Лазерно-утюжная технология изготовления печатных плат

О лазерно-утюжной технологии (ЛУТе) в Интернетах написано уже столько статей, что нет особого смысла лезть со своей — всё давно рассказано, показано и сделано. А для тех, кто не любит читать (о дивный новый мир!), сняты сотни видео. Однако!..

Как всегда, разрешите не добитому во мне лектору начать издалека. Что есть печатная плата? Это, как учила нас Тамара Антоновна — диэлектрическое основание, на которое нанесены печатные проводники и установлены навесные элементы, соединенные между собой пайкой или склеиванием согласно электрической принципиальной схеме. Выглядит она примерно так:


Здесь диэлектрическое основание выполнено из стеклотекстолита, а медные печатные проводники проходят лишь по одной его стороне. Бывают еще двусторонние платы, бывают многослойные, в которых дорожки проходят еще и внутри платы, но для простых схем, на примере которых я буду рассказывать о ЛУТе, стопроцентно подойдет классическая односторонняя печатная плата.

Общий принцип создания печатной платы


1. Материалом основания служит фольгированный диэлектрик (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит).


2. На фольгу устанавливается фотошаблон — устройство, несущее информацию о рисунке печатных проводников. Основная его задача — защитить от разрушения медь в нужных местах (фиолетовые полосы) и оставить открытыми участки, подлежащие удалению (синие полосы).

3. Некоторые фотошаблоны так устроены, что после установки не требуют никаких дополнительных действий. Например, если бы рисунок проводников был выполнен от руки лаком для ногтей или особо цепким маркером. Фоторезист требует экспонирования и смывки, бумага для ЛУТа… Впрочем, и до нее дойдет дело. Главное — на фольгу отныне нанесена маска, которая повторяет контуры дорожек и контактных площадок и защищает их от разрушения в травящем растворе.


4. Заготовка погружается в раствор, где незащищенные участки фольги растворяются. Медь же под маской прекрасно себя чувствует.


5. Заготовка после травления. Ничего лишнего, только печатные проводники и контактные площадки, все так же надежно закрытые маской.


6. Маска удаляется, и рисунок проводников блестит медью.


7. Затем сверлятся соединительные отверстия, которые проходят через контактные площадки, или «пятачки».


8. И, наконец, устанавливаются навесные элементы.

Теперь предлагаю перейти от теории к практике, следуя нехитрому плану:

1. Изготовление фотошаблона
2. Перенос рисунка на заготовку
3. Травление
4. Сверление соединительных отверстий
5. Сборка

1. Изготовление фотошаблона

Рисунок печатных проводников можно получить разными способами: развести плату самостоятельно, скачать нужную «печатку» в Интернетах, перерисовать из журнала «Радио» за 1988-й год… Я выбрал программу Sprint Layout.


Кой смысл рассказывать, как ею пользоваться, если для этого полно видеоуроков и статей? Мне в освоении немало помог опыт работы с P-CAD и Altium Designer, а многие вещи и вовсе делаются по аналогии с sPlan.


Рисовать плату удобнее так, будто бы смотришь на ее элементы сверху. Тогда и первая ножка микросхемы сверху-слева, и у КТ315 эмиттер-коллектор-база на привычных местах стоят. Сама плата при этом считается прозрачной, аки стекло (наглядное пособие в помощь), поэтому надписи, выполняемые медью, должны быть отзеркалены.


Слева — плата во время проектирования (текст отзеркален), справа — предпросмотр этого фрагмента со стороны фольги (текст нормально читается).


На печать я обычно отправляю два экземпляра платы — не всегда хорошо получается с первого раза. Из всех слоев, выводимых на печать, надо оставить только М2 и П, если контур платы нарисован в нем (я раньше любил и его рисовать на М2). Именно сейчас любители рисовать платы со стороны дорожек, у которых нумерация микросхем начинается справа-сверху, а текст изначально нормально читается, ставят галочку напротив опции «Зеркально».

Печатать надо, само собой, на лазерном принтере, отключив в его настройках все возможные режимы экономии тонера. Почти все существующие статьи-руководства настаивают на использовании непременно старого принтера™, который плюет на природу и печатает толстым слоем. Точные модели принтеров (или хотя бы последний год производства подходящих™), увы, эти статьи не называют.


