Нанесение защитного рисунка

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 01.12.2021
Создано при помощи КотоРед.

     Добрый день, уважаемые радиолюбители.

     В предыдущей части данной статьи я рассказывал вам о подготовке поверхности заготовки из фольгированного стеклотекстолита на первых этапах изготовления печатной платы.

     Сегодня мы продолжим разговор об изготовлении печатных плат в домашних условиях и разберемся со способами переноса на заготовку защитного рисунка.

     В настоящий момент существует не так много способов переноса защитного (и получения проводящего) рисунка, доступных радиолюбителям в домашних условиях.

     Наиболее распространёнными способами являются ЛУТ (лазерно-утюжная технология и различные её варианты) и фоторезистивная технология. Из морально устаревших можно выделить рисование защитного рисунка вручную (специализированным маркером, лаком и т.д. и т.п.), а также резку необходимого проводящего рисунка всевозможными резаками (в т.ч. самодельными) [1,2,3].

     Суть в том, что на поверхности фольгированного стеклотекстолита необходимо сформировать любым из способов надёжный защитный рисунок. Рисунок должен быть устойчив к применяемым на следующем этапе изготовления печатной платы травильным растворам и надежно защищать покрытые участки от повреждения.

     Условно самым простым способом является рисование защитного рисунка вручную специализированным маркером либо лаком. С другой стороны, для нанесения более и менее качественного и презентабельного рисунка необходимо обладать определёнными художественными (чертёжными) навыками. Основным недостатком данного способа является практическая невозможность нанесения линий под будущие печатные проводники уже 0.5-0.6 мм. Специализированный маркер с узким кончиком нужно ещё суметь найти, а рисовать дорожки кистью (пером или чем-то подобным), например, под микросхему или разъём подобной ширины – «удовольствие» для истинных ценителей классики… Но факт остаётся фактом – данный способ долгое время использовался достаточно активно для изготовления печатных плат радиолюбителями в домашних условиях.

     Другим способом, ставшим наиболее массовым среди радиолюбителей вместе с распространением лазерных принтеров стал ЛУТ. Про ЛУТ на просторах интернета и в радиолюбительской литературе написано достаточно много статей и снято множество обучающих роликов – поэтому рассматривать подробно его не будем. Выделим только суть.

     Суть способа заключается в том, что защитный рисунок будущей печатной платы в зеркальном отображении распечатывается на лазерном принтере на одном из типов бумаги (кто-то использует для этого фотобумагу, кто-то использует глянцевые журналы и газеты, кто-то бумагу для термопереноса и пр.). После этого рисунок прикладывается к подготовленной поверхности заготовки из фольгированного стеклотекстолита и проглаживается утюгом (прогревается термопрессом и пр.) с температурой поверхности, незначительно превышающей температуру плавления тонера – расплавленный тонер прилипает к поверхности стеклотекстолита и формирует защитный рисунок.

     После этого необходимо подождать некоторое время пока заготовка остынет до комнатной температуры и удалить остатки бумаги (просто аккуратно поддев с одного из краёв либо предварительно размочив под струёй воды – в зависимости от применяемой бумаги). На выходе мы получим заготовку с нанесённым защитным рисунком. Необходимо внимательно проверить защитный рисунок и при отслаивании частей тонера дорисовать необходимые участки специализированным маркером либо лаком. На данном этапе заготовка уже готова к травлению.

     Основными достоинствами данного способа являются:

• относительная простота процесса переноса защитного рисунка;
• низкая стоимость;
• небольшой спектр необходимого оборудования и расходных материалов.

     Основными недостатками данного способа являются:

• сложность изготовления дорожек уже 0.4-0.5 мм (хотя есть умельцы, делающие дорожки вплоть до 0.35 мм);
• сложность изготовления полигонов большой площади при использовании некоторых моделей лазерных принтеров (не всех!);
• неудовлетворительная повторяемость защитного рисунка с мелкими элементами даже при тщательной подготовке поверхности.

     Некоторое время я сам в т.ч. изготавливал печатные платы именно таким способом. Линии от 0.5 мм обычно получаются достаточно качественными и на бумаге, и после переноса на заготовку.

