Лут (лазерно-утюжная технология), определение, как работает

Виды печатных плат

Основания для изготовления электроники разделяются на несколько видов. Они отличаются по конструкции, характеристикам, предназначению. Разновидности плат:

1. Односторонние — конструкции представляющие собой диэлектрические пластинки, на которые с одной стороны нанесён токопроводящий рисунок. Для соединения отдельных контактов на верхнем диэлектрическом слое закрепляются металлические перемычки. Односторонние основания используются при изготовлении недорогой бытовой техники. Связано это с их малой надёжностью, недолговечностью, хрупкой конструкцией.

2. Двухсторонние — на диэлектрическим слое с двух сторон наносятся токопроводящие рисунки, что позволяет устанавливать на основание большее количество электрических элементов, расширить функционал, технические характеристики платы. Отверстия имеют металлизированные вставки. Благодаря им прочность скрепления отдельных деталей с основанием становится надёжнее. Двухсторонние

пластинки считаются наиболее популярными при изготовлении бытовой электроники, компьютеров.

3. Однослойные — элементарная конструкция, состоящая из одной пластинки, прослойки покрытой металлом.

4. Многослойные — сложные конструкции, которые используются при изготовлении сложных приборов, механизмов. Несколько слоёв, расположенных в определённой последовательности, позволяют надёжно закреплять основные компоненты. Количество слоёв выбирается зависимо от требуемых характеристик. Максимальное количество — 40. У многослойных оснований есть ряд недостатков. Это сложности во время изготовления, сложный процесс починки, дороговизна расходных материалов.

5. Гибкие — могут быть односторонними, двухсторонними, иметь несколько слоев. Изготавливаются на гибком основании. Предназначены для соединения отдельных элементов электрического оборудования. Могут заменять собой кабеля.

6. Гибко-жесткие — конструкция представляет собой шлейф, на котором в определённых местах закрепляются жесткие пластинки, с нанесёнными на них токопроводящими рисунками. Используются для соединение жестких плат между собой. Обеспечивают надёжную связку.

7. Жёсткие — плитки, выполненные из жёстких слоев, которые не дают платам деформироваться. Простой пример жёсткого основания — материнская плата, устанавливаемая в компьютерах.

8. Теплопроводные — другие названия этих пластинок ВЧ, СВЧ. Во время изготовления основания используется керамика, чтобы оно выдерживало воздействие высоких температур. Дополнительно керамика повышает жёсткость конструкции.

Зависимо от вида плат изменяются их характеристики, внешний вид, размер, возможности.

Травление платы

Есть множество растворов для травли плат, но в данной статье использован для травления раствор перекиси водорода с лимонной кислотой. Следует опустить плату в раствор, и смотреть на реакцию травления, иногда реакция настолько быстрая и бурная, что можно ощутить тепло от платы в конце процесса. После травления платы можно увидеть результат – места, не покрытые тонером, были лишены слоя меди, остались только дорожки и символы, которые под слоем тонера. Далее потребуется растворитель 646 и тряпочка, например, одноразовая салфетка или тряпка для протирания пыли. Необходимо слегка смочить тряпку в растворителе, и оттереть тонер с поверхности заготовки.

Разработка и изготовление макета

Чертеж платы можно выполнить вручную или на компьютере с помощью одной из специальных программ.

Вручную лучше всего выполнять рисунок платы на бумаге от самописцев в масштабе 1:1. Подходит также миллиметровая бумага. Устанавливаемые электронные компоненты должны изображаться в зеркальном отражении. Дорожки одной стороны платы изображаются сплошными линиями, а другой – пунктирными. Точками отмечаются места крепления радиоэлементов. Вокруг этих мест рисуют паечные площадки. Все чертежи обычно выполняют рейсфедером. Вручную, как правило, делают простые рисунки, более сложные схемы печатных плат разрабатывают на компьютере в специальных приложениях.

