sitä käsiteltäessä kannattaa aina käyttää suojakäsineitä ja -laseja. Varsinkin silmiin joutuessaan aine on inhaa tavaraa. Mikäli natriumhydroksidia joutuu silmiin, on niitä huuhdeltava välittömästi juoksevan veden alla vähintään 15 minuuttia ja hakeuduttava lääkäriin.

Piirilevy natriumhydroksidiliuoksessa pakastepurkin pohjalla

Kehityksen olen hoitanut yleensä pakastepurkissa, johon olen kaatanut pohjalle hieman lipeäliuosta. Kun sopivasti valotettua piirilevyä heilutellaan purkissa hetki, alkaa valottunut (positiivilakka) tai valottumaton (negatiivilakka) suojalakka liueta pois kuparin pinnasta. Kun piirikuvio näkyy selvästi ja näyttää siltä, että lakka on liuennut kaikista oikeista paikoista, nostetaan levy pois kehitysnesteestä ja huuhdellaan vaikkapa hanan alla.

Natriumhydroksidiliuoksen voi hävittää kaatamalla sen hitaasti viemäriin ja laskemalla samalla hanasta vettä. Varsinkin lantrattua Kodin putkimiestä käytettäessä on paras ottaa jokaiselle piirilevylle uudet nesteet ja kaataa vanhat pois.

Syövytys

Kun kehitysvaihe on takana ja paljas kuparipinta näkyvissä kaikilla niillä alueilla, jotka halutaan syövyttää pois, päästään viimein itse asiaan. Yleisin, edullisin ja turvallisin tapa syövyttää kuparia on uittaa piirilevyä ferrikloridiliuoksessa. Ferrikloridirakeita saa helpoiten ja edullisimmin elektroniikka-alan myymälöistä ja taitaapa apteekistakin löytyä. Apteekin ferrikloridi on ilmeisesti puhtaampaa ja samalla kalliimpaa kuin piirilevyjen syövytykseen myytävät ferrikloridirakeet.

Ferrikloridi on veteen liuotettuna tahraavaa ja sillä on taipumus ruostuttaa lähellä olevat metalliesineet. Kun ferrikloridirakeet varastoidaan tiiviissä pussissa, säästytään samalla hajuhaitoiltakin. Toinen varsin yleinen piirilevyjen syövytysaine on natriumpersulfaatti.

Ferrikloridirakeita, jotka liukenevat lämpimään veteen

Ferrikloridi maksaa noin 10 euroa kilolta. Kun 2,5 desilitraan lämmintä vettä liuotetaan noin 100 grammaa ferrikloridirakeita, saadaan aikaan sopiva syövytysliemi.

Kuuma ferrikloridikylpy

Kun syövytysnesteen lämpötilaa nostetaan noin 50 asteeseen, nopeutuu prosessi huomattavasti. Tällä kertaa tein syövytyksen pilttipurkissa, jonka annoin hautua kuumassa vedessä noin viisi minuuttia ennen kuin pudotin sinne syövytettävän piirilevyn. Hyväksi tavaksi olen todennut laittaa syövytysnesteen vesihauteeseen samalla, kun aloittelen valotusta.

Lämpimässä ferrikloridinesteessä piiri syöpyi tällä kertaa täydellisesti noin neljässä minuutissa. Syövytysaikaan vaikuttavat muun muassa nesteen lämpötila, sen sekoitussuhde ja se, missä asennossa piirilevy nesteessä makaa. Olen yleensä heilutellut piirilevyä hieman syövytyksen aikana. Ferrikloridinestettä voidaan käyttää huoletta uudelleen.

Syövytyksessä piirilevyn pintaan muodostuva ja siitä irtoava rautahydroksidi saostuu seistessään syövytysaltaan tai -purkin pohjalle, joten mikäli haluaa tehdä kaiken optimaalisesti ja mahdollisimman puhtaalla syövytysnesteellä, ei kannata sekoittaa uudelleen käytettävää nestettä ennen syövytystä tai sen aikana.

Ferrikloridi on syövyttävää ja vaarallista etenkin nieltynä. Se myös ruostuttaa metallia ja tahraa paikat. Suojakäsineiden ja -lasien käyttö on suositeltavaa. Höyryjen hengittämistäkin kannattaa välttää, mikäli mahdollista.

