Get Adobe Flash player
    Принимаются SMS-пожертвования на развитие ресурса     Копирование материалов     разрешено с обязательной ссылкой     на этот сайт     Принимаются SMS-пожертвования на развитие ресурса    

Технология изготовления печатных плат дома. Чаcть 1

Технология изготовления печатных плат дома. Чаcть 1

Прогресс не стоит на месте.  Появление на рынке общедоступной химии для фотолитографии открывает перед нами совсем иные перспективы производства печатных плат без металлизации отверстий в домашних условиях.

***


Основные варианты получения рисунка на фольгированном материале для последующего травления:

  • Фотоспособ (фоторезисты -пленка или лак)
  • Лазерно-утюжная технология (ЛУТ)
  • Печать (переделанным) струйным принтером пигментными чернилами сразу на текстолит
  • Краска или перманентный спиртовый маркер (старый и самый первый способ — рисуется от руки или при помощи линеек рейсфедером)

Необходимо отметить, что изготовление печатных плат (далее ПП) в домашних условиях преимущественно целесообразно для односторонних ПП содержащих, в основном, SMD-элементы. Изготовление двусторонних плат, а тем более многослойных, требует множества ухищрений, знаний и навыков от радиолюбителя, и самое главное дорогое дополнительное оборудование и материалы.

***

Подготовка листового фольгированного материала — обычно текстолит

Для производства ПП используются листовые материалы с нанесенной медной фольгой. Самые распространенные варианты — с толщиной меди 18 и 35 мкм. Чаще всего для производства ПП в домашних условиях используются листовые текстолит (прессованная с клеем ткань в несколько слоев), стеклотекстолит (то же самое, но в качестве клея используются эпоксидные компаунды) и гетинакс (прессованная бумага с клеем). Реже — ситтал и поликор (высокочастотная керамика — в домашних условиях применяется крайне редко), фторопласт (органический пластик). Последний также применяется для изготовления высокочастотных устройств и, имея очень хорошие электротехнические характеристики, может использоваться везде и всюду, но его применение ограничивает высокая цена.

Итак первое что понадобиться это приобрести фольгированный текстолит и подготовить его. Вырезается фрагмент необходимых размеров, который необходимо механически очистить от окислов или грязи («наждачкой») и отмыть. В промышленности обычно ипользуется «пескоструйка».

Прежде всего, необходимо убедиться в том, что заготовка не имеет глубоких царапин, задиров и тронутых коррозией участков. Далее желательно до зеркала отполировать медь. Полируем не особо усердствуя, иначе сотрем и без того тонкий слой меди (35 мкм) или, во всяком случае, добьемся разной толщины меди на поверхности заготовки. А это, в свою очередь, приведет к разной скорости вытравливания: быстрее стравится там, где тоньше. Да и более тонкий проводник на плате — не всегда хорошо. Особенно, если он длинный и по нему будет течь приличный ток. Если медь на заготовке качественная, без грехов, то достаточно обезжирить поверхность.

Лучше всего испльзовать средства современной бытовой химии. Надеваем гигиенические перчатки (тонкие такие, чтобы движениям не мешали). Драим Кометом с тряпочкой — снимает все окислы. Хорошо промываем горячей водой (холодной вообще лучше не пользоваться, в ней хлор, он нам не друг). Драим Пемолюксом, без тряпочки, просто пальцами, смываем. С этого момента руками поверхность не трогаем. На жир фоторезист не ложится. Плата настолько обезжирена после Пемолюкса, что скрепит. Вода с платы не скатывается, пристает к поверхности. На вид должна быть блестящая, светлая.

Сушим феном на самой маленькой температуре, сгоняя воду.

Из радиолюбительской практики:

Одна из самых сложных задач в “фоторезистивной” технологии – равномерно нанести лак-фоторезист на плату. Это легко организовать с помощью ПАВов (поверхностно-активных веществ). Ищем моющее средство после которого вода будет а держаться на меди равномерной пленкой, а не скатываться как с обезжиренной меди. Когда мы брызнем фоторезистом, он будет распределяться равномерной пленкой, как бензин на воде. Для себя такое моющее средство я нашел и это, cif.

Плата готова

 


 

В данной статье рассмотрим способ получения рисунка на фольге с помощью аэрозольного позитивного лака-фоторезиста POSITIV 20.

Можно использовать жидкий или пленочный фоторезист. Пленочный в данной статье рассматривать не будем.  Коротко рассмотрим химию, используемую сегодня для производства ПП.