Моему HP M1120 LaserJet MFP восемь полных лет, что делает его достаточно старым™, но все еще пригодным для ЛУТа.

N. B.! Широкие проводники и другие относительно большие области меди целесообразно выполнять инструментом «полигон» с заливкой сеткой 0,3…0,5 мм. У принтера может не получиться равномерно утоптать тонер по большому участку (особенно, если картридж старый), что приведет к дефектам сплошного рисунка. Заливка сеткой позволяет обойти это ограничение.

Что же касается бумаги — то здесь, скорее всего, придется поэкспериментировать. Есть специальная бумага для ЛУТа на «Алиэкспрессе», есть вощеная бумага, есть фотобумага; кто-то использует кальку или подложки от самоклеющейся бумаги. Для меня самое «оно» — тонкая слегка глянцевая бумага из журналов. Именно тонкая, то есть внутренние листы. Толстые полностью глянцевые обложки себя не оправдали.

Не спешите, однако, втихаря уносить журналы из приемной любимого доктора — скорее всего, они так залапаны, что никакой тонер к ним не пристанет. Поищите то, что почти не бралось в руки. Читатель Антон предлагает использовать рекламные или партийные листовки.


После того, как рисунок распечатан, можно его вырезать, назвать одноразовым фотошаблоном и приступить к следующему этапу.

Дополнение от 16.06.19

Очень рекомендую запись «Моим коллегам по ЛУТу» — мои наблюдения о ЛУТе спустя два года, после нескольких десятков плат. Эта информация более приоритетная.

2. Перенос рисунка на заготовку


Для получения качественного рисунка печатных проводников необходимо очистить заготовку от окислов, потожировых следов и прочих загрязнителей. Поверхность фольги для этого с помощью наждачной бумаги зернистостью P600 зачищается круговым движениями.


После этого заготовка очищается от абразивной пыли и обезжиривается, например, изопропиловым спиртом.


Фотошаблон (или сразу несколько) накладывается на поверхность фольги, затем заготовка заключается в «конверт» из пары сложенных вдвое-втрое чистых листов бумаги. Под «конвертом» находится стопка еще из десятка листов бумаги — здесь отработанные допускаются.


После этого утюгом, включенным на максимальную мощность, равномерно прогревают заготовку, и, сильно не нажимая, проглаживают ее в течение 2…5 минут (в зависимости от размера платы). Тонер, размягчаясь под действием тепла, теряет адгезию к глянцевой бумаге и переходит на поверхность фольги.


«Конверт» после прогрева основательно пожелтел. Заготовке надо дать отлежаться, чтобы она остыла до температуры, когда ее только-только становится возможно держать в руках.


После этого ее опускают в кювету с теплой водой, и, выждав 5…10 минут, начинают отслаивать бумагу.

 
Внешний ее слой легко снимается пинцетом, более глубинные требуют скатывания пальцами. Правильно переведенный на фольгу тонер не так-то просто процарапать ногтем, так что скатывать бумагу можно без опаски. Если дорожки не отпечатались на фольге или сходят вместе с бумагой — значит, технология переноса в чем-то была нарушена. Чаще всего это свидетельствует о недостаточном времени прогрева или его неравномерности. Иногда дело в неудачном выборе бумаги или плохо очищенном текстолите.


Мелкие фрагменты бумаги, оставшиеся внутри «пятачков» и между контактными площадками, удобно удалять штыковидным зондом.


В результате на поверхности фольги должна остаться маска, повторяющая рисунок проводников, но теперь уже в зеркальном отражении по отношению к проекту.

Не обошлось без дефектов — и если в большой плате пострадала только широкая земляная дорожка, то в маленькой неуверенно пропечатались несколько «пятачков». Локальный недогрев как он есть.


После просушки маска принимает такой вид. Самое время покрутить ее под разными углами, чтобы, возможно, увидеть проблеск меди в середине какой-нибудь дорожки.


На примере другой платы — изолировавшийся «пятачок» и тонкая трещина на дорожке рядом с ним.