     Если же линии уже 0.4-0.5 мм, то использованного принтером тонера достаточно для получения качественного отпечатка на бумаге, но недостаточно для качественного переноса рисунка. Отчасти это связано с частичками прилипающей при переносе бумаги (и покрытия с глянцевой бумаги) на защитный рисунок. Фактически в таких местах отпечаток получается неравномерным, а местами тонер практически отсутствует (т.е. защитный рисунок является пористым, но это выявится уже при травлении печатной платы, когда остатки бумаги будут вымыты при длительном нахождении в травильном растворе).

     На больших же полигонах некоторые принтеры используют режим экономии тонера с различными алгоритмами уменьшения расхода на единицу площади плюс сказывается сам алгоритм получения отпечатка в подобных принтерах. Данного тонера банально недостаточно для получения качественного отпечатка на заготовке при переносе защитного рисунка. При этом настройки принтера либо ощутимо не влияют на подобные алгоритмы, либо их нет вообще как таковых.

     Именно эти обстоятельства вынудили меня отказаться от ЛУТ и перейти на фоторезистивный способ несмотря на то, что одной из целей покупки лазерного принтера было именно изготовление печатных плат в домашних условиях (и даже несмотря на то, что в сервисном меню принтера удалось накрутить некоторые настройки – я все равно в итоге отказался от данного способа) [4].

     Возможно несколько позже я напишу отдельную статью про изготовление печатных плат методом ЛУТ с основными замечаниями и фотографиями некоторых моментов, но на данном этапе я не вижу в этом практического смысла.

     Наиболее перспективным на мой взгляд способом изготовления печатных плат в домашних условиях является фоторезистивный способ. Фактически данный способ является упрощённым и адаптированным вариантом одного из промышленных способов изготовления. Вот об этом-то способе мы и поговорим наиболее подробно.

     Суть в том, что для переноса защитного рисунка на поверхность заготовки используются так называемые фоторезисты. Что такое фоторезист? Фоторезист — это такой полимерный светочувствительный материал. По типу светочувствительного материала все фоторезисты можно разделить на позитивные, негативные и обратимые [5].

     Позитивный фоторезист – это такой светочувствительный материал, в котором проэкспонированные (засвеченные) области становятся растворимыми и после проявления разрушаются. Такие фоторезисты чаще всего позволяют получать изображение с более высоким разрешением, но и стоят при этом дороже.

     Негативный фоторезист – это такой светочувствительный материал, в котором проэкспонированные области, наоборот, полимеризуются и становятся нерастворимыми. Несмотря на меньшее разрешение фоторезисты данного класса обычно более устойчивы к травлению и обладают более высокой адгезией к поверхности, нежели позитивные фоторезисты.

     Обратимый фоторезист – это такой светочувствительный материал, который после экспонирования ведёт себя как позитивный фоторезист, но может быть обращен посредством термической обработки и экспонирования всей поверхности. В таком случае при проявлении данный класс фоторезистов ведёт себя уже как негативные фоторезисты.

     По типу агрегатного состояния можно выделить жидкие (в т.ч. наносимые в виде аэрозоля) и пленочные (сухие). У каждого типа фоторезиста есть как свои плюсы, так и свои минусы. Конкретно в данной статье мы поговорим о плёночном фоторезисте (в данный момент жидкого фоторезиста у меня нет, но как снова появится я обязательно напишу небольшую отдельную статью).

     Итак, сам по себе плёночный фоторезист состоит из трёх слоёв – среднего, с нанесённым фоточувствительным материалом и двух крайних – защитных (см. фото ниже). При этом защитные слои разной толщины – тот слой, что находится с внутренней стороны рулона более тонкий, а тот, что с наружной стороны – более толстый.

     В данный момент на рынке плёночных фоторезистов радиолюбителям в основном доступны следующие: ПФ-ВЩ отечественного производства, Ordul ALPHA, а также несколько вариантов фоторезиста китайского производства [6,7,8,9,10,11,12].

     Я в основном использую Ordul ALPHA т.к. он позволяет получить наиболее качественные и повторяемые результаты (хотя и стоит при этом несколько дороже).

