Технология изготовления печатных плат с высоким разрешением в любительских условиях

В статье описана технология изготовления печатных плат с высоким разрешением из заготовок с заранее нанесённым фоторезистом. Показано, что при печати высококачествен­ных фотошаблонов на лазерном принтере, использовании новых светочувствительных материалов и современных источников ультрафиолетового излучения может быть достигнута существенная экономия времени и средств. Освоение предлагаемой технологии радиолюбителями помо­жет им применять в своих разработках современную эле­ментную базу, значительно снизив затраты на печатные платы благодаря оперативности и существенному удешевле­нию их изготовления.

Размеры радиодеталей, предназна­ченных для поверхностного монтажа (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, транзисторов, диодов, микросхем), имеют тенденцию к посто­янному уменьшению. Например, если до последнего времени на печатные платы традиционно устанавливали

резисторы и конденсаторы типоразме­ра не менее 0603 (1,6x0,8 мм), то сей­час их выпускают уже типоразмеров 0402 (1,0x0,5 мм), 0201 (0,6x0,3 мм) и даже 01005 (0,4x0,2 мм). Шаг выводов современных микросхем доходит до 0,4 мм, а длина контактной площадки для вывода — до 0,25 мм.

Промышленное изготовление печат­ных плат, рассчитанных на установку подобных деталей, сегодня не пред­ставляет никакой проблемы. Но что делать тем, кому требуется использо­вать современные компоненты в маке­тах и единичных образцах электронных устройств? Один из вариантов — обра­щаться на предприятия, способные профессионально изготовить для них платы. Но путь этот долог и недёшев. Остаётся изготавливать платы своими силами. Этот путь, на взгляд автора, не требует больших затрат времени и недорог, однако необходимо соблюдать повышенные требования к качеству разводки печатных проводников, точно­сти изготовления фотошаблона и самой платы.

Проблем с разводкой печатных про­водников сегодня нет. Для этого суще­ствует много компьютерных программ, обеспечивающих необходимую точ­ность. Автор, например, с успехом пользуется программой Sprint Layout версии 6.0. Однако с изготовлением фотошаблона и самой платы дело об­стоит не так просто.

Некоторое время назад автор делал фотошаблоны печатных плат методом фоторепродуцирования [1]. Этот метод действительно обеспечивает нужное разрешение и точность, однако требует слишком больших затрат времени, материалов и труда, поскольку доволь­но сложен.

Второй метод — печатать фотошаб­лоны на принтере. Современные струй­ные принтеры позволяют достичь не обходимого разрешения, однако они весьма ненадёжны, а сменные картрид­жи для них слишком дороги. Этим мето­дом автор пользовался до тех пор, пока его струйный принтер не вышел из строя. А стоимость ремонта такого принтера оказалась близкой к цене нового. Поэтому от струйного принтера пришлось отказаться и перейти на лазерный, который очень надёжен и способен длительное время работать безотказно. У автора, например, до сих пор в рабочем состоянии находится лазерный принтер HP LazerJet 6L, кото­рому уже более 20 лет. Однако бытовые лазерные принтеры, даже самые совре­менные, при печати на предназначен­ной для них прозрачной плёнке не обес­печивают получения фотошаблона не­обходимого качества.

Дело в том, что поверхность про­зрачной плёнки для лазерных принте­ров очень гладкая. А принтеры предна­значены в основном для печати на бума­ге, имеющей волокнистую структуру, которая обеспечивает хорошее пози­ционирование листа бумаги при отно­сительно невысоком усилии его прижа­тия к протягивающему валу. Но слиш­ком гладкая плёнка при слабом прижа­тии иногда проскальзывает, поэтому рисунок получается искажённым, а фо­тошаблон непригодным для изготовле­ния платы. Кроме того, к гладкой по­верхности плёнки плохо прилипает тонер, недостаточно разогретый "печ­кой'' стандартного лазерного принтера. При отслаивании тонера использовать фотошаблон тоже невозможно. Те принтеры, в которых описанные проблемы решены, слишком дороги.

Напечатанный на лазерном принтере фотошаблон зача­стую нельзя использовать и в связи с недостаточной опти­ческой плотностью слоя тоне­ра. Через мельчайшие отвер­стия в нём на фоторезист, которым покрыта заготовка платы, во время экспонирова­ния попадает свет, от чего пе­чатные проводники, а особен­но сплошные участки меди, оказываются "изьедены" то­чечными дефектами.

