בחסות האתר PCBWay: לוח חדש שתכננתי עבור המיקרו-בקר הסיני CH32V003, עם טוויסט – ציפוי מסוג מעניין וקצת פחות מוכר.

לא מזמן קיבלתי הצעה מ-PCBWay לשיתוף פעולה: מימון של ייצור לוח PCB תמורת פרסום בבלוג שלי. בהתחלה היססתי, כי כבר עשיתי זאת בעבר (למשל כאן). כמה פעמים אפשר לכתוב על חופן לוחות דו-שכבתיים קטנים, שזה בערך מה שהמימון המוצע יכסה? אבל נכנסתי בכל זאת לאתר, לבדוק אם יש איזו אופציית ייצור שתביא משהו חדש לשולחן. ואכן, נתקלתי במשהו שלא היה לי מוכר: אפשרות גימור בשם OSP.

קצת על OSP

חיפוש קצר העלה ש-OSP זה "Organic Solderability Preservative", חומר אורגני שמשמר יכולת הלחמה. בניגוד לציפויים המוכרים יותר, כגון HASL או ENIG, זו לא מתכת שמצפה באופן קבוע את משטחי הנחושת, אלא רק מעטה זמני שמונע מהנחושת להתחמצן, ומתנדף ברגע שהפלאקס והבדיל החם יוצרים מגע. מי צריך ציפוי כזה? כדי לגלות את התשובה, נסתכל על החסרונות של שני סוגים אחרים נפוצים.

ציפוי HASL, הפשוט והזול ביותר, הוא בעצם בדיל רגיל שמולחם לנחושת, ואחר כך משיבים עליו אוויר חם מאוד בזרם רב עוצמה כדי לסלק עודפים וליישר את פני השטח (מכאן השם, "Hot Air Solder Leveling"). הסילוק הזה לא מושלם, ומי שיבחן את הפדים בתשומת לב (או עם מיקרוסקופ) יגלה שלבדיל עדיין יש עובי ניכר, והוא גם עשוי "לגלוש" טיפה לצדדים מעבר לשולי הפד המקוריים. כשמלחימים רכיבים קטנים/עדינים מאוד, BGA, או עם רווחים קטנים בין פינים, זאת בעיה.

ציפוי ENIG הוא תהליך כימי דו-שלבי, שבו הפדים החשופים מצופים בניקל (זה ה-N) ואחר כך בזהב (G). התוצאה לא רק יפה, היא גם מדויקת מאוד ומתאימה לכל סוגי הרכיבים. החיסרון הוא שהתהליך והחומרים יקרים יחסית. בנוסף, אחרי הלחמת הרכיבים, רוב המשטחים הזהובים היפים ממילא מוסתרים לנצח כך שהיתרון האסתטי נעלם.

על ציפוי OSP אפשר לחשוב כמין פשרה: בצד החיובי, הוא מאפשר דיוק כמו של ENIG, והעלות שלו יותר נמוכה. החסרונות הם, קודם כל, שציפוי OSP נשרט בקלות וגם מתכלה מעצמו עם הזמן, כך שאי אפשר לאחסן לוחות "ריקים" במשך שנים, זרוקים במגירה, כפי שמייקרים רגילים לעשות. הזמנת OSP? התכונן להשלים את ההלחמה תוך חודשים. שני חסרונות נוספים מצאתי כשמועות בפורומים, כך שעוד נבדוק אותם בהמשך: ש-OSP לא מוליך, כך שפד שמשמש כמגע חשמלי (לסוללה, פין פוגו, Test points וכדומה) לא יעבוד טוב, וש-OSP פחות מתאים לציפוי של חורים לרכיבי THT.

במילים אחרות, קהל היעד הטבעי של OSP הוא יצרנים של לוחות מודרניים בכמויות גדולות, עם דיוק גבוה ושהולכים מייד להרכבה במפעל. כלומר, לא מייקרים טיפוסיים ולא אני. אבל מתוך סקרנות וכדי שיהיה לי על מה לכתוב, הזמנתי את המעגל שלי בכל זאת עם OSP.

כהערת שוליים, לפי כל החיפושים שביצעתי בינתיים ברשת, החומרים מהם עשוי ציפוי OSP אינם מסוכנים לבריאות, גם לא כשהם מתנדפים בהלחמה. אוורור/סינון רגיל של עמדת הלחמה אמור להספיק מבחינה בטיחותית.

מה שמתי במעגל

מיקרו-בקרים עם ליבת RISC-V עדיין לא כבשו את השוק בסערה, ויש להם דרך ארוכה עד שינגסו בנתח השוק הענק של ליבות ARM. למרות זאת, קשה להתעלם מדור של שבבי RISC-V זולים להפליא שצומח כעת בסין. נציג מפורסם של הדור הזה הוא CH32V003 – מיקרו-בקר 32 ביט עם 16K זיכרון FLASH, זיכרון RAM בגודל 2K, מודולים פריפריאליים סבירים ותג מחיר (כשקונים עשרה או יותר בעליאקספרס) של פחות מ-20 סנט, בערך 75 אגורות ליחידה. יהיה קשה לשכנע אותי להשתמש בשבב סיני מעליאקספרס לפרויקט של לקוח, אבל לצורך משחק ולמידה פרטיים שלי הוא נראה אידאלי. הזמנתי כמה יחידות + צורב ולוח פיתוח מוכן אחד, וכשהגיעה ההצעה של PCBWay הבנתי שזו הזדמנות מצוינת להוסיף לארסנל גם כמה לוחות פיתוח פשוטים שאני אכין.

