Как изготавливаются печатные платы. Как самостоятельно изготовить печатную плату в домашних условиях. Подготовка чертежей печатной платы
» Печатная плата электроники – инструкция изготовления
Практика конструирования и монтажа, напрямую связанная с электроникой, никак не обходится без главной детали – печатной платы. Начальная разработка какого-нибудь электронного устройства, конечно, допустима с помощью навесного монтажа. Однако полноценную печатную плату всё равно придётся делать, если речь идёт о серьёзном электронном устройстве. Существуют два варианта: заказать изготовление печатной платы в сервисе или сделать печатную плату своими руками непосредственно дома. Первый вариант требует солидных финансовых вложений и двух-трёх недель ожидания. Второй не требует ничего, кроме личного желания, куска фольгированного текстолита и небольшого количества хлорного железа.
Вот такой результат работы вполне возможно получить в домашних условиях, используя простые доступные средства, инструменты, материалы
Если же освоить все тонкости производства и запастись необходимым материалом, не исключается изготовление печатных плат дома, если не в промышленных масштабах, так в количествах достаточных для бизнеса.
Существует несколько технологий прорисовки и травления миниатюрных дорожек на фольгированном текстолите. Начиная от метода простого рисунка электронной схемы лаком для ногтей с последующим химическим травлением, и заканчивая автоматической лазерной разводкой и микронной резкой.
Однако для домашних условий требуется методика особая – эффективная, но одновременно бюджетная и относительно несложная.
Изготовление печатных плат в домашних условиях
Здесь – в рамках своего рода учебного пособия, рассматривается с использованием технологии переноса тонера лазерным принтером.
Этот метод разработан давно, но до сих пор сопровождается массой новых советов и приемов, благодаря которым эффективность только повышается.
Что потребуется домашнему электронщику?
- программа разработки дизайна,
- лазерный принтер,
- любой глянцевый журнал,
- утюг бытовой,
- одна-две пластиковых тары,
- небольшая кисточка или зубная щетка,
- резиновые перчатки,
- хлорное железо,
- фольгированный текстолит.
Практически все компоненты списка можно найти в бытовом хозяйстве. Исключение составляют: хлорное железо и текстолит с фольгой.
Два материала: хлорид железа и фольгированный текстолит, которые потребуется купить. Всё остальное обычно имеется в наличии среди предметов и материалов домашнего хозяйства
Эти два пункта списка закрываются через посещение радиоэлектронного магазина или радио-рынка. Такие торговые точки имеются в любом среднем по величине населённом пункте. В крайнем случае, можно заказать оба компонента через интернет.
Между тем, хлорное железо вполне заменимо другим химическим веществом, полученным на основе смеси медного купороса (МК) и обычной поваренной соли (ПС). Смесь делается в соотношении 1 часть МК на 2 части ПС, разведённых в 0,5 л кипятка.
Обычно на изготовление средней по размерам электронной печатной платы достаточно взять 4 столовых ложки МК и 2 столовых ложки ПС. Залитую кипятком порошковую смесь тщательно размешать и дать отстояться.
Единственное отличие такого раствора от FeCl 3 – несколько увеличенное время травления. Но с другой стороны – смесь на медном купоросе безопаснее FeCl 3 . Медный купорос (порошковый) доступен в любом хозяйственном магазине.
Создание дизайна печатной платы
Для создания дизайна рисунка ПП оптимальной видится компьютерная программа «KiCad » – профессиональное средство рисования электронных печатных плат, но при этом бесплатное.
Программное обеспечение «KiCad» обеспечивает пользователя функцией маршрутизации кисти, благодаря чему легко разводить дифференциальные пары, интерактивно настраивать длину трассировки.
Рабочее окно программы KiCad — профессионального средства разводки, без которого никак не обойтись в процессе изготовления печатной платы. ПО распространяется бесплатно
Отпечаток тонера на глянцевой странице журнала. Как видно из рисунка, качество печати достаточно высокое. Такой же след должен получиться на фольге печатной платы
Фактор присутствия сторонних изображений не оказывает никакого влияния на процесс. Рисунок тонером принтера в любом случае остаётся на глянцевой поверхности страницы журнала (бумаги). А это именно тот результат, который требуется получить.
Желательно дважды (на двух разных страницах) провести печать, чтобы удостовериться, что напечатанный рисунок не имеет пятен, мазков, иных дефектов.
Перенос разводки с принтера на фольгу
Если след разводки печатной платы качественно выдан лазерным принтером, глянцевую страницу журнала с полученным оттиском следует аккуратно извлечь из принтера и поместить рисунком вниз на медную поверхность текстолита.
Термическая обработка печатной платы с помощью обычного хозяйственного утюга. Температура нагрева — максимум. Иначе страдает качество переноса
Нагретой подошвой утюга прижимают журнальный лист с напечатанной разводкой схемы к поверхности фольгированного текстолита. Выдерживают утюг на листе без движений в течение примерно 30 секунд.
Далее необходимо плавными круговыми движениями разгладить утюгом поверхность листа в течение 2-3 минут. За этот промежуток времени термальной обработкой, тонер намертво прилипает к медному покрытию текстолита.
Результат переноса оттиска тонера от журнальной страницы на медное покрытие текстолита. Выглядит не хуже варианта промышленного изготовления
Завершением процесса переноса отпечатка на медную фольгу текстолита является удаление приклеенного листа журнала. Здесь требуется терпение и аккуратность.
Эта страница является руководством по производству высококачественных печатных плат (далее ПП) быстро и эффективно, особенно для профессионального макетирования производства ПП. В отличие от большинства других руководств, акцент делается на качестве, скорости и минимальной стоимости материалов.
С помощью описанных на этой странице методов вы сможете сделать одностороннюю и двухстороннюю плату достаточно хорошего качества, пригодную для поверхностного монтажа с шагом расположения элементов 40-50 элементов на дюйм и с шагом расположения отверстий 0.5 мм.
Методика, описанная здесь, является суммированным опытом, собранным в течение 20 лет экспериментов в этой области. Если вы будете точно следовать описанной здесь методике, то сможете каждый раз получать ПП отличного качества. Конечно, вы можете экспериментировать, но помните, что неосторожные действия могут привести к существенному снижению качества.
Здесь представлены только фотолитографические методы формирования топологии ПП - другие способы, такие как трансферт, печать на меди и т.п., которые не подходят для быстрого и эффективного использования, не рассматриваются.
Сверление
Если в качестве основного материала вы используете FR-4, то вам понадобятся сверла, покрытые карбидом вольфрама, сверла из быстрорежущих сталей очень быстро изнашиваются, хотя сталь можно применять для сверления одиночных отверстий большого диаметра (больше 2 мм), т.к. сверла с напылением карбида вольфрама такого диаметра слишком дорогие. При сверлении отверстий диаметром меньше 1 мм, лучше использовать вертикальный станок, иначе ваши сверла будут быстро ломаться. Движение сверху вниз самое оптимальное с точки зрения нагрузки на инструмент. Карбидные сверла изготавливают с жестким хвостовиком (т.е. сверло точно соответствует диаметру отверстия), или с толстым (иногда называют "турбо") хвостовиком, имеющим стандартный размер (обычно 3.5 мм).
При сверлении сверлами с карбидным напылением важно жестко закрепить ПП, т.к. сверло может при движении вверх вырвать фрагмент платы.
Сверла маленьких диаметров обычно вставляются либо в цанговый патрон различных размеров, либо в трех кулачковый патрон - иногда 3-х кулачковый патрон является оптимальным вариантом. Для точного фиксирования, однако, это закрепление не подходит, и маленький размер сверла (меньше 1 мм) быстро делает желобки в зажимах, обеспечивающих хорошую фиксацию. Поэтому для сверл диаметром меньше 1 мм лучше использовать цанговый патрон. На всякий случай приобретите дополнительный набор, содержащий запасные цанги для каждого размера. Некоторые недорогие сверла производят с пластиковыми цангами - выбросите их и купите металлические.
Для получения приемлемой точности необходимо правильно организовать рабочее место, т.е., во-первых, обеспечить освещение платы при сверлении. Для этого можно использовать 12 В галогеновую лампу (или 9В, чтобы уменьшить яркость) прикрепив ее на штативе для возможности выбирать позицию (освещать правую сторону). Во-вторых, поднять рабочую поверхность примерно на 6" выше высоты стола, для лучшего визуального контроля процесса. Неплохо было бы удалить пыль (можно использовать обычный пылесос), но это не обязательно - случайное замыкание цепи пылевой частицей - это миф. Надо отметить, что пыль от стекловолокон, образующаяся при сверлении, очень колкая, и при попадании на кожу вызывает ее раздражение. И, наконец, при работе очень удобно пользоваться ножным включателем сверлильного станка, особенно при частой замене сверл.