Чаще всего используют простую программу Sprint Layout. Для печати годится только лазерный принтер. Бумага должна быть глянцевая. Главное, чтобы тонер не въедался, а оставался сверху. Принтер нужно настроить так, чтобы толщина тонера чертежа была максимальной.

Промышленное производство печатных плат начинается с ввода принципиальной схемы прибора в систему автоматизированного проектирования, которая создает чертеж будущей платы.

Изготовление печатных плат лазером

Способ придуман случайно, но оказался очень хорош для простых плат. Этот метод требует некоторого объяснения. Встал вопрос как вырезать рисунок траектории дорожек и ненужные элементы с помощью лазера, а затем снять его? После такой процедуры все равно нужно удалить светочувствительный слой, то есть промыть его раствором NaOH (каустическая сода). После этого как обычно травить.

Начало удаления ненужных мест.

После травления вид далее.

Есть небольшие сдвиги на колодках в верхней части платы. Однако это особо не беспокоит.

Идем дальше, а как насчет больших печатных плат? Идея та же, но задействовал программу CopperCAM, используемую для фрезерования печатных плат. Итак, обезжириваем, красим тонким слоем краски и прожигаем. Помещаем файлы Gerber в CopperCAM и сохраняем результат в DXF.

После открытия файла Гербера выбираем отмеченную опцию из меню.

И увидим окно с настройками.

В верхнем поле введите количество раз, которое лазер (резак) должен обойти дорожки, а в нижнем дополнительный обход контактных площадок. После ввода соответствующих значений программа начинает отображать полученный файл.

После увеличения видны дополнительные траектории инструмента.

Сохраняем файл в одном из многих предлагаемых форматов. После сохранения в формате, который поддерживает нашу программу гравировки, приступаем к работе.

После сжигания и удаления сгоревшей краски.

И после травления можете увидеть эффект. Есть небольшие недостатки, но об этом ниже.

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.

Лужение заготовки

Следующий этап процесса – лужение дорожек. Для данной заготовки использовался сплав Розе, в отличие от сплава Вуда, он не имеет кадмия и потому не так токсичен. Преимущество этого метода лужения перед другими в аккуратности и эстетичном виде изделия. Так как сплав Розе плавится при температуре +94 градуса, для повышения точки кипения используется жидкий глицерин, который можно приобрести в любой аптеке за копейки. Также надо добавить чайную ложку лимонной кислоты – она служит своеобразным флюсом. Еще потребуются две деревянные палочки, подойдут те, что подают к китайской еде. На конец одной палочки надевается специальный тампон из тканевого материала. Также желательно приобрести резиновый шпатель небольших размеров, например, из авто-магазина.

После того, как сплав стал жидким, в виде светлой капли, похожей на ртуть, следует водить эту каплю тампоном с мягким наконечником по поверхности платы, без резких движений

Важно следить, чтоб сплав покрывал все участки заготовки, подготовленной для лужения. Можно вынуть и проверить визуально, на предмет непролуженности отдельных участков

При необходимости повторить процедуру, кинув другую гранулу сплава. По завершении лужения платы, следует достать резиновый шпатель и, удерживая плату палочкой, прямо в кипятке снять излишки металла на поверхности заготовки, проводя шпателем по ней. Остатки сплава Розе можно в том же кипятке собрать в одну большую каплю и использовать в следующий раз. Заготовку следует промыть проточной водой и высушить.