     Основным недостатком китайских фоторезистов является значительно более высокий процент общих и точечных дефектов. Так, например, в одном из купленных рулонов из-за неравномерной намотки фоторезист с обеих сторон «пошел волнами» (соответственно края фоторезиста придётся обрезать из-за невозможности использования по прямому назначению). Кроме того, отчетливо видно большее количество достаточно крупных пузырей в структуре, а также некоторых других дефектов. Для сравнения в фоторезисте Ordul ALPHA подобных дефектов значительно меньше, как и мельче попадающиеся пузыри. В подборке фото ниже показаны сравнительные фото китайского фоторезиста (первые 4 фото, считая слева) и фоторезиста Ordul ALPHA (2 крайних правых фото).

     Основным недостатком отечественного фоторезиста ПФ-ВЩ является нестабильность характеристик от партии к партии (не могу сказать связано это как-то с производством самого фоторезиста либо же с нарушением условий транспортировки и хранения).

     С фоторезистом вроде определились – переходим дальше.

     Для нанесения защитного рисунка нам понадобится фотошаблон — специализированный трафарет, одни части которого пропускают ультрафиолетовое излучение, а другие нет. Существует достаточно много способов и подходов к его изготовлению (дополнительно мы их рассмотрим в отдельной небольшой статье — на данный момент это не особо важно).

     Самым чистым и на мой взгляд удобным (хотя и не самым дешёвым) является печать фотошаблона на специализированной плёнке для печати. Такая плёнка существует для струйных принтеров, лазерных принтеров, либо универсальная. Конечно, идеальным вариантом была бы печать на специализированном типографском оборудовании, но такая печать мало кому доступна (хотя обеспечивает наилучшее качество конечного фотошаблона) [13,14,15,16,17].

     С учетом того, что описанные выше плёночные фоторезисты являются негативными фотошаблон так же необходимо распечатывать в негативе — именно на местах светлых участков фоторезист будет полимеризоваться и в дальнейшем защищать будущие дорожки (проводящий рисунок) при травлении.

     Примеры готовых фотошаблонов показаны в подборке фото ниже.

     Если Вы обратили внимание, то на представленных выше фото фотошаблонов хорошо видно, что они скреплены из нескольких слоёв — в моём случае из двух. Дело в том, что не все лазерные и струйные принтеры обеспечивают необходимую плотность нанесения тонера (краски) даже при максимально установленных настройках. Итоговое изображение выглядит в виде пиксельной сетки. Тут можно предложить несколько выходов: либо сложить пару фотошаблонов вместе и скрепить между собой (липкой лентой, степлером и пр.), либо воспользоваться специализированным средством для повышения оптической плотности, либо сменить принтер на другой [18]…

     Я в основном пользуюсь первым способом т.к. он при должной сноровке позволяет без проблем точно совмещать пару фотошаблонов с шириной дорожек вплоть до 0.3-0.35 мм.

     При таком подходе берется пара фотошаблонов, точно совмещается на просвет и скрепляется степлером в нескольких местах с обеих сторон. Скреплять желательно хотя бы в 2-х разных направлениях с каждой стороны — это позволит избежать сдвига фотошаблонов относительно друг друга за счет неплотности прилегания скоб. Далее скобы аккуратно поджимаются пассатижами до расплющивания. В идеальном случае скобы должны располагаться за пределами заготовки из стеклотекстолита — поэтому при обрезке распечатанных фотошаблонов края плёнки необходимо взять с запасом (далее вы поймёте почему это важно). В подборке фото ниже наглядно показана оптическая плотность одинарного и двойного фотошаблона на просвет. Кроме того отчётливо видно что именно подразумевалось выше под «пиксельной сеткой». Мало того на правом фото можно заметить, что пара фотошаблонов незначительно сдвинута относительно друг друга — это связано с их неплотным прилеганием в процессе фотографирования.