Типичные размеры отверстий:
· Переходные отверстия - 0.8 мм и менее
· Интегральная схема, резисторы и т.д. - 0.8 мм.
· Большие диоды (1N4001) - 1.0 мм;
· Контактные колодки, триммеры - от 1.2 до 1.5 мм;
Старайтесь избегать отверстия диаметром менее 0.8 мм. Всегда держите не менее двух запасных сверл 0.8 мм, т.к. они всегда ломаются именно в тот момент, когда вам срочно надо сделать заказ. Сверла 1 мм и больше намного надежнее, хотя и для них неплохо бы иметь запасные. Когда вам надо изготовить две одинаковые платы, то для экономии времени их можно сверлить одновременно. При этом необходимо очень аккуратно сверлить отверстия в центре контактной площадки около каждого угла ПП, а для больших плат - отверстия, расположенные близко от центра. Итак, положите платы друг на друга и просверлите отверстия 0.8 мм в двух противоположных углах, затем, используя штифты как колышки, закрепите платы относительно друг друга.
Резка
Если вы производите ПП серийно, вам понадобится для резки гильотинные ножницы (стоят они около 150 у.е.). Обычные пилы быстро тупятся, за исключением пил с карбидовым покрытием, а пыль во время пилки может вызвать раздражение кожи. Пилой можно случайно повредить защитную пленку и разрушить проводники на готовой плате. Если вы хотите пользоваться гильотинными ножницами, то будьте очень осторожны при отрезании платы, помните, что лезвие очень острое.
Если вам надо отрезать плату по сложному контуру, то это можно сделать либо просверлив много маленький отверстий и отломав ПП по полученным перфорациям, либо с помощью лобзика или маленькой ножовки, но приготовьтесь часто менять лезвие. Практически можно сделать угловой срез и гильотинными ножницами, но будьте очень осторожны.
Сквозная металлизация
Когда вы делаете двухстороннюю плату, возникает проблема объединения элементов на верхней стороне платы. Некоторые компоненты (резистор, поверхностные интегральные схемы) намного легче припаять, чем другие (например конденсатор со штыревыми выводами), поэтому возникает мысль: сделать поверхностное соединение только "легких" компонентов. А для DIP-компонентов использовать штифты, причем предпочтительнее использовать модель с толстым штифтом, а не с разъемом.
Немного приподнимите DIP-компонент над поверхностью платы и спаяйте пару штырьков со стороны припоя, сделав на конце небольшую шляпку. Затем надо припаять требуемые компоненты к верхней стороне с помощью повторного нагрева, причем при пайке дождитесь, пока припой заполнит пространство вокруг штырька (см. рисунок). Для плат с очень плотным расположением элементов необходимо хорошо продумать компоновку, чтобы облегчить пайку DIP-компонентов. После того, как вы закончили сборку платы, необходимо произвести двухсторонний контроль качества монтажа.
Для переходных отверстий используют быстромонтируемые связующие штыри диаметром 0.8 мм (см. рисунок).
Это самый доступный способ электрического соединения. Вам потребуется всего лишь точно ввести конец прибора в отверстие на всю длину, повторить тоже с другими отверстиями.Если вам необходимо произвести сквозную металлизацию, например, чтобы соединить недоступные элементы, или для DIP- компонентов (связующих штырей), вам понадобится система "Copperset". Эта установка очень удобна, но дорогостоящая (350$). Она использует "пластинчатые бруски" (см. рисунок), которые состоят из бруска припоя с медной втулкой металлизированной с наружной стороны. На втулке нарезаны засечки с интервалом 1.6 мм, соответствующие толщине платы. Брусок вводится в отверстие с помощью специального аппликатора. Затем отверстие пробивают керном, который вызывает перекос металлизированной втулки, и также выталкивает втулку из отверстия. Контактные площадки напаиваются с каждой стороны платы для присоединения втулки к контактным площадкам, затем припой удаляется вместе с оплеткой.
К счастью, эту систему возможно использовать для металлизации стандартных отверстий 0.8 мм без приобретения полного комплекта. В качестве аппликатора можно использовать любой автоматический карандаш диаметром 0.8 мм, модель которого имеет наконечник похожий на изображенный на рисунке, работающий намного лучше, чем настоящий аппликатор.Металлизацию отверстий надо производить до начала монтажа, пока поверхность платы совершенно плоская. Отверстия должны быть просверлены диаметром 0.85 мм, т.к. после металлизации их диаметры уменьшаются.
Заметим, что если ваша программа чертила контактные площадки таким же размером, что и размер сверла, то отверстия могут выходить за их пределы, приводя к неисправностям платы. Идеально, чтобы контактная площадка выходила за пределы отверстия на 0.5 мм.
Металлизация отверстий на основе графита
Второй вариант получения проводимости через отверстия - металлизация графитом, с последующим гальваническим осаждением меди. После сверления поверхность платы покрывается аэрозольным раствором, содержащим мелкодисперсные частицы графита, который затем ракелем (скребком или шпателем) продавливается в отверстия. Можно использовать аэрозоль фирмы CRAMOLIN "GRAPHITE". Данный аэрозоль широко используется в гальванопластике и других гальванических процессах, а также при получении проводящих покрытий в радиоэлектронике. Если основу составляет легколетучее вещество, то необходимо сразу же встряхнуть плату в направлении перпендикулярном плоскости платы, так чтобы излишки пасты удалились из отверстий до испарения основы. Излишки графита с поверхности удаляются растворителем или механически - шлифованием. Необходимо отметить, что размер полученного отверстия может быть меньше на 0.2 мм исходного диаметра. Загрязненные отверстия можно прочистить с помощью иглы или иначе. Кроме аэрозолей можно использовать коллоидные растворы графита. Далее на проводящие цилиндрические поверхности отверстий осаждается медь.
Гальванический процесс осаждения хорошо отработан и широко описан в литературе. Установка для проведения данной операции представляет собой ёмкость, заполненную раствором электролита (насыщенный раствор Cu 2 SO 4 +10% раствор H 2 SO 4), в которую опущены медные электроды и заготовка. Между электродами и заготовкой создается разность потенциалов, которая должна обеспечить плотность тока не более 3-х ампер на квадратный дециметр поверхности заготовки. Большая плотность тока позволяет достигать больших скоростей осаждения меди. Так для осаждения на заготовку толщиной 1.5 мм необходимо осадить до 25 мкм меди, при такой плотности этот процесс идет чуть более получаса. Для интенсификации процесса в раствор электролита могут добавляться различные присадки, а жидкость может подвергаться механическому перемешиванию, борбатажу и др. При неравномерном нанесении меди на поверхность заготовка может быть отшлифована. Процесс металлизации графитом, как правило, использует в субтрактивной технологии, т.е. перед нанесением фоторезиста.
Вся паста, оставшаяся перед нанесением меди, уменьшает свободный объем отверстия и придает отверстию неправильную форму, что осложняет дальнейший монтаж компонентов. Более надежным методом удаления остатков токопроводящей пасты является вакуумирование или продувка избыточным давлением.
Формирование фотошаблона
Вам необходимо произвести позитивную (т.е. черный = медь) полупрозрачную пленку фотошаблона. Вы никогда не сделаете действительно хорошую ПП без качественного фотошаблона, поэтому эта операция имеет большое значение. Очень важно получить четкое и предельно непрозрачное изображение топологии ПП.
На сегодняшний день и в будущем фотошаблон будут формировать с помощью компьютерных программ семейства или пригодных для этой цели графических пакетов. В данной работе мы не будем обсуждать достоинства программного обеспечения, скажем только, что вы можете использовать любые программные продукты, но совершенно необходимо, чтобы программа выводила на печать отверстия, расположенные в центре контактной площадки, используемые при последующей операции сверления как маркеры. Практически невозможно вручную просверлить отверстия без этих ориентиров. Если вы хотите использовать CAD общего назначения или графические пакеты, то в установках программы задайте контактные площадки либо как объект, содержащий черную залитую область с белой концентрической окружностью меньшего диаметра на ее поверхности, или как незаполненную окружность, установив предварительно большую толщину линии (т.е. черное кольцо).
