Как сделать качественную печатную плату.

Автор: Алексей Малышев
Опубликовано 18.08.2010

2010

Поздравляю нашего любимого кота с юбилеем. Счастья тебе и валерьянки, сколько потребуется :))

Прочитав эту статью, вы сможете за выходной самостоятельно сделать платку почти заводского качества, подобную этой:

Причем большинство времени занимают технологические процессы, не связанные с трудозатратами - закинули, скажем, платку в раствор и идем пить пиво :)
Минимальная толщина дорожек, которую я пробовал делать - 0,3 мм, а расстояние между ними - 0,2 мм, но думаю, при хорошей адгезии фоторезиста можно сделать и меньше.

Про копирайты.
Может кое-что из этого где и упоминалось, но я этого не видел. Статья написана на основе моего опыта, полученного в результате изготовления плат и прочтения многочисленных ресурсов по этой теме.

Итак, начнем:
1. Изготовление фотошаблона
Предполагается, что у вас уже имеется чертеж печатной платы в электронном виде, сделанный в каком-либо редакторе (лично мне нравится Sprint Layout).
Нам потребуется лазерный принтер и прозрачная пленка, предназначенная для печати на лазернике (!!!). Поскольку для изготовления платы будем использовать негативный сухой пленочный фоторезист, фотошаблон должен быть негативным (дорожки прозрачные, а то, что стравливается - черное). Для получения негативного рисунка используем соответствующую опцию в вашей рисовалке плат (в Sprint Layout надо поставить галочку в окне "Печать" возле соответствующего пункта).
Печатать нужно зеркально (но в Sprint Layout верхний слой является передним и поэтому слой рисунка дорожек (зеленый) уже отзеркален). К фоторезисту шаблон будем прикладывать той стороной, где тонер.
В настройках принтера указываем максимальную контрастность (максимальный расход тонера) и тип носителя - прозрачная пленка для диапозитивов (желательно чтобы при этом еще был более-менее новый картридж). Печатаем. В результате получаем такой фотошаблон:

Многие пытаются "уплотнять" тонер на шаблоне, чтобы он был менее прозрачный, придумывают всякие методы типа сувание в банку с парами ацетона и т. д. Так вот: забейте на это! Опыт показывает, что засветки фоторезиста там где не нужно не происходит, даже при 5-кратной выдержке.
Просматриваем шаблон на просвет и, если где-нибудь что-нибудь не пропечаталось (что бывает редко, но все же бывает, особенно при старом картридже), то ретушируем это маркером.

2. Получение проводящих дорожек на фольгированном материале.
Получать рисунок дорожек на плате мы будем с помощью сухого пленочного фоторезиста, например, ПФ-ВЩ-50.
Про фотоспособ изготовления печатных плат в интернете написано много. Но несмотря на это, когда я начал осваивать фоторезист, с первого раза у меня все равно ничего не получилось.
Для начала нужно хорошо подготовить заготовку.
Вырезаем из стеклотекстолита заготовку, немножко большую будущей платы на 5:10 мм. Жадничать тут не надо, я сначала тоже вырезал заготовку строго по размеру платы - в результате фоторезист плохо приклеивался по краям платы и крайние дорожки приходилось подправлять маркером.
Дальше берем свежую нулевку и зачищаем заготовку круговыми движениями пока фольга не примет равномерный розовый цвет. Потом берем "Комет", посыпаем заготовку и растираем все это влажной тряпкой. Ждем 5 минут и тщательно промываем. После этого водяная пленка должна держаться на заготовке при ее наклоне не менее 30 секунд. Это говорит о качественном обезжиривании поверхности. Теперь ставим заготовку сушиться. Запомните: ПОСЛЕ ОБЕЗЖИРИВАНИЯ ТРОГАТЬ ФОЛЬГУ ПАЛЬЦАМИ НЕЛЬЗЯ!!! ПЛАТУ БРАТЬ ТОЛЬКО ЗА РЕБРА!
Когда заготовка высохнет можно приступать к нанесению фоторезиста. Достаем из холодильника фоторезист (а его нужно хранить в холодильнике (но не в морозилке!) в плотно запечатанном пакете), отрезаем кусок размером с заготовку. Далее иголкой подцепляем угол МАТОВОЙ пленки и с помощью пинцета освобождаем от пленки меньшую сторону прямоугольного куска резиста на 10 мм. Сразу всю пленку сдирать нельзя! Прикладываем кусок резиста к заготовке (матовой пленкой вниз) так, чтобы он покрывал всю фольгу, и пальцем приглаживаем освобожденный от пленки край. Потом берем вот такой резиновый фотовалик:

Ставим валик на край заготовки, где приклеен фоторезист, другой рукой берем пинцетом конец матовой пленки и начинаем ее медленно стягивать. Одновременно медленно перемещаем валик к противоположной стороне заготовки. Как в ламинаторе. Спешить тут не надо, а то фоторезист приклеится неравно и придется все начать сначала с зачистки заготовки.
Теперь берем обычный фен для сушки волос, включаем его на максимальную мощность и прогреваем заготовку по всей площади в течение минуты. После этого заготовку проглаживаем валиком с нажимом по всем направлениям несколько раз.
Раньше я использовал не фен, а утюг, но при этом удавалось перегреть заготовку, в результате чего на фоторезисте появлялись пузыри и плешины.
Эту операцию повторяем 3:4 раза, после чего кладем заготовку с наклеенным фоторезистом между двумя стеклами под пресс 6:8 кг на 1 час (я использую 2 трехлитровые банки с водой). Теперь можно сбегать за пивом :)
После выдержки под прессом на плату накладываем напечатанный фотошаблон и все это зажимаем между двумя стеклами с помощью такого приспособления:

Приспособление состоит из двух оконных стекол толщиной 3 мм и двух зажимов. Оконные стекла вполне подходят для этой цели, т. к. фоторезист экспонируется мягким ультрафиолетом (UV A), который достаточно хорошо проходит через оконное стекло. Зажим представляет из себя 2 деревянных бруска, на концах которых просверлены отверстия. Через них бруски сжимаются винтами. Чтобы стекла не лопнули при затягивании винтов, между ними прокладывают 4 вставки из картона толщиной чуть меньше заготовки платы.
Теперь можно приступать к экспонированию. Для засветки необходима "черная" ультрафиолетовая лампа. Не стоит пытаться засвечивать фоторезист обычными лампами накаливания или дневного света - ничего хорошего из этого не выйдет - дорожки будут свертываться в трубочку и сползать после проявки. От разбитых ДРЛ-ок тоже толку мало, т. к. там жесткий ультрафиолет, а для засветки фоторезиста нужен мягкий. Кроме того сожжете глаза и другие части тела и нанюхаетесь озона. Я использую "черную" энергосберегайку Camelion мощностью 26 Вт. Энергосберегайка для этих целей подходит лучше, чем линейные лампы, т. к. она компактная и за счет этого имеет большую плотность светового потока.
Энергосберегайку можно ввернуть в настольную лампу или другой подходящий светильник на стойке. Она должна располагаться горизонтально (параллельно плате).
Выдержка, зависящая от мощности лампы и расстояния до нее, определяется экспериментально на небольшой заготовке 1 раз. Для меня оптимальными оказались значения выдержки 3:5 минут и расстояние до лампы 22 см.
ВНИМАНИЕ! Хоть ультрафиолет от такой лампы и мягкий, смотреть на нее категорически не рекомендую. Необходимо использовать защитные очки.
После экспонирования заготовку необходимо выдержать в темноте 15:20 минут и прогреть феном в течение 1:2 минут. Это необходимо для завершения полимеризации фоторезиста и улучшения его адгезии с фольгой.
После остывания заготовки с фоторезиста снимают защитную блестящую пленку и начинают проявку.
Кстати блестящую пленку не выбрасываем. Это полиэтилентерефталат (лавсан) и его можно использовать для межслойной и межобмоточной изоляции при изготовлении импульсных трансформаторов и дросселей.
Для проявки необходим раствор кальцинированной соды (Na2CO3). Кальцинированную соду можно получить из питьевой (NaHCO3) путем прокаливания на плите.
Растворяем 2 чайные ложки кальцинированной соды в 0,5 л. воды. Раствор наливаем в ванночку и опускаем туда плату. Мягкой кистью НЕ НАЖИМАЯ омываем раствором всю поверхность фоторезиста. Примерно через 30 сек. начинает появляться рисунок будущих проводников. Процесс проявки длится 1:2 минуты.
После проявки плату тщательно промываем в ХОЛОДНОЙ воде и тут же проглаживаем утюгом через лист бумаги. Температура утюга при этом должна быть около 100 градусов (ставим на "*").
Теперь надо осмотреть рисунок проводников и в случае обнаружения дефектов скорректировать их перманентным маркером.
После этого можно приступать к травлению.
Для травления лучше всего использовать раствор хлорной меди, но его можно заменить концентрированным раствором медного купороса и поваренной соли в соотношении 1:2. В последнем случае для повышения скорости травления раствор желательно выдержать в течение нескольких дней. Использовать всеми любимое хлорное железо не рекомендую, т. к. после него на поверхности диэлектрика могут оставаться токопроводящие соединения. Такая плата может глючить в ВЧ-устройствах и устройствах с высокоомными и высоковольтными цепями.
Для уменьшения времени травления рекомендую использовать микропузырьковую ванну, например, такую. Время травления при этом составляет 20:40 минут в зависимости от степени свежести раствора.
Для снятия фоторезиста с протравленной платы используем всю ту же соду, только более концентрированный раствор. Нагреваем раствор до кипения и фоторезист вспучивается и легко удаляется с проводников с помощью зубной щетки.
Теперь можно идти сверлить дырки.

