Орион-128. Ошибки, которые не стоит повторять

В этой статье описан неудачный опыт создания реплики домашнего компьютера Орион-128 своими руками. Надеюсь, что эта история научит не только меня, но и других людей тому, что не всегда стоит идти до конца. Иногда нужно остановиться, проанализировать ситуацию, отложить всё в сторону, отдохнуть и просто начать с начала.

До 2012 года я ничего не знал о существовании домашнего компьютера Орион-128, никогда его не видел и не «щупал». Но не смотря на то, что Орион-128 не является ZX-Spectrum — совместимым компьютером, на форуме zx-pk.ru к тому времени происходило бурное обсуждение процесса его сборки и запуска на свежеизготовленных заводских печатных платах.

В набор плат входили: основная плата компьютера, плата расширения памяти до 512 кБ, плата ROM-диска, плата для подключения компьютерной клавиатуры стандарта PS/2, плата контроллера дисковода и плата подключения процессора Z80 вместо КР580ВМ80А.

Хоть в заказе плат я и не участвовал, но всё же подумал: а почему бы не попробовать это всё повторить своими руками? Тем более, что домашние технологии позволяют творить чудеса не доступные ранее. Несмотря на то, что и на менее масштабные проекты я никогда не замахивался, стало интересно попробовать свои силы. Ведь казалось, что достаточно иметь лишь хорошую выдержку, усидчивость и вовремя делать перерывы. Люди же и не такие вещи собирают используя только лишь монтажный провод.

Сказано — сделано. Выбор пал на вот этот вариант плат. Он привлёк тем, что на тот момент это была последняя модификация платы компьютера Орион-128. Питание компьютера осуществляется через стандартный разъём ATX, что немного упрощает конструкцию и не требует сборки преобразователя напряжения для питания микропроцессора КР580ВМ80А, который нуждается в двух питающих напряжениях — +5 В и +12 В.

В плату так же внесены и другие изменения. Например, добавлен ещё один интерфейсный разъём и реализованы модификации по сокращению количества навесного монтажа при установке плат расширения. Да и контроллер клавиатуры стандарта PS/2 перенесён на основную плату компьютера.

Для начала оценим масштаб предстоящих работ:

Топология печатной платы компьютера Орион-128 (rev.512) - верхняя сторона
Топология верхней стороны платы

Верхняя сторона платы выглядит впечатляюще. Куча дорожек и переходных отверстий. А некоторые микросхемы так и вообще располагаются одна под другой. К примеру, микросхемы DD3″ (К155ТМ2) и DD2″ (К555ЛИ1) расположены под микропроцессором DD19 (КР580ВМ80А).

Нижняя сторона платы выглядит не менее впечатляюще:

Топология печатной платы компьютера Орион-128 (rev.512) - нижняя сторона
Топология нижней стороны платы

Как видно, плата достаточно сложная. Намного сложнее любого клона ZX-Spectrum 48k, с которого, возможно, и надо бы было начинать подобные эксперименты.

Файл с печатными платами в формате Sprint-Layout, который непосредственно использовался при производстве описанной в статье реплики компьютера, можно скачать здесь.

Создание печатной платы

Печатная плата компьютера Орион-128 имеет достаточно большие размеры, соизмеримые с листом формата А4. Для её производства я использовал плёночный фоторезист. И это была последняя плата, произведенная мной с помощью этой технологии. После данного опыта я перешел обратно на лазерно-утюжную технологию (ЛУТ).

Сравнение размера платы компьютера на базе i386 и компьютера Орион-128
Плата компьютера на базе процессора Intel 80386 по сравнению с платой компьютера Орион-128

Конечно, при наличии должного оборудования, платы произведённые с применением фоторезиста будут иметь качество выше, чем при использовании технологии ЛУТ. Да что тут говорить, именно так и работает промышленное производство печатных плат!

Нанесение шаблона и травление печатной платы

Процесс домашнего производства печатной платы с использованием фоторезиста состоит из следующих этапов:

  • нанесение фоторезиста на фольгу платы;
  • экспонирование шаблона в ультрафиолетовом свете;
  • проявление фоторезиста в растворе кальцинированной соды;
  • травление платы обычным способом.

Первым делом необходимо нанести фоторезист на чистую и обезжиренную медную фольгу платы.

При использовании жидкого фоторезиста, он подается в центр заготовки, закрепленной на центрифуге. За счет центробежных сил фоторезист распределяется тонким слоем по всей поверхности заготовки.

В случае же использования плёночного фоторезиста, необходимо, чтобы вся поверхность плёнки равномерно прилипла к поверхности меди без образования воздушных пузырьков. Это чем-то напоминает наклейку защитной плёнки на дисплей телефона или КПК.