Как только определили расположение контактных площадок и типы линий, устанавливаем рекомендуемые минимальные размеры:
- сверлильного диаметра - (1 мил = 1/1000 дюйма) 0.8 мм Вы можете изготовить ПП и с меньшим диаметром сквозных отверстий, но это будет уже намного сложнее.
- контактные площадки для нормальных компонентов и DIL LCS: 65 мил круглые или квадратные площадки с диаметром отверстия 0.8 мм.
- ширина линии - 12.5 мил, если вам необходимо, то можно получить и 10 мил.
- пространство между центрами дорожек шириной 12.5 мил - 25 мил (возможно, чуть меньше, если позволяет модель принтера).
Необходимо заботиться о правильном диагональном соединении треков на срезах углов (сетка - 25 мил, ширина дорожки - 12.5 мил).
Фотошаблон должен быть распечатан таким образом, чтобы при экспонировании сторона, на которую наносятся чернила, была повернута к поверхности ПП, для обеспечения минимального зазора между изображением и ПП. Практически это означает, что верхняя сторона двухсторонней ПП должна быть напечатана зеркально.
Качество фотошаблона очень зависит как от устройства вывода и материала фотошаблона, так и от факторов, которые мы обсудим далее.
Материал фотошаблона
Речь идет не об использовании фотошаблона средней прозрачности - поскольку для ультрафиолетового излучения достаточно будет полупрозрачного, это не существенно, т.к. для менее прозрачного материала время экспонирования увеличивается совсем немного. Разборчивость линий, непрозрачность черных областей и скорость высыхание тонера/чернил являются намного важнее. Возможные альтернативы при печати фотошаблона:
Прозрачная ацетатная пленка (OHP)
- может показаться, что это наиболее очевидная альтернатива, но эта замена может дорого обойтись. Материал имеет свойство изгибаться или искажаться от нагрева лазерным принтером, и тонер/чернила могут потрескаться и легко осыпаться. НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ
Полиэфирная чертежная пленка
- хорошая, но дорогая, прекрасная размерная стабильность. Шершавая поверхность хорошо удерживает чернила или тонер. При использовании лазерного принтера необходимо брать толстую пленку, т.к. при нагревании тонкая пленка подвержена короблению. Но даже толстая пленка может деформироваться под действием некоторых принтеров. Не рекомендуется, но применение возможно.
Калька.
Берите максимальную толщину, какую сможете найти - не менее 90 грамм на кв. метр (если возьмете тоньше, то она может покоробиться), 120 грамм на кв. метр будет даже лучше, но её труднее найти. Это недорого, и без особого труда можно достать в офисах. Калька обладает хорошей проницаемостью для ультрафиолетового излучения и по способности удерживать чернила близка к чертежной пленке, а по свойствам не искажаться при нагреве даже превосходит.
Устройство вывода
Pen plotters
- кропотливый и медленный. Вы должны будете использовать дорогостоящую полиэфирную чертежную пленку (калька не годится, т.к. чернила наносятся одиночными линиями) и специальные чернила. Перо придется периодически чистить, т.к. оно легко засоряется. НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ.
Струйные принтеры
- главная проблема при использовании - добиться необходимой непрозрачности. Эти принтеры настолько дешевы, что, конечно, их стоит попробовать, но качество их печати не сравнить с качеством лазерных принтеров. Также можно попробовать напечатать сначала на бумаге, а потом с помощью хорошего ксерокса перевести изображение на кальку.
Наборщики
- для лучшего качества фотошаблона создают Postscript или PDF файл и пересылают на DTP или наборщик. Фотошаблон, изготовленный таким образом, будет иметь разрешение не менее 2400DPI, абсолютную непрозрачность черных областей и совершенную резкость изображения. Стоимость обычно приводится для одной страницы, не считая использованной области, т.е. если вы сможете мультиплицировать копии ПП или разместить на одной странице изображение обоих сторон ПП, то вы сэкономите деньги. На таких устройствах также можно сделать большую плату, формат которой не обеспечивается вашим принтером.
Лазерные принтеры
- легко обеспечивают наилучшее разрешение, доступны и быстры. Используемый принтер должен иметь разрешение не менее 600dpi для всех ПП, т.к. нам необходимо сделать 40 полос на дюйм. 300DPI не сможет разделить дюйм на 40 в отличие от 600DPI.
Также важно отметить, что принтер производит хорошие черные отпечатки без вкраплений тонера. Если вы планируете купить принтер для изготовления ПП, то первоначально необходимо протестировать данную модель на обычном листе бумаги. Даже лучшие лазерные принтеры могут не покрывать полностью большие области, но это не является проблемой, если пропечатываются тонкие линии.
При использовании кальки или чертежной пленки необходимо иметь руководство по заправке бумаги в принтер и правильно осуществлять смену пленки, чтобы избежать заклинивания аппаратуры. Помните, что при производстве маленьких ПП, для экономии пленки или кальки, можно разрезать листы пополам или до нужного формата (например, разрезать А4, чтобы получить А5).
Некоторые лазерные принтеры печатают с плохой точностью, но поскольку любая ошибка линейна, то ее можно компенсировать масштабированием данных при выводе на печать.
Фоторезист
Лучше всего использовать стеклотекстолит FR4,уже с нанесенным пленочным резистом. В противном случае вам придется самостоятельно покрывать заготовку. Вам не понадобится темная комната или приглушенное освещение, просто избегайте попадания прямых солнечных лучей, минимизируя избыточное освещение, и производите проявку непосредственно после облучения ультрафиолетом.
Редко применяются жидкие фоторезисты, которые наносятся распылением и покрывают медь тонкой пленкой. Я не рекомендовал бы их использование, если вы не имеете условий для получения очень чистой поверхности или хотите получить ПП с низким разрешением.
Экспонирование
Плату, покрытую фоторезистом, необходимо подвергнуть облучению ультрафиолетовым излучением через фотошаблон, используя УФ-установку.
При экспонировании можно использовать стандартные флуоресцентные лампы и УФ камеры. Для маленькой ПП - две или четыре 8-ваттных 12" ламп будет достаточно, для больших (А3) идеально использовать четыре 15" 15 ваттных ламп. Чтобы определить расстояние от стекла до лампы при экспонировании, поместите лист кальки на стекле и отрегулируйте расстояние, чтобы получить необходимый уровень освещения поверхности бумаги. Необходимые вам УФ лампы продают или как сменная деталь для установки, применяемой в медицине, или лампы "черного света" для освещения дискотек. Они окрашены в белый или иногда в черный/синий цвет и светятся фиолетовым светом, который делает бумагу флуоресцентной (она начинает ярко светиться). НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ коротковолновые УФ лампы, похожие на стираемые программируемые ПЗУ или бактерицидные лампы, которые имеют чистые стекла. Они испускают коротковолновое УФ излучение, которое может вызвать повреждение кожи и глаз, и не подходит для производства ПП.
Установку экспонирования можно оборудовать таймером, высвечивающим длительность воздействия излучения на ПП, предел его измерения должен быть от 2 до 10 минут с шагом 30 с. Неплохо было бы снабдить таймер звуковым сигналом, сообщающим об окончании времени экспонирования. Идеально было бы использовать механический или электронный таймер для микроволновой печи.
Вам придется экспериментировать, чтобы подобрать требуемое время экспонирования. Попробуйте провести экспонирование через каждые 30с, начиная с 20 секунд и заканчивая 10 минутами. Проявите ПП и сравните полученные разрешения. Заметьте, что при передержке изображение получается лучше, чем при недостаточном облучении.
Итак, для проведения экспонирования односторонней ПП поверните фотошаблон печатной стороной вверх на стекле установки, удалите защитную пленку и положите ПП чувствительной стороной вниз поверх фотошаблона. ПП должна быть прижата к стеклу, чтобы получить минимальный зазор для лучшего разрешения. Этого можно достичь либо положив на поверхность ПП какой-нибудь груз, либо присоединив к УФ-установки навесную крышку с каучуковым уплотнением, которая прижимает ПП к стеклу. В некоторых установках для лучшего контакта ПП фиксируют созданием вакуума под крышкой с помощью маленького вакуумного насоса.