Если необходимо изготовить двухстороннюю плату, то 2 фотошаблона совмещаем на просвет и проклеиваем по краям скотчем. Фоторезист наносим на обе стороны заготовки, после чего помещаем ее в этот "конверт" и зажимаем с помощью описанного приспособления. Сначала экспонируем одну сторону, потом переворачиваем и экспонируем другую сторону (не случайно же я сделал стекла с двух сторон).

3. Паяльная маска
Паяльную маску с достаточно хорошими свойствами можно получить из того же пленочного фоторезиста ПФ-ВЩ-50. Однако тут есть некоторые особенности:
- Плохо приклеенный фоторезист при проявке растворяется
- Выдержка при экспонировании должна быть в разы больше выдержки при создании рисунка проводников, т. к. стеклотекстолит обладает меньшей отражающей способностью по сравнению с медной фольгой.
Процесс нанесения паяльной маски почти такой же как и при создании рисунка проводников. Отличие заключается в следующем:
1) фотошаблон должен быть прозрачный, а рисунок контактных площадок - черный;
2) необходимо прикладывать бОльшие усилия при накатке фоторезиста валиком;
3) при укладке платы под пресс на фоторезист кладут кусок мягкой резины или бархатную ткань. Это необходимо для лучшего приклеивания фоторезиста к участкам без фольги и между дорожками.
4) Выдержка должна быть увеличена в 5:7 раз. Это связано с тем, что открытые участки стеклотекстолита имеют меньшую отражательную способность по сравнению с фольгой. В моем случае при расстоянии до лампы 22 см выдержка была 20:25 минут. Несмотря на такую большую выдержку и неидеальность фотошаблона, засветки фоторезиста на контактных площадках не происходит (ну может проявляется чуть дольше, но смывается полностью).
5) Утюгом гладить сразу после проявки уже не надо. При такой выдержке фоторезист так сильно прилипает к плате, что отодрать его затруднительно. Даже при кипячении в содовом растворе его удается содрать с трудом.
После промывки и высыхания платы нужно провести отврержение паяльной маски. Лучше всего это получается в хорошую погоду летом :) Идем на балкон и кидаем плату на солнышко часа на два. Тут получается сочетание термо- и фотоотвержения.
Если такой возможности нет, то кладем плату на часик под УФ-лампу на минимальном от нее расстоянии (но так чтобы вся плата равномерно освещалась).
В итоге мы получаем паяльную маску, которая устойчива к нагреву. Ее можно промывать спиртом и с ней ничего от этого не случится.
После нанесения паяльной маски обрезаем лишний текстолит по размерам платы и обрабатываем края напильником.

4. Лужение
Равномерное лужение контактных площадок очень удобно производить с помощью такого жала с кисточкой:

Как его сделать, написано тут.
В качестве флюса лучше всего использовать спиртовой раствор канифоли.
Если кому-то влом делать паяльную маску, то лудить необходимо все дорожки на плате.

5. Нанесение конструкторских обозначений радиоэлементов
Это когда возле дырок для детали на плате нарисован силуэт ее корпуса, написано где какая у нее нога и позиционное обозначение на схеме. Это очень удобно при сборке и поиске неисправностей - не надо каждый раз смотреть на монтажную схему и искать - ну где же находится эта хреновина?
Делается это за 10 минут с помощью "лазерно-утюжной технологии" (ЛУТ).
1) Протираем стеклотекстолит ацетоном (так, чтобы ацетон не попал на паяльную маску)
2) Печатаем зеркально на защитной бумаге от самоклеящейся пленки соответствующий слой изображения печатной платы (обычно он называется "шелкография", в Sprint Layout он называется К1 или К2).
3) Кладем лист изображением вверх, на него кладем плату и загибаем края так, чтобы плата оказалась завернута в этот лист.
4) Переворачиваем все это и гладим утюгом (устанавливаем между ** и ***) через тонкую ткань.
5) Быстро снимаем ткань и, пока плата не остыла, проходимся по ней 2:3 раза резиновым валиком.
6) После остывания удаляем бумагу.
Получившийся рисунок устойчив к умеренному протиранию спиртом.
А вот как все это выглядит:

Ну и напоследок несколько фоток моих плат:

Вопросы, как обычно, складываем тут.