Закрепление фоторезиста на фольге производится путем «запекания». В домашних условиях для нанесения и «запекания» часто используют ламинатор. Но так как у меня подобного девайса никогда не было, то пришлось сначала разгонять все пузырьки пластиковой картой, а затем прогревать плату бытовым феном. Это не повышает качество результата, но всё же лучше, чем ничего.

Далее возникает вопрос создания фотошаблона. Шаблон должен быть распечатан на прозрачной плёнке непрозрачным материалом. Для этого рекомендуется использовать струйный принтер. Но струйного принтера у меня в наличии, как и ламинатора, не было. Поэтому пришлось воспользоваться лазерным. А особенностью лазерной печати является то, что тонер наносится неравномерно и достаточно тонким слоем, из-за чего шаблон на просвет получается частично прозрачным. Это, в итоге, так же не добавляет качества к конечному результату.

К этому всему стоит добавить и то, что используемый фоторезист — негативный. То есть шаблон должен был быть распечатан так же в негативе. Иными словами, те места, где расположены дорожки и контактные площадки, должны быть прозрачными, а всё остальное — залито непрозрачной краской.

Итак, шаблон напечатан и фоторезист нанесён на фольгу печатной платы. Теперь следует заняться экспонированием фотошаблона под действием ультрафиолетового излучения.

Для небольших плат я использовал одну 75 Вт (в эквиваленте к лампе накаливания) люминесцентную лампу мягкого ультрафиолетового диапазона UVC-A под обычный патрон E27. Здесь же плата достаточно большая. Поэтому, для более равномерной засветки, я купил ещё один светильник под люминесцентную лампу мощностью 8 Вт (один уже имелся и использовался для очистки микросхем ПЗУ) и две УФ-лампы спектрального диапазона UVC-A.

Как можно догадаться, даже использование двух ламп не позволяет добиться равномерной засветки шаблона. Но это всё-равно лучше, чем использовать один точечный источник света.

Плёнка с фотошаблоном ложится на плату и прижимается чистым стеклом. Стекло по периметру фиксируется грузами. В качестве грузов я использовал «блины» от гантели и кассетницы с радиодеталями, на которые и были уложены лампы:

После проявки выяснилось, что травить такую плату не стоит. Обнаружилось слишком много «перепроявленных» мест, из-за чего множество дорожек будет тяжело или невозможно восстановить с помощью перманентного маркера:

Самодельная плата компьютера Орион-128 после проявки фоторезиста. Нижняя сторона, неудачный вариант.
Плата компьютера Орион-128 после проявки фоторезиста

Вообще, экспонирование и проявка фоторезиста требуют определенных предварительных экспериментов для установления точного времени процессов. Платы, которые я делал до этого, экспонировались совершенно другой лампой, другой мощности и с другого расстояния. К тому же, это время может отличаться как от качества купленного фоторезиста, так и от условий его хранения.

Очередной моей ошибкой стало банальное нежелание проводить эксперименты с новыми лампами в новых условиях. За что и поплатился. Поэтому, смываю остатки фоторезиста в проявителе и начинаю всё с начала.

Удаление фоторезиста с платы компьютера Орион-128
Удаление фоторезиста с платы

Во второй раз получилось заметно лучше:

Орион-128. Закреплён шаблон на нижней стороне платы
Перенесённый фотошаблон на плату

Без повреждённых дороже так же не обошлось. Так что пришлось браться за маркер и дорисовать недостающие элементы вручную. А их оказалось не так уж и мало:

Самодельная плата компьютера Орион-128. Восстановлены  дорожки перед травлением.
Дорисовывание недостающих дорожек и площадок маркером

Но самым коварным выявилось то, что много контактных площадок получились замкнутыми между собой или с соседними дорожками. Подобная проблема возникает из-за неравномерного прижима стеклом шаблона к заготовке.

В результате, получается вот такая «расфокусировка», ухудшающая края дорожек и размывающая контуры контактных площадок. Это может быть вызвано как кривизной стеклотекстолита, так и неравномерным прижимом стекла по всей площади поверхности.

Резать это дело на проявленном фоторезисте не выход — фоторезист может отслоиться от платы. Так что вся надежда была на то, что после травления платы удастся расцарапать медь. Это было ещё более необдуманным решением и уже на этом моменте нужно было остановиться и начать весь процесс с начала. Но этого не произошло.

Так что далее следовало травление платы. В отличии от ЛУТ, где я всегда травил плату целиком, при использовании плёночного фоторезиста было принято решение травить каждую сторону по отдельности.

Вызвано это было тем, что мне казалось сомнительным совершить без каких-либо проблем ряд последовательных действий: нанести и закрепить фоторезист с обеих сторон платы, по очереди проэкспонировать шаблоны для каждой стороны, совместив их между собой, а затем совершить одновременную проявку обеих сторон платы. Ну слишком уж много моментов, где всё может пойти не так.

