Руководство по изготовлению печатных плат в домашних условиях

Промышленная разработка

В домашних условиях разработать и изготовить печатную плату для аппаратуры высокого класса невозможно. Например, печатная плата усилителя для High-End-аппаратуры многослойная, использовано покрытие медных проводников золотом и палладием, токопроводящие дорожки имеют разную толщину и т.д. Добиться такого уровня технологии непросто даже на промышленном предприятии. Поэтому в ряде случаев целесообразно приобрести готовую качественную плату или сделать заказ на выполнение работы по своей схеме. В настоящее время производство печатных плат налажено на многих отечественных предприятиях и за рубежом.

Исторический путь печатной платы

Электронные печатные платы отметили начало пути становления и развития системами электрических соединений, разработанных в середине XIX века.

Металлические полосы (стержни) изначально применялись для подключения громоздких электрических компонентов, смонтированных на древесном основании.

Постепенно металлические полосы вытеснили проводники с винтовыми клеммными колодками. Деревянную основу тоже модернизировали, отдав предпочтение металлу.

КЛЕММНАЯ

Примерно таким выглядел прототип современного производства ПП. Подобные решения конструирования применялись в середине XIX века

Практика применения компактных, малых по размерам электронных деталей, требовала уникального решения по базовой основе. И вот, в 1925 году некто Чарльз Дюкасс (США) нашёл такое решение.

Американский инженер предложил уникальный способ организации электрических связей на изолированной пластине. Он использовал электропроводящие чернила и трафарет для переноса принципиальной схемы на пластину.

Чуть позже — в 1943 году, англичанин Пол Эйслер также запатентовал изобретение травления токопроводящих контуров на медной фольге. Инженер использовал пластину-изолятор, ламинированную фольгированным материалом.

Однако активное применение технологии Эйслера отметилось лишь в период 1950-60 годов, когда изобрели и освоили производство микроэлектронных компонентов — транзисторов.

Технологию изготовления сквозных отверстий на многослойных печатных платах запатентовала фирма Hazeltyne (США) в 1961 году.

Так, благодаря увеличению плотности электронных деталей и тесному расположению связывающих линий, открылась новая эра дизайна печатных плат.

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.

Нанесение рисунка печатной платы

Процесс изготовления печатной плоты проходит в два этапа:

1. Нанесение рисунка расположения проводников, соединяющих радиоэлементы на фольгированном текстолите.
2. Травление в растворе хлорного железа не закрашенной части фольги текстолита.

Рассмотрим первый этап изготовления, так как второй не представляет сложности. Обычно рисунок расположения проводников наносится на фольгированный текстолит кислотоупорной краской с помощью тонкой кисти, стеклянного рейсфедера или медицинского шприца. При этом невозможно получить ширину линии проводников меньше 1,5…2 мм, что существенно ограничивает возможность миниатюризации, о внешнем виде рисунка и говорить нечего.

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.

Устройство

В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).

Виды печатных плат

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком печатные платы подразделяют на:

• односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.
• двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.
• многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах.

По свойствам материала

основы:

ЖёсткиеТеплопроводные

Гибкие

Печатные платы могут иметь свои особенности в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации

(например,расширенный диапазон температур ) или особенности применения (например, платы для приборов, работающих навысоких частотах ).

Материалы

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.

Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д), и керамика.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Подготовка поверхности фольги. Обезжиривание

Для обеспечения отсутствия дефектов при всех последующих операциях необходимо выполнить подготовку поверхности фольги для обеспечения адгезии к покрытиям и смачивания в растворах по всей поверхности заготовки. Поверхность фольгированного материала часто бывает преднамеренно покрыта ингибиторной пленкой, или же непреднамеренно – окислами, да и просто механическими загрязнениями, которые абсолютно необходимо удалить.

Кроме этого, поверхность фольги в состоянии поставки весьма гладкая, что может вызвать недостаточную адгезию. В упоминается как о химической, так и о механической подготовке поверхности фольги и оборудовании, и материалах для этого, также, как и в (4], многие из которых могут быть недоступны. Тем не менее, для неортодоксального платостроителя многие операции можно опустить, а оборудование упростить без потери качества.

Итак, нарезанные заготовки следует прежде всего обезжирить (чтобы жировые остатки не разносились далее по процессу).

