Samolutująca się płytka PCB - coś dla fanów elektroniki (film, 8 minut)
Carl Bugeja w swoim najnowszym filmie wideo porusza fascynujący temat samoskalających się układów PCB. Opisuje, jak porównuje proces lutowania reflow do robienia pizzy, gdzie PCB jest ciastem, pasty lutownicze stanowią sos, a komponenty elektroniczne to dodatki. W tym przypadku, aby stworzyć obwód, który może samodzielnie lutować po podłączeniu dwóch przewodów, projekt składa się z warstw miedzi. Autor omawia również, jak wprowadzenie podgrzewacza w formie długiego ścieżki oporowej w płytce PCB może pomóc w stopieniu pasty lutowniczej i połączeniu elementów. Pojawił się jednak pewien problem z jednorazowym użyciem warstwy masy. Z rozwiązaniem tego problemu Carl planuje połączyć nowo skonstruowaną płytkę z masą, aby mogła z jednej strony służyć jako płytka uziemiająca, a z drugiej strony pozwolić na proces lutowania.
Kolejnym krokiem jest testowanie obwodu z wykorzystaniem oprogramowania do projektowania PCB „Altium Designer”, które oferuje funkcję automatycznego unikania przeszkód podczas projektowania ścieżek termicznych. Autor podchodzi do zasilania obwodu, donosi że udało mu się uzyskać pierwsze efekty lutowania - obwód jest gotowy. Trwa kontynuacja doświadczeń, a Carl ma zamiar zautomatyzować proces za pomocą kontrolera PID, który wykorzystuje czujnik temperatury, by uzyskać idealny profil lutowania.
Carl wskazuje, że design obwodu PCB zawiera drobne błędy, które pojawiły się podczas jego pierwszych doświadczeń z mikrokontrolerem ATMEGA32. Po nieco skomplikowanej procedurze wgrania bootloadera, wprowadza drobne poprawki, takie jak wymiana kondensatora oraz ponowne podłączenie diod LED i przycisków, co poprawia integralność połączeń. Technologia pozwala teraz na „matkę” PCB, która może lutować inne „córki” PCB, wykorzystując wymienione wcześniej komponenty do reflow lutowania.
Dzięki testowi, który Carl przeprowadza, nowa płytka córka została udolnie wlutowana, a całość działa poprawnie, z nowym Motherboardem wykonującym lutowanie na poziomie bardziej zaawansowanym. Kolejne testy dowodzą, że technologia może prowadzić do stworzenia układów, które mogą same lutować kolejne obwody, co wydaje się być dużym krokiem w kierunku innowacyjnych rozwiązań w elektronice.
Wszystko to wydarza się, gdy wideo osiąga 1,211,773 wyświetleń oraz 32,266 polubień w momencie pisania tego artykułu. Innymi słowy, Carl Bugeja zyskał bardziej zainteresowane grono widzów, którzy również mogą zacząć testować tego typu samosterujące układy lutownicze. Zgadza się - przyszłość lutowania może być w rękach naszych własnych projektów. Jeśli jesteście ciekawi, jak wygląda ten projekt, znajdziecie wszystkie pliki źródłowe na GitHubie. Pamiętajcie, aby zawsze używać pasty lutowniczej o niskiej temperaturze i zwracać uwagę na moc dostarczaną do ścieżki termicznej.
Toggle timeline summary
-
Wprowadzenie do tworzenia obwodu lutowniczego.
-
Porównanie lutowania reflow do robienia pizzy.
-
Wyjaśnienie komponentów PCB i procesu lutowania.
-
Opis warstw PCB i wykorzystania uziemienia.
-
Doprowadzenie PCB do uziemienia po lutowaniu do podwójnego użytku.
-
Początkowy układ obwodu i wyzwania związane z torami cieplnymi.
-
Nadchodzące wyjaśnienie działania obwodu.
-
Dyskusja na temat osiągnięcia optymalnego oporu do lutowania.
-
Wymagania dotyczące temperatury do topnienia lutowia o niskiej temperaturze.
-
Testowanie ustawienia lutowania z stopniowym zwiększaniem napięcia.
-
Pomyslnie zakończony pierwszy test lutowania.
-
Planowane poprawy w kontroli temperatury.
-
Integracja kontrolera PID w celu lepszego lutowania reflow.
-
Przyznawanie się do wad w projekcie płyty głównej.
-
Rozwiązywanie problemów z programowaniem chipu ATMEGA32.
-
Modyfikacje wprowadzone do płyty w celu udanej obsługi.
-
Podziękowania dla PCBWay za wyprodukowanie nowej płyty.
-
Montaż komponentów i przygotowanie do lutowania.
-
Sukces lutowania płyty córki.
-
Podkreślenie potencjału płyty głównej do lutowania innych obwodów.
-
Identyfikacja błędu lutowniczego z rezystorem zerowym.
-
Zachęta do zapoznania się z plikami otwartego projektu.
-
Porady dotyczące bezpieczeństwa przy pracy z lutowiem o niskiej temperaturze.
-
Podsumowanie i zaproszenie do odkrywania kolejnych filmów.
