В построении электронных схем можно пользоваться универсальной печатной платой с отверстиями без дорожек, но удобнее использовать печатную плату, изготовленную согласно этой схеме.
Есть разные способы изготовления печатных плат, но в этой статье будет рассмотрен фоторезистивный метод.
Этот метод, конечно дороже ЛУТ, но результат практически всегда идеальный, главное «руку набить». Да и в эстетическом плане у фоторезиста все преимущества.
Фоторезистом — это чувствительное к свету вещество (в нашем случае это лак), которое под воздействием освещения изменяет свои свойства. Фоторезист накладывается фотошаблон и производится его 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. На многих предприятиях работают с негативными фоторезистами, но мы будем использовать позитивный, как получивший наибольшее распространение в свободной продаже. Остановимся более подробно на использовании позитивных фоторезистов в аэрозольной упаковке.
При изготовлении печатных плат, особенно сложных, наиболее пригоден метод при использовании фоторезиста. Основным его преимуществом является
высококонтрастный рисунок на текстолите с разрешением 0,1мм (0,1мм в идеале, а вот 0,25 мм прекрасно получается) при изготовлении в домашних условиях. К тому же иногда изготавливая печатную плату, немаловажное требование относится к эстетическому оформлению готового изделия, особенно если печатная плата находится в «открытом» положении или запакована в прозрачную термотрубку.
Подробное описание изготовления печатной платы
Подготовка текстолита
Чтобы изготовить печатную плату с минимальными материальными затратами нужно тщательно подготовить текстолит перед нанесением лака.
Подразумеваем, что текстолит выпилен в примерный размер будущей печатной платы с запасом по краям 5мм с каждой стороны. Обычно затирку меди начинают специальными абразивными пастами, но при отсутствии таковой сойдёт помесь геля для мытья посуды и моющего чистящего порошка. Затирку ведём металлической сеткой для мытья посуды, тем самым удалим окиси, грязь с поверхности текстолита, а сетка в свою очередь зацарапает фольгу, что повысит в дальнейшем адгезию лака (фоторезиста) с поверхностью.
Затирку ведём в зависимости от степени загрязнения поверхности до тех пор, пока
поверхность не будет иметь равномерный ровный оттенок, фактически золотой.
Химические пятна на текстолите можно перед нанесением фоторезиста удалить опустив текстолит в раствор горячего хлорного железа, если фольга на текстолите стала равномерно красной, то в принципе будущее травление пройдёт без проблем, плату после такого метода следует тщательно промыть горячей водой и заново заполировать абразивом до золотого оттенка.
Теперь промываем очищенный текстолит горячей водой и стараемся его
поверхность руками не трогать…
Теперь сушим при температуре 60-70°С с минуту, пока поверхность не примет лёгкий розоватый оттенок. Если при этом процессе на поверхности образовался иней, то его надо удалить салфеткой. Ворса на поверхности быть не должно!
Для сушки годится обыкновенный фен для сушки волос…
Подготовка фотшаблона
Пока текстолит остывает готовим фотошаблон… В данном случае имеется несколько способов его изготовления, но я настоятельно рекомендую использовать струйный принтер с разрешением печати чёрного цвета не менее 1200 точек на дюйм. Печать будем производить на прозрачную плёнку (у струйных принтеров она с ворсом, у лазерных без ворса специальная термоплёнка).
Обращаем внимание на типичную ошибку при первом самостоятельным
изготовлением печатной платы – обычно забываем «зеркалить» лицевую сторону
печатной платы.
Внимание! Лицевая сторона печатной платы при печати должна быть зеркальной! Обратная не зеркальной!
Таким образом, после печати рисунок на плёнке будет перевёрнут с рабочей стороны плёнки (у струйной – это ворсистая сторона). А когда будем проецировать картинку на текстолит — плёнка будет приложена уже рабочей стороной к нему и с проецированный рисунок будет правильный (уже не зеркальный). Чтобы не ошибиться при печати рекомендую на фотошаблон нанести, например буквы своих инициалов.
Рекомендую сделать пару копий фотошаблонов для рационального использования
плёнки и исключения ошибок при проявлении фоторезиста… Т.е. делайте не одну печатку, а например, две одновременно (если они не большие), потом выбирайте наиболее качественную и травите в хлорном железе.
Напечатанный таким способом фотошаблон (позитив) проверяем на прозрачность, в идеале рабочий рисунок (печатные проводники) должен быть абсолютно чёрным!
Отрезаем фотошаблон от плёнки и стараемся это сделать ровнее, оставшейся кусок плёнки можно будет использовать ещё (для печати другого проекта).
На моём примере я разделил фотошаблон на два, и буду делать одновременно две
платы…
Нанесение фоторезиста
Так как за это время он остыл, пора нанести на него светочувствительный лак. Делать это рекомендуется в тёмном помещении при слабом свете, чтобы видеть какой слой фоторезиста мы нанесли.
Этот процесс один из наиболее важных, а именно – следует быстро нанести
равномерный слой лака со слабо-фиолетовым оттенком без пузырьков и потёков!
