Технологии изготовления печатных плат

@@Многие моделисты сталкивались с необходимостью изготовления печатных плат. У многих это вызывает затруднения - наиболее простой, качественный и дешевый метод изготовления, к сожалению еще не изобретен.

@@В этой статье я попытаюсь рассказать о наиболее простых и дешевых методах изготовления "печаток".

@@Собственно, весь процесс изготовления печатной платы можно условно разделить на несколько основных этапов:

• Создание чертежа платы;
• Предварительная подготовка заготовки (очистка поверхности, обезжиривание);
• Нанесение тем или иным способом защитного покрытия;
• Удаление лишней меди с поверхности платы (травление);
• Очистка заготовки от защитного покрытия;
• Сверловка отверстий, покрытие платы флюсом, лужение.

@@В этой статье будет рассмотрен классический метод изготовления - химический, как наиболее приемлемый для домашнего использования. Такие способы как фрезеровка, гальванический метод не рассматриваются, т.к. в домашних условиях это не представляется возможным.

@@Особенно хотелось бы отметить, что при изготовлении печатных плат в домашних условиях следует стремиться при разработке схемы использовать как можно больше компонентов для поверхностного монтажа, что в некоторых случаях позволяет развести практически всю схему на одной стороне платы.

@@Остановимся теперь подробнее на каждом из этапов изготовления печатной платы.

Создание чертежа платы

@@Создание чертежа - самая ответственная часть и ей стоит выделить главную роль во всем процессе.

@@При разводке надо стремится развести всю плату на одной стороне. При разводке двусторонней платы старайтесь использовать в качестве переходов ножки элементов. Связано это с тем, что до сих пор не изобретено никакой реально осуществимой в домашних условиях технологии металлизации переходных отверстий. Поэтому в случае, если разводку платы не удается выполнить на одной стороне, следует выполнять разводку на второй стороне с использованием в качестве межслойных переходов выводов различных компонентов, установленных на плате, которые в этом случае придется пропаивать с двух сторон платы.

Подготовка чертежа платы

@@Конечно, существуют различные способы замены металлизации отверстий (использование тонкого проводника, вставленного в отверстие и припаянного к дорожкам с обеих сторон платы; использование специальных пистонов), однако все они имеют существенные недостатки и неудобны в использовании.

@@В идеальном случае плата должна разводиться только на одной стороне с использованием минимального количества перемычек.

Предварительная подготовка заготовки

@@Это первый этап изготовления самой платы, заключающийся в подготовке поверхности будущей печатной платы к нанесению на нее защитного покрытия.

@@От качества очистки поверхности будет зависеть и вся плата в целом. За продолжительный промежуток времени технология очистки поверхности не претерпела сколько-нибудь значительных изменений. Весь процесс сводится к удалению окислов и загрязнений с поверхности платы с использованием различных абразивных средств и последующему обезжириванию.

@@ Для удаления сильных загрязнений можно использовать мелкозернистую наждачную бумагу ("нулевку"), мелкодисперсный абразивный порошок или любое другое средство, не оставляющее на поверхности платы глубоких царапин. Иногда можно просто вымыть поверхность печатной платы жесткой мочалкой для мытья посуды с моющим средством или порошком (для этих целей удобно использовать абразивную мочалку для мытья посуды, которая похожа на войлок с мелкими вкраплениями какого-то вещества; часто такая мочалка бывает наклеена на кусок поролона). Кроме того, при достаточно чистой поверхности печатной платы можно вообще пропустить этап абразивной обработки и сразу перейти к обезжириванию.

@@Заключительный этап подготовки поверхности заключается в обезжиривании. Для этого можно использовать кусочек мягкой ткани, не оставляющей волокон, смоченный спиртом, бензином или ацетоном. Здесь следует обратить внимание на чистоту поверхности платы после обезжиривания, поскольку в последнее время стали попадаться ацетон и спирт со значительным количеством примесей, которые оставляют на плате после высыхания беловатые разводы. Если это так, то стоит поискать другой обезжиривающий состав. После обезжиривания плату следует промыть в проточной холодной воде. Качество очистки можно контролировать, наблюдая за степенью смачивания водой поверхности меди. Полностью смоченная водой поверхность, без образования на ней капель и разрывов пленки воды, является показателем нормального уровня очистки. Нарушения в этой пленке воды указывают, что поверхность очищена недостаточно.