Декапирование

Как бы ни старались минимизировать вредное влияние солей, находящихся в ванне для гидроабразивной обработки, полностью избежать этого невозможно, поэтому на поверхности появятся (пусть в незначительном количестве) окислы и труднорастворимые соли.

Для их удаления промытую в проточной воде заготовку вновь подвешивают на подвесы и декапируют в серной кислоте (50 г/л) 10-15 секунд при температуре 20 25СС в вертикальной винипластовой ванночке размером 250*350*50 мм, после чего снимают с подвесов и вновь промывают 1-2 минуты струйно в проточной воде (возможно это выполнять и в предыдущей ванне), после чего вновь устанавливают на подвесы, подвешивают на коромысло вибратора и промывают в ванне с дистиллированной водой 3- 5 минут с вибрацией.

После окончания промывки заготовки подвешиваются за подвесы для стекания воды. С этого момента дальнейшая судьба заготовок различается в зависимости от последующих операций.
Перед нанесением сухого пленочного фоторезиста, «лазерно-утюжным» нанесением защитного рельефа или трафаретной печатью (сеткографией) заготовки сушатся в специальной сушилке (которая другое время используется для сушки нанесенного фоторезиста) в потоке воздуха, пропущенного через фильтр (все равно он установлен для фильтрации воздуха при сушке фоторезиста).

Перед подтравливанием диэлектрика и/или металлизацией сквозных отверстий, а также перед покрытием припоями заготовки могут или сушиться (если предполагается длительный перерыв), или не сушиться (если соответствующая операция последует незамедлительно). А вот наносить фоторезист следует только на мокрые заготовки.

Подготовка заготовки и сверление отверстий

Прежде всего необходимо вырезать кусок текстолита с заданными размерами. Обработать края напильником. Закрепить чертеж на плате. Подготовить инструмент для сверления. Сверлить прямо по чертежу. Сверло должно быть хорошего качества и соответствовать диаметру наименьшего отверстия. Если есть возможность, нужно использовать сверлильный станок.

Сделав все необходимые отверстия, снять чертеж и рассверлить каждое отверстие до заданного диаметра. Зачистить мелкой шкуркой поверхность платы. Это необходимо для устранения заусениц и для улучшения сцепления краски с платой. Для удаления следов жира провести обработку платы спиртом.

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.

Перенос рисунка на плату

Затем потребуется утюг, наждачная бумага, деревянная разделочная доска и ванночка с мыльным раствором. Необходимо подготовить кусок подходящего под плату текстолита или гетинакса, а также наждачную бумагу средней зернистости. Дальше следует тщательно убрать пыль и грязь, приложить кусок с отпечатком платы так, чтоб рисунок оказался посередине заготовки. Затем крепко завернуть, положить на деревянную доску, сверху поставить горячий утюг. Температура запекания тонера около 100-180 градусов. Поэтому температуру утюга поначалу следует выставлять экспериментально, так же как и длительность воздействия на заготовку.

Производство трафарета для печатной платы

Для начала необходимо развести дорожки в специальных программах для трассировки и черчения плат. Есть множество программ для этой цели, к примеру, Sprint Layout, Pcad, Eagle и Deep Trace. После разведения дорожек на плате следует вывести схему на печать, обязательно отключив экономию тонера. В некоторых случаях необходимо распечатать рисунок зеркально для того, чтобы выводы на плате совпадали с распиновкой деталей, например микросхем в smd исполнении. Для удобства надо создать контур платы, чтобы после травления было легче обрабатывать края платы, придавая им эстетичный вид. Затем следует убрать ненужные слои для травления или выставить два слоя для дорожек и шелкографии в настройках. Для надежности можно напечатать несколько образцов, для возможных неудачных попыток. Для печати можно использовать любую бумагу с глянцевым покрытием.

Нанесение рисунка на стеклотекстолит

Чертеж платы на текстолит можно нанести вручную или с помощью одной из многих технологий. Наибольшей популярностью пользуется лазерно-утюжная технология.

Нанесение рисунка вручную начинают с обозначения монтажных площадок вокруг отверстий. Их наносят с помощью рейсфедера или спички. Отверстия соединяют дорожками в соответствии с чертежом. Чертить лучше нитрокраской, в которой растворена канифоль. Такой раствор обеспечивает прочное сцепление с платой и хорошую устойчивость при травлении с высокой температурой. В качестве краски можно использовать асфальтобитумный лак.

