Хомяки приветствуют всех обитателей земного шара.
Сегодняшний выпуск будет посвящен созданию печатных плат с помощью пленочного фоторезиста. В ходе фильма, проведем расследование и узнаем какой вид печати лучше.
Под микроскопом, посмотрим у какого принтера выше детализация и сравним конечные результаты работы с лазерно-утюжным методом, который по утверждениям многих людей есть золотой срединой между скоростью производства и качеством готовой продукции.
Прежде чем приступить к рассмотрению основной теме выпуска, давайте разберем способы и виды монтажа электронных схем, которые существуют.
Лет 15 назад мною была собрана первая схема простого мультивибратора с мигающими лампочками. Тогда все приходилось размещать на куске гетинакса, а ножки элементов соединялись кусками проводов. Такой способ просуществовал не долго, на смену ему пришла новая технология.
Это автомобильный вольтметр, светодиоды тут служат для визуальной оценки уровня напряжения на автомобильной батарее. Если взглянуть на обратную сторону, то можно увидеть криво процарапанные площадки со следами размазни припоя. Дорожки выцарапывались с помощью заостренного надфиля, так как сталь там хорошая.
Программатор для PIC контролеров - следующая ступень эволюции плат, которая произошла с появлением маркеров для дисков на лаковой основе. Если быть вкратце все дорожки рисовались вручную с соблюдением размеров элементов, затем эти художества вытравливались, напаивались детали и вуаля, готово.
Следующий вариант сборки осуществляться на макетных платах, такой способ хорош тогда, когда схема имеет небольшие размеры.
Ну и как же не вспомнить старый добрый навесной монтаж, собранный на соплях, порой этот способ необходим для проверки работоспособности своей или чужой схемы в целом.
Таким образом, шаг за шагом мы постепенно перешли к основной теме.
Для фоторезистивного метода основным условием качества является фотошаблон, который печатается на специальной пленке струйным или лазерным принтером.
В данном эксперименте основным конкурентом будет принтер EPSON XP330
Для струйной печати нам понадобиться прозрачная пленка фирмы Lomond, она быстро сохнет, прекрасно держит водорастворимые и пигментные чернила. Максимальное разрешение печати 2880 dpi. Основа пленки полиэстер, на одной из сторон которой имеется хитрое покрытие, напоминающее желатин который впитывает краску и не дает ей расползтись по сторонам. Цена за лист около 0.60$. После печати лист который получился, руками не лапаем и даем время высохнуть краске. Достаточно 5-10 минут.
Теперь поговорим немного о лазерным принтерам.
Пленка для печати тут несколько отличается, она одинаково глянцевая со всех сторон и немного тоньше, поэтому не имеет значение на какой стороне вести печать. Фирма так же Lomond, материал пленки полиэстер для аппаратов с высоким температурным режимом. Цена листа около 0.40$. В отличии от струйного принтера, тут возможности несколько шире, так как помимо фотошаблонов для фоторезиста можно вести печать для лазерно-утюжного метода, где используется перенос тонера с одной поверхности на другую, чего с обычной краской такое не сделать.
Вот основные типы которыми пользовался:
1) Термотрансферная бумага, одна сторона у нее покрыта каким то слоем фторопласта, от которого порошок легко отлипает.
2) Страницы глянцевого журнала.
3) Бумага рекламных страниц из почтовых ящиков.
4) Пищевая фольга из ближайшего магазина.
5) Пергаментная бумага для выпекания и высокотемпературная пленка для запекания вкусняшек в духовке показали себя не с лучшей стороны, так как прекрасно жевались барабаном лазерного принтера, что вызвало ряд геморроя в следствии извлечения мелких порванных фрагментов материала.
Дальше нам нужен сам шаблон проверки. Скачать можно тут - https://vk.com/hamstertime
Печать будем вести из программы Sprint Layout 6.0 думаю, название многим знакомо, так как это софт для проектирования и разводки печатных плат. Начнем со струйного принтера.
Когда мы создали шаблон, заходим в раздел печать, смотрим, чтоб цвет дорожек был черный. Так как фоторезист у нас будет негативный, ставим галочку негатив! В нашем случае изображение делаем зеркальным, это с расчета, что сторона печати всегда была со стороны печатной платы при засвете. Дальше делаем 2 копии изображения и выставляем зазор между ними 5 мм. Жмем ОК. Переходим в пункт принтер, свойства, выбираем бумагу премиум презентейшен пейпер, качество печати ставим максимальное. На этом все, настройки завершены!
С лазерными принтерами оказалось все не так просто. Эта модель самая дорогая из тестируемых, она стоит 222$. Количество тонера программно было выставлено на максимум. При печати принтер зажевал термотрансферную бумагу. С пленкой все было в порядке, так выглядит фотошаблон. Можно отметить, что сам лист запачкался пунктирной линией, часть драгоценной прозрачной бумаги испорчено.
Следующая модель HP LaserJet 1200, зажевала безвозвратно два листа пленки, на третий раз удалось родить шаблон. Такая большая зернистость из-за того, что барабан с тонером неоднократно перезаправлялся. В настройках принтера даже не было выбора качества отпечатков! Эта коробка полное дно.