Текстолит отлично режется отличными ножницами по металлу. Плохим же инструментом ничего хорошего не сделаешь, как говорит мой читатель Максим, так что из-под говеных ножниц вышли две платы с размозженными краями. Большую я временно отложил, а маленькую пришлось отправить на переделку.


Тонер хорошо смывается ацетоном, но достать его в чистом виде сложно, да и не имеет особой надобности. С этой задачей справляется жидкость для снятия лака «Ноготок». Вчитавшись в состав, можно узреть, что там, помимо бесполезного экстракта ромашки, есть искомый ацетон.


Процесс не вполне полезен для легких, так что лучше заниматься им при открытой форточке.


Второй перенос рисунка оказался удачнее.


Внутри нижней стопки бумаги тем временем происходит собственная лазерно-утюжная технология.


При необходимости рисунок ретушируется, если он не соответствует оригиналу – для этого используются акриловые краски или лак для ногтей.


Я точно знаю, где взять хорошие ножницы по металлу, я не знаю только, когда их получится взять. А врожденная жадность не хочет отдавать травильному раствору даже такую узкую полоску меди. Поэтому я заклеил ее скотчем.

3. Травление

Есть разные рецепты травильных растворов, но для «наколенной лаборатории» наиболее подходящий — перекись водорода и лимонная кислота. В отличие от популярного среди радиолюбителей «старой школы» раствора хлорного железа, за ингредиентами этого праздника не надо идти в спецмагазины. Перекись можно купить в аптеке, лимонную кислоту — в продуктовом, соль — найти на кухне.


Несмотря на все те цифры, которыми украшены статьи о ЛУТе, я не думаю, что кто-то из их авторов взвешивал 10 грамм лимонной кислоты и отмерял 50 мл перекиси. Скорее всего, все втихаря льют перекиси так, чтобы она покрывала плату, и высыпают пригоршню кислоты — тот самый quantum satis.


Не забыв, конечно, посолить раствор.


Пластмассовые держатели из подножного мусора, прилепленные термоклеем к текстолиту, помогут крутить заготовки без нужды окунать пальцы в раствор.


В пластиковую кювету наливают перекись водорода и добавляют лимонную кислоту и соль, тщательно размешивая смесь до их полного растворения. Очень удобна в этом аспекте стеклянная палочка из набора «Юный химик». После этого заготовки погружают в раствор.


Мелкие пузырьки в растворе и порозовение меди — признак того, что верной дорогой идёте, товарищи!


Травление происходит при комнатной температуре, однако для ускорения можно подогревать раствор на водяной бане. Процесс занимает 5…20 минут (в зависимости от размера заготовки и количества удаляемой меди). Раствор необходимо постоянно помешивать и удалять из него крупные пузырьки воздуха — для этого достаточно покачивать сами заготовки за предусмотрительно сделанные держатели.


По мере насыщения раствора медью скорость травления снижается (это видно по уменьшению количества пузырьков и окрашиванию раствора в бирюзовый цвет). В этом случае целесообразно заменить раствор, хотя допускается долить перекиси и досыпать кислоты с солью.


После травления заготовки тщательно промывают, очищая от остатков травителя. Отработанный раствор можно сливать в раковину — в отличие от хлорного железа, никаких пятен он не оставляет.

N. B.! Раствор готовится по мере необходимости и хранению не подлежит, поскольку перекись водорода склонна самопроизвольно разлагаться. Учитывая потрясающую простоту рецепта, а так же доступность и низкую стоимость компонентов — это вряд ли можно считать недостатком.

 
Защитная маска из тонера и акриловой краски смывается все тем же «Ноготком».


Наращенные дорожки получились с мелкими протравами. Двух слоев краски, видимо, не хватило.

4. Сверление соединительных отверстий

С точки зрения технологичности целесообразно, чтобы как можно большее количество отверстий было выполнено одним диаметром. В Sprint Layout за этим надо следить, особенно, если используешь чужие макросы. Самых ходовых диаметров отверстий два: 0,8 мм (резисторы, конденсаторы, микросхемы DIP, мелкие диоды и транзисторы) и 1,0 мм (L78XX, 1N4007, КТ815, МЛТ-1).


Центры отверстий намечаются шилом.


Микродрель со сверлом 0,5 мм (я люблю начинать с него), импровизированная подставка для сверления, платы и защитные очки. Потому что наша работа не должна добавлять работы офтальмологу-хирургу.


