Инженериум DIY

Он большой путешественник. Бабушка летала с ним с Колымы на материк и обратно - он видел много городов! Купила его бабушка, находясь в отпуске. Новый и стильный, с оригинальной расцветкой, он потихоньку наполнялся новыми стильными вещами - несколько красивых костюмов, покупки для дома и пр. На Колыме было трудно что-то найти, поэтому из отпусков все приезжали с большой кладью, скупая в других городах необъятной страны все, что можно было найти и взять с собой. Когда отпуск закончился, бабушка с дедушкой как обычно пролетели 8 часов на самолете, потом столько же времени провели в автобусе. Чемодан с другими вещами был загружен в багажное отделение, а поскольку пришли раньше, он оказался где-то в самой глубине. Приехав в пункт назначения, выходить не торопились - чемодан глубоко, нужно пропустить остальных. Наконец салон освободился, вышли на улицу и бабушка с дедушкой. На их удивление, чемодан уже стоял на земле, в багажном отделении было пусто. Забрав кладь, они отправились домой. А на следующий день, когда бабушка стала разбирать вещи, она ничего не могла понять: откинув крышку чемодана, она увидела старый медицинский халат, завернутые в него кухонные столовые приборы, потрепанную одежду... А где костюмы? Где все покупки, бережно собираемые в отпуске? Все вместе это стоило к тому же приличных денег... Прокручивая в голове вчерашнюю дорогу, она поняла, что, по всей видимости, в багажном отделении оказалось два одинаковых чемодана, и тот, кто выходил раньше, перепутал и прихватил чужой. (Но у нее и мысли не могло возникнуть, что рядом с автобусом может стоять не ее чемодан! Красивый, новенький, с оригинальной расцветкой - точная копия!) По всей видимости, это произошло еще по пути, т.к. поселок у них маленький, здесь было бы не трудно найти пропажу. Бабушка кинула клич по знакомым, разместила объявления, но, увы, безрезультатно. Судя по содержимому, этот второй чемодан принадлежал медсестре, которая переезжала из города в город, сложив туда разномастные домашние вещи. Из них единственно приличным предметом оказалась шубка (север все-таки), которую бабушка и продала, чтобы выручить хоть какие-то деньги взамен утраченного... А чемодан так и остался с ней.

Теперь его судьба продолжается в новом качестве. Я немного облагородила его, обновила внутренность - и получился вполне себе стильный ретро-объект. Храню в нем материалы по истории семьи: туда влезли папки и фотоальбомы, кое-какие памятные предметы. Удобно, что можно размещать как горизонтально, так и вертикально: в шкафу - и на шкафу. Мобильность хранения - весьма актуальный вопрос, который разрешился именно благодаря случайной идее использовать старый добрый бабушкин чемодан...

Тут коллеги, продвигающие инженерный хаб @hubdelo выкатили пост про нитевидные кристаллы (они же "усы", "вискеры"). И почитав комментарии я хочу немного расширить кругозор аудитории. Ну и надеюсь подписанные на меня инженеры поправят меня.

Есть разные интересные явления, про которые уже знают материаловеды. Потому что предшествовало этому "АААааа пиздец все сломалось, мы не знаем почему, все делали правильно!!!!1111" И в процессе дотошного расследования, изучения того, что осталось, натыкались на разные явления. Давайте познакомлю с некоторыми из них:

1. Оловянная чума.

Олово имеет аллотропные модификации, как например углерод. Алмаз и графит сделаны из одинаковых атомов углерода, но в по-разному построенных кристаллических решетках, поэтому один прозрачен и тверд, а второй черный и жирный. И если есть подходящие условия, то вещество может из одной формы переходить в другую. Так и олово при комнатной температуре находится в виде β-формы ("белое олово"), твердого блестящего металла. При температуре ниже +13С оно может переходить в α-форму ("серое олово") - серого рыхлого порошка, как на фото справа. Но процесс этот крайне медленный, и заметным становится при сильном (-30С) морозе или при наличии загрязнителей. В частности автор этого фото (http://www.periodictable.ru/ горячо рекомендую) для ускорения процесса добавил на правый конец кусочек антимонида индия, как затравку.

С последствиями оловянной чумы столкнулась экспедиция ТерраНова полярника Скотта. Представьте, вы посреди ледяной пустыни возвращаетесь замерзшие, к ранее разбитому лагерю с припасами, а там все топливо вытекло. Потому что жестяные банки тогда запаивали оловом.