***

Фоторезист

POSITIV 20 — позитивная светочувствительная эмульсия Назначение:
POSITIV 20 — фоточувствительный лак-аэрозоль. Используется при мелкосерийном изготовлении печатных плат, гравюр на меди, при проведении работ, связанных с переносом изображений на различные материалы.
Свойства:
Высокие экспозиционные характеристики обеспечивают хорошую контрастность переносимых изображений.
Применение:
Применяется в областях, связанных с переносом изображений на стекло, пластики, металлы и пр. при мелкосерийном производстве. Способ применения указан на баллоне.
Характеристики:
Цвет: синий
Плотность: при 20°C 0,87 г/см3
Время высыхания: при 70°C 15 мин.
Расход: 15 л/м2
Максимальная фоточувствительность: 310-440 нм

В инструкции к фоторезисту написано, что хранить его можно при комнатной температуре и он не подвержен старению.  Хранить его нужно в прохладном месте, например, на нижней полке холодильника, где обычно поддерживается температура +2…+6°C. Но ни в коем случае не допускайте отрицательных температур! Если использовать фоторезисты, продаваемые «на розлив» и не имеющие светонепроницаемой упаковки, требуется позаботиться о защите от света. Хранить нужно в полной темноте и температуре +2…+6°C.

Примечание:

Современная стоимость 200мл балончика этого лака весьма высокая, что конечно же сказывается на его популярности повседневного применения в радиолюбительской практике.

жидкий лак фоторезист позитивный  CRAMOLIN

 

Жидкий CRAMOLIN POSITIV — относительно дешево и хватит надолго. Наносится методом полива или краскораспылителем.

***

Просветитель

TRANSPARENT 21 — просвечивающий препарат в аэрозоле Назначение:
Позволяет непосредственно переносить изображения на поверхности, покрытые светочувствительной эмульсией POSITIV 20 или другим фоторезистом.
Свойства:
Придает прозрачность бумаге. Обеспечивает пропускание ультрафиолетовых лучей.
Применение:
Для быстрого переноса контуров рисунков и схем на подложку. Позволяет значительно упростить процесс репродуцирования и сократить временные затраты.
Характеристики:
Цвет: прозрачный
Плотность: при 20°C 0,79 г/см3
Время высыхания: при 20°C 30 мин.
Примечание:
Вместо этого просветлителя можно использовать прозрачное масло или уайт-спирит и т.п.

***

Зачернитель

Спрей KRUSE Density Toner применяется для увеличения оптической плотности тонера лазерных принтеров, при печати на матовых и прозрачных пленках. Оптическая плотность увеличивается при этом приблизительно на единицу, что соответствует снижению прозрачности в десять раз. Это позволяет использовать монохромный принтер в качестве недорогого фотонаборного автомата. Состав наносится на поверхность пленки после печати с помощью пульверизатора и высыхает менее чем за минуту.

Спрей поставляется в аэрозольной упаковке емкостью 400 мл. Этого хватает на обработку приблизительно ста (100) листов формата А4.

 

 

Примечание:

Альтернативное решение — подержать фотошаблон в парах ацетона или дихлорэтана (ватка не должна касаться тонера, выдержка по времени — чтобы не потек тонер, а разбух ). В качестве зачернителя также можно использовать уайт-спирит. Смазать фотошаблон мягкой кисточкой (если распечатан лазерником). Делать это нужно быстро, без повторных прохождений по шаблону. Сушим шаблон в теплом месте около часа и получаем контрастный рисунок.

***


Изготовление качественного фотошаблона

Это самый важный и ответсвенный этап при фотохимическом способе изготовления ПП. Наличие струйного или лазерного принтера позволяет получить высококачественные фотошаблоны — почти заводского качества.

Получаем чертеж будущего фотошаблона из той программы (рассматривать программы не будем: каждый волен выбирать сам — от PCAD до Paintbrush), в которой рисовался фотошаблон. Чем выше разрешение при печати, и чем качественнее пленка/бумага, тем выше будет качество фотошаблона. Рекомендуется не ниже 600 dpi. Если у вас бумага, то она не должна быть сильно плотной. При печати учитываем, что той стороной листа, на которую наносится краска, шаблон будет класться на заготовку ПП. Если сделать иначе, края у проводников ПП будут размытыми, нечеткими. Даем просохнуть краске, если это был струйный принтер.

 

Печатаем лазерным принтером на пленке фомата А4 (для струйного принтера свой тип пленки). Учитывая, что мы используем в рамках данной статьи позитивный фоторезист, — там, где на ПП должна остаться медь, принтер должен рисовать черным. Где не должно быть меди — принтер ничего не должен рисовать. Очень важный момент при печати фотошаблона: требуется установить максимальный полив красителя (в настройках драйвера принтера). Чем более черными будут закрашенные участки, тем больше шансов получить великолепный результат.