Инструкция по изготовлению печатных плат

Рисунок платы

Фольгированный текстолит

Хлорное железо в продаже

Хлорное железо в кристаллах

Ванночка для травления

Ванночка для травления плат

Готовая самодельная плата

• 1.    Понадобится для будущей платы текстолит, или стеклотекстолит.
• 2.    Вырезаем аккуратно, предварительно разметив нужные размеры из куска, с небольшими припусками, я делаю примерно больше заготовку на 1 см, так лучше прижимать особенно малые платы потом, плюс еще часть уйдет  на распилку, шлифовки и прочее.
• 3.    После того как нужный кусок отрезан, берем наждачку покрупнее и проходимся ей по краям, чтобы не было зазубин, которые мешали бы прижатием.
• 4.    Шлифуем мелкой наждачкой саму поверхность фольги аккуратно чтоб блестела.
• 5.    Проходимся и смываем медную пыль после шлифовки растворителем 646.
• 6.    Ждем пока высохнет от предыдущего процесса, распечатываем на лазерном принтере на глянцевой бумаге то что есть с программы предварительно нарисовав дорожки и макеты какие требуются.
• 7.    Проверяем то что напечатали, печатать надо с большим разрешением принтера, которое только возможно, и с выключенной экономии тонера.
• 8.    Прикладываем заготовку, я приклеиваю края бумажным малярным скотчем, и утюжим с хорошим усилием минуты 2-3 разогретым утюгом с температурой 180-220 градусов в зависимости от того, какую температуру плавления имеет тонер.
• 9.    Ждем пока остынет, не трогаем вообще ничего – остыть должно само собой медленно. Не надо ложить плату в морозилку, под вентилятор, за окно, в воду, тонер должен высохнуть как ему и полагается и только так надежно схватиться. Тут нужно время, как правило это 10-15 минут и надо запастись терпением.
• 10.    Берем ванночку подходящих размеров, наливаем обычную прохладную воду примерно половину, кладем все это дело с бумагой после остывания, ждем пару минут и начинаем снимать и оттирать бумагу, действовать надо аккуратно, все делаю руками без подручных средств.
• 11.    Берем такую же ванночку из пластика, не металла точно, хлорное железо (1-2 ложки на 200-300 грамм воды) разбавляем подогретой водой 40-50 градусов ждем пока смесь размешается как следует и перестанет активно пузырится.
• 12.    Плату канцелярским двухсторонним скотчем приклеиваем к кусочку пенопласта от упаковочного материала, отправляем в плавание чуть покачав и хорошо дав промокнуть чтобы чуть притонула, и ждем, тут надо некоторое время.
• 13.    Пока раствор свежий, травится печатная плата как правило 15-30 минут, после чего плату вытаскиваем, когда дорожки будут формы как в программе откуда печатали – и промываем под краном от остатков хлорного железа.
• 14.    Берем ватку и ацетон – снимаем тонер который покрывал дорожки, хорошо прочищаем им чтоб не осталось и следа.
• 15.    Шлифуем платку мелкой наждачкой от окислов и моем еще раз растворителем.
• 16.    Все, можно покрыть раствором ЛТИ-120 и приступить к лужению.
• 17.    После того как плата залужена, даем ей остыть и производим сверловку.
• 18.    Проводим шлифовку обратной стороны, обрезку краев и придаем эстетически красивый и нужный вид и форму плате.

   Обсудить статью ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

Перевод макета на плату

Теперь наша пластина готова, и мы можем переносить рисунок. Аккуратно берем нашу бумажку из-под самоклейки и кладем ее тонером вниз на текстолитовую пластину.

Далее разогреваем утюг до максимальной температуры и после нагрева начинаем проглаживать нашу бумагу с рисунком. В начале операции обязательно придерживайте бумагу, чтобы она не съехала. Проглаживаем очень внимательно от центра к краям, нельзя пропускать ничего, каждый участок надо хорошо пройти. Сильно давите на утюг и не стесняйтесь.

Это крайне важный этап, ведь от него зависит качество платы. После тщательной глажки убираем утюг и снимаем бумагу. В крайнем случае, если увидите какой-то косяк в итоге, то это можем исправить при помощи перманентного маркера на спиртовой основе. Данное исправление никак не влияет на итоговый результат.

Исправление маркером требует некоторого навыка. Суть в том, что недостаточно просто нарисовать тоненькую линию, ведь и после травления она будет тонкая

Важно, чтобы она была «жирной». Попробуйте провести на отрезке текстолита линию, потренируйтесь

В принципе, вы можете использовать только маркер для составления рисунка печатной платы, но даже в нашей схеме это очень непросто.

