Amatorska i (nie do końca) domowa produkcja elektroniki #2

Czasem początkujący hobbyści amatorzy marzą o stworzeniu swojego pierwszego obwodu drukowanego zamiast łączyć komponenty metodą tak zwaną "na pająka".

Wymaga to trochę wysiłku ponieważ trzeba znać któryś z dostępnych programów EDA (Electronic design automation), w którym stworzymy schemat i narysujemy layout płytki.

I często nie jest to na największą przeszkodą. Pozostaje kwestia fizycznego stworzenia urządzenia. W domowych warunkach możliwości są dość ograniczone. Można kupić kawałek laminatu, nanieść na niego ścieżki jedną z dostępnych metod (np. termotransferową czy naświetlania UV), wytrawić w chlorku żelaza czy nadsiarczanie sodowym a następnie nawiercić odpowiednie otwory. Metod jest więcej, ale wymagają też odpowiednich narzędzi:

O ile najprostsze metody sprawdzają się gdy chcemy stworzyć pojedyncze płytki z komponentami o dużym rastrze, rzadko dwustronne, z niewielką ilością małych elementów i najlepiej "na teraz" to do większych produkcji warto rozważyć wybór jakiegoś dalekowschodniego producenta.

Takie zmontowane urządzenia charakteryzują się wysoką (w porównaniu do domowej) jakością wykonania i dobrymi walorami estetycznymi.

Proces zamawiania nie jest skomplikowany i jeśli ktoś szanuje swój czas a nie potrzebuje urządzeń na już powinien być zadowolony z wygody oraz możliwości jakie oferują.

Co do tego potrzebujemy?

Odpowiedniego dostawcy i projekty z wygenerowanymi plikami produkcyjnymi, ale po kolei :)

Pokażę przykładowy proces zamawiania u popularnego producenta obwodów drukowanych JLCPCB i powiązanego z nim sklepu z komponentami elektronicznymi LCSC.

Jakie są ograniczenia? 

Można zamówić maksymalnie 50 obwodów a montaż dokonywany jest tylko na jednej stronie i tylko dla elementów SMD. Akceptowane są płytki o 2 lub 4 warstwach, minimalnych wymiarach 20x20 mm, maksymalnych 480x320 mm, grubości z zakresu 1-1,6 mm a jedynym dostępnym kolorem soldermaski jest zielony.

Jeśli mamy już narysowany swój schemat elektroniczny

To na jego podstawie rysujemy oczekiwany układ PCB

Przygotowujemy dokumentację produkcyjną:

Generujemy pliki gerber (RS-274X) spakowane do archiwum zip.

Dla pewności możemy jeszcze zerknąć na pliki wynikowe w innym oprogramowaniu niż to, które zostało użyte do stworzenia projektu płytki.

Jako przykład można podać oficjalny "viewer" organizacji rozwijającej standard działający online:

https://gerber-viewer.ucamco.com/

lub polecany przeze mnie ZofzPCB

Jeśli wszystko jest zgodne z naszymi oczekiwaniami to można przejść do wygenerowania pozostałych plików.

Zacznijmy od wykazu komponentów (BOM - Bill of materials). Różne programy generują je w różne sposoby jednak zawsze zachowane są najważniejsze informacje, do których należą: nazwa, oznaczenie, footprint (obudowa). Praktycznie każdy program podaje więcej informacji dlatego przykładowy plik musimy dostosować do formatu jaki narzuca nam dostawca:

Przykład takiego pliku tutaj.

Co znajduje się w ostatniej kolumnie?

To numer komponentu ze sklepu LCSC, który samodzielnie należy dopasować.

Komponenty dzielą się na dwie części - Basic Parts i Extended Parts.  Pierwsze to takie, w które jest standardowo uzbrojona układarka komponentów - jest ich 689. Drugich jest ponad 30 tys. jednak wybór takiego komponentu wiąże się z przezbrojeniem układarki za co pobierana jest opłata w wysokości 3$ od każdego elementu. Nie wszystkie komponenty trzeba obsadzać - tylko te, które chcemy. Resztę zawsze można dołożyć ręcznie tym bardziej, że komponenty THT nie są montowane. W takim przypadku nie umieszczamy ich w BOM.

Producent nie akceptuje części dostarczanych przez klienta.  Komponenty w obudowach BGA nie są niestety obsługiwane.