Рекомендуется конечно распылять фоторезист на центрифуге, но при отсутствии таковой можно «набив руку» делать это как на фото выше. Сразу оценив примерно оттенок на глаз, делаем следующий вывод – стоит ли переходить к следующей фазе операции или нет. Оттенок должен быть бледно-фиолетовый, прозрачный, т.е медь (царапины на ней от металлической сетки) должны просматриваться! Не пугайтесь что фоторезист имеет такой тонкий слой после нанесения – главное медь мы перед травлением изолировали.
Обычно рекомендуют сушить фоторезист в течении часа, но я произвожу сушку при относительно высокой 60-70ºС в течении 3-5 минут. Потом оставляю текстолит охлаждаться пока полностью не остынет. При сушке плату не перегревать, может отслоиться лак, резко тоже не охлаждать! Лучше подождать лишних 5 минут, зато потом результат будет отличный… в этом деле главное не торопиться!
Не забываем, конечно, что всю эту процедуру производим при слабом освещении
(слабая энергосберегающая лампа или люминесцентная лампа где-нибудь позади нам особого вреда не принесут).
После просушки фоторезиста следует внимательно осмотреть поверхность
нанесённого нами лака, на краях платы не должно быть наплывов, лучше их просто аккуратно содрать, именно для этого текстолит и рекомендуется вырезать с запасом 5мм по краям. Обычно наплывы образуются на одном ребре, смотрите фото выше, плата перед нанесением лака специально наклонена, чтобы фоторезист, а точнее его излишки стекали на один из краёв платы. При напылении на центрифуге этот вариант практически исключён.
Экспонирование
Процесс этот не сложный и кратковременный, заключается в подготовке фотошаблона на поверхности фоторезиста и его последующей засветке ртутной лампой (ультрафиолетовый спектр).
Я использую медицинские облучатели для дезинфекции помещений (УФО-1, УФО-2 и им подобные). УФО-1 содержит в себе 100 Вт ртутную кварцевую лампу в паре со спиралью накаливания в кварцевых трубках (выполняют роль резистора и являются как бы инфракрасными лампами с сильным выделением тепла). Со времён СССР у многих подобные излучатели в квартирах имеются… Нам же из этого излучателя надо только это:
Если и этого нету, подойдёт 500 Вт прожектор для гаражей, стоянок и т.п., к примеру фирмы «Космос», раньше я им производил засветку, время засветки уже не помню, придётся опытным путем подбирать, а расстояние засветки не менее 30см (высокая температура прожектора повредит фоторезист, он склеится с шаблоном).
Быстро на напылённый фоторезист укладывает рабочей стороной фотошаблон на
плёнке и накрываем куском тонкого стекла (от фоторамки например). И засвечиваем фотошаблон с расстояния не менее 25 см, но не более 35 см при использовании УФО-1 ровно 2 минуты 15 секунд, если фоторезист имеет слабо-фиолетовый оттенок:
После засветки плату убираем в тёмное место на время 5-8 минут, типа для
закрепления фоторезиста…
Подготовка раствора
Пока у нас фоторезист закрепляется, готовим раствор для его травления. Рекомендуют, что Немецкие, что Бельгийские производители использовать для проявки каустическую соду, он же едкий натр, порошок крупнозернистый белого цвета, не прозрачный, и в прямом смысле слова – едкий. Т.е работать надо бы в резиновых перчатках.
Мешаем 7 грамм этого вещества на один литр тёплой воды до тех пор, пока порошок полностью не растворится, можно осадок удалить. Если же перемешать в горячей воде, то осадок тоже растворится. Берём тару, к примеру, пластиковый контейнер. Опускаем нашу засвеченную плату в него. (Раствор не должен быть горячий, лучше просто тёплый!).
Сразу после проявки тщательно промыть плату тёплой водой смыв остатки каустической соды. У меня на фото этот процесс занял менее минуты, так как раствор у меня не 7 грамм на литр воды, а несколько больше… Изначально раствор каустической соды в воде прозрачный, далее он поменяет оттенок – станет фиолетовым (видно на фото выше), т.е в нём растворён лак.
Использовать раствор можно неоднократно, я бывало до пяти раз с недельным
интервалом фоторезист проявлял, раствор при этом уже был тёмно-фиолетового цвета.
Травление платы
Ну и собственно теперь травим в растворе хлорного железа в воде в пропорции 1:3
Как видно на фото лак у меня прозрачен, медь отлично видна… После протравки
На страницах сайта уже заходила речь о так называемой «карандашной технологии» изготовления печатных плат . Метод прост и доступен – корректирующий карандаш можно купить практически в любом магазине, торгующем канцелярскими товарами. Но есть и ограничения. Те, кто пробовал рисовать рисунок печатной платы с помощью корректирующего карандаша, заметили, что минимальная ширина получаемой дорожки вряд ли будет меньше 1,5-2,5 миллиметров.
Это обстоятельство накладывает ограничения на изготовление печатных плат, которые имеют тонкие дорожки и малое расстояние между ними. Известно, что шаг между выводами микросхем, выполненных в корпусе для поверхностного монтажа очень мал. Поэтому, если требуется изготовить печатную плату с наличием тонких дорожек и малым расстоянием между ними то «карандашная» технология не подойдёт. Также стоит отметить, что нанесение рисунка корректирующим карандашом не очень удобно, дорожки получаются не всегда ровные, а медные пятачки для запайки выводов радиодеталей выходят не очень аккуратные. Поэтому приходиться корректировать рисунок печатной платы острым лезвием бритвы или скальпелем.