При экспонировании двухсторонней платы сторона фотошаблона с тонером (более шершавая) прикладывается к стороне припоя ПП нормально, а к противоположной стороне (где будут размещаться компоненты) - зеркально. Приложив фотошаблоны печатной стороной друг к другу и совместив их, проверьте, чтобы все области пленки совпадали. Для этого удобно использовать столик с подсветкой, но он может быть заменен обычным дневным светом, если совмещать фотошаблоны на поверхности окна. Если при печати была потеряна координатная точность, это может привести к рассовмещению изображения с отверстиями; постарайтесь совместить пленки по среднему значению ошибки, следя за тем, чтобы переходные отверстия не выходили за края контактных площадок. После того как фотошаблоны соединены и правильно выровнены, прикрепите их к поверхности ПП скотчем в двух местах на противоположных сторонах листа (если плата большая - то по 3-м сторонам) на расстоянии 10 мм от края пластины. Оставлять промежуток между скрепками и краем ПП важно, т.к. это предотвратит повреждение кромки изображения. Используйте скрепки самого маленького размера, который сможете отыскать, чтобы толщина скрепки была не намного толще ПП.
Проэкспонируйте каждую сторону ПП по очереди. После облучения ПП вы сможете увидеть изображение топологии на пленке фоторезиста.
Наконец можно отметить, что короткое воздействие излучения на глаза не приносит вреда, но человек может почувствовать дискомфорт, особенно при использовании мощных ламп. Для рамы установки лучше использовать стекло, а не пластик, т.к. оно более жесткое и в меньшей степени подвержено появлению трещин при контакте.
Можно комбинировать УФ лампы и трубки белого света. Если у вас бывает много заказов на производство двухсторонних плат, то дешевле было бы приобрести установку двухстороннего экспонирования, где ПП помещаются между двумя световыми источниками, и излучению подвергаются обе стороны ПП одновременно.
Проявление
Главное, что нужно сказать про эту операцию, - НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ ГИДРООКИСЬ НАТРИЯ при проявке фоторезиста. Это вещество совершенно не подходит для проявления ПП - помимо едкости раствора, к его недостаткам можно отнести сильную чувствительность к перемене температуры и концентрации, а также нестойкость. Это вещество слишком слабое, чтобы проявить все изображение и слишком сильное, чтобы растворить фоторезист. Т.е. с помощью этого раствора невозможно получить приемлемый результат, особенно если вы устроили свою лабораторию в помещении с частой сменой температуры (гараж, навес и т.п.).
Намного лучше в качестве проявителя раствор, произведенный на основе эфира кремневой кислоты, который продается в виде жидкого концентрата. Его химический состав - Na 2 SiO 3 *5H 2 O. Это вещество обладает огромным числом достоинств. Наиболее важным является то, что в нем очень трудно передержать ПП. Вы можете оставить ПП на точно не фиксированное время. Это также означает, что он почти не изменяет своих свойств при перепадах температуры - нет риска распада при увеличении температуры. Этот раствор также имеет очень большой срок хранения, и его концентрация сохраняется постоянной не менее пары лет.
Отсутствие проблемы передержки в растворе позволит вам увеличить его концентрацию для уменьшения времени проявления ПП. Рекомендуется смешивать 1 часть концентрата со 180 частями воды, т.е. в 200 мл воды содержится чуть более 1,7 гр. силиката, но возможно сделать более концентрированную смесь, чтобы изображение проявлялось примерно за 5 с без риска разрушения поверхности при передержке, при невозможности приобретения силиката натрия, можно использовать углекислый натрий или калий (Na 2 СO 3).
Вы можете контролировать процесс проявки погружением ПП в хлорид железа на очень короткое время - медь тотчас же потускнеет, при этом можно различить форму линий изображения. Если остаются блестящие участки или промежутки между линиями расплывчаты, промойте плату и подержите в проявочном растворе еще несколько секунд. На поверхности недодержанной ПП может остаться тонкий слой резиста, не удаленный растворителем. Чтобы удалить остатки пленки нужно мягко протереть ПП бумажным полотенцем, шероховатость которого достаточна, чтобы удалить фоторезист без повреждения проводников.
Вы можете использовать либо фотолитографическую проявочную ванну, либо вертикальный бак для проявки - ванна удобна тем, что она позволяет контролировать процесс проявки, не вынимая ПП из раствора. Вам не понадобятся нагреваемые ванны или баки, если температура раствора будет поддерживаться не меньше 15 градусов.
Еще один рецепт проявочного раствора: Взять 200 мл "жидкого стекла", добавить 800 мл дистиллированной воды и размешайте. Затем к этой смеси добавьте 400 г гидроксида натрия.
Меры предосторожности: Никогда не берите твердый гидроксид натрия руками, используйте перчатки. При растворении гидроксида натрия в воде выделяется большое количество тепла, поэтому растворять его надо небольшими порциями. Если раствор стал слишком горячим, то прежде чем добавить очередную порцию порошка, дайте ему остыть. Раствор очень едкий, и поэтому при работе с ним необходимо надеть защитные очки. Жидкое стекло также известно как " раствор силиката натрия" и " яичный консерватор". Оно используется для чистки водосточных труб и продается в любом хозяйственном магазине. Этот раствор нельзя сделать простым растворением твердого силиката натрия. Описанный выше проявочный раствор имеет такую же интенсивность, как и концентрат, и поэтому его необходимо разбавлять - на 1 часть концентрата 4-8 частей воды в зависимости от используемого резиста и температуры.
Травление
Обычно в качестве травителя используют хлорид железа. Это очень вредное вещество, но его легко получать и оно намного дешевле, чем большинство аналогов. Хлорид железа травит любой металл, включая нержавеющие стали, поэтому при установке оборудования для травления используйте пластический или керамический водослив, с пластиковыми винтами и шурупами, и при присоединении любых материалов болтами, их головки должны иметь кремнево-каучуковое уплотнение. Если же у вас металлические трубы, то защитите их пластиком (при установке нового слив идеально было бы использовать термостойкий пластик). Испарение раствора обычно происходит не очень интенсивно, но когда ванны или бак не используются, их лучше накрывать.
Рекомендуется использовать гексагидрат хлорида железа, который имеет желтую окраску, и продается в виде порошка или гранул. Для получения раствора их необходимо залить теплой водой и размешать до полного растворения. Производство можно существенно улучшить с точки зрения экологии, добавив в раствор чайную ложку столовой соли. Иногда встречается обезвоженный хлорид железа, который имеет вид коричнево-зеленых гранул. По возможности избегайте использования этого вещества. Его можно применять только в крайнем случае, т.к. при растворении в воде он выделяет большое количество тепла. Если вы все-таки решили сделать из него травильный раствор, то ни в коем случае не заливайте порошок водой. Гранулы нужно очень осторожно и постепенно добавлять к воде. Если получившийся раствор хлорного железа не вытравливает до конца резист, то попробуйте добавить небольшое количество соляной кислоты и оставить его на 1-2 дня.
Все манипуляции с растворами необходимо проводить очень аккуратно. Нельзя допускать разбрызгивания травителей обоих типов, т.к. при их смешении может произойти небольшой взрыв, из-за которого жидкость выплеснется из контейнера и может попасть в глаза или на одежду, что опасно. Поэтому во время работы надевайте перчатки и защитные очки и сразу же смывайте любые капли, попавшие на кожу.
Если вы производите ПП на профессиональной основе, где время - деньги, вы можете использовать нагреваемые емкости для травления, чтобы увеличить скорость процесса. Со свежим горячим FeCl ПП будут полностью вытравливаться за 5 минут при температуре раствора 30-50 градусов. При этом получается лучшее качество края и более равномерная ширина линий изображения. Вместо использования ванн с подогревом можно поместить травильный поддон в емкость большего размера, наполненную горячей водой.
Если вы не используете емкость с подведенным воздухом для бурления раствора, то вам необходимо периодически передвигать плату, чтобы обеспечить равномерное травление.
Лужение
Нанесения олова на поверхность ПП проводят для облегчения пайки. Операция металлизации состоит в осаждении тонкого слоя олова(не более 2 мкм)на поверхности меди.