     После изготовления фотошаблона можно переходить непосредственно к нанесению фоторезиста. Для этого от рулона фоторезиста отрезается кусок с небольшим запасом по краям (примерно по 1 сантиметру). Далее берётся заготовка с ранее подготовленной поверхностью. От фоторезиста аккуратно отклеивается тонкая защитная плёнка с одного из краёв (примерно на 0.5 — 1 сантиметр от края. Обычно тонкая защитная плёнка расположена с внутренней стороны рулона). Достаточно удобно это делать, используя небольшой кусочек скотча или изоленты. После этого край фоторезиста прижимается к заготовке с небольшим напуском и проглаживается руками, а лучше куском мягкой ткани. Постепенно отделяя защитную плёнку производится наклеивание фоторезиста на всю поверхность заготовки. При этом подготовленной поверхности заготовки нельзя касаться руками — что бы не оставить потожировых отпечатков.

     Процесс наклеивания фоторезиста практически аналогичен наклеиванию тонирующей плёнки на стёкла автомобилей или отдалённо напоминает поклейку обоев. При постепенном наклеивании фоторезиста необходимо его постоянно проглаживать руками или куском ткани — для обеспечения плотного приклеивания к поверхности, уменьшения неравномерности наклеивания и устранения большинства сопутствующих дефектов. Впрочем, потренироваться в равномерной наклейке можно на обычных кусках скотча примерной той же длины, постепенно наклеивая их на любое основание и равномерно разглаживая так, что бы нигде не образовывались складки или пузыри.

     После наклеивания фоторезиста необходимо острыми ножницами либо скальпелем (лезвием) аккуратно обрезать выступающие края. После этого необходимо ещё раз тщательно (без фанатизма!) прогладить наклеенный фоторезист (особенно его края). Для более качественной адгезии фоторезиста к поверхности заготовки необходимо заготовку пропустить через ламинатор 2-4 раза с температурой 70-80 градусов Цельсия (но не более 85). Если же температура будет выше, то фоторезист может вспучиться либо прикипеть к поверхности заготовки, что создаст множество дополнительных проблем на следующих этапах изготовления печатной платы. Для тех же целей, впрочем, можно воспользоваться и обычным утюгом с аналогично установленной температурой. В этом случае плата аккуратно проглаживается через несколько слоёв бумаги в течении 5-10 секунд.

     В подборке фото ниже показан процесс подготовки пары заготовок к нанесению фоторезиста, а так же заготовки с уже нанесённым фоторезистом. Поверхность одной заготовки была подготовлена полностью только химическим способом, а поверхность второй была дополнительно отполирована для получения глянца в качестве эксперимента. Для чего это было сделано вы узнаете в последующих частях данной статьи.

     Теперь необходимо поверх фоторезиста наложить сделанный ранее фотошаблон, плотно прижать сверху толстым стеклом и выдержать под источником ультрафиолетового излучения некоторое время (проэкспонировать). Способ определения оптимального времени экспонирования, а так же применяемые типы источников УФ-излучения мы рассмотрим в отдельной небольшой статье. Для экспонирования я использую УФ-лампу Camelion LH26-FS/BLB/E27 [19].

     Для надёжной фиксации фотошаблона и исключения его сдвига относительно заготовки можно получившийся бутерброд зажать между парой кусков толстого стекла (или оргстекла) и зафиксировать 2-4 строительными зажимами либо аккуратно поджать струбцинами.

     После экспонирования на фоторезисте будет чётко виден отпечаток фотошаблона. Те участки, что были подвержены действию УФ излучения станут более тёмными (полимеризуются т.к. фоторезист негативный), а те участки что были защищены фотошаблоном останутся более светлыми.

     В подборке фото ниже показан процесс засветки фоторезиста, внешний вид засвеченного через фотошаблон фоторезиста, а так же сравнение цвета засвеченного и не засвеченного китайского фоторезиста и фоторезиста Ordul ALPHA.

     Я думаю вы уже догадались для чего необходимо было обрезать плёнку фотошаблонов с запасом? — без этого не удалось бы двойной фотошаблон плотно прижать к заготовке т.к. этому препятствовали бы скобы степлера (со скотчем или липкой лентой есть свои трудности, связанные с точным совмещением фотошаблонов, но в общем-то, можно пользоваться и ими, если вам будет удобнее).

     На следующем этапе необходимо приготовить 1-2% раствор кальцинированной соды для проявки фоторезиста. Температура готового раствора должна быть примерно комнатной [20].