Изготовление печатных плат с помощью лазерно-утюжной технологии дает неплохие результаты

Важно правильно и аккуратно выполнять все операции. Обезжиренную плату нужно положить на ровную поверхность медью вверх

Сверху аккуратно разместить рисунок тонером вниз. Дополнительно положить еще несколько листов бумаги. Полученную конструкцию прогладить горячим утюгом примерно 30-40 секунд. Под воздействием температуры тонер должен перейти из твердого состояния в вязкое, но не в жидкое. Дать плате остыть и поместить ее на несколько минут в теплую воду.

Бумага раскиснет и легко сдерется. Следует внимательно осмотреть полученный рисунок. Отсутствие отдельных дорожек свидетельствует о недостаточной температуре утюга, широкие дорожки получаются при слишком горячем утюге или чрезмерно длительном нагреве платы.

Небольшие дефекты можно подправить маркером, краской или лаком для ногтей. Если заготовка не понравилась, то надо смыть все растворителем, зачистить наждачной бумагой и повторить процесс заново.

Получение заготовок

Фольгированные материалы выпускаются в листах, размеры которых намного превосходят размеры плат. Поэтому самая первая стадия — это раскрой листа на заготовки, которые могут быть обработанными в имеющемся оборудовании. Исходя из оговоренного выше возможного размера фотошаблона 297*210 мм (формат А4) габариты заготовки (в том числе и групповой) должны ненамного превосходить его. (Кстати, оптимизация раскроя листа на заготовки — это еще одна задача подготовительного этапа.)

Практикой установлено, что для большинства технологических целей достаточен припуск 10-15 мм на сторону, т.е., габариты заготовки на 20-30 мм превышают габариты платы (или группы плат при групповом изготовлении). Вне зависимости от конфигурации платы заготовка для платы (или группы плат) будет иметь прямоугольную форму, поэтому при раскрое листа на заготовки достаточно иметь прямой рез «от края до края».

В условиях единичного/мелкосерийного производства такой рез может быть получен резцом (с последующим разламыванием фольгированного материала), лобзиком (в том числе, электрическим), горизонтально-фрезерным станком (в режиме «циркулярки»), вертикально-фрезерным станком (пальчиковой фрезой) или ножницами, роликовыми или рычажными. Представляется наиболее целесообразным использовать рычажные ножницы со сменными ножами, изготовленными из стали У-8. У-10, ХВГ, калеными до 61 -64 HRC.

В конструкции автора применены такие ножи, при этом путем последовательных переворотов можно в качестве режущих использовать все 4 ребра каждого ножа, прежде чем возникнет необходимость их последующей заточки на плоскошлифовальном станке. Итак, следующая единица оборудования: рычажные ножницы.

После разделения листа на части следует притупить острые кромки и углы полученных заготовок, для чего удобно использовать заточной станок. В другое время он используется для заточки сверл (и использованием приспособления, позволяющего выдерживать заданный угол заточки) с помощью заточного круга с мелким зерном и последующей правкой с помощью алмазного круга.

Итак, заточной станок. (Впрочем, притупление кромок и углов можно выполнить и с помощью приспособления для установки абразивного камня в шпиндель сверлильного станка, только, конечно, не того, которым сверлятся монтажные и переходные отверстия в платах, тот жалко для таких целей использовать.) При этом образуется мелкодисперсная абразивная пыль, поэтому эту операцию следует выполнять в респираторе или марлевой маске (желательно влажной), а к рабочей зоне подвести всасывающее сопло пылесоса.

Отсюда: пылесос, причем обязательно с пылосборным мешком, который следует увлажнить перед работой. По кондуктору (зачем кондуктор – будет показано ниже) сверлятся технологические отверстия в заготовках по 2 с каждой стороны. Эти отверстия используются для подвешивания заготовок при всех последующих операциях, в том числе и при нанесении и сушке фоторезиста, а также для закрепления токоподводов при гальванических процессах.

При сверловке также следует подвести всасывающее сопло пылесоса в рабочую зону, и также эту операцию выполнять в респираторе или маске. Теперь переходим к собственно изготовительной стадии. Хотя описанная здесь подготовка могла бы быть отнесена к подготовительной стадии, но она повторяется не только при первоначальной подготовке, а включена во многие технологические процессы, так что логичнее было бы вынести ее из заготовительного этапа.