Выходом из сложившейся ситуации может быть использование маркера для печатных плат, который прекрасно подходит для нанесения устойчивого к травлению слоя. По незнанию можно приобрести маркер для нанесения надписей и пометок на CD/DVD-диски. Такой маркер не годится для изготовления печатных плат – раствор хлорного железа разъедает рисунок такого маркера, и медные дорожки практически полностью вытравливаются. Но, несмотря на это, в продаже имеются маркеры, которые годятся не только для нанесения надписей и пометок на различные материалы (CD/DVD-диски, пластмассу, изоляцию проводов), но и для изготовления устойчивого к травлению защитного слоя.
На практике был применён маркер для печатных плат Edding 792 . Он позволяет рисовать линии шириной 0,8-1 мм. Этого достаточно для изготовления большого количества печатных плат для самодельных электронных устройств. Как оказалось, данный маркер прекрасно справляется с поставленной задачей. Печатная плата получилась довольно неплохой, хотя и рисовалась второпях. Взгляните.
Печатная плата (сделано с помощью маркера Edding 792)
К слову сказать, маркер Edding 792 также можно использовать для исправления ошибок и помарок, которые получились при переносе рисунка печатной платы на заготовку методом ЛУТ (лазерно-утюжной технологии). Такое бывает, особенно, если печатная плата довольно больших размеров и со сложным рисунком. Это очень удобно, так как нет необходимости снова полностью переносить весь рисунок на заготовку.
Если найти маркер Edding 792 не удастся, то подойдёт Edding 791 , Edding 780 . Их также можно использовать для рисования печатных плат.
Наверняка начинающим любителям электроники интересен сам технологический процесс изготовления печатной платы с помощью маркера, поэтому дальше пойдёт рассказ именно об этом.
Весь процесс изготовления печатной платы аналогичен тому, который описан в статье «Изготовление печатной платы "карандашным" методом ». Вот краткий алгоритм:
Немного «тонкостей».
О сверлении отверстий.
Есть мнение, что сверлить отверстия в печатной плате нужно после травления. Как видим, в приведённом алгоритме сверловка отверстий стоит до травления печатной платы в растворе. В принципе, можно сверлить хоть до травления печатной платы, хоть после. С технологической точки зрения никаких ограничений нет. Но, стоит учитывать, что качество сверловки напрямую зависит от инструмента, которым производится сверловка отверстий.
Если сверлильный станок развивает хорошие обороты и в наличии есть качественные свёрла, то можно сверлить и после травления – результат будет хороший. Но, если сверлить отверстия в плате самопальной минидрелью на базе слабенького моторчика с плохой центровкой, то можно запросто содрать медные пятачки под выводы.
Также многое зависит от качества текстолита, гетинакса или стеклотекстолита. Поэтому в приведённом алгоритме сверловка отверстий стоит до травления печатной платы. При таком алгоритме медные края, оставшиеся после сверления легко убрать наждачной бумагой и заодно очистить медную поверхность от загрязнений, если таковые имеются. Как известно, загрязнённая поверхность медной фольги плохо вытравливается в растворе.
Чем растворить защитный слой маркера?
После травления в растворе защитный слой, который наносили маркером Edding 792 легко убрать растворителем. На деле использовался «Уайт-спирит». Воняет он, конечно, противно, но защитный слой смывает на ура. Остатков лака не остаётся.
Подготовка печатной платы к лужению медных дорожек.
После того, как защитный слой убран, можно на несколько секунд закинуть заготовку печатной платы опять в раствор. При этом поверхность медных дорожек чуть подтравиться и станет ярко-розового цвета. Такая медь лучше покрывается припоем при последующем лужении дорожек, так как на её поверхности нет окислов и мелких загрязнений. Правда лужение дорожек нужно производить сразу, иначе медь на открытом воздухе вновь покроется слоем окисла.
Готовое устройство после сборки
В распоряжении имеется заводская макетная плата вот такого типа:
Она не нравится мне по двум причинам:
1) При монтаже деталей приходится постоянно вертеть туда-сюда, чтоб сначала поставить радиодеталь, а потом припаять проводник. На столе ведёт себя неустойчиво.
2) После демонтажа отверстия остаются залиты припоем, перед следующим использованием платы приходится их прочищать.
Поискав в интернете различные виды макетных плат, которые можно сделать своими руками и из доступных материалов, наткнулся на несколько интересных вариантов, один из которых решил повторить.
Вариант №1
Цитата с форума: «Я, например многие годы, использую вот такие самодельные макетные платы. Собраны из куска стеклотекстолита, в который наклёпаны медные штырьки. Такие штырьки можно либо купить на радиорынке, либо изготовить самому из медной проволоки диаметром 1,2-1,3 мм. Более тонкие штырьки слишком сильно гнутся, а более толстые забирают слишком много тепла при пайке. Эта «макетка» позволяет многократно использовать самые затрапезные радиоэлементы. Соединения лучше делать проводом во фторопластовой изоляции МГТФ. Тогда однажды изготовленных концов хватит на всю жизнь.»