Подготовка поверхности ПП является очень важной стадией перед началом металлизации. Прежде всего, вам необходимо снять остатки фоторезиста, для чего можно использовать специальные очищающие растворы. Наиболее распространённый раствор для снятия резиста - трёхпроцентный раствор KOH или NaOH, нагретый до 40 - 50 градусов. Плату погружают в этот раствор, и фоторезист через некоторое время отслаивается от медной поверхности. Процедив, раствор можно использовать повторно. Другой рецепт - с помощью метанола (метиловый спирт). Очищение производят следующим образом: удерживая ПП (промытую и высушенную) горизонтально, капните несколько капель метанола на поверхность, затем, немного наклоняя плату, постарайтесь, чтобы капли спирта растеклись по всей поверхности. Подождите около 10 секунд и протрите плату салфеткой, если резист остался, повторите операцию еще раз. Затем протрите поверхность ПП проволочной мочалкой (которая дает намного лучший результат, чем наждачная бумага или абразивные ролики), пока не добьетесь блестящей поверхности, протрите салфеткой, чтобы убрать частички, оставшиеся после мочалки, и немедленно поместите плату в раствор для лужения. Не касайтесь поверхности платы пальцами после очистки. В процессе пайки олово может смачиваться расплавом припоя. Паять лучше мягкими припоями с бескислотными флюсами. Следует обратить внимание, что если между технологическими операциями существует некоторый промежуток времени, то плату необходимо декапировать, чтобы удалить образовавшийся окисел меди: 2-3с в 5% растворе соляной кислоты с последующей промывкой в проточной воде. Достаточно просто осуществлять химическое лужение, для этого плату опускают в водный раствор, содержащий хлорное олово. Выделение олова на поверхности медного покрытия происходит при погружении в такое раствор соли олова, в которой потенциал меди более электроотрицателен, чем материал покрытия. Изменению потенциала в нужном направлении способствует введение в раствор соли олова комплексообразуещей добавки - тиокарбамида (тиомочевины), цианида щелочного металла. Такого типа растворы имеют следующий состав (г/л):
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Двухлористое олово SnCl 2 *2H 2 O | 5.5 | 5-8 | 4 | 20 | 10 |
| Тиокарбомид CS(NH 2) 2 | 50 | 35-50 | - | - | - |
| Серная кислота H 2 SO 4 | - | 30-40 | - | - | - |
| KCN | - | - | 50 | - | - |
| Винная кислота C 4 H 6 O 6 | 35 | - | - | - | - |
| NaOH | - | 6 | - | - | - |
| Молочнокислый натрий | - | - | - | 200 | - |
| Сернокислый алюминий-аммоний (алюмоаммонийные квасцы) | - | - | - | - | 300 |
| Температура, С o | 60-70 | 50-60 | 18-25 | 18-25 | 18-25 |
Среди выше перечисленных наиболее распространены растворы 1 и 2. Внимание! Раствор на основе цианистого калия чрезвычайно ядовит!
Иногда в качестве поверхностно-активного вещества для 1 раствора предлагается использование моющего средство "Прогресс" в количестве 1 мл/л. Добавление во 2 раствор 2-3 г/л нитрата висмута приводит к осаждению сплава, содержащего до 1,5% висмута, что улучшает паяемость покрытия и сохраняет ее в течение нескольких месяцев. Для консервации поверхности применяют аэрозольные распылители на основе флюсующих композиций. Нанесенный на поверхность заготовки лак после высыхания образует прочную гладкую пленку, которая препятствует окислению. Одним из популярных таких веществ является "SOLDERLAC" фирмы Cramolin. Последующая пайка проходит прямо по обработанной поверхности без дополнительного удаления лака. В особо ответственных случаях пайки лак можно удалить спиртовым раствором.
Искусственные растворы для лужения ухудшаются с течением времени, особенно при контакте с воздухом. Поэтому если у вас не регулярно бывают большие заказы, то старайтесь приготовить сразу небольшое количество раствора, достаточное для лужения нужного количество ПП, остатки раствора храните в закрытой емкости (идеально использовать одну из бутылок, использующуюся в фотографии, не пропускающую воздух). Также необходимо защищать раствор от загрязнений, которые могут очень ухудшить качество вещества. Тщательно очищайте и высушивайте заготовку перед каждой технологической операцией. У вас должен быть специальный поднос и щипцы для этих целей. После использования инструменты также необходимо хорошо очистить.
Наиболее популярным и простым расплавом для лужения является легкоплавкий сплав - "Розе" (олово - 25%, свинец - 25%, висмут - 50%), температура плавления которого 130 С o . Плату при помощи щипцов помещают под уровень жидкого расплава на 5-10 с, и вынув проверяют все ли медные поверхности равномерно покрыты. При необходимости операцию повторяют. Сразу же после вынимания платы из расплава его удаляют либо с помощью резинового ракеля, либо резким встряхиванием в направлении перпендикулярном плоскости платы, удерживая ее в зажиме. Другим способом удаления остатков сплава "Розе" является ее нагрев в термошкафу и встряхивание. Операция может проводится повторно для достижения монотолщинного покрытия. Для предотвращения окисления горячего расплава в раствор добавляют нитроглицерин, так чтобы его уровень покрывал расплав на 10 мм. После операции плата отмывается от глицерина в проточной воде.
Внимание! Данные операции предполагают работу с установками и материалами, находящимися под действием высокой температуры, поэтому для предотвращения ожега необходимо пользоваться защитными перчатками, очками и фартуками. Операция лужения сплавом олово-свинец протекает аналогично, но более высокая температура расплава ограничивает область применения данного способа в условиях кустарного производства.
Установка, включающая три емкости: травильная ванна с подогревом, ванна с барботажем и проявочный поддон. Как гарантированный минимум: травильная ванна и емкость для споласкивания плат. Для проявки и лужения плат можно использовать ванночки для фотографий.
- Набор поддонов для лужения различного размера
- Гильотина для ПП или маленькие гильотинные ножницы.
- Сверлильный станок, с ножной педалью включения.
Если вы не можете достать промывочную ванну, то для промывки плат можно использовать ручной разбрызгиватель (например, для поливки цветов).
Ну, вот и все. Желаем вам успешно освоить данную методику и получать каждый раз прекрасные результаты.
Андреев С.
В домашних условиях можно изготавливать печатные платы. по качеству практически ничем не уступающие заводскому изготовлению. Соблюдая определённый порядок действий, Вы сами сможете повторить это для ваших самоделок.
Сначала необходимо подготовить рисунок печатных дорожек. Как развести печатную плату здесь обсуждаться не будет, предположим что рисунок уже есть, взят из журнала, интернета, или нарисован вами лично или при помощи специальной программы. Подготовка рисунка зависит от того каким способом предполагается нанести рисунок печатных дорожек на заготовку. Сейчас наиболее популярны три способа, - ручное рисование с помощью несмываемого маркера, способ «лазерного утюга» и фотоэкспонирование на фоторезист.
Первый способ
Первый способ годится для несложных плат. Здесь конечным пунктом подготовки рисунка должно быть изображение на бумаге в масштабе 1:1, вид со стороны дорожек. Хорошо если уже есть бумажное изображение 1:1, например, в журнале «Радиоконструктор» в основном все платы 1:1. Но в других изданиях и особенно в интернете бывает не все так гладко.
Если есть бумажное изображение в другом масштабе его нужно соответственно увеличить или уменьшить, например, с помощью копирования на ксероксе с масштабированием. Либо отсканировать в компьютер в графический файл и в каком-нибудь графическом редакторе (например, в Adobe Photoshop) привести размеры к 1:1 и распечатать на принтере. Это же касается и рисунков плат, полученных из интернета.
Итак, бумажный рисунок 1:1 вид со стороны дорожек есть. Берем заготовку из фольгированного стеклотекстолита, немного зашкуриваем фольгу «нулевкой», накладываем на заготовку бумажный рисунок, прикрепляем его чтобы не двигался, например, скотч-лентой. И шилом или метчиком прокалываем бумагу в точках где должны быть отверстия, причем так чтобы остался отчетливо видный, но неглубокий след на фольге.
Следующий этап, - снимаем бумагу с заготовки. В отмеченных местах сверлим отверстия необходимого диаметра. Затем, глядя на рисунок дорожек, рисуем несмываемым маркером печатные дорожки и монтажные площадки. Рисовать начинаем с монтажных площадок, а потом соединяем их линиями. Там где нужны толстые линии проводим маркером несколько раз. Или рисуем контур толстой линии, а потом плотно закрашиваем внутри. Травление рассмотрим позже.
Второй способ
Второй способ радиолюбители обозвали «лазерным утюгом». Способ популярный, но весьма капризный. Необходимые инструменты, - лазерный принтер со свежим картриджем (заправленный картридж, по моему опыту, вообще не годится для этого дела), утюг бытовой обычный, весьма хитрая бумага.