Последний экземпляр модель Canon i-SENSYS LBP6000, настройки качества на максимуме. Все фотошаблоны вышли разные, но для будущего теста мы выберем первый экземпляр, так как тонер там лег равномерней всего.
Сравним на просвет лучшие результаты печати лазерника и струйника. Для этого используем подсветку от старого монитора. Разница кардинально отличаться. Если совместить три образца лазерного отпечатка вместе, то мы только приблизимся к одному слою отпечатка на струйнике. А теперь представьте что дорожки у нас 0.1 мм, попробуйте, совместите три слоя пленки так, что б дорожки не перекрыли друг друга.
Теперь обратимся за помощью к последнему слову техники. Это "Супер Айс". Если верить надписи, этот бинокль способен увеличивать изображение в 500 раз, что даст возможность разглядывать отдельные атомы в клетках ДНК. Но это нас мало интересует, поэтому поглядим, что у нас тут на шаблоне нарисовано.
Толщина дорожек в верхнем ряду 0.1 мм, расстояние между дорожками так же 100 микрон. При детальном рассмотрении видно как укладывались отдельные капли краски, которые выплевывали дюзы картриджа. Но это позитивное изображение, в негативе все несколько отличается, ровные линии отпечатались, а вот цифры 1 и 2 куда-то исчезли.
У лазерника оказались другие проблемы, линии в 0.1 мм. отпечатались толще, а промежутки между ними в некоторых местах вообще слились. Цифры 1 и 2 толщиной в 0.1 мм, и цифры 3 и 4 в 0.2 мм. вышли одной толщины. На этом сравнение печати на пленках можно считать исчерпывающим.
Дальше переходим к стеклотекстолиту, размечаем наше устройство на слое меди, и запускаем самый сложный и опасный механизм работы с канцелярским ножом. Процарапывать слой нужно несколько раз с одной стороны, и около десятка с другой, все зависит от толщины стеклотекстолита.
Но это еще не все, на местах реза выходят довольно грубые края, от них нужно избавится, делать это будем старым классическим методом с участием наждачной бумаги.
Затем нам понадобиться любой порошок для чистки кастрюль. Нанесем этой пыльцы, сколько не жалко, и начнем ее втирать в медную основу куска платы. И не нужно мне рассказывать, что вы мелким наждаком шкурите, это вообще вандализм какой-то. Вот пример работы до чистки и после.
Теперь достаем светозащитный тубус с волшебной пленкой. Это пленочный фоторезист RISTON-200, он листовой, сухой, негативный. Ширина 300 мм, продается как в погонных метрах, так и в листах размера А4. Цена 3$ за метр. Хранить его нужно в темноте, иначе светочувствительный слой испортиться.
Прикладываем кончик к плате, и плавно разглаживаем пленку. Теперь процесс больше похож на тонировку стекол. Если ее наклеить сразу всей площадью, то ничего путного из этого не выйдет!
Сам фоторезист можно засвечивать как ультрафиолетовой лампой, так и обычной лампой дневного света, и сейчас я это докажу на деле. Мощность такой лампы 20 Вт. Завинчиваем ее в патрон с электронным таймингом и запускаем механизм ровно на 5 минут.
Рядом с лампой стоит заранее приготовленный раствор с щелочью, который смоет участки попавшие в зону действия световых лучей. Теперь повторим эксперимент, только уже с ультрафиолетовой лампой.
Первое что бросается в глаза, это матовая поверхность фотослоя при работе с лампой дневного света (она находиться слева) при одних и тех же условиях. Тут можно попытаться увеличить время засвета или лампу мощнее поставить, этот способ имеет право на жизнь! Хоть и по качеству чуть хуже, так как проявились разрывы на дорожках. Но их всегда можно заштриховать маркером для дисков или цапонлаком, который кстати тоже можно применять для рисования дорожек.
Увлеченные рассмотрением видов ламп, мы умудрились перепрыгнуть важный этап, откуда мы узнали, что засвечивать фоторезист нужно именно 5 минут!? Все очень просто. Нужно сделать экспонирование светочувствительного слоя. Для этого выставим на таймере время 10 минут. Лампу установим на высоте 10 см. над поверхностью. Светить будем на тот самый шаблон, который рассматривали под микроскопом. Там 10 одинаковых секторов. С помощью фольги каждую минуту будем открывать новый сектор. Таким образом, в конце выйдут 10 участков с разным временем выдержки. Так делали фотографы при проявлением фотобумаги в специальном растворе.
Для проявления дорожек нам понадобиться щелочной раствор (Кальцинированная сода). Черпаем его ложкой и отмеряем от 15 до 20 грамм на литр. Если сделать слишком концентрированный раствор, то начнут слазить дорожки, которые нам нужны.
Невооружённым глазом видно что чем больше время экспонирования, тем темней дорожки. Для одной минуты результат вообще не внушает доверия. Вывод следующий: дорожки в 0.1 и 0.2 мм вышли лучше всего на 10 минутах засвета. Дорожки в 0.3 мм выходят хорошими уже после 4 минуты.
