Изготовление печатных плат лутом

Введение

Эта инструкция является результатом исследований по ЛУТ и фотоспособу в течение двух недель.

Вот ссылки:Исследование ЛУТ часть 1Исследование ЛУТ часть 2

Здесь описана последовательность действий и материалы для изготовления печатных плат по лазерно-утюжной технологии. Я смог получить эти способом на этапе перевода шаблона платы на медь дорожки в 0.12 мм и зазор в 0.2 (может быть возможен и 0.15, ноя просто не пробовал).

Кроме этого, описанный способ является нетоксичным, никаких растворителей, бензинов и другой дряни вонючей ни на каком этапе не применяется.

Итак, материалы и инструменты:

• Принтер HP LJ 1200 с перезаправленным черт знает чем картриджем.
• Бумага Lomond 120г/м2 глянцевая с улучшенным покрытием А4 50 листов, код 0102053.
• Маленький дорожный утюг.
• Валик резиновый для обоев
• Фен (обычный для сушки волос)
• Перчатки гигиенические
• Комет антиржавчина (порошек)
• Пемолюкс крем сода 3 эффект (кремообразный)
• Средство для мыться посуды.
• Дрель
• Полировочный круг для дрели (войлок или фетр)
• Паста гои
• Жесткая щетка
• Посудина для отмокания

Травление печатной платы

Для травления печатных плат я использую раствор из хлорного железа. Процесс происходит достаточно быстро, выполнять травление стоит на улице или в хорошо проветриваемом помещении. Перед использованием раствор желательно немного перемешать.

Для того чтобы не запачкаться и уберечься от попадания раствора на кожу рук используйте салфетки или же более дешевый расходный материал — туалетную бумагу.

Травление печатной платы нужно выполнять в специальной ванночке или же в пластиковой посудине, которую не жалко испортить.

Вытравливаемая плата должна быть расположена медной стороной донизу, чтобы частички меди после химической реакции свободно оседали на дно посудины.

Идеальный вариант — если удастся положить платку на поверхность раствора так, чтобы она на нем плавала, но это не всегда удается.

Лучше заранее просверлить отверстия на краях платы (например для будущего крепления) и продев через них нити или эмалированную проволоку закрепить платку так как нужно и чтобы она не лежала на дне посудины, а была погружена в раствор на небольшую глубину.

Рис. 12. Подготовка к травлению печатной платы в хлорном железе.

Процесс травления в хлорном железе может занять примерно 10-20 минут, в зависимости от площади платы, качества раствора и температуры окружающей среды.

Проверять результат процесса травления желательно каждые 5-10 минут.

Когда все дорожки уже вытравлены, держим некоторое время платку над посудиной чтобы с нее стекли остатки раствора.

Вытираем стеклотекстолит салфетками или туалетной бумагой и несем под кран для промывания водою.

Плата вытравлена!

Перенос изображения на плату

После того как рисунок распечатан и поверхность зачищена приступаем к переносу изображения на текстолит

Очень важно не трогать сам рисунок жирными и грязными пальзами. На зачищенную поверхность платы ложим наш рисунок и начинаем прогревать утюгом, прижимая бумагу к плате как можно сильнее

Режим утюга должен быть выставлен на максимальную температуру, только при максимально температуре тонер хорошо переведется на плату. Я гладил плату минуты 2-3.

После того как прогрели плату утюгом, приступаем к снятию бумаги. Для этого помещаем нашу заготовку под воду и размываем бумагу. После снятия бумаги на поверхности остается рисунок тонера. 

Подготовка трафарета и стеклотекстолита

Обрезаем бумажный трафарет для будущей печатной платы, по краям оставляем немного пространства (например для крепления), если нужно. Измеряем трафарет линейкой и по полученным размерам вырезаем нужный кусочек из листа стеклотекстолита.

Рис. 2. Вырезание трафарета и подготовка кусочка стеклотекстолита.

Выполняем шлифовку медной поверхности стеклотекстолита с помощью мелкозернистой наждачной бумаги. Сначала шлифуем платку вдоль — убираем мусор, окислившиеся участки (если попался старый текстолит).