Вдыхать стеклотекстолитовую пыль тоже незачем — придуман же респиратор. А с рабочих поверхностей ее можно периодически удалять хотя бы и пылесосом со щелевой насадкой.


Лицевая поверхность платы будто бы вся исписана шрифтом Брайля.


То же, но пройдено сверлом 0,8 мм.


Счастливые владельцы сверлильных станков этот шаг пропускают, я же, держа плату перпендикулярно столу, слегка рассверливаю отверстия с лицевой стороны, чтобы сделать их ровнее и удалить застрявшую стружку.


Результат налицо. Без такой коррекции бывает очень сложно усадить микросхему в корпусе DIP14 — отверстия проходят под разными углами, и ножки при установке врезаются в стенки.


Тем же аллюром в нужные места были добавлены отверстия 1,0 мм.


Последнее отверстие сделано трехмиллиметровым сверлом — уже отнюдь не «микро» в масштабах микродрели.


Остается только обработать края плат наждачной бумагой.

5. Сборка

Самая приятная часть работы.


Это было так давно, что кажется неправдой. В 2014-м году я призывал не выбрасывать укороченные ножки «электролитов» и других радиодеталей, а собирать их, чтобы потом пустить на перемычки. Спустя три года сырья накопилось столько, что можно на спор делать платы с максимально возможным количеством перемычек.


Сборка показала, что при проектировании я ошибся с размером конденсатора. Пришлось подправлять плату по месту.


А так выглядят «отличные ножницы по металлу». Если бы не мешались запаянные от нетерпения компоненты — срез получился бы сказочно ровным.


Заключительный этап — очистка платы от флюса. Эх, если бы другой флюс, который периостит, так просто удалялся — зубной щеткой, смоченной в спирте!


Побочный продукт от написания статьи — две печатных платы. А уж что это за платы, да как работают — я расскажу как-нибудь в другой раз.

Запись опубликована в рубрике Печатные платы, Электроника. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

9 отзывов на “Лазерно-утюжная технология изготовления печатных плат

  1. Здравствуйте!Красиво сделанные платы да еще с радио деталями — на Алиэкспресс штучное изготовление платы под заказ, стоит приличных денег.Пора открывать бизнес план, по изготовлению плат и другой электроники под заказ.

    • Что ж, можно и задуматься. Для серийного производства надо уже фоторезист осваивать, ЛУТ хорош только в единичном.

  2. Anton:

    Я заметил что у каждого человека открывшего для себя Sprint Layout свой индивидуальный «почерк» рисования плат. Впрочем это ведь тоже вид творчества.

    • Само собой! Точно как и с электрическими принципиальными схемами — дай задание, и сколько радиолюбителей ни возьми, а все чуть-чуть по-разному его нарисуют.

  3. Anton:

    Еще удобно смывку для плат вот в такой флакон от спрея для очистки монитора наливать — 100 мл надолго хватает и жидкость экономно расходуется https://i2.rozetka.ua/goods/1735226/patron_cs_pn_f3_008_images_1735226861.jpg

  4. Olexandr:

    Я платы разводил в ручную. Переносил рисунок на миллиметровку. Скотчем «приклеивал» миллиметровку к стеклотекстолиту. Шилом прокалывал места для отверстий. Потом сверлом с дрелью делал отверстия. Рисунок рисовал лаком для ногтей. Травление хлорным железом. Друг в технаре делал соляной кислотой. Медь разъедалась, лак оставался. Ножиком соскалбливал лак, потом немного наждачки. И все. Тогда просто ни компьютера, ни принтера не было.

    • Все-таки здорово, что технологии не стоят на месте! На обрезке текстолита как-то рисовал акриловой краской плату под L7809 — кривоватой получилась. Так это плата из трех деталей. А поди нарисуй что-то посложнее!

  5. Olexandr:

    Я более серьезные схемы «разводил». Получалось даже лучше чем в журнале Радио. Там где сейчас в Днепропетровске радиорынок было НПО Орбита. Там этим занимались. В 70х в ручную, в конце 80-х появились компы. Делались потом шаблоны, трафареты, травились платы фотолитографией. Вроде так.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s