Итак, подготовка рисунка. Рисунок должен быть черным (без полутонов, цвета), в масштабе 1:1, и более того, он должен быть в зеркальном изображении. Всего этого можно добиться обработкой рисунка на ПК в каком-нибудь графическом редакторе. Выше указанный Adobe Photoshop вполне сгодится, хотя даже простейшая программа Paint из стандартного набора Windows позволяет сделать зеркальное отображение.
Результатом подготовки рисунка должен быть графический файл с изображением в масштабе 1:1, черно-белый, без полутонов и цвета, который можно распечатать на лазерном принтере.
Другой вопрос, важный и тонкий, - о бумаге. Бумага должна быть плотная и в тоже время тонкая, так называемая, мелованная (обычная «для ксерокса» хороших результатов не дает). Где её взять? Вот это главный вопрос. В продаже она бывает только толстая - для фотографий. А нам нужна тонкая. Поищите в почтовом ящике! Очень многие рекламные буклеты сделаны именно на такой бумаге, - тонкая, гладкая, глянцевая. На наличие цветных картинок внимания не обращайте, - нам они никак не помешают. Впрочем, нет, если печать сделана некачественно, то есть, картинки пачкают пальцы, - такая рекламная продукция нам не подойдет.
Дальше печатаем свой файл на этой бумаге и смотрим что получилось. Как я уже сказал выше, принтер должен быть со свежим картриджем (и барабаном, если барабан отдельно от картриджа). В установках притера нужно выбрать режим печати с наибольшей плотности отпечатка, в разных принтерах этот режим называется по разному, например, «Яркость», «Dark», «Контрастность». И никаких экономичных или черновых (в смысле, «черновик») режимов.
Все это необходимо так как нужен плотный и равномерный рисунок, с дорожками изображенными достаточно толстым слоем тонера без прерываний, светлых полос, которые могут быть при работе изношенного барабана картриджа. В противном случае рисунок будет неравномерным по толщине тонера и это приведет к тому что на готовой плате в этих местах будут прерывания дорожек.
Печатаем рисунок, вырезаем ножницами так чтобы было немного по краям лишнего, накладываем рисунок на заготовку тонером к фольге, а лишнее заворачиваем под плату так чтобы эти части были прижаты платой лежащей на столе и не давали рисунку перемещаться. Берем обычный утюг без отпаривания разогреваем его до максимальной температуры. Плавно приглаживаем, не допуская смещений рисунка.
Не переусердствуйте, так как от излишнего давления тонер размажется и некоторые дорожки сольются. Плохо обработанные кромки заготовки также не дадут хорошо пригладить тонер к заготовке.
В общем, суть процесса в том, что тонер лазерного принтера плавится и при расплавлении прилипает к фольге. Теперь ждем пока заготовка остывает. Как остынет кладем минут на 10-15 в посуду с теплой водой. Мелованная бумага размягчается и начинает отставать от платы. Если бумага не отстает, аккуратно пытаемся скатать бумагу пальцами рук под струей воды.
На заготовке будет видна разводка покрытая тонким слоем лохматой бумаги. Сильно стараться скатать всю бумагу не нужно, так как можно таким усердием содрать и тюнер с фольги. Важно чтобы лохмотья бумаги не висели, а между дорожками бумаги не должно быть вообще.
Третий способ
Третий способ, - фотоэкспонирование на слой фоторезиста. Фоторезист продается в магазинах радиодеталей. Обычно прилагается инструкция. Следуя этой инструкции нужно нанести фоторезист на заготовку, и когда он будет готов проэкспонировать на него рисунок разводки платы. Затем обработать специальным раствором - проявителем. Освещенные участки смоются, а на неосвещенных останется пленка.
Рисунок должен быть подготовлен так же как и для «лазерного утюга», но печатать нужно на прозрачной пленке для принтера. Эту пленку накладывают на обработанную фоторезистом заготовку (тонером к заготовке) и экспонируют согласно инструкции. Данный способ сложен, требует наличия фоторезиста, проявляющего раствора и строго соблюдения инструкции, но он позволяет получить разводку практически заводского качества.
К тому же, принтер не обязательно должен быть лазерным, - подойдет и струйный, при условии что печатать будете на прозрачной пленке для струйных принтеров.Экспонируя пленку всегда нужно накладывать на заготовку стороной на которое тонер, прижимать стеклом для ровности прилегания. Если прилегание будет неплотным, или положите пленку другой стороной изображение получится некачественным так как дорожки расплывутся из-за нарушения фокуса.
Травление печатной платы
Теперь о травлении. Несмотря на множество альтернативных способов травления наиболее эффективно старое доброе «хлорное железо». Это раньше его было не достать, а сейчас продается в баночках практически в любом магазине радиодеталей.
Нужно сделать раствор хлорного железа, на баночке обычно есть инструкция сколько содержимого баночки на сколько воды. Практически получается на стакан воды четыре чайные ложки с горкой порошка. Хорошенько перемешиваем. При этом может происходить сильное тепловыделение и даже вскипание на поверхности и произойти разбрызгиванием, так что действуйте осторожно.
Травить удобнее всего в ванночке для фотопечати, но можно и в обычной керамической тарелке (в металлической миске нельзя ни в коем случае!). Плата должна быть расположена дорожками вниз и находиться в подвешенном состоянии. Я просто кладу в тарелку или ванночку четыре малениких специально подготовленных с помощью напильника осколочка обычного строительного кирпича, так чтобы плата лежала уголками на них.
Теперь остается только налить раствор в эту емкость и аккуратно положить плату на эти подпорки. Некоторые предпочитают класть плату на поверхность раствора так чтобы её удерживало поверхностное натяжение воды, но мне такой способ не нравится потому что плата тяжелее воды и при любом даже незначительном сотрясении потонет.
В зависимости от концентрации и температуры раствора стравливание занимает от 10 мин до 1 часа. Для ускорения процесса травления можно создать вибрацию, например, рядом на стол положить работающий электромоторчик. А подогревать раствор можно обычной лампой накаливания (поставив ванночку под настольную лампу).
Необходимо отметить, что остатки мела (от мелованной бумаги) на тонере вступают в реакцию с раствором хлорного железа, образуются пузырьки, которые препятствуют травлению. В таком случае нужно периодически вынимать плату и промывать водой.
Кроме наиболее удобного и эффективного по моему мнению способа травления в растворе хлорного железа существуют и другие варианты. Например, травление в азотной кислоте. Травление происходит очень быстро, и с выделением теплоты. Раствор азотной кислоты должен быть концентрацией не более 20%. После травления, чтобы нейтрализовать кислоту, необходимо промывать плату раствором питьевой соды.
Способ дает быстрое травление, но имеет и много недостатков. Во-первых, если заготовку немного передержать могут быть сильные подтравы дорожек. А во-вторых, и это самое важное, способ очень опасный для здоровья. Кроме того что сама азотная кислота может вызвать химические ожоги при попадании на кожу, так еще и при травлении выделяет ядовитый газ - окись азота. Так что данный способ я очень не рекомендую.
Еще один способ - травление в растворе смеси медного купороса и поваренной соли. Данный способ активно применялся в «до перестроечные времена», когда хлорное железо, как и многое другое, отсутствовало в свободной продаже, а вот удобрения для огорода были относительно доступны.
Последовательность приготовления раствора такова, - сначала наливаете в ванночку из пластмассы или стекла, керамики воду. Затем насыпаете поваренную соль из расчета две столовые ложки на стакан воды. Размешиваете неметаллической палочкой до полного растворения соли, и добавляете медный купорос из расчета - одна столовая ложка на стакан воды. Снова размешиваете. Погружаете в раствор плату.
Фактически травление происходит в поваренной соли, а медный купорос работает как катализатор. Главный недостаток такого способа, - очень длительное травление, которое может быть от нескольких часов и доходить до суток. Немного ускорить процесс можно подогревая раствор до 60-70°С. Часто оказывается что одной порции недостаточно на всю плату и раствор приходится выливать и приготовлять снова и снова. Этот способ по всем параметрам уступает травлению в хлорном железе, и его можно рекомендовать только если хлорное железо приобрести невозможно.
Травление в электролите для автомобильных аккумуляторов. Электролит стандартной плотности нужно разбавить водой в полтора раза. Затем добавляют 5-6 таблеток перекиси водорода. Травление происходит по скорости примерно так же как в растворе хлорного железа, но присутствуют все те же минусы, что и при травлении в азотной кислоте, так как электролит представляет собой водный раствор серной кислоты. Попадание на кожу приводит к ожогам, в процессе травления выделяется ядовитый газ.