Что ж это будет за сравнение, если мы не затронем лазерно-утюжную технологию. Достаточно активно пользовался этим методом в универе. Возьмем изображение на термотрансферной бумаге. Через тонкую салфетку с помощью хорошо нагретого утюга прогреваем плату в течении 30 секунд. Затем на горячую, пытаясь не обжечь пальцы, кладем на верх изображение тонером вниз. Он сразу начинает липнуть, и вряд ли куда то ускользнет. Приятно то, что термотрансфер стазу отлипает после того, как отдал весь тоннер...ну почти весь. Изображение перебилось, но оно требует правки. Мы не гордые, маркера нам не жалко, заштрихуем. Газетами мы пользовались в студенские года, принцип тут тот же. Прогреваем плату, кладем изображение, прогреваем. Только под конец бумагу нужно размочить в воде, что б убрать ее механическим способ. Результат с двух попыток не удалася. Хотя и тогда были с этим проблемы, не говоря уже о повторяемости, как это можно сделать с фоторезистом.
Теперь обратимся за помощью к телескопу хаббл для межпланетных наблюдений. Внимательно рассмотрим один участок на обоих платах. Левая пленка печаталась на принтере ХР330, а правая на дорогущем лазернике НР M252. Дорожки у лазерника намного толще, фоторезистивный слой в некоторых местах не смылся из за значительного рассеивания света тонером и флюоресцирующий свойств самой пленки.
Ну что ж, результаты получили, пора вытравливать платы.
Одни для этого пользуются медным купоросом, другие, персульфат натрия, третье смесью перекиси водорода с лимонной кислотой, даже соляная кислота в ход идет. Мне же по душе старое доброе хлорное железо. Единственный его минус, это испорченная одежда в случае, если капли раствора попадут на нее. Потому нужно действовать аккуратно. Заливаем кристаллы теплой водой и тщательно все перемешиваем, берем самую большую кастрюлю и по центру ее размещаем банку с получившиеся раствором. Кипятим чайник и заполняем объем кастрюли горячей водой для поддержания постоянной температуры внутри банки. Это ускорит процесс травления. Для удобства контроля процесса растворения меди, с помощью обычного скотча клеим полосу на обратной стороне платы. Очень хорошее решение тем, что это позволяет одновременно крепить образец к банке, и в процессе проверять готовность нашего блюда.
Вот такие у нас результаты. С лазерной пленкой получилась не то что ожидалось, дорожки вышли толще и в некоторых местах послипались, в то время как на струйном принтере вышло все не так плохо, даже на оборот - хорошо. Лазерно-утюжный метод на дорогом принтере финишировал на третьем месте, так как вышло много дефектов которые покажу чуть позже.
Теперь время избавиться от слоя фоторезиста поверх дорожек, он нам больше не нужен. Делать это можно с помощью ацетона или гидроксида натрия, второе название которого "Крот" для чистки труб. Надрезаем уголок упаковки и высыпаем чуток содержимого в емкость с водой. Окунем в раствор наши платы.
Тонер пришлось удалять механическим способом, так как щелочь его не берет, а ацетон как назло закончился.
Газета сегодня хоть и выбыла из соревнования, но с ее помощью, тоже какой никакой результат выходил. Вот самый хороший результат, который удавалось получить. С первого взгляда вроде ничего, если взглянуть ближе то вроде края какие-то размазанные, а если еще ближе присмотреться ...ну нахер!
Лазерно-утюжный метод у меня прижился только в качестве подписей контактов на сложных платах типа ардуино, в уме все пины попросту не запомнить.
Для серьезных проектов использовать тонер нецелесообразно, дорожки получается рваным, а на поверхности могут быть раковины. Это обусловлено пористой структурой тонера, вследствие чего травящий раствор все же проникает куда надо, и вытравливает места, которые не надо.
Это результат пленки с лазерного принтера. Тут было насчитано около пяти мест, где слиплись дорожки. С фотошаблоном от струйного принтера результаты вышли лучше всего.
Главным условием этого испытания было то, что платы должны быть для планарного исполнения, то есть для SMD компонентов. Размеры при этом чуть меньше чем у спичечного коробка. Порадовал высокий уровень передачи детализации, вот к примеру, небольшой дефект на пленке, его же прекрасно видно на слое фоторезиста. Конечный результат, этот же дефект на трех одинаковых платах. Поэтому требования к выбору способа печати на фотошаблоне должно стоять на первом месте. От этого зависит и толщина дорожек, качество исполнения и повторяемость...
Готовую плату необходимо залудить, делать можно в низкотемпературном сплаве вуда, сплаве розе, или обычным припоем. Иначе все дорожки через время покроются слоем оксидов и зелени. Можно делать защиту с помощью фотомаски, но это тот еще геморрой. Вот пример планарного монтажа на плате, которую мы сегодня с вами сделали. Между прочем она еще как бы намекает на тему в одном из следующих выпусков.
И так подведем итог. Использование хорошего струйного принтера совместно с пленкой для печати дает большие перспективы в домашнем производстве фоторезистивных печатных плат. И не важно, что лазерная технология намного шире, так как по качеству она отстает.
Как гласит народная мудрость, лучше меньше да лучше!