Po przygotowaniu wykazu komponentów należy jeszcze wygenerować w oprogramowaniu EDA plik ze współrzędnymi komponentów (zwane CPL od Component Placement List lub P$P od Pick & Place).

Przykład jak powinien wyglądać taki plik tutaj.

Podobnie jak w przypadku BOM programy generują zwykle bogatsze pliki:

Zostawiamy tylko potrzebne kolumny oraz montowane komponenty.

Jeśli chcielibyśmy zamówić montaż na płytkach, które są w panelu sprawa nieco się komplikuje ponieważ należy przygotować powyższe pliki uwzględniając każdą pojedynczą płytkę w panelu. Nie każdy program EDA to potrafi. Dodatkowo płytki mogą być panelizowane tylko za pomocą tzw. stamp holes lub mouse bites a nie przez rowki V.

Jeśli już się zdecydujemy na takie działanie to nie są wymagane markery do pozycjonowania (fiducial marks) ani marginesy technologiczne (edge rails).

Kiedy mamy wszystkie pliki można rozpocząć zamówienie.

Rejestrujemy się na stronie https://jlcpcb.com/

Wybieramy Quote Now. W kolejnym okienku wczytujemy pliki Gerber.

Dostosowujemy interesujące nas parametry płytki

W okienku na samym dole zaznaczamy SMT Assembly.

Wybieramy, która strona zostanie obłożona i ewentualnie możemy określić położenie dwóch niewielkich, koniecznych w procesie produkcji otworów, które zostaną zrobione na PCB. Po zatwierdzeniu należy załadować pliki BOM i CPL w jednym z uznawanych formatów (xlsx, xls, csv).

Pliki zostaną przetworzone i wyświetli się okienko podsumowania jeśli chodzi o komponenty.

Na tym etapie można jeszcze zdecydować, które komponenty mają być lub nie montowane, jaka jest ich cena, które należą do kategorii "extended" a nawet istnieje możliwość podmiany komponentu po kliknięciu w ikonę lupy.

Po zatwierdzeniu komponentów pojawia się kolejne okienko pokazujące łączny koszt wykonania. I tak opłata początkowa to 7$, nie jest pobierana opłata za szablon do smarowania płytek, komponenty wyceniane są indywidualnie a koszt ich położenia liczony jest od każdego padu (0,002$).

JLCPCB mocno zachęca do korzystania z ich usług dając na początek trochę kuponów obniżających cenę.

W moim przypadku zamówienie liczyło jeszcze 50 obwodów innego urządzenia.

Pozostaje sfinalizować zamówienie. Wybrać adres wysyłki oraz firmę spedycyjną. Dla przesyłek do 1,5 kg można używać również poczty (Air mail).

Z pozostałych najtaniej wychodzi DHL Honk Kong choć ma dłuższe czasy dostawy niż pozostałe opcje.

Oczywiście warto skorzystać też z dostępnych kuponów obniżających cenę - najlepiej najpierw tych, które mają najkrótszy okres ważności.

Ostatni krok to opłacenie zamówienia jedną z dostępnych metod. W panelu klienta można zobaczyć swoje zamówienie oraz jego status. Do czasu potwierdzenia będzie widniało jako oczekujące.

Po potwierdzeniu - zwykle w ciągu mniej niż godziny dostajemy wiadomość mailową

a status zmienia się na "w produkcji"

Pozostaje oczekiwać nam na kuriera z przesyłką a w międzyczasie można zerkać na stronę oraz status zamówienia tym bardziej, że jest podany w ciekawy sposób pokazujący w jakim stopniu zamówienie jest realizowane a także można zobaczyć ciekawe filmy obrazujące każdy etap produkcji.

Oczywiście po zakończeniu produkcji również zostaniemy poinformowani o tym mailowo oraz zostanie przekazany numer listu przewozowego. Czas od zamówienia do otrzymania zmontowanych płytek w zależności od wybranego sposobu dostawy może wahać się od zaledwie kilku dni do nawet miesiąca (Air mail).

Po otrzymaniu paczki (i możliwych opłatach celnych) pozostaje uzupełnienie płytek o brakujące komponenty i cieszenie się gotowymi urządzeniami.

Na zdjęciu akurat poprzednia wersja urządzenia montowana w całości ręcznie.

JLCPCB to oczywiście nie jedyna chińska firma zajmująca się montażem elektroniki. Jeśli będzie okazja pokażę proces zamawiania u innego producenta gdzie ograniczenia co do ilości obwodów czy stosowanych komponentów są mniejsze.