Думаю, что такой вариант подойдёт мне больше всего. Но стеклотекстолита и готовых медных штырьков в наличии не имеется, так что сделаю немного по-другому.
Медную проволоку добыл из провода:
Зачистил изоляцию и при помощи нехитрого ограничителя наделал штырьков одинаковой длины:
Диаметр штырьков — 1 мм .
За основу платы взял фанеру толщиной 4 мм (чем толще, тем крепче будут держаться штырьки ):
Чтобы не мучиться с разметкой, скотчем наклеил на фанеру разлинованную бумагу:
И просверлил отверстия с шагом 10 мм сверлом диаметром 0.9 мм :
Получаем ровные ряды отверстий:
Теперь нужно забить штырьки в отверстия. Так как диаметр отверстия меньше диаметра штырька, соединение получится внатяг и штырь будет плотно зафиксирован в фанере.
При забивании штырьков под низ фанеры нужно подложить металлический лист. Штырьки забиваются лёгкими движениями, и когда звук изменится, значит, штырь достиг листа.
Чтобы плата не ёрзала, делаем ножки:
Приклеиваем:
Макетная плата готова!
Таким же методом можно сделать плату для поверхностного монтажа (фото из интернета, радиоприёмник):
Ниже для полноты картины я приведу несколько годных конструкций, найденных в интернете.
Вариант №2В отрезок доски забиваются канцелярские кнопки с металлической головкой:
Осталось только залудить их. Омеднёные кнопки лудятся без проблем, а вот со стальными .
Занимаясь радиолюбительством в течение многих лет я изготавливал печатные платы разными способами. Рисовал лаком (помните те времена), резаком (простенькие платы) и т.д. В последнее время пользуется популярностью метод "Лазерного принтера и утюга" для переноса рисунка на фольгированый стеклотекстолит. По разным рекомендациям и статьям в Интернете я испытал практически все материалы, что рекомендовалось. Тонкая лощеная бумага от журналов, фотобумага, факсовая бумага, подложки от самоклеющейся пленки и даже бумагу для термопереноса на ткань. Вру, пищевую аллюминевую фольгу не испытывал.
Ни один способ не удовлетворял меня по причине, что результат был не стабильный (могло получиться с первого раза могло только с третьего-пятого). Лучшие результаты были получены на фотобумаге. Хуже на факсовой и на листах от журналов, да еще к тому же после "прокатки" утюгом ее приходилось отмачивать. Сильно это не напрягает по времени, но все же (10 мин в среднем). На бумаге для термо переноса на ткань получалось хорошо, но для снятия подложки требуется изопропиловый спирт, также очень точно надо было выставлять температуру утюга. Чуть ошибка - все брак. На подложках от самоклеющейся пленки тонер при печати отваливался от лощеной поверхности (не знаю какой гадостью они покрыты)
Все со вступлением покончено - приступаем...
Как ни странно, но вернемся к подложкам от самоклеющейся пленки (самоклеющиеся обои). В основном технология во многом идентична ранее описанному в разных источниках. Все дело в материале
Что нам потребуется:
1. Фольгированный текстолит (одно-двух сторонний, кому как надо)
2. Лазерный принтер (у меня дома HP1020)
3. Утюг - любой
4. Силит-Бэнкс - для очистки поверхности платы
5. Хлорное железо для травления платы (с другими составами не проверял типа "медный купорос-соль" и т.д.)
6. Тонкие сверла для сверления (это понятно)
7. САМОКЛЕЮЩЕЯСЯ ПЛЕНКА
Вот на пункте 7 остановимся подробней.
Идем на базар или в магазин, где продают обои и ищем дешевую китайскую пленку. Если посмотреть на подложку на которой лежит пленка можно увидеть сетчатый рисунок с буковками рисунками и циферками (у каждой марки по-разному). Так вот, нас интересует пленка, на подложке которой крупные цифры 333
. НАС ИНТЕРИСУЕТ ОНА И ТОЛЬКО ОНА
. У нас рулон 10 метров шириной 50 см. стоит 100 рублей. Бывают также 777, 555, 556 и т.д. но оно нам не надо.
Вот снимок подложки
Дальше почти как всегда. Вырезаем (кому как удобней и чем удобней) кусок текстолита нужных размеров с запасом 1 см. с каждого края. На этих местах можно просверлить потом отверстия для совмещения двух слоев (если вы делаете двухстороннюю плату) Очищаем плату от загрязнений. Я не тру "шкуркой нулевкой", а использую Силит-Бэнкс (см. рекламу по телику). Наливаем немного Силита на поверхность платы и ждем. Если поверхность не очень грязная и не сильно окислилась, то хватает 1 мин. Плата на глазах становиться чистенькой и розовой. Если она у вас очень грязная, то ждем подольше или повторяем процедуру несколько раз. Промываем плату водой и несем сушить, За поверхность плату, куда будем переводить рисунок пальцами не брать, но если взялись, то страшного ничего нет, просто перед переносом протрите тампоном, смоченным в ацетоне
Для очистки хорош также "Комет" (см. рекламу по телику), но в порошке.