Перенос трафарета на фольгу стеклотекстолита

Разогреваем утюг — можно современный, а можно советский, здесь главное чтобы была температура. Кладем печатную плату фольгой вверх на какую-то не нужную книгу (в моем случае такой оказался справочник по устаревшему Flash MX 2004) или стопку газет.

Это нужно чтобы плата могла немножко деформироваться, а также чтобы не повредить стол или другую рабочую поверхность воздействием температуры.

Рис. 4. Подготовка к переносу тонера с трафарета на медную поверхность стеклотекстолита.

Аккуратно, не касаясь тонера и отшлифованной поверхности, кладем трафарет стороной с тонером на вырезанную платку. Подгоняем чтобы все сходилось хорошо, можно этот «бутерброд» перевернуть и проверить не вышла ли какая-то дорожка за пределы стеклотекстолита.

Кладем платку с приложенным трафаретом на книгу/газеты и начинаем с небольшим усилием прогрев — от середины перемещаем в одну из сторон, потом не поднимая утюг перемещаем его в другую сторону.

Теперь, приложив немного большее усилие, начинаем как бы «втирать» трафарет в печатную платку по всей ее поверхности. В завершение можно еще пройтись утюгом с одной стороны в другую.

Теперь трафарет должен быть очень плотно приклеен к поверхности печатной платы. Также не помешает визуальный осмотр — если где-то какую-то область пропустили или же она пристала плохо, то берем утюг и пробуем исправить этот недочет.

Рис. 5. Трафарет приклеен тонером к медной поверхности платки из стеклотекстолита с помощью температуры.

Шаг 4: травление меди

Здесь начинается веселье: вылейте хлорное железо в пластиковую ванну. Эти работы лучше выполнять в хорошо проветриваемом помещении!. Чем температура хлорного железа выше, тем быстрее будет идти реакция. Поэтому, если вы делаете плату в жаркий день, оставьте бутылку на солнце, прежде чем начнете делать плату, и к тому времени, когда вы доберетесь до этого шага, хлорное железо успеет нагреться. Чтобы сделать обработку платы более простой и безопасной, я обычно сверлю в ней отверстие и вставляю в него провод или нитку, хотя это и необязательно

Перед тем как опустить плату в хлорид железа, обратите внимание на ее положение; если у вас лист двухстороннего стеклотекстолита, и вы не используете вторую сторону, то поместите плату неиспользуемой стороной вниз. Какая бы сторона ни была направлена вниз, она будет вытравлена быстрее, а вам нужно убедится, что на неиспользуемой стороне не осталось меди

После того как вы опустили плату в ванну, аккуратно почистите кисточкой сторону платы с нанесенным рисунком; это поможет пройти травлению более быстро и равномерно.

Этот процесс займет довольно много времени: вы, скорее всего, в первые 8 минут не увидите даже начала исчезновения меди. Хлорное железо будет вытравливать медь постепенно, и вы сможете увидеть прогресс. Если у вас плата большая, то это займет больше времени, но, как правило, примерно через 20 минут, плата будет вытравлена полностью, после чего вы должны будете вынуть ее и поместить в ванну с мыльной водой, нейтрализующей хлорное железо. Здесь вы можете увидеть синюю ванну с водой и мылом, подготовленную для вытравленной платы:

После очистки платы вы должны получить чистую плату с черным тонером на защищенных участках меди, как показано ниже:

Снова воспользуйтесь металлической мочалкой, чтобы счистить тонер с медных дорожек.

После обрезки лишних частей вы получите новую, готовую к пайке, печатную плату. Дважды проверьте все дорожки, чтобы убедиться, что ни одна из них не была нарушена в процессе изготовления. Если вы делаете плату со сквозными отверстиями, то воспользуйтесь дрелью с очень маленькими сверлами. Поздравляю, вы готовы припаять к плате компоненты схемы!