После травления нужно удалить краску, фоторезист или тонер с поверхности печатных дорожек. Рисунок маркером легко удаляется практически любым растворителем для красок, или спиртом, бензином, одеколоном. Фоторезист можно удалить уайт-спиртом или ацетоном. А вот тонер самый стойкий к химии материал. Его только счищать механически. При этом нужно не повредить сами дорожки.
Очищенную от краски (тонера, фоторезиста) заготовку нужно промыть водой, просушить и перейти к сверлению отверстий. Диаметр сверла зависит от диаметра нужного отверстия. Сверла - для металла.
Сверить мне лично удобнее всего компактной аккумуляторной дрелью-шуруповертом. При этом плату я располагаю вертикально, привинтив её шурупами к деревянному бруску, закрепленному в тисках. Дрель перемещаю горизонтально опираясь рукой о стол. Но на маленьком сверлильном станке конечно будет лучше. Многие пользуются миниатюрными бурами для гравировки, но у меня такого оборудования нет.
Кстати, питать дрель-шуруповерт можно и от лабораторного источника питания, предварительно сняв аккумулятор, подавая напряжение прямо на контакты («крокодилами»). Это удобно тем что без аккумулятора дрель значительно легче, ну, плюс аккумулятор не разряжается или можно пользоваться инструментом с неисправным аккумулятором.
Ну вот плата и готова.
Условиях на конкретном примере. Например, нужно изготовить две платы. Одна - переходник с одного типа корпуса на другой. Вторая - замена большой микросхемы с корпусом BGA на две поменьше, с корпусами TO-252, с тремя резисторами. Размеры плат: 10x10 и 15x15 мм. Есть 2 варианта изготовления печатных плат в : с помощью фоторезиста и методом "лазерного утюга". Воспользуемся методом "лазерного утюга".
Процесс изготовления печатных плат в домашних условиях
1. Готовим проект печатной платы. Я пользуюсь программой DipTrace: удобно, быстро, качественно. Разработана нашими соотечественниками. Очень удобный и приятный пользовательский интерфейс, в отличие от общепризнанного PCAD. Есть конвертация в формат PCAD PCB. Хотя многие отечественные фирмы уже начали принимать в формате DipTrace.
В DipTrace есть возможность узреть своё будущее творение в объёме, что весьма удобно и наглядно. Вот что должно получиться у меня (платы показаны в разных масштабах):
2. Сначала размечаем текстолит, выпиливаем заготовку для печатных плат.
3. Выводим наш проект на в зеркально отражённом виде в максимально возможном качестве, не скупясь на тонер. Путём долгих экспериментов была выбрана бумага для этого -- плотная матовая фотобумага для принтеров.
4. Не забудем почистить и обезжирить заготовку платы. Если нет обезжиривателя, можно пройтись по меди стеклотекстолита ластиком. Далее с помощью обыкновенного утюга "привариваем" тонер с бумаги к будущей печатной плате. Я держу 3-4 минуты под небольшим нажимом, до лёгкого пожелтения бумаги. Нагрев ставлю максимальный. Сверху кладу ещё один лист бумаги для более равномерного прогрева, иначе изображение может "поплыть". Важный момент здесь -- равномерность прогрева и нажима.
5. После этого, дав плате немного остыть, кладём заготовку с прилипшей к ней бумагой в воду, желательно горячую. Фотобумага быстро намокает, и через минуту-две можно аккуратно снять верхний слой.
В местах, где большое скопление наших будущих токопроводящих дорожек, бумага прилипает к плате особенно сильно. Её пока не трогаем.
6. Даём плате ещё пару минут отмокнуть. Остатки бумаги аккуратно снимаем с помощью ластика или трения пальцем.
7. Вынимаем заготовку. Просушиваем. Если где-то дорожки получились не очень чёткими, можно сделать их ярче тонким маркером для CD. Хотя лучше добиться того, чтобы все дорожки вышли одинаково чёткими и яркими. Это зависит от 1) равномерности и достаточности прогрева заготовки утюгом, 2) аккуратности при снятии бумаги, 3) качества поверхности текстолита и 4) удачного подбора бумаги. С последним пунктом можно поэкспериментировать, чтобы найти наиболее подходящий вариант.
8. Кладём получившуюся заготовку с отпечатанными на ней будущими дорожками-проводниками в раствор хлорного железа. Травим часа 1,5 или 2. Пока ждём, накроем нашу "ванночку" крышкой: испарения достаточно едкие и токсичные.
9. Достаём из раствора готовые платы, промываем, сушим. Тонер от лазерного принтера замечательно смывается с платы с помощью ацетона. Как видно, даже самые тонкие проводники шириной 0,2 мм вышли вполне хорошо. Осталось совсем немного.
10. Лудим изготовленные методом "лазерного утюга" печатные платы. Смываем бензином или спиртом остатки флюса.
11. Осталось только выпилить наши платы и смонтировать радиоэлементы!
Выводы
При определённой сноровке метод "лазерного утюга" подходит для изготовления несложных печатных плат в домашних условиях. Вполне чётко получаются короткие проводники от 0,2 мм и шире. Более толстые проводники получаются совсем хорошо. Времени на подготовку, эксперименты с подбором типа бумаги и температуры утюга, травление и лужение уходит примерно 3-5 часов. Но это гораздо быстрее, чем если заказывать платы в фирме. Денежные затраты также минимальны. В общем, для простых бюджетных радиолюбительских проектов метод рекомендуется к использованию.
Когда в распоряжении есть лазерный принтер, радиолюбителями применяется технология изготовления печатных плат, которая называется ЛУТ. Однако такой прибор имеется далеко не в каждом доме, поскольку даже в наше время стоит он достаточно дорого. Еще есть технология изготовления с применением фоторезистивной пленки. Однако для работы с ней тоже нужен принтер, но уже струйный. Уже проще, но сама пленка стоит достаточно дорого, а начинающему радиолюбителю на первых порах лучше потратить имеющиеся средства на хорошую паяльную станцию и прочие принадлежности.
Можно ли изготовить печатную плату приемлемого качества в домашних условиях, не имея принтера? Да. Можно. Причем, если все сделать, как описано в материале, понадобится совсем немного денег и времени, а качество будет на очень высоком уровне. Во всяком случае электрический ток «побежит» по таким дорожкам с большим удовольствием.
Перечень необходимых инструментов и расходников
Начать стоит с подготовки инструментов, приспособлений и расходных материалов, без которых просто нельзя обойтись. Для реализации самого бюджетного способа изготовления печатных плат в домашних условиях понадобится следующее:- Программное обеспечение для разработки рисунка.
- Прозрачная полиэтиленовая пленка.
- Узкий скотч.
- Маркер.
- Фольгированный стеклотекстолит.
- Наждачная бумага.
- Спирт.
- Ненужная зубная щетка.
- Инструмент для сверления отверстий диаметром от 0,7 до 1,2 мм.
- Хлорное железо.
- Пластиковая емкость для травления.
- Кисточка для рисования красками.
- Паяльник.
- Припой.
- Жидкий флюс.
Программ для разработки печатных плат существует сегодня огромное количество, но для начинающего радиолюбителя самым простым вариантом будет Sprint Layout. Несложно освоить интерфейс, пользоваться можно бесплатно, присутствует огромная библиотека, включающая распространенные радиокомпоненты.
Полиэтилен нужен для переноса рисунка с монитора. Лучше взять пленку пожестче, например, от старых обложек для школьных книг. Для ее крепления к монитору подойдет любой скотч. Лучше взять узкий – проще будет отклеивать (монитору эта процедура не вредит).
На маркерах стоит остановиться более подробно, так как это больная тема. Для переноса рисунка на полиэтилен, в принципе, подойдет любой вариант. А вот для рисования по фольгированному стеклотекстолиту нужен специальный маркер. Но тут есть маленькая хитрость, как сэкономить, и не покупать достаточно дорогие «специальные» маркеры для рисования печатных плат. Дело в том, что эти изделия по своим свойствам абсолютно ни чем не отличаются от обычных перманентных маркеров, которые продаются в 5-6 раз дешевле в любом канцелярском магазине. Но маркер должен обязательно иметь надпись «Permanent». Иначе ничего не получится.
Фольгированный стеклотекстолит можно брать любой. Лучше, если он будет потолще. Начинающим с таким материалом работать куда проще. Для его очистки понадобится наждачная бумага зернистостью около 1000 единиц, а также спирт (есть в любой аптеке). Последний расходник можно заменить жидкостью для сведения лака для ногтей, которая есть в любом доме, где живет женщина. Однако это средство довольно противно пахнет и долго выветривается.