Нанесение защитного покрытия

@@Нанесение защитного покрытия является самым важным этапом в процессе изготовления печатных плат, и именно им на 90 % определяется качество изготовленной платы. В настоящее время в радиолюбительской среде наиболее популярными являются три способа нанесения защитного покрытия. Мы их рассмотрим в порядке возрастания качества получаемых при их использовании плат.

@@1. Ручное нанесение защитного покрытия. Перед нанесением желательно просверлить отверстия (см. ниже) - так меньше вероятность сделать ошибку. При этом способе чертеж печатной платы переносится на стеклотекстолит вручную при помощи какого-либо пишущего приспособления. Можно чертить маркером. Лучше всего подходит перманентный, но раствор для травления нельзя нагревать выше 45-50 градусов, т.к. краска начинает отваливаться хлопьями. Кроме того, для ручного рисования можно использовать рейсфедер или какое-либо другое приспособление, заправленное красителем. Так, например, удобно использовать для рисования шприц с тонкой иглой (лучше всего для этих целей подходят инсулиновые шприцы с диаметром иглы 0,3-0,6 мм), обрезанной до длины 5-8 мм. При этом шток в шприц вставлять не следует - краситель должен поступать свободно под действием капиллярного эффекта. Также вместо шприца можно использовать тонкую стеклянную или пластмассовую трубку, вытянутую над огнем для достижения нужного диаметра. Особое внимание следует обратить на качество обработки края трубки или иглы: при рисовании они не должны царапать плату, в противном случае можно повредить уже закрашенные участки. В качестве красителя при работе с такими приспособлениями можно использовать разбавленный растворителем битумный или какой-либо другой лак, цапонлак или даже раствор канифоли в спирте. При этом необходимо подобрать консистенцию красителя таким образом, чтобы он свободно поступал при рисовании, но в то же время не вытекал и не образовывал капель на конце иглы или трубки. Пятачки под отверстия можно делать с помощью ватки, намотанной на спичку. Стоит отметить, что ручной процесс нанесения защитного покрытия достаточно трудоемок и годится только в тех случаях, когда необходимо очень быстро изготовить небольшую плату. Минимальная ширина дорожки, которой можно добиться при рисовании вручную, составляет порядка 0,5 мм.

@@Использование "технологии лазерного принтера и утюга". Данная технология появилась сравнительно недавно, однако сразу получила широчайшее распространение в силу своей простоты и высокого качества получаемых плат. Основу технологии составляет перенос тонера (порошка, используемого при печати в лазерных принтерах) с какой-либо подложки на печатную плату. При этом возможны два варианта: либо используемая подложка отделяется от платы перед травлением, либо, если в качестве подложки используется алюминиевая фольга, она стравливается вместе с медью. Первый этап использования данной технологии заключается в печати зеркального изображения рисунка печатной платы на подложке. Параметры печати принтера при этом должны быть установлены на максимальное качество печати (поскольку в этом случае происходит нанесение слоя тонера наибольшей толщины). В качестве подложки можно использовать тонкую глянцевую бумагу из журналов, бумагу для факсов(надо предварительно прогладить для достижения коричневого цвета), алюминиевую фольгу, пленку для лазерных принтеров, основу от самоклеящейся пленки или какие-нибудь другие материалы. Бумагу следует подбирать экспериментальным путем. При использовании слишком тонкой бумаги или фольги может потребоваться приклеить их по периметру на лист плотной бумаги. В идеальном случае принтер должен иметь тракт для прохождения бумаги без перегибов, что предотвращает "смятие" подобного бутерброда внутри принтера.

