Как сделать печатную плату с помощью лазерного принтера и утюга?

Наиболее развёрнутое описание изготовления печатных плат данным методом приведено в [1]. Автор предлагает создавать групповые изображения слоёв платы с зазором, равны м толщине платы. Однако, нормальные САПР печатных плат не позволяют создавать групповые изображения слоёв платы, тем более с выборочным их зазеркаливанием. Перевод же рисунков слоёв в другие форматы не всегда возможен, но всегда приводит к потере качества рисунка и точности размеров. Далее, автор [1] предлагает перегибать лист с изображениями слоёв, вставлять в согнутый лист плату и приглаживать утюгом обе стороны платы. Метод более чем сомнительный, так как колер лазерного принтера прилипает к фольге не при нагреве колера, а при его охлаждении после нагрева. А не закреплённый со всех четырех сторон лист бумаги с рисунками слоёв склонен дрейфовать по плавящемуся колеру в направлении прилагаемой утюгом силы. Таким способом можно изготовить только очень маленькие платы. При размерах стороны платы более 5 см. при приглаживании одного слоя, другой будет отслаиваться. Надёжное, правильное приглаживание даже одного слоя платы требует определённой сноровки, физической силы и наработанного опыта. Далее, автор [1] предлагает по периметру платы делать рамку из колера. Этого делать не следует, так как при размокании набухающая бумага коробится и при закреплённом периметре булет стремиться оторвать дорожки в средней части платы. К тому же будет невозможно захватить в воде край бумаги пинцетом для отслаивания бумаги от платы. Опять же для маленьких плат это не существенно, но влюбом случае затруднит процесс отслаивания бумаги от платы. Ориентироваться же только на маленькие платы невозможно, так как совершенная конструкция- это одноплатная конструкция. Что касается печати изображений слоёв сразу в нескольких экземплярах, то это тоже неправильно, так как с каждым новым листом принтер становится всё горячее, и каждый последующий лист “усыхает” всё сильнее, что приводит к изменению размеров рисунков платы и их большому различию на разных листах.

Я использую метод термопереноса уже более 5 лет и методом проб и ошибок наработал некоторый опыт, которым и хочу поделиться.

Итак, в каком- либо редакторе или САПР, вы получили окончательный вид печатной платы с растрассированными слоями:

Трассировка слоёв условно показана в виде рещётки. По углам платы имеются отверстия для её крепления. Если плата крепится иначе, например вставляется в разъём, то эти отверстия все равно требуется создать с самого начала, до трассировки платы. И они реально будут на плате, но уже не как крепёжные, а как технологические. Это издержки метода, с которыми придётся мириться. Для использования данного метода, в САПР в которой вы разрабатываете платы, требуется создать библиотечный компонент, состоящий из одного вывода. Скажем для PCAD пусть это будет компонент pin.prt:

Сторона квадрата 2.54 мм. ( 100mil ). Все линии нулевой толщины ( в один пиксель ). В центре вывод ( pin ), введенный командой Enter Pin. Квадрат и диагональное перекрестие позволяют более точно установить острие кернера при кернении рисунка с этим компонентом, а размер 100 mil позволяет использовать этот компонент и для других целей, например для организации выводов внешних соединений платы с шагом 2.54 мм. или другим образом. Первая операция- устанавливаем компонент pin.prt в центр каждого крепёжного (технологического) отверстия, после чего сами окружности отверстий удаляем:

Следует учитывать, что установленные одновыводные компоненты должны быть обуты контактными площадками, иначе на рисунках слоёв платы они просто исчезнут. Если редактор САПР сам не обувает новые компоненты, то их нужно обуть вручную. Если по какой- либо причине это трудно сделать после трассировки платы, то данные компоненты следует установить до трассировки, либо обувки платы контактными площадками. Если плата создана в непрофильной САПР или графическом редакторе, то в центрах технологических отверстий необходимо нарисовать круги дмаметром 80 mil в тех же слоях, в которых созданы рисунки печатных проводников печатной платы. Эти pinы далее будем называть реперными точками ( РТ ). РТ нужны для точного совмещения слоёв печати на разных сторонах платы.
Следующая операция- печатаем этот рисунок либо с дорожками, либо без, но контур платы и РТ должны быть. Печатаем на такой же бумаге, на какой будем печатать и слои печатной платы! Хорошие результаты получаются только на лакированной бумаге от иллюстрированных журналов. Хорошо подходят журналы “Audio & Video”, “Вестник связи”, качественные лакированные страницы от рекламных журналов известных фирм. При этом следует выбирать наименее нагруженные фотографиями страницы, то есть максимально чистые. Например только с нежирным текстом или таблицами. Фотографии содержат толстый слой краски, который припекается утюгом к плате и его потом приходится счищать. Суть применения лакированной бумаги состоит втом, что слой лака не дает колеру при нагреве впитываться в бумагу, а при намокании в воде слой лака быстро раскисает, отрывается от бумаги и остаётся на колере. Никакая обычная бумага не подходит, в том числе и мелованная. Печатаем следующим образом: подготавливаем на экране монитора всё для печати, вставляем один лист в лоток принтера, изгиб листа при печати отключаем, то есть переключаем шторку выхода листа на наружу и лист будем принимать в руки. Это нужно для минимизации растрескивания колера при выходе из принтера. Включаем питание принтера, печатаем лист и принтер сразу выключаем. То есть все листы печатаем в холодном принтере в одинаковых условиях, чтобы усадка бумаги на всех листах была одинаковой. Все режимы экономии отключаем, чтобы слой колера был максимально толстым.