     Для проявки необходимо снять верхнюю защитную плёнку с засвеченной заготовки (это удобно делать аналогично снятию нижней плёнки), поместить заготовку в раствор кальцинированной соды и выдержать около минуты в растворе, постоянно покачивая ёмкость (этим обеспечивается циркуляция раствора). Далее необходимо мягкой кистью (либо руками в перчатках) аккуратно смывать остатки не засвеченного фоторезиста в растворе до полного их удаления. После этого плата аккуратно обильно промывается водой до полного удаления остатков кальцинированной соды, промакивается тканью или сушится потоком тёплого воздуха (без фанатизма!) и вновь помещается под источник ультрафиолетового излучения на 2-3 минуты (уже без стекла и фотошаблона). На этом нанесение защитного рисунка можно считать законченным.

     Не стоит использовать на данном этапе более концентрированные растворы кальцинированной соды либо гидроксид натрия (как и гидроксид калия) т.к. есть риск частичного или полного разрушения защитного рисунка. Правильно проэкспонированный фоторезист без проблем выдерживает нахождение в 1-2% растворе кальцинированной соды около 10 минут (большее время не приходилось на практике за ним наблюдать).

     Если же на каких-то участках вас не удовлетворяет качество получившегося рисунка (есть отставание фоторезиста из-за пузырей либо плохой подготовки поверхности, есть участки с не до конца смытым фоторезистом и пр.), то необходимо все остатки фоторезиста смыть 3% раствором гидроксида натрия (каустической соды), обильно промыть заготовку водой, обезжирить и повторить процесс формирования защитного рисунка с самого начала.

     В подборке фото ниже показан внешний вид заготовок с нанесённым защитным рисунком непосредственно перед процессом травления (т.е. после проявки и сушки).

     Основными достоинствами данного способа нанесения защитного рисунка являются:

• высокая разрешающая способность фоторезиста, что позволяет изготавливать достаточно узкие дорожки;
• высокая повторяемость изготовления защитного рисунка;
• гарантированное получение результата в большинстве случаев при соблюдении технологии нанесения и экспонирования;
• простота всех технологических операций.

     Основными недостатками данного способа являются:

• стоимость расходных материалов (особенно при первом запуске технологического процесса);
• необходимость использования множества дополнительного оборудования и разнообразных реактивов;
• большое разнообразие технологических операций как таковых;
• необходимость защиты фоторезиста и заготовок с фоторезистом от света при перерывах между операциями более 30 секунд — 1 минуты (иначе на фоторезисте появится паразитная засветка).

     На следующем этапе изготовления печатной платы производится её травление, но об этом мы поговорим в следующей части данной статьи.

     А на этом на сегодня всё, с уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. Маркер -791 эмаль 1-2 мм (для печатных плат)
2. Edding 792 0.8мм (черный), Маркер лаковый для рисования печатных плат
3. Edding 780#1 (черный), Маркер для рисования печатных плат
4. Принтер лазерный HP Color LaserJet Pro M452nw
5. Лапшинов Б.А. Технология литографических процессов. Учебное пособие — Московский государственный институт электроники и математики.- 2011 г.-95 с.
6. Фоторезист пленочный 300×1000мм
7. Ordyl ALPHA 350 305(300)x1000мм, Сухой пленочный фоторезист
8. Фоторезист китайского производства
9. Тот же фоторезист китайского производства что и п.8
10. Жидкий фоторезист китайского производства
11. Тот же фоторезист китайского производства что и п.10
12. POSITIV 20/200, Фоточувствительный лак (фото-позитивное защитное покрытие)
13. Пленка прозрачная Lomond PE Ink Jet Film
14. Пленка прозрачная Lomond PE DS Film 0701415
15. Пленка прозрачная Lomond 0705415
16. Пленка прозрачная Lomond 0703415
17. Пленка прозрачная Lomond 0710425
18. Density Toner — закрепитель тонера
19. LH26-FS/BLB/E27, Лампа энергосберегающая УФ 26Вт, 220В, Е27
20. ГОСТ 5100-85. Сода кальцинированная техническая. Технические условия

Все вопросы в Форум.