Вот подготовленная плата
Пока плата сушится, печатаем рисунок. Я рисую и печатаю на программе SprintLayout 4.0. У каждого свои предпочтения. Используйте то что больше нравится.
Вырезаем кусок пленки (саму пленку пока не отрываем) нужных размеров. Так как после отслаивания пленки подложка очень тонкая, принтер будет ее жевать. Поверьте мне - будет . Поэтому наклеиваем ее на лист обычной офисной бумаге. Приклеить надо так, чтоб после снятия пленки на верху осталось лощеная поверхность подложки Я использую несколько капель клея "Момент" в углах подложки и по центру длинных сторон.
Все у нас все готово для печати. Отдираем пленку.
Вставляем "бутерброт" в принтер и печатаем. В установках принтера не забываем выставить максимум тонера.
Вы понимаете о чем я.
Отпечатали? Смотрим как у нас там с рисунком. Именно на этом типе пленке, вернее подложке 333 у меня и перестал отваливаться тонер, на других сыпался - мама дорогая...
Включаем утюг (если еще не включили раньше) Температуру можно проверить так. Печатаем на обыкновенной бумаге, кладем тонером вверх на перевернутый утюг и смотрим. Тонер заблестел - все нормально, температуры хватает для расплавления.
Я вообще никак не настраивал, просто поставил на максимум и все.
На стол кладем фанеру (10мм) потом книжку не нужную или журнал из газетной бумаги, (помните, были такие) на книжку плату фольгой вверх
Из бинта или тонкой чистой тряпки делаем тампон. На снимке справа видно.
Подложку с рисунком НЕ КЛАДЕМ - во как.
Накрываем это листом офисной бумаги А4 и кладем утюг. Если плата больше чем поверхность подошвы утюга, то проглаживаем плату Достаточно 30-40 сек, чтоб плата разогрелась
Снова накрываем это листом офисной бумаги А4 и кладем утюг и начинаем гладить. Давить практически не надо, мы просто повторно подогреваем плату (она уже успела немного остыть). Тут уже и 15-20 сек достаточно, хотя я и больше держал Снимаем лист офисной бумаги.
Быстренько 20-30 сек разлаживаем тампоном из тряпки всю поверхность, особенно по краям платы. Растираем как вдоль, так и поперек - дорожки же у нас не в одном направлении нарисованы. Вот тут надо немного надавливать, как бы растирая по поверхности.
Примечание: кто боится за свои пальцы, могут надеть перчатки их ХБ ткани - плата то горячая.
Все, ждем пока плата остынет, чтоб ее спокойно можно было взять в руки.
Хватаем за кончик подложки и легонько отдираем ее от платы. Она практически отходит сама.
И вот он рисунок переведен
Смотрим, что все замечательно - радуемся!
Повторил лично сам раз 20, и ни разу ничего не отвалилось. 100% результат перевода. (ладно уговорили 99%)
Дорожки 0.2 у меня получились влет.
Вот готовая плата без сверления - ночь уже иду спать. Завтра просверлим
Прошу прощение за последний снимок, фотик не мой и блестящие поверхности снимает видите как. Поверьте там все ОК.
Дальше все как обычно.
Травим. Сверлим. Лудим. Обрезаем до нужных размеров. Паяем
Если все подготовлено (рисунок печатной платы, все материалы) весь процесс у меня занимает минут 20-25 вместе с травлением платы
Печа́тная пла́та (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) - пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.
В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).
В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:
односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.
двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.
многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат.
По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа, увеличивается количество слоёв на платах.
Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс. Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору. В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д), и керамика. Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.
Какой материал будем использовать для изготовления плат
Самые распространненые, доступные материалы для изготовления плат - это Гетинакс и Стеклотекстолит. Гетинакс-бумага пропитанная бакелитовым лаком, текстолит стекловолокно с эпоксидкой. Однозначно будем использовать стеклотекстолит!
Стеклотекстолит фольгированный представляет собой листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол и облицованные с двух сторон медной электролитической гальваностойкой фольгой толщиной 35 мкм. Предельно допустимая температура от -60ºС до +105ºС. Имеет очень высокие механические и электроизоляционные свойства, хорошо поддается механической обработке резкой, сверлением, штамповкой.
Стеклотекстолит в основном используется одно или двухсторонний толщиной 1.5мм и с медной фольгой толщиной 35мкм или 18мкм. Мы будем использовать односторонний стеклотекстолит толщиной 0.8мм с фольгой толщиной 35мкм (почему будет подробно рассмотрено далее).
Методы изготовления печатных плат дома
Платы можно изготавливать химическим методом и механическим.
При химическом методе в тех местах где должны быть дорожки (рисунок) на плате на фольгу наносится защитный состав (лак, тонер, краска и т.д.). Далее плата погружается в специальный раствор (хлорное железо, перекись водорода и другие) который «разъедает» медную фольгу, но не действует на защитный состав. В итоге под защитным составом остается медь. Защитный состав в дальнейшем удаляется растворителем и остаётся готовая плата.
При механическом методе используется скальпель (при ручном изготовлении) или фрезерный станок. Специальная фреза делает бороздки на фольге, в итоге оставляя островки с фольгой - необходимый рисунок.