Transcription
I want to make a circuit that can solder itself by just connecting two wires to it, and I want to use the same circuit to solder other PCBs like it in mid-air, the revrap way. I really like to compare reflow soldering with pizza making. The PCB is like the dough, the solder paste is the sauce and the toppings are the electronics. The oven's heat is what bonds these individual items together, so using the same analogy, making a self-soldering circuit is going to be like putting the oven in the dough and make it edible. PCBs are made from multiple layers of copper stacked together. One of those layers is usually a solid ground plane, and if we chop this up into a one long trick, it can also be used as a small resistor that heats up and melts the solder. The bummer is that this layer will only be used one time, so it will kind of be stuck in the FR4 forever. So what I'm thinking is that after the PCB gets soldered, I short it to ground, so this can also be used as a ground plane. And I think that makes sense, right? This is the circuit that I chose to do the first test with. But as you can see, there are vials and holes that makes laying out the thermal track a little bit harder. But luckily Altium Designer has this interactive length tuning feature that automatically avoids the obstacles for you. And as you can see, the track is passing underneath all the components. I connected the track to these two pads over here, which are surrounded with mouse-bite vials, so that I can remove this part when it's soldered. The track will also get directly soldered to ground once this zero-ohm resistor gets soldered. I will explain how this circuit works later on in the video. And if you'd like to get a free trial of Altium Designer, check out the link in the description. There you can also get 25% off any purchased license. So somewhere in there should be a secret heater. The goal was to keep the resistance as small as possible, so that it wouldn't need a high voltage to reflow. In fact, it reached 165 degrees at around 9 volts. This is the maximum temperature that the PCB has to reach in order to melt this low-temperature solder paste. This may seem a little bit high considering that the temperature has to come from in between the layers. But the PCB has a TG value of 170 degrees Celsius, which is a little bit more pricey. Besides this, the board only has to reflow one time for less than 5 minutes, so it will kind of be like putting it on a hot plate. As you can see, every single component that's going to be soldered is surface-mounted, so that I avoid hand soldering. Everything looks ok, time to power it on. I'm going to slowly increase the voltage. Yep, it's happening. We have officially cooked our first PCB. There are some soldering blobs, but nothing that can't be fixed. Damn, that looks so good. Ok, so the board has cooled off and there's zero sign of delamination. Now here's when the fun really starts. So far I have been manually increasing the board's temperature by hand, which did an ok job, but a computer can definitely do it better by reflowing the solder paste with its exact temperature profile. And that's what this circuit is going to do. As you can see, the PCB thus not only has a thermal input, but also a thermal output. These pins are connected to a MOSFET transistor, which can be turned on and off using this ATMEGA3204 microcontroller. And the software will read the temperature from the thermocouple sensor. And when the user presses the start button, it will implement a PID controller to match the reflow temperature profile. So we can kind of say that this board is like a mother that can reflow other daughter PCBs. The only problem is that our motherboard has flaws. This was my first time using the ATMEGA32 on a custom PCB, and for some reason I thought that its serial-to-ASB module would come with a preflash bootloader. So I had to flash the Arduino bootloader by soldering some wires to the chip. Once the bootloader was uploaded, I removed these wires and uploaded my software sketch directly through the USB, which led to the discovery of more issues. The reading from the temperature sensor was glitching. This was fixed by replacing the 22uF ceramic capacitor with a larger electrolytic one. I also had to rewire the LEDs and one of the switches because they were sharing the same pins as the ISP programming pins. So to make this work, the board ended up with a couple of modifications, but the cool thing is that we can still use it to reflow a new daughter PCB that doesn't contain its mother flaws. Let's all say a big thank you to PCBWay for manufacturing this lovely new board again. I kind of made the mistake not taking the inch finish for this one, so I guess we can take this opportunity to test the Hazel surface finish. Okay, so all the components are assembled and ready to be soldered. This is a mother to daughter test. Testing in 3, 2, 1, let's go. Okay, so the temperature is slowly climbing. Now it has reached 90 degrees and is going up with a slower gradient. Now it's climbing much faster to reach 165 degrees Celsius. So it should happen in a second now. The board is cooling off. Yep, it's done. I think we have a new daughter PCB. I fletched the bootloader from the new programming pins and then I uploaded the same firmware. This is now officially the new mother. I assembled then their daughter board to test the new mother and it soldered it pretty well. Now the coolest thing about this is that all these mothers can solder other new circuits. Which means that we're kind of building circuits that can solder other circuits, which can solder other circuits. And the loop continues, which means that we're kind of doing like soldering re-prep, which is like so freaking cool. I can definitely see this technology gets combined with like a pick and place. Obviously, this design is not the only one that can use the thermal grounded heater. It can actually be combined with any PCB. I made this small daughter test board that has an LED ring light and all the servo LEDs managed to get soldered. The only thing that didn't was the zero ohm resistor. But this was definitely my fault because I didn't cover the thermal track underneath this component. Anyway, if you'd like to get into self-reflowing PCBs, this project is open source and all its files are available on GitHub. If you're making a custom PCB, always remember to use low temperature solder paste and not to overpower the track, because it can get delaminated or catch on fire. That was way too many smoke. If you'd like to learn more about thermal circuits, check out some of my other videos. But before going there, just remember to like this video, subscribe and consider becoming a Patreon. There it is, our thermal track.