Потом продолжаем шлифовать но уже поперек, это завершающий этап черновой шлифовки. И наконец, легкими (без значительного усилия) круговыми движениями по поверхности медной фольги выполняем чистовую обработку.

Теперь слегка промочите ватку спиртом, с ее помощью уберите мусор и опилки меди с отшлифованной поверхности.

Внимание! Трогать пальцами отшлифованную поверхность нельзя, брать платку пальцами можно только за края или за поверхность где нет меди (в случае одностороннего стеклотекстолита)!

Рис. 3. Шлифовка и очистка металлической поверхности стеклотекстолита.

KiCad —> Плата

Используем KiCad 5, поскольку мне глубоко симпатична эта программа, её комьюнити (включающее CERN) и идея мультиплатформенного FOSS в целом.

Не ведитесь на то что версия 4 якобы Stable, а 5 типа Nightly. Пятая версия намного стабильнее, СИЛЬНО менее глюченная и в сотни раз удобнее, чем четвертая.

Итак, алгоритм с лайфхаками:

1. Находим компонент в каталоге вашего любимого магазина электроники.
2. Находим соответствующий компонент в библиотеке KiCad.
   • Если это транзистор или другой компонент с тремя или более выводами, находим его корпус в библиотеке футпринтов в Pcbnew, смотрим нумерацию, сопоставляем с даташитом и выбираем в Eeschema компонент с правильной нумерацией выводов.
   • Если компонента нет в библиотеке KiCad, ищем в Интернетах. Если всё еще нет, находим в библиотеке похожий, экспортируем Symbol (в новую библиотеку), подключаем ее к проекту, открываем в Symbol library editor, дорабатываем, проделываем то же самое с футпринтом, если корпус тоже нестандартный.
   • Если есть ну совсем равнозначный выбор, отдаём предпочтение компонентам, у которых есть 3D-модель. KiCad умеет показывать как будет выглядеть девайс, это сильно помогает находить ошибки.
3. Помещаем компонент на схему, в поле Datasheet компонента помещаем ссылку на этот компонент из магаза.
4. Рисуем схему не забывая:
   • Использовать шины и метки, чтобы не перегружать схему кучей параллельных линий.
   • Давать имена цепям не входящим в шины и метки, чтобы на плате было проще ориентироваться.
   • Сохраняться.
   • Положить проект под git и комитить.
5. Ассоциировать компоненты с футпринтами, пронумеровать компоненты, сгенерировать Netlist, сгенерировать Bill of Materials (в котором будет список ссылок и количество элементов возле каждой ссылки, чтобы прям сразу никуда больше не обращаясь наполнить корзину и заказать элементы).
6. Открыть Pcbnew, загрузить Netlist.
7. Настроить DRC:
   • Для сигнальных цепей минимальная ширина дорожек 0.3 мм, clearance 0.3 мм.
   • Для силовых побольше, пропорционально силе тока. Есть онлайн калькуляторы.
   • Дефолтные Via — 0.8 с отверстиями 0.4.
   • Разумеется, если будет место на плате, все эти размеры (кроме отверстий) надо делать максимальными из возможных, ведь если Via 1 мм, то вероятность попасть в неё сверлом с другого слоя крайне высока ))
   • Ну и Via 0.8 — это вовсе не жестко минимальный размер: если к отверстию подходит толстенная дорожка, то можно хоть 0.5 ставить, там все равно будет к чему удобно припаяться.
8. Добавить надписей и логотипов.
9. Добавить 4 габаритных отверстия 0.4/0.6 по углам платы на расстоянии ~5-10 мм от линий слоя Edge.Cuts

Лазерно утюжная технология — этапы выполнения

Шаг №1. Рисуем плату на компьютере. Можно применить специализированные  программами, которые автоматически производят разводку плату по принципиальной схеме, я для этого использую программу DipTrace. До этого для небольших схем раньше я  использовал Sprint-Layout 5.0, тоже, кстати, удобная программа.