Фрезерные станки довольно дорогое удовольствие, а также сами фрезы дороги и имеют небольшой ресурс. Так что, этот метод мы не будем использовать.
Самый простой химический метод - ручной. Ризографом лаком рисуются дорожки на плате и потом травим раствором. Этот метод не позволяет делать сложные платы, с очень тонкими дорожками - так что это тоже не наш случай.
Следующий метод изготовления плат - с помощью фоторезиста. Это очень распространненая технология (на заводе платы делаются как раз этим методом) и она часто используется в домашних условиях. В интернет очень много статей и методик изготовления плат по этой технологии. Она дает очень хорошие и повторяемые результаты. Однако это тоже не наш вариант. Основная причина - довольно дорогие материалы (фоторезист, который к тому же портится со временем), а также дополнительные инструменты (УФ ламка засветки, ламинатор). Конечно, если у вас будет объемное производство плат дома - то фоторезист вне конкуренции - рекомендуем освоить его. Также стоит отметить, что оборудование и технология фоторезиста позволяет изготовливать шелкографию и защитные маски на платы.
С появлением лазерных принтеров радиолюбители стали активно их использовать для изготовления плат. Как известно, для печати лазерный принтер использует «тонер». Это специальный порошок, который под температурой спекается и прилипает к бумаге - в итоге получается рисунок. Тонер устойчив к различным химическим веществам, это позволяет использовать его как защитное покрытие на поверхности меди.
Итак, наш метод состоит в том, чтобы перенести тонер с бумаги на поверхность медной фольги и потом протравить плату специальным раствором для получения рисунка.
В связи с простотой использования данный метод заслужил очень большое распространение в радиолюбительстве. Если вы наберете в Yandex или Google как перенести тонер с бумаги на плату - то сразу найдёте такой термин как «ЛУТ» - лазерно утюжная технология. Платы по этой технологии делаются так: печатается рисунок дорожек в зеркальном варианте, бумага прикладывается к плате рисунком к меди, сверху данную бумагу гладим утюгом, тонер размягчяется и прилипает к плате. Бумага далее размачивается в воде и плата готова.
В интернет «миллион» статей о том как сделать плату по этой технологии. Но у данной технологии есть много минусов, которые требуют прямых рук и очень долгой пристройки себя к ней. То есть ее надо почувствовать. Платы не выходят с первого раза, получаются через раз. Есть много усовершенствований - использовать ламинатор (с переделкой - в обычном не хватает температуры), которые позволяют добиться очень хороших результатов. Даже есть методы построения специальных термопрессов, но все это опять требует специального оборудования. Основные недостатки ЛУТ технологии:
перегрев - дорожки растекаются - становятся шире
недогрев - дорожки остаютяся на бумаге
бумага «прижаривается» к плате - даже при размокании сложно отходит - в итоге может повредится тонер. Очень много информации в интернете какую бумагу выбрать.
Пористый тонер - после снятия бумаги в тонере остаются микропоры - через них плата тоже травится - получаются изъеденные дорожки
повторяемость результата - сегодня отлично, завтра плохо, потом хорошо - стабильного результат добиться очень сложно - нужна строго постоянная температура прогрева тонера, нужно стабильное давление прижима платы.
К слову, у меня этим методом не получилось сделать плату. Пробовал делать и на журналах, и на мелованной бумаге. В итоге даже платы портил - от перегрева вздувалась медь.
В интернет почему-то незаслуженно мало информации про еще один метод переноса тонера - метод холодного химического переноса. Он основан на том факте, что тонер не растворяется спиртом, но растворяется ацетоном. В итоге, если подобрать такую смесь ацетона и спирта, которая будет только размягчать тонер - то его можно «переклеить» на плату с бумаги. Этот метод мне очень понравился и сразу дал свои плоды - первая плата была готова. Однако, как оказалось потом, я нигде не смог найти подробной информации, которая давала бы 100% результат. Нужен такой метод, которым плату мог сделать даже ребёнок. Но на второй раз плату сделать не вышло, потом опять и пришло долго подбирать нужные ингридиенты.
В итоге после долгих была разработана последовательность действий, подобраны все компоненты, которые дают если не 100% то 95% хорошего результата. И самое главное процесс настолько простой, что плату может сделать ребенок полностью самостоятельно. Вот этот метод и будем использовать. (конечно его можно и далее доводить до идеала - если у вас выйдет лучше - то пишите). Плюсы данного метода:
все реактивы недорогие, доступные и безопасные
не нужны дополнительные инструменты (утюги, лампы, ламинаторы - ничего, хотя нет - нужна кастрюля)
нет возможности испортить плату - плата вообще не нагревается
бумага отходит сама - видно результат перевода тонера - где перевод не вышел
нет пор в тонере (они заклеиваются бумагой) - соответственно нет протравов
делаем 1-2-3-4-5 и получаем всегда один и тот же результат - почти 100% повторяемость
Прежде чем начать, посмотрим какие платы нам нужны, и что мы сможем сделать дома данным методом.