@@Большое значение это имеет и при печати на фольге или основе от пленки, поскольку тонер на них держится очень слабо, и в случае перегиба бумаги внутри принтера существует большая вероятность, что придется потратить несколько неприятных минут на очистку печки принтера от налипших остатков тонера. Лучше всего, если принтер может пропускать бумагу через себя горизонтально, печатая при этом на верхней стороне (как, например, HP LJ2100 - один из лучших принтеров для применения при изготовлении печатных плат). Хочется сразу предупредить владельцев принтеров типа HP LJ 5L, 6L, 1100, чтобы они не пытались печатать на фольге или основе от самоклейки - обычно подобные эксперименты заканчиваются плачевно. Также помимо принтера можно использовать и копировальный аппарат, применение которого иногда дает даже лучшие по сравнению с принтерами результаты за счет нанесения толстого слоя тонера. Основное требование, которое предъявляется к подложке, - легкость ее отделения от тонера. Кроме того, в случае использования бумаги она не должна оставлять в тонере ворсинок. При этом возможны два варианта: либо подложка после перенесения тонера на плату просто снимается (в случае пленки для лазерных принтеров или основы от Oracal), либо предварительно размачивается в воде и потом постепенно отделяется (мелованная бумага). Перенос тонера на плату заключается в прикладывании подложки с тонером к предварительно очищенной плате с последующим нагревом до температуры, немного превышающей температуру плавления тонера.

Перенос тонера на бумагу по лазерно-утюжной технологии

@@Возможно, огромное количество вариантов как это сделать, однако наиболее простым является прижим подложки к плате горячим утюгом. При этом для равномерного распределения давления утюга на подложку рекомендуется проложить между ними несколько слоев плотной бумаги. Очень важным вопросом является температура утюга и время выдержки. Эти параметры варьируются в каждом конкретном случае, поэтому, возможно, придется поставить не один эксперимент, прежде чем вы получите качественные результаты. Критерий тут один: тонер должен успеть достаточно расплавиться, чтобы прилипнуть к поверхности платы, и в то же время должен не успеть дойти до полужидкого состояния, чтобы края дорожек не расплющились. После "приварки" тонера к плате необходимо отделить подложку (кроме случая использования в качестве подложки алюминиевой фольги: ее отделять не следует, поскольку она растворяется практически во всех травильных растворах). Пленка для лазерных принтеров и основа от самоклейки просто аккуратно снимаются, в то время как обычная бумага требует предварительного размачивания в горячей воде.

Плата с нанесенным защитным слоем

@@Стоит отметить, что в силу особенностей печати лазерных принтеров слой тонера в середине больших сплошных полигонов достаточно мал, поэтому следует по мере возможности избегать использования таких областей на плате, либо после снятия подложки придется подретушировать плату вручную.

Правка огрехов

@@В целом использование данной технологии после некоторой тренировки позволяет добиться ширины дорожек и зазоров между ними вплоть до 0,3 мм. В любом случае бумагу следует подбирать экспериментальным путем.

@@3. Применение фоторезистов. Фоторезистом называется чувствительное к свету вещество, которое под воздействием освещения изменяет свои свойства. В последнее время на российском рынке появилось несколько видов импортных фоторезистов в аэрозольной упаковке, которые особенно удобны для использования в домашних условиях. Сущность применения фоторезиста заключается в следующем: на плату с нанесенным на нее слоем фоторезиста накладывается фотошаблон и производится ее засветка, после чего засвеченные (или незасвеченные) участки фоторезиста смываются специальным растворителем, в качестве которого обычно выступает едкий натр (NaOH). Все фоторезисты делятся на две категории: позитивные и негативные. Для позитивных фоторезистов дорожке на плате соответствует черный участок на фотошаблоне, а для негативных, соответственно, прозрачный. Наибольшее распространение получили позитивные фоторезисты как наиболее удобные в применении. Остановимся более подробно на использовании позитивных фоторезистов в аэрозольной упаковке.

@@Для изготовления с помощю этого способа нам необходимо:

• Лазерный принтер с разрешением не менее 600х600 dpi (у нас HP Lj 1200dpi), можно использовать и струйный принтер - результаты примерно одинаковые, только скорость печати ниже и нужно контролировать бумагу - для предотвращения размазывания чернил;

• Кальку для фотошаблонов. У нас калька фирмы Sihl формата А4 - специально для этого приспособленная, пробовали обычную чертежную кальку она, конечно, тоньше и возникает проблема впихнуть ее в принтер, но когда это получается (с подложкой из листа бумаги) - результат примерно одинаков. Или специальную пленку для лазерных принтеров. В итоге можно использовать любой носитель для фотошаблона, на котором будет печатать принтер, вплоть до обычной бумаги, но тогда ее надо обработать аэрозолем TRANSPARENT 21 для получения прозрачности в ультрафиолете.