Медная фольга с верхней стороны платы была заклеена скотчем (за неимением в наличии такого количества лака для ногтей, чтобы покрыть всю её поверхность). А лаком были промазаны лишь стыки и границы скотча.

Вытравленная нижняя сторона платы компьютера Орион-128
Вытравленная нижняя сторона платы компьютера Орион-128

После того, как нижняя сторона платы была полностью готова, можно начинать всё с начала, но уже со стороны деталей.

Предварительно просверлив отверстия для центровки, наносится фоторезист. Закрывается вытравленная сторона скотчем и лаком. Экспонируется фотошаблон. Проявляется фоторезист. Восстанавливаются будущие дорожки. Плата опускается в раствор хлорного железа для травления:

Результат всех проделанных манипуляция можно увидеть в этом видео:

Вытравленная плата компьютера Орион-128

Сразу бросаются в глаза непонятные коричневые следы на стеклотекстолите. Это ещё одно необъяснимое стремление ухудшить то, что и так было не очень.

Причиной изменения цвета стал старый раствор хлорного железа, в котором перед этим было вытравлено не малое количество печатных плат. Именно в таком растворе мне хватило ума травить создаваемую плату компьютера Орион-128. В итоге, и сам процесс был долгий и текстолит местами поменял свой цвет.

Сверление отверстий

В 2012 году я ещё не был обладателем того красного сверлильного станка Royce TJ-180, который можно увидеть на фотографиях в статье о сборке компьютера Радио-86РК. А в наличии был лишь маленький самодельный станочек, который был подарен мне Владимиром. Когда-то давно он использовался его отцом. Этот станок я и использовал для сверления отверстий в печатной плате компьютера Орион-128.

Питание двигателя станка осуществляется блоком питания на 12 В. Хотя сам двигатель ДК-1А и расчитан на питающее напряжение 27 В, но при пониженном напряжении питания его мощности было более чем достаточно для сверления отверстий в печатных платах.

Самодельный сверлильный станок для печатных плат
Самодельный сверлильный станок для печатных плат

Очевидно, что такой маленький станок не сильно подходит для сверления отверстий в такой большой плате. Особенно учтивая размер блюдца, на которое эта плата ложится и подводится к сверлу.

Но как бы то ни было, все 2911 отверстий были просверлены. А это не такое уж и простое дело, скажу я вам. И занимает этот процесс далеко не один вечер. Уже через несколько часов подобное развлечение начинает очень сильно воздействовать на глаза и нервную систему. Так что самое важное здесь — отвлекаться и делать перерыв.

Свёрла использовались самые дешёвые с радиорынка. Те самые, что беспощадно разрывают фольгу с противоположной стороны платы и начинают тупиться уже через 50 отверстий.

По завершении процесса, с платы удаляются остатки фоторезиста. Для этого используется все тот же раствор проявителя из воды и кальцинированной соды:

Удаление остатков фоторезиста с вытравленной платы компьютера Орион-128
Удаление остатков фоторезиста с вытравленной платы

Далее, с помощью разнообразных канцелярских ножей и прочих инструментов, разрезаю и расцарапываю «непротравленные» места между дорожками и контактными площадками. Это увлекательное занятие отняло просто невообразимое количество времени и сил.

Обработка «непротравов» была начата с верхней стороны платы:

Вытравленная плата компьютера Орион-128 вид сверху после удаления фоторезиста и сверления отверстий
Верхняя сторона платы после сверления отверстий

Нижнюю сторону пока практически не затрагиваю:

Вытравленная плата компьютера Орион-128 вид снизу после удаления фоторезиста и сверления отверстий
Нижняя сторона платы после сверления отверстий

Видео с просверленной платой:

Самодельная плата компьютера Орион-128 после сверления отверстий

Лужение дорожек и контактных площадок

Следующим этапом является лужение печатной платы и удаление оставшихся «непротравов», возникших в результате плохого экспонирования шаблона.

Первым делом, произвожу зачистку меди на плате наждачной бумагой с мелким абразивом:

Ну а дальше в дело идут паяльник, канифоль и припой…

Если посмотреть фотографии в полном размере, то видно, что большинство ни к чему не подключенных площадок с верхнего слоя платы пришлось физически удалить. А некоторые дорожки на плате отсутствуют целыми сантиметрами. И это всё надо восстанавливать! При этом самое неприятное, когда такие дорожки расположены под микросхемами.

Это я уже не говорю о целых участках, где происходил настоящий ужас, типа такого:

Недотравленные участки печатной платы
Проблемы с дорожками и площадками на печатной плате

Такое чувство, что это вручную рисовалось непонятным предметом и уж никак не воспроизводилось через шаблон с помощью фоторезиста.