Следующая операция- по напечатанному рисунку платы делаем заготовку печатной платы из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Далее вырезаем ножницами рисунок из листа по контуру платы, накладываем его на плату, тщательно выравниваем и с двух сторон приклеиваем к плате кусочками тонкого ленточного “Скотча”. Затем тщательно и точно керним центры РТ. В качестве кернера удобно использовать конусные клапаны от системы впрыска топлива дизельных двигателей. Эти клапаны имеют идеальный конус с очень четким остриём из очень прочной стали. Если таким кернером не кернить ничего кроме плат, то он будет практически вечным.

Далее сверлим по кернению 4 отверстия диаметром 1 мм. После этого отверстия рассверливаем сверлом диаметром 2.5 мм. Далее зачищаем одну сторону платы мелкой наждачной шкуркой. Окончательную зачистку делаем круговыми движениями, чтобы на плате не было приоритетного направления рисок от наждачной шкурки. Слишком глянцевой поверхность делать не нужно. Затем протираем плату ХБ- тканью, попитанной ацетоном и далее не касаемся поверхности руками. Применять дихлорэтан нельзя, так как это яд. Даже промоченные в дихлорэтане пальцы могут привести к летальному исходу. С дихлорэтаном можно работать только без контакта его с телом. Следует внимательно просмотреть плату, чтобы на ней не осталось ворса от протирочной ткани.

Следующая операция- печатаем на такой же бумаге и так же, как в прошлый раз первый слой печатных проводников. Если это сторона деталей, то печатаем зеркальное изображение, если сторона пайки- прямое изображение. Затем отпечатанный лист ложим на ровный стол рисунком вверх и на него накладываем заготовку платы зачищенным слоем вниз, на рисунок. Тщательно совмещаем центры отверстий платы с центрами РТ. Далее, если контура платы на рисунке слоя нет, то обчерчиваем плату карандашом по контуру. Затем плату убираем и к контуру платы на глаз карандашом пририсовываем со всех сторон платы крепёжные лепестки, как показано здесь:

Затем ножницами вырезаем из листа полученную фигуру:

Области 1- 4 нужны для закрепления листа на заготовке платы. Затем на фигуру накладываем плату, как на предыдущем рисунке. Тщательно совмещаем центры РТ с центрами отвертий платы. Затем заготавливаем 4 отрезка тонкого ленточного “Скотча” и прикрепляем эти отрезки к торцу стола, за которым работаем, чтобы оно висели наготове. Далее придавливаем плату пальцами к листу и заворачиваем область 1. Снимаем одну ленту “Скотча” с торца стола и крепим область 1 к верхней стороне платы. Загибаем область 3 и крепим её, всё время контролируя совпадение отверстий платы с РТ. Аналогично крепим области 2 и 4. В результате получаем пакет из заготовки платы, обёрнутой листом бумаги с рисунком первого слоя печати, как показано здесь:

На рисунке ленточки “Скотча” показаны сплошными областями. Размер “A” не следует делать более 1 см., так как в этом случае при приглаживании велика вероятность отрыва утюгом уголка бумаги с рисунком, или сильное его вытягивание. Если же размер “A” очень мал, то возрастает вероятность неприглаживания участков платы из- за коробления бумаги. В этом случае бумага ведет себя, как крышка консервной банки, замкнутая со всех сторон. Размер “A” в 1 см. является оптимальным.

