Технология изготовления печатных плат (утюжная технология)

Изготовление печатной платы (ПП) не очень сложный этап в процессе конструирования. Всё зависит от того, какими инструментами и принадлежностями вы располагаете. Здесь мы опишем свою методику изготовления и ее нюансы.

Изготовление ПП состоит из этапов: создание рисунка ПП; подготовка заготовки; перенос рисунка на заготовку; травление заготовки; очистка заготовки; сверловка; лужение ПП.

Создание рисунка печатной платы (или как развести печатную плату).

Предполагаю, что существует множество способов нарисовать рисунок ПП в соответствии со схемой устройства. В детстве я это делал с карандашом и стёркой в руках, а сейчас по-взрослому пользуюсь программой Sprint Layout (v 4.0), которой для моей практики с головой хватает. Эта программа переведена на русский язык, без библиотеки элементов и справки (на англ. яз.) занимает в архиве 413 кб. Этого джентльменского набора хватит чтобы сделать достойного качества рисунок ПП. Единственная шероховатость, это при первом обращении к библиотеке макросов (библиотеке элементов) Sprint Layout просит еще раз повторить команду; далее таких просьб не возникает.

Чтобы понять как делается рисунок в Sprint Layout - скачайте мой пример - файл рисунок печатной платы усилителя на TDA7294 в формате *.lay и откройте его из Sprint Layout.

Мы видим дорожки, соединяющие контуры элементов, перемычку под микросхемой предварительного усилителя, контактные пяточки (кружки), поясняющие знаки и надписи.

Основные задачи при рисовании: компактность монтажа, минимизация количества перемычек, параллельность и перпендикулярность дорожек относительно друг друга. Необходимо учитывать габариты элементов, взаимное расположение выводов элемента, габариты выводов (диаметр выводов), а также учитывать сильноточные проводники (т.е. более широкие дорожки). Хороший рисунок ПП - это как игра в тетрис, где каждый элемент на своем месте; рисунок ПП можно делать несколько дней, можно сделать несколько вариантов и, наконец, родить то самое и неповторимое. Роды в Sprint Layout проходят проще, в отличии от стёрки и карандаша.

Как рисовать в Sprint Layout объяснять не буду. В программе понажимайте все кнопки и все станет ясно. Нарисуйте свои элементы и занесите их в библиотеку. Заносите фрагменты своих плат в библиотеку. Я вам завидую, у вас столько новых открытий.

Подготовка заготовки.

Итак, рисунок ПП у нас готов, соответственно мы можем сказать какой размер у ПП. Распечатываем рисунок, вырезаем, накладываем на текстолит и по линейке обчерчиваем, не загоняясь по поводу размеров рисунка. Отрезаем по линиям заготовку фольгированного текстолита. Под подготовкой понимается сглаживание кромок по периметру и очистка поверхности фольги. Я зачищаю мелкой наждачкой (шкурим не сильно) до матовой поверхности. Руками не трогаем. Моем с мылом, споласкиваем. Держим за торцы. Обсыхаем.

Перенос рисунка на заготовку (или утюжная технология).

Суть заключается в переносе рисунка, напечатанного на лазерном принтере, с бумаги на заготовку. Вырезанный рисунок накладываем на заготовку изображением к фольге, равномерно проглаживаем с лёгким усилием на утюг, отслаиваем бумагу, рихтуем, травим. Для тех у кого нет принтера, в этом разделе приведу технологию с использованием маркера.

Рисунок ПП я рисую в проекции "вид со стороны элементов" (т.е. как вижу элементы, так и рисую), в этой же проекции и печатаю; при переносе на заготовку получится зеркало рисунка, что собственно нам и нужно.

Рисунок печатаю из Sprint Layout. Там же в Sprint Layout в настройках принтера (у меня лазерный Canon LBP-810) устанавливаю минимальную яркость печати (т.е. по идее должен очень темный рисунок получиться) и в дополнительных настройках устанавливаю высокую плотность тонера. Это необходимо сделать, т.к. нам нужен рисунок, который на просвет на бумаге будет иметь плотное изображение. Иначе мы получим с виду хороший рисунок, но на просвет дорожки будут белесыми. Это хорошо заметно на дорожках шириной более 1,5 мм, больших пяточках, контактных площадках и закрасках. Необходимо отметить, что дорожки толщиной 0,5-0,8 мм печатаются (и затем протравливаются) исключительно хорошо. Также специально проверял вскрытый оригинальный новый картридж от HP1100 (он подходит и для Canon LBP-810) - результат так себе; а вот заправленный картридж показал хорошее качество жирной печати. Сами понимаете, здесь надо пробовать и смотреть поведение тонера.