Здесь то уже точно надо было остановиться и сказать: ХВАТИТ! Но, нет…

Так что следующим этапом траты сил стала «прозвонка» дорожек на предмет обрыва и короткого замыкания с соседними, а так же запаивание переходных отверстий между сторонами платы:

Сборка компьютера Орион-128

Сборка платы ещё более усугубила ситуацию. Микросхемы перед впаиванием никак не проверялись. От слова совсем. Это уже потом, где-то через год, был собран тестер мелкой логики, который показал истинное состояние покупаемых на радиорынке микросхем. И если при сборке ZX-Spectrum — совместимых компьютеров битые микросхемы практически не попадалось, то при повторной сборке компьютера Орион-128 они присутствовали в ассортименте.

Чаще всего неисправными оказывались буферные регистры КР580ИР82. Но встречались и нерабочие микросхемы 155 серии, в том числе и счётчики К155ИЕ5.

После впаивания большинства микросхем, последовала попытка получить растр на экране телевизора. И вроде бы он даже был получен. Но это было давно и я могу ошибаться.

Отладка собранной платы компьютера Орион-128 с помощью осциллографа Oscill
Измерение сигналов осциллографической приставкой Oscill

Использование обычных панелек для микросхем, вместо цанговых, сильно усложнило сборку компьютера. Так как ножки панельки невозможно пропаять с верхней стороны платы, то монтажные соединения приходилось делать проводом МГТФ с нижней стороны платы.

Так же были добавлены блокировочные конденсаторы по питанию микросхем логики. До сих пор не знаю, керамические это были конденсаторы или нет. С учетом того, где я их взял, сохраняется высокая доля вероятности, что они были демонтированы с плат каких-то советских ЭВМ. Но однозначно утверждать этого я не могу.

Возможно, что конденсаторы таки не керамические, а плёночные. Тогда их вообще нельзя тут применять. Но в те годы я об этом ещё особо не задумывался.

Впоследствии, на каждую микросхему памяти так же был добавлен синий конденсатор по питанию, расположившийся между панельками. Но запустить эту плату компьютера Орион-128 тогда так всё-равно не удалось.

В итоге, она была упакована в пакет и перемещена на полку, как символ несокрушимой упёртости.

Выводы

Первый и самый важный вывод, который складывается из всей этой истории, — научиться трезво оценивать перспективы после каждого сделанного шага. Очевидно, что уже после травления платы нужно было остановиться и не тратить такое количество сил и времени в попытках преодолеть нарастающие трудности.

Второй важный вывод — не стоит экономить на цанговых панельках при использовании двухстороннего монтажа. Стоимость провода МГТФ ныне куда выше, чем цанговых панелек. Да и вообще все эти вереницы проводов никак не добавляют надёжности и стабильности в работе собранного устройства.

Тестер мелкой логики при сборке самодельного компьютера просто необходим. Ещё сильнее это относится к платам созданным вручную и не имеющим металлизации отверстий. В таких платах любое выпаивание неисправной микросхемы может привести к повреждению дорожек. В качестве металлизации можно попробовать использовать медные заклёпки, которые вместе с клёпальником продаются на известной китайской торговой площадке. Но в то время я об этом даже не слышал.

Для сверления печатной платы таких размеров лучше использовать более адекватный станок, нежели тот, что использовал я. А так же и более качественные свёрла. Ещё лучше — кобальтовые. Ну а если шпиндель и вал станка не имеют радиальных биений, то самым лучшим решением будет использовать твердосплавные свёрла. Штука очень хорошая, отлично сверлит, не оставляет никаких заусениц и разрывов меди с обратной стороны платы, но крайне хрупкая и ломается от любого малейшего изгиба.

Производство печатных плат в домашних условиях с использованием фоторезиста требует наличия определённого опыта и инструментария. Ни первого, ни второго у меня не было. Это было самой главной ошибкой всей описанной истории.

Ну и на всякий случай замечу, что не стоит использовать неизвестные конденсаторы и прочие «красные флажки». До добра это никогда не приводило. В блокировочных цепях цифровых и импульсных схем необходимо использовать керамические конденсаторы. А «красные флажки» из советских телевизоров и радиоприёмников лучше всё-таки отложить в коробку для истории.

Несмотря на высокую сложность проделанной работы без какого-либо вразумительного результата, через год была осуществлена вторая попытка. В этот раз получилось не только создать и запустить основную плату компьютера, но и некоторые периферийные устройства. А сама плата получилась куда больше похожа на произведение самодельного искусства:

Этому творению будет посвящёна отдельная большая техническая статья. А здесь лишь оставлено небольшое упоминание о том, что несмотря на неудачный опыт, идея своими руками создать компьютер Орион-128 не только не была заброшена, но и успешно реализована.

Так что если что-то не получилось — не стоит опускать руки. Стоит просто переосмыслить проблему и попробовать её решить заново.