• Аэрозольный фоторезист POSITIV-20. Некоторые рекомендуют грунтовый фоторезист, но мы остановились на аэрозоле. В конторах утверждают, что одного баллона 200мл хватает на 10 кв. метров - вранье. 1-1,5 кв метра двухстороннего текстолита и все, балон пуст. Но удобство в работе ощутимое.

• Проявитель. Используем каустическую соду - едкий натр (NaOH). Есть и другая химия.

• Источник ультрафиолета. В инструкции к POSITIV-20 рекомендуют лампы ДРШ, медицинские лампы и др. с длиной волны 370-440нм. Мы используем спираль лампы ДРЛ-700, включенную через дроссель, напряжение питания лампы регулируем латром ~140-150В. Были попытки применить газоразрядные лампы черного света (их применяют в дискотеках), и длина волны у них подходящая, но время экспонирования увеличивается в 4 раза, да и стоят они дорого.

• 2 отрезка стекла толщиной 4-5мм (примерно формата А4) - для 2-х сторонних плат. Конечно, рекомендуют кварцевое стекло, или прозрачный плексиглас, но мощности лампы ДРЛ с избытком хватает на засветку через обычное стекло.

@@Вся эта "амуниция" обойдется не дорого. Только фоторезист стоит около 10$, остальное можно добыть за копейки или из старых запасов. Далее технология по пунктам:

Фоторезист

• Кладем заготовку ПП стороной для покрытия вверх. Наносим слой фоторезиста из баллончика комнатной температуры (предварительно встряхнув его несколько раз). Можно зигзагом, можно равновременными "пшиками". Сильно баллон наклонять не стоит, достаточно градусов 20-30, фоторезист распыляется по плате, часть, конечно, оседает за границами заготовки, но это неизбежные потери, которые при практике можно свести к минимуму, особенно уложив рядом 2-4 заготовки для других плат. Одновременно покрывать формат больше А4 не рекомендуем, т.к. возникает риск неоднородности покрытия. Фоторезист иногда ложится небольшими каплями, но хорошо растекается. Оптимальный цвет покрытия - светло синий. Чем толще слой, тем темнее, но и времени на экспонирование требуется больше. Минут через 30-40 заготовку можно перевернуть и наносить фоторезист на вторую сторону.

• Примечание: замечено, чем температура в помещении выше, чем меньше влажность, тем хуже растекается фоторезист. Оптимальная температура 16-20 градусов.

• Заготовка сохнет 3-4 часа при комнатной температуре. Можно использовать сушильный шкаф, но температура сушки не должна превышать 70 град в течение 15 мин, и подниматься медленно. При сушке заготовки избегать попадания прямых солнечных лучей и яркого электрического света.

• Изготовление фотошаблона. Печатаем фотошаблон на кальке, или бумаге с последующей обработкой TRANSPARENT 21, можно использовать ксерокс. Чем плотнее слой тонера, тем лучше. Т.е. отключаем в принтере режим экономии тонера, ставим максимальную плотность. Фотошаблон для верхней стороны платы отображаем зеркально, нижней - как есть. Накладывая фотошаблоны обоих сторон друг на друга, добиваемся наилучшей совместимости отверстий и степлером скрепляем их между собой с 2-3 сторон, так чтобы заготовка входила с запасом. Кстати, при использовании лазерного принтера желательно перед печатью шаблона напечатать, например, расположение деталей - и печка принтера прогреется и тонер перемешается.

• Экспонирование. Мы включаем лампу ДРЛ-700 (без стеклянной колбы) и даем ей прогреться минут 5. Для защиты глаз и кожи от ультрафиолета соорудили небольшую тумбочку из подручных материалов. Лампа внизу, а заготовку со стеклом кладем сверху.