Бумага - вещь тонкая. Я использую плотную т.н. мелованную бумагу. Специально её не покупал; надыбал в качестве рекламной продукции одного мобильного оператора полосато-желто-чёрного цвета. Формат А4, с одной стороны чёрно-желтая полиграфия, с другой - белый лист. Вот на белом и печатаю. Бумагу лишний раз жирными пальцами не трогаем. Почему именно мелованная бумага, об этом я скажу чуть позже.

Печатаем рисунок в 2 экземплярах (мало ли что). Вырезали. Накладываем на заготовку рисунком к фольге. Обычный утюг без пара разогреваем до максимальной температуры. Часть рисунка придерживаем салфеткой так, чтобы он не съезжал с заготовки. Плавно приглаживаем, не допуская смещений рисунка. Не переусердствуйте, можно так надавить на утюг, что тонер размажется и некоторые дорожки сольются. Плохо обработанные кромки заготовки также не дадут хорошо пригладить тонер к заготовке.

Итак, рисунок пригладили; заготовка остывает. Остыла. Кладем на 5-10 мин в посуду с теплой (чуть горячей) водой. Мелованная бумага размягчается и если она хорошего качества, то она сама отстанет от тонера за счет тонкого слоя мела между тонером и бумагой (может быть это и не мел, а какое-то другое покрытие). Если бумага не отстает, аккуратно пытаемся отслоить руками путем скатывания бумаги пальцами в катышки под струей воды. Полученное изображение обильно промываем струей воды.

На первых порах могут быть дефекты печати; вы можете попробовать еще раз со вторым экземпляром рисунка. Отработайте технологию. Таким образом, результат зависит от бумаги, плотности рисунка и шероховато-матовой поверхности заготовки. У меня получается, как правило, с первого раза без дефектов.

У вас нет лазерного принтера. Дорожки можно нарисовать. Раньше это делал лаком для ногтей и тонкой кисточкой. Теперь рисую маркером. Для этого существуют специальные маркеры. Я же использую маркер для подписывания компакт дисков, т.н. перманентный маркер (у меня синего цвета за 8 руб.). Этим же маркером я подкрашиваю широкие дорожки после утюга (так, на всякий случай, если дорожки на просвет были белесые).

Если вы используете маркер, то изготовление ПП делайте в следующей последовательности. По окончании разводки готовый рисунок ПП в Sprint Layout делаете в зеркале (т.е. вид со стороны печати). Любым доступным способом рисунок переносите на бумагу (хоть карандашом на листок в клеточку). Вырезаете заготовку. Не обрабатываете ее. Наклеивайте рисунок, используя клей-карандаш. Керните тонким шильцем через рисунок на заготовке места будущих отверстий. Отдираем бумажку, смываем водой остатки клея. Сверлим, учитывая диаметр отверстий под все элементы; по возможности попробуйте, входят ли вывода реальных элементов в отверстия. Зачищаем мелкой наждачкой. Моем с мылом, ополаскиваем, сушим. Сначала маркером рисуем пяточки, затем рисуем дорожки (лучше использовать два маркера, один для пяточков, другой для дорожек). Соответственно, во время процесса жирными пальцами ничего не трогаем. Вот так всё по-простецки и делается. Толщина дорожек получается от 0,8 мм. Переходим к травлению.

Травление заготовки.

Используем хлорное железо (FeCl3 - вроде такая формула). Есть варианты, когда травят смесью медного купороса и поваренной соли, но я не пробовал; более того, я не знаю как отреагирует тонер и маркер на эту смесь.

Из достоверных источников раствор на купоросе нейтрален для тонера и маркера и его готовят следующим образом: 1 литр кипяченой теплой воды + 200 гр. купороса + добавляется поваренная соль до отсутствия растворения; затем процеживают (от остатков кристаллов поваренной соли). При нагреве до ~ +50°C медь стравливается в течении 15-20 мин.