В продаже можно встре­тить заготовки для печатных плат, представляющие собой пластины из листового изоля­ционного материала, покры­тые медной фольгой, поверх которой нанесён светочувствительный слой фоторезиста, реаги­рующий на ультрафиолетовое излуче­ние так называемого диапазона UV-А с длиной волны 315…400 нм. Этот слой защищён от нежелательной засветки и механических повреждений непрозрач­ной липкой плёнкой.

До последнего времени подобные заготовки выпускала лишь немецкая фирма Bungard. Они изготовлены из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм при толщине слоя меди 0,035 мм. Продают их под названием "плата с фоторезистом односторонняя". В статье [1] речь идёт именно о них. Однако сегодня их цена существенно выросла. Кроме того, они стали редко появляться в про­даже.

Очень важен выбор источника ультра­фиолетового излучения для экспониро­вания фоторезиста заготовки платы через фотошаблон. На взгляд автора, до последнего времени единственным на­дёжным источником такого излучения оставалась лампа Ultra Vitalux мощ­ностью 300 Вт с цоколем Е27, как у обычной лампы накаливания. Она пред­ставляет собой ртутную лампу высокого давления, помещённую в ещё одну вакуумированную прозрачную колбу вме­сте с вольфрамовой спиралью. Спираль служит балластом для ртутной лампы и рассеивает значительную мощность. Такой лампой пользовался и автор, од­нако она имеет множество недостатков.

Во-первых, она очень дорогая (не­сколько тысяч рублей).

Во-вторых, потребляя значительную мощность, лампа сильно нагревается, что требует использовать для неё спе­циальный фарфоровый патрон, выдер­живающий высокую температуру, и спе­циальные термостойкие провода. Автор помещал её в металлический кожух фотоувеличителя [1].

В-третьих, ртутная лампа — практи­чески точечный источник ультрафиоле­тового излучения (диаметр светящейся зоны всего 5 мм). Поэтому для получе­ния светового пятна диаметром около 10 см, нужного для освещения фото­шаблона средних размеров, приходит­ся удалять от него лампу на расстояние не менее 40 см. Но даже в этом случае освещённость пятна не совсем равномерна. Она максимальна в его центре и спадает ближе к краям. Лампе необхо­дим предварительный разогрев в тече­ние 3...5 мин.

В-четвёртых, срок службы такой лампы всего 1000 часов. Вольфрамовая спираль в ней часто перегорает в момент включения, так как её сопротив­ление в холодном состоянии значитель­но меньше, чем в горячем.

Далее автор попытается рассказать, как устранить описанные проблемы — изготовить высококачественный фото­шаблон с высоким разрешением с помощью обычного лазерного принте­ра, применить современный недорогой светочувствительный фольгированный материал в качестве заготовки для печатной платы, использовать недоро­гой и высокоэффективный источник ультрафиолетового излучения вместо ртутной лампы.

Изготовление фотошаблона для печатной платы

Когда вышел из строя струйный принтер, у автора осталась прозрачная плёнка для него нескольких типов. В том числе универсальная прозрачная плён­ка LOMOND РЕ Universal Film 0710421, пригодная как для струйных, так и для лазерных принтеров. Одна её сторона, шершавая на ощупь как мелкая наждач­ная бумага, покрыта желатином и пред­назначена для печати струйным принте­ром. Вторая сторона — для печати лазерным принтером. Она более глад­кая, чем первая, но менее гладкая, чем поверхность плёнки, предназначенной исключительно для печати лазерным принтером. По тактильному ощущению её гладкость сопоставима с гладкостью кальки.

Автор попробовал напечатать лазер­ным принтером фотошаблон на стороне этой плёнки, предназначенной для такого принтера, и был приятно удивлён высоким качеством изображения. Пос­ле настройки принтера на работу с "вы­сококачественной бумагой" и "макси­мальной плотностью тонера" (эти режи­мы имеются, как правило, во всех ла­зерных принтерах) повторно напечатан­ное изображение стало и более контрастным. Кроме того, благода­ря "шершавости" стороны плёнки, предназначенной для печати струйным принтером, в лазерном принтере она не проскальзывает.

Оставалось только увели­чить плотность слоя тонера, поскольку на просвет изобра­жение не было абсолютно чёр­ным. Для этого напечатанный фотошаблон достаточно на не­которое время поместить в атмосферу паров растворите­ля лаков и красок, как реко­мендовано в [1].