Основные требования к изготовленным платам
Мы будем делать приборы на микроконтроллерах, с применением современных датчиков и микросхем. Микросхемы становятся все меньше и меньше. Соответственно необходимо выполнение следующих требований к платам:
платы должны быть двух сторонними (как правило развести одностороннюю плату очень сложно, сделать дома четырехслойные платы довольно сложно, микроконтроллерам нужен земляной слой для защиты от помех)
дорожки должны быть толщиной 0.2мм - такого размера вполне достаточно - 0.1мм было бы еще лучше - но есть вероятность протравов, отхода дорожек при пайке
промежутки между дорожками - 0.2мм - этого достаточно практически для всех схем. Уменьшение зазора до 0.1мм чревато сливанием дорожек и сложностью в контроле платы на замыкания.
Мы не будем использовать защитные маски, а также делать шелкографию - это усложнит производство, и если вы делаете плату для себя, то в этом нет нужды. Опять же в интернет много информации на эту тему, и если есть желание вы можете навести «марафет» самостоятельно.
Мы не будем лудить платы, в этом тоже нет необходимости (если только вы не делаете прибор на 100лет). Для защиты мы будем использовать лак. Основная наша цель - быстро, качественно, дёшево в домашних условиях сделать плату для прибора.
Вот так выглядит готовая плата. сделанная нашим методом - дорожки 0.25 и 0.3, расстояния 0.2
Как сделать двухстороннюю плату из 2-ух односторонних
Одна из проблем изготовления двухсторонних плат - это совмещение сторон, так чтобы переходные отверстия совпадали. Обычно для этого делается «бутерброд». На листе бумаги печатается сразу 2 стороны. Лист сгибается пополам, на просвет точно совмещаются стороны с помощью специальных меток. Внутрь вкладывается двухсторонний текстолит. При методе ЛУТ такой бутерброд проглаживается утюгом и получается двухсторонняя плата.
Однако, при методе холодного переноса тонера сам перенос осуществляется с помощью жидкости. И поэтому очень сложно организовать процесс смачивания одной стороны одновременно с другой стороной. Это конечно тоже можно сделать, но с помощью специального приспособления - мини пресса (тисков). Берутся плотные листы бумаги - которые впитывают жидкость для переноса тонера. Листы смачиваются так, чтобы жидкость не капала, и лист держал форму. И дальше делается «бутерброд» - смоченный лист, лист туалетной бумаги для впитывания лишней жидкости, лист с рисунком, плата двухсторонняя, лист с рисунком, лист туалетной бумаги, опять смоченный лист. Все это зажимается вертикально в тиски. Но мы так делать не будем, мы поступим проще.
На форумах по изготовлению плат проскочила очень хорошая мысль - какая проблема делать двухстороннюю плату - берем нож и режем текстолит пополам. Так как стеклотекстолит - это слоеный материал, то это не сложно сделать при опредленной сноровке:
В итоге из одной двухсторонней платы толщиной 1.5мм получаем две односторонние половинки.
Далее делаем две платы, сверлим и все - они идеально совмещены. Ровно разрезать текстолит не всегда получалось, и в итоге пришла идея использовать сразу тонкий односторонний текстолит толщиной 0.8мм. Две половинки потом можно не склеивать, они будут держаться за счет запаяных перемычек в переходных отверстиях, кнопок, разъемов. Но если это необходимо без проблем можно склеить эпоксидным клеем.
Основные плюсы такого похода:
Текстолит толщиной 0,8мм легко режется ножницами по бумаге! В любую форму, то есть очень легко обрезать под корпус.
Тонкий текстолит - прозрачный - посветив фонарем снизу можно легко проверить корректность всех дорожек, замыкания, разрывы.
Паять одну сторону проще - не мешают компоненты на другой стороне и легко можно контролировать спайки выводов микросхем- соединить стороны можно в самом конце
Сверлить надо в два раза больше отверстий и отверстия могут чуть-чуть не совпасть
Немного теряется жёсткость конструкции если не склеивать платы, а склеивать не очень удобно
Односторонний стеклотекстолит толщиной 0.8мм трудно купить, в основном продается 1.5мм, но если не удалось достать, то можно раскроить ножем более толстый текстолит.
Перейдем к деталям.
Необходимые инструменты и химия
Нам понадобятся следующие ингридиенты:
Теперь когда все это есть, делаем по шагам.
1. Компоновка слоев платы на листе бумаги для печати c помощью InkScape
Автоматический цанговый набор:
Мы рекомендуем первый вариант - он дешевле. Далее необходимо к мотору припаять провода и выключатель (лучше кнопку). Кнопку лучше разместить на корпусе, чтобы удобнее было быстро включать и выключать моторчик. Остается подобрать блок питания, можно взять любой блок питания на 7-12в током 1А (можно и меньше), если такого блока питания нет, то может подойти зарядка по USB на 1-2А или батарейка Крона (только надо пробовать - не все зарядки любят моторы, мотор может не запустится).
Дрель готова, можно сверлить. Но вот только необходимо сверлить строго под углом 90градусов. Можно соорудить мини станок - в интернет есть различные схемы:
Но есть более простое решение.