Банку хлорного железа я в магазине покупал за 40 руб. Этой банки хватает на очень много заготовок. Будете покупать, откройте банку и посмотрите чтобы хлорное железо было в виде порошка; такое хлорное железо, на мой взгляд, наиболее качественное. Был случай когда покупал хлорное железо в виде густой кашицы влаги и порошка, карамель какая-то; мне это не понравилось.

Делаем раствор. На банке с хлорным железом пишут - просто добавь воды; так и делаем. В блюдце наливаем примерно четверть стакана воды и добавляем (потихоньку сыпем) чайную ложку с небольшой горкой хлорного железа. Внимание - происходит сильное тепловыделение и может произойти разбрызгивание. С "карамелью" такого не происходит. Разводим раствор. Пробуем пальцем температуру раствора, он не должен быть горячим.

Далее кладем заготовку в раствор. Наиболее удачным способом я считаю положить заготовку фольгой вниз на поверхность раствора, т.е. заготовка лежит и не тонет с поверхности раствора и травится. Потом она конечно утонет, видимо поменяется плотность раствора. Переворачиваем заготовку фольгой вверх, опускаем в раствор и периодически покачиваем блюдце, чтобы с поверхности заготовки смывалась растворенная медь.

Необходимо отметить, что остатки мела на тонере вступают в реакцию с раствором хлорного железа, образуются пузырьки, которые препятствуют травлению. В таком случае, через пару минут после начала травления я вынимаю плату и промываю струей воды, затем продолжаю травление.

В зависимости от концентрации и температуры раствора стравливание занимает от 10 мин до 1 часа. Последнее время я приспособился быстро травить на водяной бане. Керамическую чашку с раствором ставлю в миску с водой и на плиту. Довожу воду до кипения и выключаю плиту. Важно положить заготовку сначала в теплый раствор, в противном случае от резкого перепада температур может произойти отслоение тонера. Но всё же наиболее лучшим вариантом является долгое травление, т.к. горячее травление требует постоянного контроля и передержка в растворе может привести к дефектам печати.

Очистка заготовки.

Чем снять тонер с заготовки. Я перепробовал множество растворителей - ничего не помогает. Остается механическое снятие тонера. Я использую проволочную тёрку для чистки посуды (с лотков, где всё по 5 руб.). Отлично снимает тонер и зачищает без повреждений.

Сверловка.

Сверление - это дело индивидуальных предпочтений. Я использую микродвигатель типа ДПР, блок питания к нему и сменные цанговые патроны (т.н. микродрели).

Самое ходовое сверло диаметром 0,8 мм то ли с карбонатным покрытием, то ли из карбонатной стали, точно не знаю, короче короткое совдеповское сверло. Сначала сверлим им все пятачки. Центры отверстий у нас четко видны на протравленной ПП (в Sprint Layout внутренний диаметр всех пяточков на рисунке ПП я делаю 0,5 мм). Затем рассверливаем большие отверстия.

Как правило, дополнительного зашкуривания после сверления не требуется; если требуется - зашкурьте. Не перестарайтесь, а то истончите фольгу и сотрёте пяточки.

Лужение.

После сверловки ПП моем ее с мылом, используйте чистящий абразив (например, соду или пемолюкс), промываем, сушим. Традиционной рекомендацией считается затем покрыть плату раствором канифоли на спирту (я делал раствор на ацетоне). Сейчас рекомендую использовать т.н. "жир паяльный активный на вазелине"; как бы это дико не звучало, но штука эта очень классная - светло-коричневая прозрачно-вазелиновая масса (10 руб.).

Наносим этот "жир" пальцем очень тонким слоем, растираем по поверхности и приступаем к лужению. Нужно стремится нанести паяльником очень тонкий слой припоя и так, чтобы отверстия не были запаяны. Если запаяли отверстия - не беда; иголку в руки, нагреваем место отверстия и прокалываем его.

Не перегревайте дорожки ПП, они могут отслоится. Пайка с жиром (в отличии от канифоли) получается быстрой, чистой, ровной и тонкой. После лужения протрите ПП любым подходящим растворителем.

В итоге вот что должно получится:

В заключении отмечу, что при всей кажущейся сложности изготовления ПП большая часть времени тратится на создание рисунка. Ну а чтобы сделать такую как на рисунке плату, уйдет не больше двух часов. В этом и заключается творческое удовлетворение - долго запрягать, но быстро ехать.

Если будут какие-то вопросы - пишите

10 сентября 2006 г.