Шаг №2. Из фольгированного стеклотекстолита выпиливается заготовка будущей печатной платы. Далее сторону, на которой будут проводники, нужно зачистить, хотя бы той же нулевкой, но я в последнее время  делаю это обычным ластиком. Затем фольгированную сторону необходимо обезжирить ацетоном.

Шаг №3. На лазерном принтере распечатываем рисунок дорожек печатной платы на глянцевой тонкой бумаге. Я использую вот такую бумагу из каталога электронных компонентов, который в свое время мне прислали бесплатно с какого-то сайта, сейчас уже не помню.

Перед тем как распечатать рисунок, желательно прогнать один лист для прогрева барабана. Затем в настройках принтера необходимо убрать экономный режим тонера, что бы печать получилась максимально насыщенной.

Шаг №4. После того как изображение распечатали, вырезаем контур не забывая оставить поля примерно на  ширину и высоту платы. Укладываем лист изображением вверх. Готовим полоски бумажного скотча длинной примерно с сантиметр. Далее накладываем плату фольгированной стороной на бумагу, точно располагая по контуру.

Затем плотно прижимая плату к бумаге, аккуратно заворачиваем края бумаги, закрепляя их заранее приготовленными полосками скотча.

Стенд для пайки со светодиодной подсветкой
Материал: АБС + металл + акриловые линзы. Светодиодная подсветка…

Подробнее

Теперь берем обыкновенный утюг, включенный на максимальную температуру, и тщательно проглаживаем завернутую в бумагу плату со стороны рисунка.

Важно не слишком сильно нажимать, так как возникает опасность, что тонер может растечься

Шаг 5. Затем помещаем плату с прилипшей бумагой в горячую воду примерно градусов 50  и ждем, пока бумага не размокнет.

После того как бумага разбухнет,  ее необходимо аккуратно отделить от платы. Остатки бумаги скатываем пальцем под водой. Просушенную плату проверяем на возможные дефекты, если местами тонер все же отошел его можно дорисовать обычным перманентным маркером.

Шаг 6. Вытравляем нашу плату в хлорном железе. Чтобы процесс травления шел быстро раствор необходимо подогреть до  40-50 градусов.

Шаг 7. Удаляем тонер ацетоном, далее сверлим отверстия, покрываем канифольным лаком, облуживаем контактные площадки.

Блок питания 0…30В/3A
Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

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.

Текстолит с дорожками —> Плата

Осталось просверлить и соединить переходные отверстия.

Лайфхак: Если так получилось, что имеет место быть смещение слоёв, его можно компенсировать углом наклона сверла.

С первого отверстия сложновато поймать нужный угол, так что лучше сначала сверлить наименее требовательные к выходной точке отверстия (например, те, что выходят в область металлизации или объемные острова меди)

После просверливания, необходимо соединить отверстия. Разумеется, мы будем это делать с помощью резисторных/конденсаторных ножек и паяльника. Но иногда на переходное отверстие надо сверху поставить SMD-компонент, и в этом случае высокая плюшка припоя недопустима. Мы придумали следующий трюк:

1. Запаиваем штырь
2. Стачиваем гравёром всё лишнее
3. ….
4. Профит!

Типа всё ))

Можно запаивать компоненты и врубать питание.

Вот еще годный видос для дальнейшего изучения всякого рода тонкостей:

Спасибо за внимание!

Травление плат

Берем хлорное железо и готовим раствор.

Наливаем теплую воду в ванночку. Далее аккуратно сыплем порошок и не забываем помешивать. Будьте осторожны! Реакция растворения хлоржелеза проходит с выделением теплоты. Поэтому при растворении будет шипение и бурление. Не допускайте попадания хлоржелеза на одежду и в глаза! С одежды он очень тяжело смывается. Используйте только пластмассовые инструменты! Ни в коем случае не используйте железную миску, железный пинцет и тд.

Я делаю раствор на глаз. Здесь правило такое: чем крепче раствор, тем быстрее будет идти реакция травления.

Бросаем в нашу ванночку печатную платку с прорисованными дорожками

И время от времени начинаем гонять волну в ванночке

Также не забывайте поглядывать, как идет процесс травления.

Во! Идет полным ходом! Еще чуть-чуть  и все.