Этот метода поможет вам изготавливать печатные платы, если нужно сэкономить или выполнить работу быстро. Однако стоит знать, что в интернете есть несколько мест, где можно заказать изготовление небольшой партии печатных плат (от 5 штук).

Размачивание бумаги, промежуточная очистка

Теперь нужно отделить бумагу от стеклотекстолита чтобы на нем остался только перенесенный тонер. Для этого готовим небольшую ванночку с теплой водой (температурой ~40°). Окунаем в воду нашу плату и даем бумаге размокнуть примерно 10-20 минут.

Рис. 6. Размачиваем приклеенную бумагу в теплой воде.

Когда бумага промокнет можно пробовать ее отделять, начиная с одного из краев стеклотекстолита.

Рис. 7. Пробуем аккуратно отделить размокшую бумагу от стеклотекстолита.

Здесь важно не спешить, сперва понемногу снять верхний слой, который достаточно легко отдирается

Рис. 8. Верхний слой бумаги отделен.

На данном этапе уже можно увидеть примерный рисунок печатной платы — дорожки из тонера, который плотно пристал к медной поверхности.

Теперь, когда мы сняли верхний слой и убедились что бумага промокла достаточно хорошо, можно приступить к уборке оставшихся ее частиц.

Если прижать палец к платке и провести его вдоль то размоченная бумага начнет скатываться в рулончики, также для этого можно попробовать применить кусочек ватки.

Выполнять данную операцию нужно с аккуратностью, вы должны прочувствовать необходимое давление, достаточное для отделения бумаги и безопасное для того, чтобы не содрать тонер с медной поверхности платы. Будьте особо аккуратны в тех местах, где расположены тоненькие дорожки.

Если все же какая-то дорожка из тонера немного стерлась, то не переживайте — это мы потом исправим.

Рис. 9. Убираем остатки размоченной бумаги.

Даем плате просохнуть и приступаем к очередному этапу очистки, который нужен чтобы по возможности убрать оставшиеся частички бумаги приклеившиеся не к тонеру а к меди.

Намачиваем ватку в этиловый спирт (можно купить в аптеке) и с небольшим усилием начинаем очищать поверхность дорожек из тонера от микрочастиц бумаги (тонер не растворяется под воздействием спирта).

Всю бумагу отделить конечно же не получится (да и не нужно), поскольку часть из нее уже плотно склеена с тонером, нас больше интересуют именно те участки, где остались небольшие кусочки бумаги прилипшей к медной поверхности — к примеру это могут быть промежутки между дорожками, отверстия и т.п.

Поэкспериментировав и убедившись что при очистке тонер на дорожках остается на месте и все хорошо, можете попробовать немного увеличить усилие чтобы убрать кусочки бумаги в отверстиях под сверление.

После этой процедуры даем платке высохнуть, на это потребуется несколько секунд (спирт выветривается очень быстро).

Рис. 10. Предварительная очистка поверхности платы с тонером с помощью ватки и спирта.

8Лужениепечатной платы

Лудим изготовленные печатные платы. Смываем бензином или спирто-бензиновой смесью остатки флюса.

Лужение печатной платы

Осталось только выпилить платы и смонтировать радиоэлементы!

Выводы

При определённой сноровке «лазерно-утюжный метод» подходит для изготовления несложных печатных плат в домашних условиях. Чётко получаются проводники от 0,2 мм и толще. Времени на подготовку, эксперименты с подбором типа бумаги и температуры утюга, травление и лужение уходит примерно от 2 до 5 часов. Когда вы найдёте оптимальное сочетание, затрачиваемое на изготовление платы время составит менее 2 часов. Это гораздо быстрее, чем заказывать платы в фирме. Денежные затраты также минимальны. В общем, для простых бюджетных радиолюбительских проектов метод рекомендуется к использованию.

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.