Juoksevan veden alla huuhdeltu lähes valmis piirilevy

Piirilevyn kuparikerroksen irtoamista kannattaa seurata. Kun levy näyttää valmiilta, otetaan se pois syövytysliemestä ja huuhdellaan vedellä. Ferrikloridiliuosta ei saa kaataa esimerkiksi viemäriin sellaisenaan, koska se on syövyttävää ainetta. Liemen voi neutralisoida esimerkiksi kehityksessä käytetyllä natriumhydroksidilla tai ruokasoodalla. Neutralisointi ei kuitenkaan vähennä käytetyn nesteen kuparipitoisuutta, joten on suositeltavaa kerätä käytetyt nesteet esimerkiksi muovikanisteriin ja kuljettaa koko varasto kerralla asianmukaiseen ongelmajätekeräykseen.

Lakkapinnan poisto

Osa lakkakerroksesta poistettu (kynsilakanpoistoaineella)

Viimeisenä tehtävänä on poistaa kuparin päällä oleva lakkakerros. Tämä kannattaa tehdä kuitenkin vasta juuri ennen komponenttien juottamista, sillä puhdas kupari on herkkä epäpuhtauksille ja se alkaa hapettumaan. Lakan voi hangata irti esimerkiksi asetonilla tai vaikkapa kynsilakanpoistoaineella.

Juottamisen jälkeen levyn voi suojata siihen tarkoitetulla suihkeella. Kannattaa myös kokeilla lakan poistamista ainoastaan juotospisteiden kohdalta, jolloin kupari pysyy muualta siistinä ja suojattuna. On olemassa myös juotosaktiivista suojalakkaa, joka suojaa kuparin hapettumiselta ja on kaiken muun hyvän lisäksi läpijuotettavissa.

Mikäli piirilevylle on tarvis porata reikiä esimerkiksi komponenttien jaloille, kannattaa se tehdä ennen suojalakan poistamista.

Valmis piirilevy

Valmis piirilevy

Lopussa kiitos seisoo ja edessä kimaltelee itse alusta loppuun valmistettu piirilevy.

Loppusanat

Osa artikkelin ohjeista perustuu omiin päätelmiini ja kokeiluihini. Suomeksi piirilevyjen syövyttämisestä ei ole kirjoiteltu kovin paljoa, mutta yksi lukemisen arvoinen artikkeli on MBnetin Rakentelun perusteet -artikkelisarjan neljäs osa. Toinen varsin kattava opas löytyy Kari Huhtaman kotisivuilta.

Mikäli ei ole innostunut piirilevyn valmistuksesta valotusmenetelmällä, on myös muita vaihtoehtoja, jotka onnistuvat kotikonstein. Syövytyksestä ei kuitenkaan pääse eroon, vaikka johtimet eristettäisiinkin jollain muulla kuin lakalla.

Kaikista yksinkertaisin tapa eristää säästettävät kupariosat on piirtää johdinkuviot suoraan kuparille esimerkiksi tarkoitusta varten myytävällä Decon-Dalo-kynällä. Hommaan käyvät myös useat normaalit vedenpitävät tussit, joten kalliin erikoiskynän osto ei ole välttämätöntä.

Toinen harrastajien käyttämä tekniikka on tulostaa lasertulostimella johdinkuvion peilikuva piirtoheitinkalvolle ja siirtää muste kalvolta kuparille silitysraudalla. On myös mahdollista käyttää teippimaskeja, mutta niiden valmistus kotikonstein on hankalaa.

En ole kokeillut yllä mainittuja tekniikoita, mutta mikäli jollakulla on tarkempia kokemuksia esimerkiksi silitysrautavirityksistä, kuulisin niistä mielelläni kommenteissa. Tulen päivittämään tätä opasta aina, kun kokemusta kertyy lisää. Alla vielä kuva eräästä toisesta oppaan tekniikalla syövytetystä piirilevystä:

Työn alla olevan RGB Touch -projektini kaksipuolinen itse syövytetty piirilevy

 

Artikkelia on päivitetty viimeksi 18.12.2010.