Как говорится «лучше недобздеть, чем перебздеть».  Поэтому, когда травление закончится, нужно срочно будет вытащить из ванночки платку.

Ну вот и наступил этот момент:

Промываем теплой водой из под краника

Берем ацетон, окунаем в него ватную палочку и стираем тонер с печатной платки. Также хорошо смывается тонер с помощью Flus-Off. Подробней о химии здесь.

Должно получится вот так:

Так как у меня текстолит тонкий, то я беру простые ножницы и вырезаю платку по границе квадрата, который указал еще при печати в Sprint Layout

Теперь все это дело лудим припоем и гелевым флюсом для защиты медных дорожек от коррозии.

Получилось вот так:

Теперь нам надо убрать этот липкий флюс. Для этого используем все тот же самый Fluх-Off или ацетон, прыскаем на платку и чистим ее с помощью зубной щетки.

Ну вот почти готовая платка. Красота!

Остался окончательный штрих  — сверление контактных площадок. Для этого берем нашу минидрель и самое тонкое сверло. В данном случае на 0,6 мм и сверлим этим сверлом все отверстия. Потом берем уже сверло на 1 мм и рассверливаем отверстия на 0,6 мм.

Проверяем нашу платку с другой стороны

Все замечательно! Теперь можно использовать нашу платку в свое удовольствие, запаяв микросхему на нее и припаяв провода в отверстия.

Текущие скандалы

Пока что официальные комментарии поступили лишь от президента Blizzard. Согласно его словам, открытие лутбоксов в Overwatch нельзя сравнивать с азартными играми, так как все полученные предметы нельзя продать за реальные деньги. Однако, реакции от властей Бельгии и Китая, стремящихся приравнять lootbox к игровым автоматам, пока что не поступало.

К примеру, в Call of Duty: WWII лутбоксы выпадают на поле боя, но их можно также приобрести и за реальные деньги. Вроде бы всё сбалансировано, к тому же сундуки содержат исключительно косметические предметы, но вот сам процесс их распаковки вызывает множество вопросов. Когда игрок открывает lootbox все, кто находится в той же локации, обязаны наблюдать за этим.EA всё ещё не могут замять скандал, связанный с Star Wars Battlefront II, и даже повышение стоимости некоторых легендарных героев не смогло решить данную проблему. Разработчику не впервой сталкиваться с подобным сопротивлением со стороны геймерского сообщества, но вот отмыть репутацию после столь масштабного инцидента вряд ли получится.

Перенос рисунка на плату

После того, как мы подготовили нашу ошкуренную платку, берем бумажку с рисунком и кладем рисунком вниз на платку.

Включаем утюг и ставим его на максимальный прогрев. После того, как он прогрелся, начинаем гладить нашу бумажку. Начинайте гладить с середины. Прижимайте утюг сильнее. Проглаживайте тщательно все края. От этой операции будет зависеть все качество печатной платы.

Все, наверное, делали татуировки от жевательных резинок себе на руку? Точно также за уголок подымаем бумажку и вуаля! У меня получилось как-то вот так:

Не обращайте внимание на черные крапинки, у меня принтер уже немного начинает косячить. Это никак не повлияет на качество нашей печатной платы

Иногда все-таки тонер в некоторых местах не цепляется с текстолитом. В этом случае такие участки можно подкорректировать с помощью маркера для печатных плат. В моем случае, как видите, справа в середине один пятачок чуток не вышел. Это также никак не повлияет на работоспособность.

Подготовка рисунка печатной платы и перенос на текстолит

Нарисованный заранее рисунок печатной платы, мы распечатываем на фотобумагу. Причем в принтере отключаем режим экономии тонера, а рисунок выводим на глянцевой стороне фотобумаги.

Теперь достаем из-под  стола утюг и включаем в сеть, пускай нагревается.  Свежераспечатанный лист бумаги ложим на текстолит рисунком вниз и начинаем проглаживать утюгом.  С фотобумагой,  в отличие от кальки, подложки от самоклейки церемониться не нужно, «елозим» утюгом до начала пожелтения бумаги.