Сейчас с этим борются добавками разных металлов. Так достаточно добавить примерно 2% висмута и проблема больше не появится.

2. Нитевидные кристаллы.

Они же "усы", они же "вискеры". Самопроизвольно вырастают из разных покрытий (не только олово, усы дают покрытия из цинка, кадмия, серебра, золота) тончайшие и длинные кристаллики.

Причем, это именно кристаллики - они имеют идеальную структуру, поверхность. Их прочность близка к теоретическому максимуму и ученые мечтают научиться их выращивать по заказу, пока получается с переменным успехом. Но инженеры от них не в восторге, просто посмотрите какой пиздец:

Проектируешь печатную плату, делаешь зазор в 8 мм, что дофига, а тут из лужения спустя несколько лет вырастает такой кристаллик и устраивает короткое замыкание. Причем, в зависимости от цепи, может устраивать как временные, самоустраняющиеся неисправности, если цепь сигнальная, так и стать инициатором дуги, с последующим фейверком. Гарантированного рецепта предотвращения роста усов нет, но есть шаманские практики, соблюдение которых сводит вероятность их появления к минимуму. Например добавление более 3% свинца к олову. Но против этого выступают экологи (гуглить "ROHS"), поэтому приходится снова развлекаться с добавлением висмута.

3. Электрохимическая миграция

Явление, когда при наличии влажности, загрязнений и приложенного напряжения, на катоде начинает расти кристалл металла дендритной формы. Он тоже может устроить короткое замыкание.

Кристаллы появляются только под напряжением, в отличии от усов. При определенных условиях, могут прорастать ВНУТРИ диэлектрика

Рецепт борьбы - тщательная отмывка печатной платы от следов флюса, отпечатков от пальцев. Защита от пыли (которая хорошо удерживает влагу) и покрытие всего защитным лаком. "Безотмывочные" флюсы надо отмывать, если хотите долгой работы:

4. Электромиграция.

С этим эффектом сталкиваются разработчики микросхем. Слои металла там микроскопические, а токи, по местным масштабам, огромные.

Если объяснять суть эффекта пятилетнему ребенку - в металле, между атомов перемещаются электроны. Иногда эти электроны могут дать атому пенделя в сторону своего движения. Если электронов движется много, температура высокая - то вполне можно напинать ощутимую горку атомов в одном месте с образованием ямы в другой.

Поэтому процессор в вашем компьютере может умереть в один прекрасный день, особенно если он горяч, а техпроцесс его тонок. Вообще температура - основной ускоритель процессов, в том числе приводящих к старению и отказу электроники.

5. Диффузия

Вы разработали красивую печатную плату с контактами по краю, и решили шикануть на все деньги и покрыть медные дорожки, в том числе и контакты золотом. Это и защита от коррозии, и обеспечение хорошего контакта, и паяется такая плата отлично. Но что же происходит:

Красивое золотое покрытие очень быстро исчезает - из-за взаимной диффузии меди и золота. Поэтому при покрытии золотом, создают разделительный слой из никеля - он препятствует взаимной диффузии.

Объявляю срач в комментариях открытым) Наде наброшу в виде плашки для донатов:

Я довольно частенько проектирую электросхемы и заказываю производство печатных плат на известных сайтах. Паять SMD детали особых проблем не составляет, но всё же использовать для этих целей паяльную пасту несколько проще. Однако, с ней возникают сложности в нанесении, - кто сталкивался, тот поймет. И специально для удобного нанесения существуют SMT трафареты:

Приложил на плату, размазал паяльную пасту и готово. Легко и быстро. Конечно, там где заказываешь производство печатных плат, можно заказать и трафарет, но это хорошо если нужно произвести сборку большого количества плат. А если нужно всего несколько штук? Или например находишься на этапе отладки схемы, или просто деталек много и руками паять очень не хочется? Я подумал, что можно воспользоваться 3D печатью и у меня как-раз есть принтер. Надо попробовать!

Первым делом, надо погуглить, как вообще преобразовать PCB разводку в понятный для 3D редактора формат? В качестве 3D редактора я привык использовать Fusion 360. И на Ютубе есть небольшой ролик как это сделать: Экспортировать из EasyEDA нужный слой в PNG формат, вставить картинку во Fusion 360, откалибровать размер, и сидеть ручками в скетче обводить растровые пиксели нужных "дырок". Серьёзно? Да ну нафиг, должен быть способ проще и точнее.