Если будете использовать лазерную печать, обязательно сделайте «сухой» прогон листа пленки перед печатью — просто прогоните лист через принтер, имитируя печать, но ничего не печатая. Зачем это нужно? При печати фьюзер (печка) прогреет лист, что неизбежно приведет к его деформации. Как следствие — ошибка в геометрии ПП на выходе. При изготовлении двусторонних ПП это чревато несовпадением слоев со всеми вытекающими… А с помощью «сухого» прогона мы прогреем лист, он деформируется и будет готов к печати шаблона. При печати лист во второй раз пройдет сквозь печку, но деформация при этом будет куда менее значительной.

После печати необходимо «довести до ума» наш фотошаблон на пленке зачернителем  Density Toner,  так как толстые дорожки и полигоны могут иметь полупрозрачные места в тонере после печати.

Бумажный же фотошаблон после печати рекомендуются подержать в духовке чтобы немного оплавился тонер, а лишь потом использовать осветлитель — пропитываем бумагу TRANSPARENT 21, даем просохнуть.

Из радиолюбительской практики:

В качестве носителя фотошаблона я использую кальку. Во-первых, она совершенно прозрачна для ультрафиолета, во-вторых, она прозрачна для видимого света, из-за чего очень удобно совмещать слои в двусторонних платах. Калька – штука очень тонкая. И поэтому принтер любит ее зажевывать. Чтобы этого не происходило, я использую обычную бумагу как подложку для кальки. Загибаем краешек обычной офисной бумаги А4 и мажем в месте сгиба клеящим карандашом, в этот сгиб вставляем кальку.

***


Нанесение фоторезиста на поверхность заготовки

Располагаем плату на горизонтальной или слегка наклоненной поверхности и наносим состав из аэрозольной упаковки с расстояния примерно 20 см. Помним, что важнейший враг при этом — пыль. Каждая частица пыли на поверхности заготовки — источник проблем. Чтобы создать однородное покрытие, распыляем аэрозоль непрерывными зигзагообразными движениями, начиная из верхнего левого угла. Не применяйте аэрозоль в избыточных количествах, так как это вызывает нежелательные подтеки и приводит к образованию неоднородного по толщине покрытия, требующего более длительного времени экспозиции. Летом при высокой температуре окружающей среды может потребоваться повторная обработка, либо необходимо распылять аэрозоль с меньшего расстояния — для уменьшения потерь от испарения. При распылении не наклоняйте баллон сильно — это приводит к повышенному расходу газа-пропеллента и как следствие — аэрозольный баллон прекращает работу, хотя в нем остается еще фоторезист. Если вы получаете неудовлетворительные результаты при аэрозольном нанесении фоторезиста, используйте центрифужное покрытие. В этом случае фоторезист наносится на плату, закрепленную на вращающемся столе с приводом 300-1000 оборотов в минуту. После окончания нанесения покрытия плата не должна подвергаться воздействию сильного света. По цвету покрытия можно приблизительно определить толщину нанесенного слоя:

  • светло-серый синий — 1-3 микрона;
  • темно-серый синий — 3-6 микрон;
  • синий — 6-8 микрон;
  • темно-синий — более 8 микрон.

На меди цвет покрытия может иметь зеленоватый оттенок.

1 микрон = 0,001 мм.

Чем тоньше покрытие на заготовке, тем лучше результат.

Из радиолюбительской практики:

Я всегда наношу фоторезист на центрифуге. В моей центрифуге скорость вращения 500-600 об/мин. Крепление должно быть простым, зажим производится только по торцам заготовки. Закрепляем заготовку, запускаем центрифугу, брызгаем на центр заготовки и наблюдаем, как фоторезист тончайшим слоем растекается по поверхности. Центробежными силами излишки фоторезиста будут сброшены с будущей ПП, поэтому очень рекомендую предусмотреть защитную стенку, чтобы не превратить рабочее место в свинарник. Я использую обыкновенную кастрюлю, в днище которой по центру сделано отверстие. Через это отверстие проходит ось электродвигателя, на которой установлена площадка крепления в виде креста из двух алюминиевых реек, по которым «бегают» уши зажима заготовок. Уши сделаны из алюминиевых уголков, зажимаемых на рейке гайкой типа «барашек». Почему алюминий? Маленькая удельная масса и, как следствие, меньше биения при отклонении центра массы вращения от центра вращения оси центрифуги. Чем точнее отцентрировать заготовку, тем меньше будут биения за счет эксцентриситета массы и тем меньше усилий потребуется для жесткого крепления центрифуги к основанию.