Здесь можно не бояться передержать плату,  или переборщить с давлением.  После берем  этот бутерброд  с прижаренной бумагой и несем его в ванную.  Под струей теплой воды подушечками пальцев начинаем скатывать бумагу. Далее берем в руки заготовленную зубную щетку и хорошенько проходим ею по поверхности платы. Наша задача содрать белый меловой слой с поверхности рисунка.

Просушиваем плату и под яркой лампой хорошенько проверяем.

Зачастую меловой слой сдирается с первого раза зубной щеткой,  но бывает,  что этого оказывается недостаточно. В этом случае можно воспользоваться изолентой. Белесые волокна налипают на изоленту оставляя нашу платку чистой.

Переносим рисунок: бумага

Это тонкая вещь, поэтому к её выбору необходимо подойти с ответственностью. Какие образцы лучше воспринимает ЛУТ-технология? Бумага должна быть плотной, можно взять мелованную. Жирными пальцами не трогать. Необязательно покупать мелованную бумагу – можно взять рекламный буклет. Главное, чтобы он с одной стороны был белым. На всякий случай лучше запастись двумя экземплярами печатных плат. Вырезаем и накладываем на заготовку так, чтобы рисунок был со стороны фольги. Берём обычный утюг, пар не используем. Температуру лучше выставить среднюю. Придерживаем часть рисунка, чтобы он не съехал с заготовки. Начинайте плавно приглаживать изображение, но не допускайте его смещения. Также не переусердствуйте с силой: если очень сильно надавить, то тонер размажется, а с ним и дорожки. Подобное может также произойти, если будет слишком горячий утюг. Если были плохо обработаны кромки заготовки, то вы не сможете хорошо пригладить тонер к ней. Когда всё готово, заготовка должна остыть. Затем положите ее в посуду с теплой водой. Добавьте столовую ложку уксусной кислотой. Бумага размягчится и начнёт пузыриться. Минут за десять она отстанет от тонера. Получившееся изображение обильно промойте струей воды. Сначала могут быть отдельные дефекты, но при работе со вторым экземпляром опыта должно хватить, чтобы избежать их. В целом ЛУТ-технология изготовления печатных плат может показаться достаточно сложной, но это исключительно на первых порах. Кстати, выше в статье рекомендовалось иметь две бумаги, и это неспроста. При первом заходе многие новички делают мелкие ошибки, которые оборачиваются размазанным тонером и другими оплошностями. Для того чтобы печатная плата получилась более качественной, и была дана рекомендация подготовить запаску.

Корректировка дорожек, дополнительные надписи

Далее следует корректировка и косметическая правка дорожек из тонера. Возможно по каким-то причинам некоторые дорожки в процессе были повреждены — дорисовываем их (или их части) с помощью перманентного маркера.

Также правим участки где дорожки вышли очень тоненькими и их неплохо бы сделать немного потолще. Если где-то есть лишнее соединение дорожек или там остались частицы бумаги — убираем эти недочеты с помощью скальпеля или хорошо наточенной иголочки.

Также у вас есть возможность с помощью перманентного маркера добавить какие-то пометки, надписи или даже рисунки, по желанию. Можно напечатать год изготовления, нарисовать свой логотип или подпись, указать название модуля или же просто нарисовать что-то веселенькое. )

Рис. 11. Убираем дефекты и исправляем недочеты на плате с помощью несмываемого маркера и скальпеля.

Сверление платы

Вытравленная и очищенная плата нуждается в сверловке, так как не всегда есть возможность применения поверхностного монтажа.   Для сверления платы у меня припасена небольшая сверлилка. Она представляет собой моторчик типа ДПМ с насаженным на вал цанговым патроном. Брал я его в радиомагазине за 500р. Но думаю можно применить для этого любой другой моторчик, например от магнитофона.

Сверлим плату острым сверлом, стараясь сохранять перпендикулярность. Перпендикулярность особенно важна при изготовлении двусторонних плат.   Кернение отверстий под сверловку нам не требуется, так как отверстия в фольге образовались при травлении автоматически.

Проходимся по плате шкуркой нулевкой,  снимая заусенцы после сверловки, и готовимся к лужению нашей платы.