Так, из более менее понятных форматов, в скетч Fusion 360 можно импортировать: Растр (Canvas), то есть картинку - Это нам не подходит, обводить ручками вообще ноги не чешутся; SVG - вот это уже интереснее, попробуем. Экспортируем из EasyEDA нужный слой и границы платы в SVG:

Импортируем его в скетч во Fusion 360, и наблюдаем "ничего". Не прокатило. Ладно, что еще можно: DXF - пробуем его. Экспортируем из EasyEDA в DXF, импортируем в скетч и видим:

Что-то какая-то фигня, но уже ближе. Значит надо ползти в сторону DXF.

И тут, совершенно случайно, я попробовал поиграться с FreeCAD. Попробуем импортировать что-нибудь в него. Попробуем импортировать DXF. Для этого создаем параметрическую деталь, и сразу файл - импортировать, находим ранее полученный DXF. Получаем такую же фигню как и выше на картинке. Наверное EasyEDA как-то не правильно экспортирует в DXF. Ладно, а если SVG? Выбираем, файл SVG, указываем что "SVG as geometry (ImportSVG)" и....

Да! то что нужно. Удаляем фон, нам он не нужен, и всё лишнее, если есть. Далее можно уже все сделать во FreeCAD, но я хочу во Fusion 360 засунуть. Значит выбираем все объекты (Ctrl + A), и жмём Файл - Экспортировать, выбираем "Audodesk DXF 2D (*.dxf)"

Возвращаемся во Fusion 360, и импортируем в скетч сохраненный DXF. И о чудо! В этот раз всё получилось как надо.

Если посмотреть на границы платы, то можно увидеть, что некоторые точки соединений белые, - это не замкнутый контур. Вот тут надо немного поработать руками. Удалить прямые линии с этим точками, и провести их снова. И вуаля, контур замкнулся:

Далее надо используя инструмент "Offset" немного адаптировать размеры контактных площадок для печати. Их надо немного увеличить. 0.2 мм будет достаточно. Это нужно, чтобы компенсировать погрешность печати принтера, а также влияние такого недуга как "слоновья нога". В целом, если "пятаки" 2х2 мм, то этого делать не обязательно, но вот если они меньше, то надо увеличить, иначе после печати они либо "заплывут" филаментом, либо будут настолько мелкими, что паста просто не будет толком через них продавливаться и просто их забьет. Так же надо обратить внимание на пятаки "многоножек" типа SOT-23-6 и т.п., принтер не сможет пропечатать такое расстояние между ног, слишком мелко. Тут рекомендую просто слить их в "единую" ногу - паста при расплавлении сама разбежится по пятакам.

После работы с пятаками, лишние линии удаляем. И приступаем к границам платы. Выделяем все линии границы (точки соединения не выделяем, только линии), и делаем Offset на + 1.2 мм и на + 0.2 мм. Из которых 0.2 мм - это будет зазор между платой бортом трафарета и 1 мм - это толщина бортика. После чего удаляем линии изначальных границ, - они больше не понадобятся. И финишируем скетч.

Далее инструментом выдавливание, выдавливаем трафарет на 0.3 мм (меньше не выходит, т.к. принтер первый слой нормально от 0.2 мм ложит, + 0.1 мм на второй слой, чтоб по прочнее было). И выдавливаем бортик на 1-1.5 мм, в зависимости от толщины платы.

Дальше экспортируем в STL, идём в слайсер, нарезаем и печатаем.

Для печати я использую PETG, скорость занижаю до 40 мм. Нас спешить тут не надо. Печатаю на PEI пластине, рельефность не мешает.

И спустя 10 минут получаем результат. Сразу посмотрим на просвет, - все ли площадки пропечатались.

Да, всё отлично. Осталось примерить на печатную плату.

Смотрим что получилось. Трафарет надевается с небольшим малюсеньким натягом, то что нужно и никуда не убежит.

Отлично, все на местах! Можно мазать паяльной пастой, раскладывать компоненты и в печь до хрустящей корочки!

Да, конечно использовать для этих целей фотополимерник было бы лучше, но имеем, что имеем.

А на этом у меня всё. Спасибо за внимание! Надеюсь кому-нибудь пригодится.