בחרתי לעצב לוח עם מעט מאוד אקסטרות, אבל בעיצוב "חללית" לא טריוויאלי שיאתגר קצת את מכונות הייצור של PCBWay. כמקור לחשמל, הצבתי על הלוח קונקטור USB-C מדגם שאני מכיר מפרויקט אחר, ושהפינים שלו קטנים וצפופים מאוד. פיני ה-GPIO של המיקרו-בקר, לעומת זאת, מונגשים דרך header סטנדרטי 2.54 מ"מ מסוג Through hole, כך שאוכל לבדוק את ציפוי ה-OSP בכל התנאים.

בדיעבד גיליתי טעות שלי בסימון – כתבתי PA0 (פין שלמעשה לא קיים במיקרו-בקר הזה) במקום PA2. שלחתי לייצור רק 5 לוחות, אז הנזק לא גדול.

התרשמות מהייצור

שלחתי את ההזמנה ביום שני ה-17.7, אחרי הצהריים אם אינני טועה. היא יצאה מהמפעל למשלוח ב-20.7 בלילה (זמן ישראל) והגיעה עם DHL לנקודת החלוקה המקומית ב-25.7 בצהריים. כל זה היה בגבולות הזמנים שהובטחו מראש. הלוחות הגיעו ארוזים ביחד בוואקום. בהתחשב ברגישות הציפוי הייתי מעדיף אריזה של כל אחד בנפרד, או לפחות חציצה כלשהי ביניהם, אבל זה מה יש. ציפוי ה-Soldermask השחור היה בחירה שלי, וקל לראות את צבע הנחושת המובהק של הפדים והחורים מבעד ל-OSP השקוף.

למעשה, קשה לדעת שיש שם OSP בכלל, כי לעין זה נראה כמו נחושת נקייה רגילה שנשמרה בוואקום. לא חשבתי שהמפעל ירמה אותי, אבל מתוך סקרנות הוצאתי לוח אחד מייד לאוויר הפתוח, נגעתי בו בידיים חשופות וגם גירדתי פד אחד עם קיסם עץ ואחד אחר עם פינצטה ממתכת, כדי לבדוק התפתחות של סימני התחמצנות. אחרי יום של שהייה באוויר הפתוח, כולל בשמש, עדיין אין תוצאות ברורות.

בתמונה הבאה רואים את סימני החיתוך של תוואי הלוח – חיצוני ופנימי. יצרתי בכוונה זוויות חדות ולא-נוחות, ואכן אפשר לראות איפה המקדח התחיל או סיים את עבודתו. אבל ה"פספוסים" לעומת התכנון המקורי (אותו אפשר לראות ב-Soldermask) הם בסדר גודל של שליש או רבע מילימטר, ולדעתי זה בהחלט משביע רצון.

גם משאר הבחינות הלוחות נראו בסדר גמור – נקיים, Silkscreen מדויק וברור (עם כמה פסים על המשטח הגדול בצד התחתון של הלוח, אם כי לא משמעותיים, וזה קורה גם אצל מפעלים אחרים.)

התרשמות מה-OSP

ועכשיו לחלק החשוב. ראשית, בניגוד לשמועות, ה-OSP על הלוחות שקיבלתי כן מוליך, ואפילו מצוין. למרות זאת הוא עדיין לא מומלץ למשטחי מגע (סוללות וכו') כי החיכוך הפיזי ישחק אותו והנחושת תיחשף בסופו של דבר ותתחמצן.

הלחמתי את הרכיבים ללוח עם אותם מלחם, טמפרטורה ובדיל שבהם אני משתמש לעבודות רגילות. ההבדל מבחינת נוחות העבודה לעומת HASL או ENIG היה כל כך זעיר, שיכול להיות שדמיינתי אותו. ואם לא, אז פה ושם נדרשה עוד חצי שנייה עד שהבדיל התחיל להרטיב את משטח הפד, אך מאותו רגע הוא נצמד לכל הנחושת בקלילות. גם ב-SMT וגם ב-THT.

סיכום

כרגיל, PCBWay לא אכזבו וסיפקו לוחות באיכות טובה, במחיר נמוך ותוך עמידה בלוחות הזמנים. מניסיון העבר, הם עושים את זה גם בהזמנות רגילות, לא רק במסגרת חסויות. לוחות כאלה עם HASL היו עולים לי 5 דולרים, הציפוי הוסיף 34 דולר, והמשלוח המהיר עוד 31.

ספציפית לגבי ציפוי OSP, היה מעניין לנסות אותו אבל עבור רוב תסריטי השימוש שלי, ושל מייקרים "רגילים" בכלל, אני לא רואה סיבה מיוחדת לבחור בו. HASL עדיין לוקח בגדול מבחינת המחיר, ומספיק טוב להלחמות ידניות.