• Стекла должны быть сухими и чистыми. В пакет фотошаблона вставляем заготовку ПП, добиваясь максимального расположения качественного покрытия в районе дорожек. Вот для чего нужен запас по размерам ПП и скрепления шаблонов. Пакет с заготовкой вкладываем между стеклами, прижимаем их между собой грузом и кладем под (или на) лампу. Расстояние от лампы до заготовки 30-40 см. Засекаем время. Опытным путем установили оптимальное время экспонирования 2,5мин - это при использовании вышеописанной лампы и обычного стекла 4мм. При использовании других источников ультрафиолета и плексигласа время будет другим. Через 2,5мин переворачиваем пакет вместе со стеклом - это позволяет избежать смещения платы в пакете в момент переворота. Снова засекаем время. Можно, конечно, использовать 2 лампы, сверху и снизу, тогда время уменьшится ровно в 2 раза. При передержке платы, дорожки могут подсвечиваться, что заметно уменьшает их толщину. При малом времени экспонирования остаются участки не подвергающиеся проявлению - что тоже брак.

• Проявление. Засвеченную заготовку опускаем в раствор едкого натра. (7-10гр на литр холодной воды). Если раствор очень концентрированный, есть риск смыть и не засвеченные участки платы, если слабый, то время проявки существенно увеличивается, что тоже для этих участков вредно. На проявку уходит 10-30сек. Не нужно дожидаться, когда плата будет полностью проявлена в растворе. Как только появляются дорожки, нужно подставить плату под струю холодной воды - проявленный фоторезист смоется. Если остались плохо проявленные участки - можно мягкой кисточкой смыть их проявителем или еще раз опустить плату в раствор. Проявитель используется неоднократно, вплоть до увеличения времени проявки до 1-2 мин.

• В идеале, на этом этапе подготовка платы к травлению заканчивается. Фоторезист можно подчистить где надо, подрисовать - если перетравилось или перезасветилось. Но подрисовывать нужно маркерами не содержащими растворителей, уайт-спирита и т.д. Травить можно в любом подходящем растворе. Фоторезист кислотоустойчив и т.д. Дальше всем известно - травление, сверловка, обрезка и лужение. Весь цикл изготовления платы по времени составляет 5-6 часов, а по трудоемкости - 30 минут.

Травление

@@Известно много составов для химического стравливания меди. Все они отличаются скоростью протекания реакции, составом выделяющихся в результате реакции веществ, а также доступностью необходимых для приготовления раствора химических реактивов.

@@Ниже приведена информация о наиболее популярных растворах для травления.

Протравленная плата

@@1. Хлорное железо (FeCl3) - пожалуй, самый известный и популярный реактив. Сухое хлорное железо растворяется в воде до тех пор, пока не будет получен насыщенный раствор золотисто-желтого цвета (для этого потребуется порядка двух столовых ложек на стакан воды). Процесс травления в этом растворе может занять от 10 до 60 минут. Время зависит от концентрации раствора, температуры и перемешивания. Перемешивание значительно ускоряет протекание реакции. В этих целях удобно использовать компрессор для аквариумов, который обеспечивает перемешивание раствора пузырьками воздуха. Также реакция ускоряется при подогревании раствора.

@@По окончании травления плату необходимо промыть большим количеством воды, желательно с мылом (для нейтрализации остатков кислоты). К недостаткам данного раствора следует отнести образование в процессе реакции отходов, которые оседают на плате и препятствуют нормальному протеканию процесса травления, а также сравнительно низкую скорость реакции.

@@2. Персульфат аммония ((NH4)2S2O8) - светлое кристаллическое вещество, растворяется в воде исходя из соотношения 35 г вещества на 65 г воды. Процесс травления в этом растворе занимает порядка 10 минут и зависит от площади медного покрытия, подвергающегося травлению. Для обеспечения оптимальных условий протекания реакции раствор должен иметь температуру порядка 40 oC и постоянно перемешиваться. По окончании травления плату необходимо промыть в проточной воде. К недостаткам этого раствора относится необходимость поддержания требуемого температурного режима и перемешивания.

