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工程师自己制作PCB的苦与乐!

2019-09-06 09:35:52 David Ashton 阅读:
我14岁那会儿,我爸每个月都给我买一本“实用电子”杂志,里面有一个用来制作印刷电路板(PCB)的工具包,从此开启了我的自制PCB生涯!我拿我妈用来清洗下水道的烧碱溶液让板子显影,我的物理老师教我自己制作蚀刻剂。。。

1958年,我两岁的时候,我的父母从伦敦移民到津巴布韦(当时叫罗得西亚)。在津巴布韦我渡过了快乐的童年,后来我对电子产品产生了兴趣,可惜津巴布韦不是电子世界的中心。lESednc

在我14岁那会儿,我爸每个月都会给我买一本《实用电子》( Practical Electronics)杂志。我在里面看到一个广告,是自己做印刷电路板(PCB)的工具包,于是我在英国找到了一个对我很好的亲戚,请他给我买了一套作为我的圣诞节礼物。这个工具包有这些东西:lESednc

  • 几个单面PCB,与超大尺寸邮票大小差不多;
  • “Decon-Dalo”笔,有点像毡尖笔,是用来将耐腐蚀油墨涂到PCB上的;
  • 一点儿氯化铁蚀刻剂晶体;
  • 几页带有PCB布局图的“样版”。

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收到工具包之后我才知道它装在一个很小的盒子里,我有点上当受骗的感觉,但我还是开始动手,准备做一些PCB。使用Decon-Dalo笔,走线的最小宽度约为1.5mm(略大于1/32英寸),如果你试着在中间画一个焊盘,它的直径最后会达到4mm左右。如果想再小一些,就只能用大头针在中间钻一个小孔。如果使用晶体管,则引线必须留长一些! 无论如何,我用这个工具包制作了一些PCB,这真让人着迷!lESednc

后来我发现了Positiv20——一种德国生产的光刻胶,用它给PCB涂上光敏层,当时我还在上学。我把我妈的烤箱温度设置得很低,然后把PCB烤干。使用透明正片(positive transparency),然后曝光PCB。lESednc
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Positiv20说明书上推荐了各种紫外线(UV)灯,但我听了一个朋友的建议,我发现在阳光下曝光五分钟就可以了。然后,在每升7克的烧碱溶液(也就是氢氧化钠,是我妈用来清洗下水道的东西)中让板子显影。这时候,板子上出现了浅绿色的走线图案,可以蚀刻了。但是下一个问题来了—— 到哪里才弄得到用来蚀刻的氯化铁呢?lESednc

幸运的是,我的物理老师是个电子迷,我遇到任何解决不了的电子问题时都会去找他。这一次,他教我自己制作蚀刻剂。首先准备好黄色的盐酸(HCl),这个在游泳池也会用到(我们都有游泳池)。在盐酸里面溶解一些旧铁钉,变成浅绿色液体,即氯化亚铁(FeCl3)[译者注:此处系作者笔误,应为FeCl2]。然后加入一些过氧化氢(H2O2),过氧化氢很容易买到,女孩常常用它让头发更有光泽。通过神秘的气泡反应(我忘记是啥了),产生氯化铁(FeCl2)[译者注:此处系作者笔误,应为FeCl3] —— 深褐色的,有臭味,并且,残留的盐酸把我的衣服烧出了洞。这个过程持续了很长时间,似乎没有尽头。我妈专门找出了我那些最破旧的衣服,她说在我制作PCB时,只能穿这些衣服。当时,我弄到了一些细头画笔,可以制作我自己的透明胶片,这意味着我得到的结果将远胜使用Decon-Dalo笔。lESednc

我还用了Veroboard,这是外面卖的一种PCB,每隔0.1英寸有铜线条,并且孔间距相同。布局需要进行一些思考,还需要技巧,走线之间通常有很多跳线。这对于不太复杂的一次性项目来说是好事。Veroboard这一名称的由来,是因为它最初是由英国的Vero Electronics公司制造的,不过现在很多公司都制造这种板,通常称为长条洞洞板。最好再买一个专用切割工具,在不需要连接的带线(strip)上切孔,但是我的一个朋友将一个4mm的钻头装在一个旧的剃须刀手柄中,非常好用。lESednc

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还没有装上元器件的裸Veroboard板。lESednc

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典型的手绘Veroboard布局图(X表示走线中要打孔的地方)。lESednc