Радиолюбительский вариант центрифуги из вентилятора от компьютера — очень практично

1. Вентилятор на 220в с обкусаными лопастями, чтоб не засасывало брызги;
2. У корпуса вентилятора где-то на 8 мм обрезан по кругу бортик;
3. Привинчен кусок жести 135х135 мм;
4. По диагонали припаяны пружинки для растяжки и центровки платы, также плата приподнята на 5-8 мм за счёт толщины пружинок, т.е. удобно для нанесения на обе стороны. В плате 4 технологических отверстия для пружинок (единственное неудобство);

Фоторезист нанесен. Даем ему просохнуть в течение 15-20 минут, переворачиваем заготовку, наносим слой на вторую сторону. Даем еще 15-20 минут на сушку.

Не забываем о том, что попадание прямого солнечного света и пальцев на рабочие стороны заготовки недопустимы!

Дубление фоторезиста на поверхности заготовки

Помещаем заготовку в духовку, плавно доводим температуру до 60-70°C. При этой температуре выдерживаем 20-40 минут. Важно, чтобы поверхностей заготовки ничто не касалось — допустимы только касания торцов.

Печь с досточно точным регулятором температуры (+/-1С)

Примечание:

Для повышения защитных свойств жидкого фоторезиста после экспонирования и проявления проводят его термическое дубление. Для этой цели используют шкафы с электрокалорифером. При температуре нагрева камеры до 150 0 С цикл дубления длится 4-4,5 ч. Более эффективным является применение установок дубления фоторезиста в расплаве солей.

 

***


Фотоэкспонирование (УФ-засветка)

Время, требуемое для экспонирования, зависит от толщины слоя фоторезиста и интенсивности источника света. Лак-фоторезист POSITIV 20 чувствителен к ультрафиолетовым лучам, максимум чувствительности приходится на участок с длиной волны 360-410 нм.

Прижимаем фотошаблон напечатанной стороной к фоторезисту

 

Лучше всего экспонировать под лампами, диапазон излучения которых находится в ультрафиолетовой области спектра, но если такой лампы у вас нет — можно использовать и обычные мощные лампы накаливания, увеличив время экспозиции. Не начинайте засветку до момента стабилизации освещения от источника — необходимо, чтобы лампа прогрелась в течение 2-3 минут. Время экспозиции зависит от толщины покрытия и обычно составляет 60-120 секунд при расположении источника света на расстоянии 25-30 см. Используемые пластины стекла могут поглощать до 65% ультрафиолета, поэтому в таких случаях необходимо увеличивать время экспозиции. Лучшие результаты достигаются при использовании прозрачных плексигласовых пластин. При применении фоторезиста с длительным сроком хранения время экспонирования может потребоваться увеличить вдвое — помните: фоторезисты подвержены старению!

Примеры использования различных источников света:

Источник света Время Расстояние Примечание
ртутная лампа Philips HPR125 3 мин. 30 см покрытие из кварцевого стекла толщиной 5 мм
ртутная лампа 1000W 1,5 мин. 50 см покрытие из кварцевого стекла толщиной 5 мм
ртутная лампа 500W 2,5 мин. 50 см покрытие из кварцевого стекла толщиной 5 мм
кварцевая лампа 300W 3-4 мин. 30 см покрытие из кварцевого стекла толщиной 5 мм
солнечный свет 5-10 мин. лето, в полдень, безоблачно покрытие из кварцевого стекла толщиной 5 мм
лампы Osram-Vitalux 300W 4-8 мин. 40 см покрытие из кварцевого стекла толщиной 8 мм


Лампы УФ-излучения

Каждую сторону экспонируем по очереди, после экспозиции даем выстояться заготовке 20-30 минут в затемненном месте. Это позволяет завершиться фотохимическим реакциям в слое фоторезиста после УФ-облучения.  Затем снова помещаем (соблюдайте темноту!) в печь для дубления. Термообработка после экспонирования сильно разносит границы стойкости засвеченного и незасвеченного лака к химическим реактивам проявителя. Разница в реакции между засвеченым и незасвечеными зонами станет 10 -15 минут!!! Дубление лака — обязательный процесс. Заключается в прогреве платы до +120С, в течении 10 -15 минут.

УФ светоустановки радиолюбителей

 

 

Подбор УФ-ламп

Подбор времени экспозиции осуществляется вручную 1, 2, 3..5..10…30мин, на маленьких кусочках ПП.

***


Проявитель фоторезиста

Существует много различных растворов для проявления фоторезиста.