@@3. Раствор соляной кислоты (HCl) и перекиси водорода (H2O2). Для приготовления этого раствора необходимо к 770 мл воды добавить 200 мл 35 % соляной кислоты и 30 мл 30 % перекиси водорода. Готовый раствор должен храниться в темной бутылке, не закрытой герметически, так как при разложении перекиси водорода выделяется газ. Внимание: при использовании данного раствора необходимо соблюдать все меры предосторожности при работе с едкими химическими веществами. Все работы необходимо производить только на свежем воздухе или под вытяжкой. При попадании раствора на кожу ее необходимо немедленно промыть большим количеством воды. Время травления сильно зависит от перемешивания и температуры раствора и составляет порядка 5-10 минут для хорошо перемешиваемого свежего раствора при комнатной температуре. Не следует нагревать раствор выше 50 oC. После травления плату необходимо промыть проточной водой. Данный раствор после травления можно восстанавливать добавлением H2O2. Оценка требуемого количества перекиси водорода осуществляется визуально: погруженная в раствор медная плата должна перекрашиваться из красного в темно-коричневый цвет. Образование пузырей в растворе свидетельствует об избытке перекиси водорода, что ведет к замедлению реакции травления. Недостатком данного раствора является необходимость строгого соблюдения при работе с ним всех мер предосторожности.

@@4. Способ гальванического травления плат. Для этого потребуется источник постоянного тока напряжением 25-30 В и концентрированный раствор поваренной соли. При помощи зажима "крокодил" соедините положительный полюс источника с незакрашенными участками фольги платы, а к оголенному и свернутому в петлю концу провода, идущего от отрицательного полюса источника, прикрепите ватный тампон. Последний обильно пропитайте раствором соли и, слегка прижимая к фольге, перемещайте по поверхности платы, движение тампона должно напоминать вырисовывание цифры 8. Фольга при этом будет как бы "смываться". По мере загрязнения тампон меняйте.

Очистка заготовки, сверловка, нанесение флюса, лужение

@@После завершения травления и промывки платы необходимо очистить ее поверхность от защитного покрытия.

Очищенная плата

@@Сделать это можно каким-либо органическим растворителем, например, ацетоном.

@@Далее необходимо просверлить все отверстия. Делать это нужно остро заточенным сверлом при максимальных оборотах электродвигателя. В случае, если при нанесении защитного покрытия в центрах контактных площадок не было оставлено пустого места, необходимо предварительно наметить отверстия (сделать это можно, например, шилом или кернером).

@@Лучше всего сверлить на сверлильном станке или двигателе, закрепленном в штативе.

@@На двигатель желательно поставить цанговый патрон, и для удобства прикрепить кнопку включения. Патроны выпускаются с отверстиями для оси диаметром 2мм и 3мм. Если нет станка и штатива, то можно сверлить, держа двигатель руками. Для этого надо закрепить плату, и сверлить, обязательно контролируя перпендикуляр.

@@Следующим этапом является покрытие платы флюсом с последующим лужением. Можно использовать специальные флюсы промышленного изготовления (лучше всего смываемые водой или вообще не требующие смывания) либо просто покрыть плату слабым раствором канифоли в спирте. Лужение можно производить двумя способами: погружением в расплав припоя либо при помощи паяльника и металлической оплетки, пропитанной припоем. В первом случае необходимо изготовить железную ванночку и заполнить ее небольшим количеством сплава Розе или Вуда. Расплав должен быть полностью покрыт сверху слоем глицерина во избежание окисления припоя. Для нагревания ванночки можно использовать перевернутый утюг или электроплитку. Плата погружается в расплав, а затем вынимается с одновременным удалением излишков припоя ракелем из твердой резины.

Заключение

@@В данной статье я постарался осветить все наиболее удобные для применения в домашних условиях технологии изготовления печатных плат. Использование современных фоторезистов или технологии лазерного принтера и утюга позволяет получить достаточно хорошие результаты. Таким образом, у вас появляется возможность изготовления печатных плат с минимальной шириной проводника порядка 0,2-0,3 мм, что еще десять лет назад было практически недостижимым даже при серийном производстве.

Авторам опубликованных статей предоставляются скидки в нашем магазине