我第一份真正的工作是在很有名的英国南非警方当一名“无线电技术员”。他们有一个无线电实验室,里面都是一些绝顶聪明的人,其中多数拥有大学学位,为我们的无线电设备设计和制造电源、充电器和遥控装置。他们采用丝网印刷制成了非常好的印刷电路板,但是我很少到那里去,所以对他们所做的知之甚少。lESednc

还好,后来我跟实验室的一个人交上了朋友,他跟我讲一些这方面的事。他还给了我一些Rubylith蒙片,蒙片有2层,一层清晰,另一层是深红色。你可以用一把精细的刀子切开并剥离红色层来布局。我用它制作了几块PCB,说真的我不喜欢它 —— 用它做出来的走线和焊垫,完全比不上我用画笔做的。话虽如此,我见过一些用Rubylith蒙片完成的非常精细的设计——不光是PCB,还有图形设计。另外,据我所知,早期的英特尔微处理器芯片布局也采用这种技术。lESednc

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一张Rubylith蒙片上的图形设计(我到处都找不到PCB设计!)。lESednc

我后来的一份工作是管理一个与供电设施相连的电子设计实验室。在那里我发现了Bishop Graphics,包括一叠黑色焊垫贴纸,晶体管和集成电路可以使用的多个焊垫,以及用于走线的薄胶带。将它们粘贴在透明的醋酸纤维板上,就可以做成电路板布局的正图。如果需要,可以先用两倍尺寸的焊垫,之后再缩小到实际尺寸,以获得更好的分辨率。lESednc

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用于走线的Bishop Graphics胶带(上图);具有大半径曲线的典型布局风格(下图)。 lESednc

如果你觉得自己真的很聪明,也可以用红色和蓝色的Bishop Graphics来进行双面布局,但我从来没做到。设计完成后,把它拿到一个冲印室,在胶片上产生正像。然后再到PCB室(实际上在我住的索尔兹伯里有一个)制作PCB。用这种方法做出来的成品看起来非常专业(我用这种方法偷偷干了一些私活)。lESednc

电子爱好者杂志Elektor曾为许多项目提供PCB布局。我还是需要找到一个冲印室来制作正片,但我自己会蚀刻电路板。他们提供几种不同样式的PCB布局,早期使用的大部分电路板的走线之间只有很小的间隙,走线和焊垫的大小经常与它们的重要性完全不成比例,不过它们看起来很好。lESednc

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之后,Elektor改变了风格,走线的方向只有水平、垂直或成45度角。我更喜欢这种风格,因此用它作我自己的板子。Elektor还在做PCB设计,但是不在杂志中,你可以买他们现成的PCB。lESednc

自从有了电脑,电脑便当之无愧地成为PCB设计的理想选择。20世纪90年代中期,我得到Niche PCB designer程序的演示版,它是Windows 3.11程序,其实就是Bishops Graphics基于屏幕的版本。电脑上有各种尺寸的焊盘,还有不同的IC和晶体管基本布局,将其拖动到网格上并与各种尺寸的走线连接就行了。所有的焊盘布局和走线布线就必须做了。我仍然经常在纸上打印出双倍尺寸,然后使用复印机将它们缩小为透明胶片。这对于小布局来说很好,我制作的多数也是小布局PCB,这确实好用,所以现在我还没学Eagle或DesignSpark或任何更复杂的程序(这些东西将来我肯定还是要学的)。lESednc

到澳大利亚后,我再也弄不到Positiv20了,但我能搞到预敏化PCB。与使用Positiv20的时候一样,我第一次用它时在阳光下曝光了五分钟,结果得到了一块空板子。经过试验和改错,我弄清楚了大约30到60秒才是理想的曝光时长。最近我又弄到了一些,很便宜,我还是喜欢自己制作PCB。现在我开始使用SMD元件,但它们可不小。与我过去使用的臭臭的氧化铁比起来,过硫酸铵蚀刻剂更干净,但它是一次性的。不过,我现在还是用我妻子清洗下水道的清洁剂。最近我又看到了一种使用特殊复印纸的工艺,可以烫到PCB上,但我还没有试过。lESednc

所有这些当然都比不上买来的PCB,甚至可以说相差甚远。自动化的设计,极小的走线宽度,多层(最多30层,这是Duane Benson说的,他靠PCB为生,肯定没错),柔性PCB,无铅焊接和ROHS,球栅阵列,JTAG连接隐藏的引脚......这些非常专业的技术远远超出我的认知。我期待在PCB Designline中更多地了解这些技术,但是对于制作我的石器时代的PCB,我仍然乐此不疲。lESednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下EETimes网站,参考链接:The Dismays & Delights of DIY PCBs,由Jenny Liao编译。)lESednc

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