Кондуктор для сверления
Чтобы сверлить ровно под 90 градусов достаточно изготовить кондуктор для сверления. Мы будем делать вот такой:
Изготовить его очень легко. Берем квадратик любого пластика. Кладем нашу дрель на стол или другую ровную поверхность. И сверлим в пластике нужным сверлом отверстие. Важно обеспечить ровное горизонтальное смещение дрели. Можно прислонить моторчик к стене или рейке и пластик тоже. Далее большим сверлом рассверлить отверстие под цангу. С обратной стороны рассверлить или срезать кусок пластика, чтобы было видно сверло. На низ можно приклеить нескользящую поверхность - бумагу или резинку. Такой кондуктор надо сделать под каждое сверло. Это обеспечит идеально точное сверление!
Такой вариант тоже подойдет, срезать сверху часть пластика и срезать уголок снизу.
Вот как производится сверление с его помощью:
Зажимаем сверло так, чтобы оно торчало на 2-3мм при полном погружении цанги. Ставим сверло на место где надо сверлить (при травлении платы у нас будет оставаться метка где сверлить в виде мини отверстия в меди - в Kicad мы специально ставили галку для этого, так что сверло будет само вставать туда), прижимаем кондуктор и включаем мотор - отверстие готово. Для подстветки можно использовать фонарик, положив его на стол.
Как уже мы писали ранее, сверлить можно только отверстия с одной стороны - там где подходят дорожки - вторую половину можно досверлить уже без кондуктора по направляющему первому отверстию. Это немного экономит силы.
8. Лужение платы
Зачем лудить платы - в основном для защиты меди от корозии. Основной минус лужения - перегрев платы, возможная порча дорожек. Если у вас нет паяльной станции - однозначо - не лудите плату! Если она есть, то риск минимальный.
Можно лудить плату сплавом РОЗЕ в кипящей воде, но он дорого стоит и его сложно достать. Лудить лучще обычным припоем. Чтобы сдеалать это качественно, очень тонким слоем надо сделать простое приспособление. Берем кусочек оплетки для выпайки деталей и одеваем ее на жало, прикручиваем проволокой к жалу, чтобы она не соскочила:
Плату покрываем флюсом - например ЛТИ120 и оплетку тоже. Теперь в оплетку набираем олово и ей водим по плате (красим)- получается отличный результат. Но по мере использования оплетка расподается и на плате начинают оставаться ворскинки медные - их обязательно надо убрать, а то будет замыкание! Увидеть это очень легко посветив фонарем с обратной стороны платы. При таком методе хорошо использовать или мощный паяльник (60ват) или сплав РОЗЕ.
В итоге, платы лучше не лудить, а покрывать лаком в самом конце- например PLASTIC 70, или простой акриловый лак купленный в автозапчастях KU-9004:
Тонкий тюнинг метода переноса тонера
В методе есть два момента, которые поддаются тюнингу, и могут не получиться сразу. Для их настройки, необходимо в Kicad сделать тестовую плату, дорожки по квадратной спирали разной толщины, от 0.3 до 0.1 мм и с разными промежутками, от 0.3 до 0.1 мм. Лучше сразу распечатать несколько таких образцов на одном листе и провести подстройку.
Возможные проблемы, которые мы будем устранять:
1) дорожки могут менять геометрию - растекаться, становится шире, обычно очень не значительно, до 0.1мм - но это не хорошо
2) тонер может плохо прилипать к плате, отходить при снятии бумаги, плохо держаться на плате
Первая и вторая проблема взаимосвязаны. Решаю первую, вы приходите ко второй. Надо найти компромисс.
Дорожки могут растекаться по двум причинам - слишкой большой груз прижима, слишком много ацетона в составе полученной жидкости. В первую очередь надо попробовать уменьшить груз. Минимальный груз - около 800гр, ниже уменьшать не стоит. Соответственно груз кладем без всякого прижима - просто ставим сверху и все. Обязательно должно быть 2-3 слоя туалетной бумаги для хорошего впитывания лишнего раствора. Вы должны добиться того, что после снятия груза, бумага должна быть белая, без фиолетовых подтеков. Такие подтеки говорят о сильном расплавлении тонера. Если грузом отрегулировать не получилось, дорожки все равно расплываются, то увеличиваем долю жидкости для снятия лака в растворе. Можно увеличить до 3 части жидкости и 1 часть ацетона.
Вторая проблема, если нет нарушения геометрии, говорит о недостаточном весе груза или малом количестве ацетона. Начать опять же стоит с груза. Больше 3кг смысла не имеет. Если тонер все равно плохо держится на плате, то надо увеличить количество ацетона.
Эта проблема в основном возникает, когда вы меняете жидкость для снятия лака. К сожалению, это не постоянный и не чистый компонент, но на другой его заменить не получилось. Пробовал заменить его спиртом, но видимо получается не однородная смесь и тонер прилипает какими-то вкраплениями. Также жидкость для снятия лака может содержать ацетон, тогда ее надо будет меньше. В общем, такой тюнинг вам надо будет провести один раз, пока не закончится жидкость.
Плата готова
Если вы не будете сразу запаивать плату, то ее необходимо защитить. Самый простой способ сделать это - покрыть спиртоканифольным флюсом. Перед пайкой это покрытие надо будет снять например изопропиловым спиртом.
Альтернативные варианты
Вы также можете сделать плату:
Дополнительно, сейчас набирает популярность сервис изготовления плат на заказ - например Easy EDA . Если необходима более сложная плата (например 4-х слойная) - то это единственный выход.