Для сверления платы лучше иметь специальную мини-дрель или гравер. Однако можно пойти и более дешевым путем. Достаточно купить цанговый или кулачковый патрон под маленькие сверла и приспособить его к обычной бытовой дрели.
Хлорное железо можно заменить другими химическими средствами, включая те, которые уже наверняка есть в вашем доме. Например, подойдет раствор лимонной кислоты в перекиси водорода. Информацию о том, как готовятся альтернативные хлорному железу составы для травления плат, без проблем можно найти в Сети. Единственное, на что стоит обратить внимание, это на емкость для такой химии – она должна быть пластиковой, акриловой, стеклянной, но никак не металлической.
Про паяльник, припой и жидкий флюс подробнее говорить не стоит. Если радиолюбитель дошел до вопроса изготовления печатной платы, то с этими вещами он уже наверняка знаком.
Разработка и перенос рисунка платы на шаблон
Когда все вышеперечисленные инструменты, приспособления и расходные материалы подготовлены, можно браться за разработку платы. Если изготавливаемое устройство не уникальное, то гораздо проще будет скачать его проект из Сети. Подойдет даже обычный рисунок в формате JPEG.
Хотите пойти более сложным путем – рисуйте плату самостоятельно. Этот вариант часто бывает неизбежным, например, в ситуациях, когда у вас нет в наличии точно таких же радиодеталей, которые нужны для сборки оригинальной платы. Соответственно, заменяя компоненты аналогами, под них приходится выделять место на стеклотекстолите, подгонять отверстия и дорожки. Если проект уникальный, то плату придется разрабатывать с нуля. Для этого и нужно вышеупомянутое программное обеспечение.
Когда макет платы готов, его остается только перенести на прозрачный шаблон. Полиэтилен фиксируется прямо на мониторе при помощи скотча. Далее просто переводим имеющийся рисунок – дорожки, контактные пятачки и так далее. Для этих целей лучше всего использовать все тот же перманентный маркер. Он не стирается, не размазывается, и его хорошо видно.
Подготовка фольгированного стеклотекстолита
Следующим этапом идет подготовка стеклотекстолита. Для начала нужно отрезать его по размерам будущей платы. Делать это лучше с небольшим запасом. Для раскройки фольгированного стеклотекстолита можно использовать одни из нескольких способов.Во-первых, материал отлично режется при помощи ножовки по металлу. Во-вторых, если у вас есть гравер с отрезными кругами, то удобно будет использовать его. В-третьих, стеклотекстолит можно отрезать по размеру канцелярским ножом. Принцип раскройки такой же, как и при работе со стеклорезом – в несколько проходов наносится линия отреза, затем материал просто отламывается.
Теперь обязательно нужно очистить медный слой стеклотекстолита от защитного покрытия и окисла. Лучшего способа, чем обработка наждачной бумагой, для решения этой задачи нет. Зернистость берется от 1000 до 1500 единиц. Цель – получить чистую блестящую поверхность. До зеркального блеска зачищать медный слой не стоит, так как мелкие царапины от наждачной бумаги увеличивают адгезию поверхности, что понадобится дальше.
В завершение остается только очистить фольгу от пыли и следов ваших пальцев. Для этого используется спирт или ацетон (жидкость для снятия лака). После обработки к медной поверхности руками не прикасаемся. Для последующих манипуляций захватываем стеклотекстолит за грани.
Совмещение шаблона и стеклотекстолита
Теперь нашей задачей является совмещения полученного на полиэтилене рисунка с подготовленным стеклотекстолитом. Для этого пленка накладывается на нужное место и позиционируется. Остатки заворачиваются на обратную сторону и крепятся при помощи все того же скотча.
Сверление отверстий
Перед сверлением рекомендуется каким-либо способом закрепить стеклотекстолит с шаблоном на поверхности. Это позволит добиться большей точности, а также исключит внезапное проворачивание материала во время прохода сверла насквозь. Если у вас есть сверлильный станок для такой работы, то описанная проблема вообще не возникнет.
Сверлить отверстия в стеклотекстолите можно на любой скорости. Кто-то работает на малых оборотах, кто-то на больших. Опыт показывает, что сами сверла служат намного дольше, если их эксплуатировать на низких скоростях. Так их сложнее сломать, погнуть и повредить заточку.
Отверстия сверлятся прямо через полиэтилен. Ориентирами будут служить будущие контактные пятачки, нарисованные на шаблоне. Если того требует проект, то своевременно меняем сверла под нужный диаметр.
Рисование дорожек
Далее шаблон снимается, но не выбрасывается. К медному покрытию по-прежнему стараемся не прикасаться руками. Для рисования дорожек используем маркер, обязательно перманентный. Его хорошо видно по следу, который он оставляет. Рисовать лучше за один проход, так как после застывания лака, который есть в составе перманентного маркера, правки делать будет весьма затруднительно.
В качестве ориентира используем все тот же шаблон из полиэтилена. Можно рисовать также перед компьютером, сверяясь с оригинальным макетом, где есть маркировка и прочие пометки. Если есть возможность, то лучше использовать несколько маркеров с наконечниками разной толщины. Это позволит более качественно прорисовать и тонкие дорожки, и обширные полигоны.
После нанесения рисунка обязательно ждем некоторое время, необходимое для окончательного отвердевания лака. Можно даже подсушить феном. От этого будет зависеть качество будущих дорожек.
Травление и очистка дорожек от маркера
Теперь самое интересное – травление платы. Тут есть несколько нюансов, о которых мало кто упоминает, но они существенно влияют на качество результата. В первую очередь готовим раствор хлорного железа согласно рекомендациям на упаковке. Обычно порошок разбавляется водой в соотношении 1:3. И тут первый совет. Сделайте раствор более насыщенным. Это поможет ускорить процесс, и нарисованные дорожки не отвалятся прежде, чем вытравится все необходимое.
Сразу же совет второй. Ванночку с раствором рекомендуется погрузить в горячую воду. Можно нагреть ее в металлической посуде. Повышение температуры, как известно еще со школьной программы, значительно ускоряет химическую реакцию, которой травление нашей платы и является. Сокращение времени процедуры нам на руку. Нанесенные маркером дорожки достаточно нестабильны, и чем меньше они будут киснуть в жидкости, тем лучше. Если при комнатной температуре плата в хлорном железе травится около часа, то в теплой воде этот процесс сокращается до 10 минут.
В завершение еще один совет. В процессе травления, хоть он и так ускорен за счет подогрева, рекомендуется постоянно двигать плату, а также счищать продукты реакции щеточкой для рисования. Совмещая все вышеописанные манипуляции вполне возможно вытравить лишнюю медь всего за 5-7 минут, что является просто отличным результатом для этой технологии.
В конце процедуры плату нужно тщательно промыть под проточной водой. Затем просушиваем ее. Остается только смыть следы от маркера, все еще закрывающие наши дорожки и пятачки. Делается это все тем же спиртом или ацетоном.
Лужение печатных плат
Перед лужением еще раз обязательно проходимся по медному слою наждачной бумагой. Но теперь делаем это предельно осторожно, чтобы не повредить дорожки. Самый простой и доступный способ лужения – традиционный, с помощью паяльника, флюса и припоя. Можно также использовать сплавы Розе или Вуда. Также существует на рынке так называемое жидкое олово, которое значительно может упростить задачу.Но все эти новые технологии требуют дополнительных затрат и некоторого опыта, потому для первого раза подойдет и классический метод лужения. На очищенные дорожки наносится жидкий флюс. Далее набирается припой на жало паяльника и распределяется по оставшейся после травления меди. Здесь важно прогреть дорожки, иначе припой может не «приклеиться».
Если у вас все же есть сплавы Розе или Вуда, то их можно использовать и не по технологии. Они просто замечательно плавятся паяльником, легко распределяются по дорожкам, не сбиваются в комки, что для начинающего радиолюбителя будет только плюсом.
Заключение
Как видно из вышеописанного, бюджетная технология изготовления печатных плат в домашних условиях действительно доступная и недорогая. Не нужен ни принтер, ни утюг, ни дорогущая фоторезистивная пленка. Используя все вышеописанные советы вы легко сможете изготавливать простейшие электронные , не вкладывая в это больших денег, что очень важно на первых этапах занятия радиолюбительством.