Следующая операция- приглаживание рисунка утюгом. Утюг должен иметь абсолютно ровную и гладкую подошву. Есть утюги с шершавой подошвой, они будут рвать бумагу. Есть утюги с вогнутой средней частью подошвы, они не будут хорошо приглаживать рисунок к плате. Лучше всего подходят старые советские утюги без терморегулятора, с толстой и очень ровной подошвой, тяжёлые по весу. Температура утюга должна быть, как для глажения хлопчатобумажной ткани. Итак, ложим плату на идеально ровный стол без выпуклости и прогиба, в противном случае следует положить на стол какой- то ровный не металлический лист, например ДВП или панель от разобранной мебели. Сверху плату закрываем читым листом принтерной бумаги и проглаживаем ровно утюгом всю поверхность платы через этот лист. Этот этап нужен для того, чтобы высушить бумагу с рисунком печати и прилепить ее к плате по всей поверхности. Если сразу начать приглаживать бумагу с рисунком к плате, то утюг будет прорывать сырую бумагу до колера, что недопустимо. Далее убираем принтерную бумагу и приглаживаем непосредственно бумагу с рисунком к плате. Приглаживать нужно так, чтобы весь рисунок проступал, был виден снаружи. Те участки, которые не проступают, требуют дополнительного приглаживания. В итоге этой операции мы должны получить идеально ровную поверхность без малейших вздутий с полностью видимым рисунком печати, после чего отключаем утюг и даём плате остыть. Пока плата остывает, готовим кювету с тёплой водой, для чего удобно использовать большие кюветы для фотографии. Далее нужно отделить лист с рисунком печати от завёрнутых областей 1- 4 . Для этого мелким напильником пропиливаем бумагу по контуру платы, тем самым отделяя области 1- 4 от верхней части листа и не допуская изгиба бумаги. Следующая операция- отслоение бумаги от заготовки платы. Плату погружаем в кювету с водой.Ждем 2- 3 минуты, пока бумага набухнет. Затем, придавливая плату ко дну кюветы пальцами, пинцетом и пальцами отрываем бумагу от платы, при этом максимально заворачивая бумагу, чтобы угол отрыва был как можно меньше, то есть отрываемый участок бумаги движется параллельно поверхности платы. При этом контролируем, чтобы на отрываемых участках не было колера. Единственный колер, который должен остаться на бумаге- РТ. Те участки, которые нельзя захватить пинцетом, скатываем пальцами. Те места, где к плате прилепился лак и краска с журнальной страницы, процарапываем ножом или шилом и в воде стираем пальцами. Если где- то получились огрехи в печати- слились контактные площадки, контактная площадка с дорожкой и т. д. , то это ничего не трогаем. Ретушь огрехов будем делать ножом по меди после травления платы. Делать ретушь по колеру недопустимо, так как колер очень хрупкий. Если часть рисунка всё же ушла с платы вместе с бумагой, то придется или напечатать новый лист с этим рисунком печати и всю работу повторить, или дорисовать недостающее обычными ручными методами, что труднее, так как нет отверстий под контактные площадки, но их можно пометить шилом через рисунок платы на бумаге.

Следующая операция- закрепление рисунка на плате. Вытираем плату ХБ- тканью от воды, переворачиваем ещё горячий утюг подошвой вверх, ложим на него плату колером вверх и, как только плата станет горячей, но ещё терпимо для пальцев, шлепками пальцев по рисунку платы прибиваем размягченный колер к плате. Эта операция нужна для исключения возможного подтравливания рисунка из- за частичного отслоения участков колера от платы при отрыве бумаги. При этом нужно следить, чтобы колер не начал темнеть, то есть плавиться Далее даём плате остыть и поролоновым тампоном закрашиваем противоположную, без рисунка, сторону платы быстросохнущей эмалью НЦ. После чего ложим плату для высыхания краски. Эта операция необходима для предотвращения стравливания второго слоя платы при вытравливании первого. При вытравливании второго слоя, также закрашиваем первый, уже вытравленный слой для предотвращения его стравливания.

Далее вытравливаем слой платы, как обычно, в хлорном железе. Перед травлением к противоположной, закрашенной стороне платы, следует приклеить лист полиэтилена от пищевых пакетов, обрезанный по контуру платы для предотвращения повреждения ещё мягкого слоя краски, иначе придётся ждать несколько часов, пока краска полностью засохнет.
Аналогично изготавливаем рисунок второго слоя платы, повторив все выше описанные операции. После травления слоёв, краску и колер смываем ацетоном. Затраты времени изготовления одной платы по данному методу составляют 3- 4 часа. Время в основном уходит на вытравливание слоёв и ожидание высыхания защитной краски.

Описанный метод на первый взгляд может показаться очень сложным и трудоёмким. Однако только он обеспечивает необходимое качество и низкий процент брака. Попытки как- то отойти от него, упростить и ускорить технологический процесс успеха не имели. Естественно стремление изготовить устройство на плате с односторонней печатью. Однако в этом случае всегда нужно помнить поговорку об овчинке и выделке. Лучше потратить лишние 2 часа на изготовление второго слоя, чем неделю разрабатывать вручную одностороннюю плату для того, чтобы изготовить 1- 2 экземпляра. К тому же топология односторонней платы всегда хуже. Можно пойти по другому пути- трассировать плату автотрассировщиком в один слой, а все выводы деталей, подключенных к общему проводу в список соединений не включать. В качестве общего провода использовать верхний слой меди, а все отверстия не относящиеся к общему проводу зенковать. Но это тоже приводит к другим потерям времени и не всегда позволяет развести плату без последующего ручного редактирования и введения проволочных перемычек изолированным проводом. Следует понимать, что какой-бы метод ни применялся, односторонняя плата всегда будет больше двусторонней, а трудозатраты на её создание выше.

Литература:

1. А.Черномырдин. “Тепловой способ перенесения рисунка на плату.” Радио № 9/ 2001г.