Из инструкции POSITIV20

Проявка
Проявка уже экспонированных плат может производиться при рассеянном дневном свете. Приготовление проявителя: добавьте 8 грамм каустической соды (NaOH) к одному литру холодной воды. Для правильно экспонированных поверхностей на слоях фоторезиста 4-6 микрон время проявки в свежем растворе составляет, обычно 30-60 сек и не превышает 2-х минут. Температура раствора должна быть в пределах 20-25°С. Если экспонирование было избыточным, либо чернила, которыми был выполнен рисунок, не были непрозрачными, — изображение токопроводящих дорожек появится на некоторое время, но будет, в конечном счете, удалено проявителем.

 

Из радиолюбительской практики:

Советуют проявлять с помощью раствора «жидкое стекло» ( обычный канцелярский клей ). Его химический состав: Na2SiO3*5H2O. Это вещество обладает огромным числом достоинств. Наиболее важным является то, что в нем очень трудно передержать ПП — вы можете оставить ПП на не фиксированное точно время. Раствор почти не изменяет своих свойств при перепадах температуры (нет риска распада при увеличении температуры), также имеет очень большой срок хранения — его концентрация остается постоянной не менее пары лет. Отсутствие проблемы передержки в растворе позволит увеличить его концентрацию для уменьшения времени проявления ПП. Рекомендуют смешивать 1 часть концентрата с 180 частями воды (чуть более 1,7 г силиката в 200 мл воды), но возможно сделать более концентрированную смесь, чтобы изображение проявлялось примерно за 5 секунд без риска разрушения поверхности при передержке. При невозможности приобретения силиката натрия используйте углекислый натрий (Na2СO3) или углекислый калий (K2СO3).

 

Купить клей «натриевое жидкое стекло» можно в магазинах стройматериалов

Проявка силикатным  клеем актуальна для пленочных ФР.


Также рекомендуют бытовое средство для прочистки сантехники — «Крот».

Проявитель готовится очень просто. Берем 400мл воды и 30мл “крота”. Для удобства я даже сделал такую вот мерную бутылочку. Воду наливаю по метке, 400мл, а потом добавляю 6 штук 5мл шприцов “крота”.

Проявка «КРОТОМ» актуальна для жидких ФР.

 

Поцесс проявки фоторезистивного слоя

 

 

Резултаты проявки — слева неверная засветка


Примечание:

В процессе проявки фоторезиста, следует периодически, кисточкой, смазаывать поверхность медной фольги слабым раствором хлорного железа, чтобы было видно качество проявки. При правлиьной экспозиции — проявка не более 2минут.


***


Повторное дубление фоторезиста

Помещаем заготовку в духовку, плавно поднимаем температуру и при температуре 60-100°C выдерживаем 60-120 минут — рисунок становится прочным и твердым.

Травление

Травление (растворение) медных и латунных поверхностей рекомендуется производить в растворе треххлорного железа (400 гр. / литр). Требуемое на процедуру время составляет от 30 до 60 минут. Облегчить процесс травления меди поможет подогрев раствора до 40°С и его помешивание (потряхивание ванночки). После окончания травления необходимо тщательнейшим образом промыть изделия под струей проточной воды!

 

Радиолюбительская технология травления


Лучший способ травления ПП в вертикальных кюветах с микропузырьковым компрессором воздуха. Еще лучше использовать эжекторный насос. Обычно радиолюбители вырезают и склеивают кювету из оргстекла, пластика или оконного стекла.

Оконное стекло склеивается силиконовым клеем для бассейнов — продается в строительных магазинах. Можно просто купить в аквариумном магазине емкость 10-12л и там же воздушный компрессор.

 


 

Вытравленная плата

 

 

Удаление оставшегося лака:

После травления платы необходимо удалить остатки светочувствительного лака с поверхности. Сделать это можно с помощью ацетона при комнатной температуре. Еще лучше удалять остаток ФР, после травления, неразведенным средством «Крот» .

Производитель рекомендует после удаления остатков лака покрыть плату слоем флюса Flux SK10, если после обработки плата не сразу поступает в производство. Флюс Flux SK10 защищает проводники печатной платы от окисления и в то же время служит высокоэффективным флюсом для последующей пайки.

 

Вместо FLUX SK10 можно использовать спиртовый  раствор канифоли

 

После окончания производственного процесса рекомендуется покрыть печатную плату изделия слоем лака PLASTIK 70 для защиты от пыли и влажности окружающей среды.

 

***



Продолжение следует….

 

По материалам:

IXBT

Форум РадиоКот

BSVi’s homepage

ЧП Ворон