Для выполнения этой про­цедуры были приобретены контейнер из полипропилена, предназначенный для разо­грева продуктов в СВЧ-печи и имеющий герметично закры­вающуюся крышку с защёлка­ми и резиновой прокладкой, полипропиленовая мыльница соответст­вующего размера и полиэтиленовая решётка для кухонной раковины (поли­пропилен и полиэтилен стойки к воз­действию используемого растворите­ля). От решётки был отрезан фрагмент, помещающийся в контейнер.

На дне контейнера была установле­на мыльница с 20...30 мл растворителя (рис. 1). На мыльницу была уложена решётка, а на неё — фотошаблон рисунком вверх. После этого крышка контейнера была герметично закрыта и зафиксирована защёлками, в пазы которых вошли выступы на корпусе кон­тейнера.

Рис. 1

Спустя два часа контейнер был от­крыт и фотошаблон аккуратно извлечён из него пинцетом, чтобы не повредить размягчённый тонер. После 10... 15 мин просушки, необходимой для испарения растворителя, фотошаблон пригоден для изготовления платы.

Раньше автор применял в качестве растворителя дихлорэтан. Это веще­ство легко было приобрести в любом магазине радиодеталей, обычно под названием "клей для органического стекла". Однако существенно лучшей растворяющей способностью обладает дихлорметан — бесцветная жидкость со слабым запахом ацетона. Температура её кипения — 40,1 °С против 83,47 °С у дихлорэтана, в связи с чем дихлорме­тан иногда вводят в состав хладагентов.

Но главное достоинство дихлорметана — в отличие от токсичного дихлорэ­тана он относится к малоопасным хими­ческим соединениям. В связи с этим его применяют в смесях для снятия лака, в пищевой промышленности — для при­готовления быстрорастворимого кофе и других пищевых продуктов, и даже в процессе производства духов. Кроме того, дихлорметан существенно дешев­ле дихлорэтана. Высокая растворяю­щая способность и летучесть дихлорме- тана позволяют существенно увеличить оптическую плотность слоя тонера по сравнению с дихлорэтаном.

Новые материалы со светочувствительным слоем

Кроме сравнительно дорогих стекло­текстолитовых заготовок плат со свето­чувствительным слоем, выпускаемых компанией Випдагс!, в последнее время в продаже появились заготовки из дру­гого материала — бакелита, покрытого медной фольгой толщиной 0,035 мм с нанесённым не неё светочувствитель­ным слоем (фоторезистом), защищённым светонепроницаемой липкой плён­кой светло-серого цвета. Его выпускает компания Kinsten (рис. 2).

Рис. 2

В отличие от стеклотекстолита, представляющего собой стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой, баке­литовая плата целиком состоит из за­твердевшей фенольной смолы. Этим она схожа с гетинаксовой, представ­ляющей собой бумажную основу, про­питанную фенольной смолой.

Бакелит хрупок, поэтому резать его ножницами по металлу, как стеклотекс­толит, нельзя. Однако он прекрасно пилится обыкновенным ручным лобзи­ком с пилкой по дереву. При этом пилка не тупится, как от стеклотекстолита. Кроме того, бакелит можно сверлить обыкновенными стальными свёрлами,

не опасаясь их зату­пить.

Бакелитовая за­готовка платы ком­пании Kinsten приблизительно в два раза дешевле, чем равная ей по размеру стеклотексто­литовая компании Bungard. Светочувст­вительность фоторезиста на них одина­кова, но при проявлении рисунок пе­чатных проводников на плате компании Kinsten получается более контрастным (он тёмно-зелёного цвета).

В левом нижнем углу упаковки заго­товки платы компании Kinsten на рис. 2 видна маркировка PS1015, где Р — ма­териал (phenolic), S — плата покрыта медной фольгой с одной стороны, 1015 — её размеры (10x15 см). Компа­ния Kinsten выпускает и стеклотексто­литовые заготовки плат. В этом случае букву Р в маркировке заменяет буква G (glass — стекло). Например, GS1015. Однако стоят они дороже стеклотексто­литовых компании Bungard.

Подготовка платы и фотошаб­лона к экспонированию

Чтобы плотно прижать фотошаблон к светочувствительной поверхности заго­товки, автор пользуется рамкой, исход­но предназначенной для контактной печати фотоснимков с фотопластинок и плоских фотоплёнок размерами 9x12 см (рис. 3). На стекло рамки фотошаблон укладывают рисунком вверх, на него кладут заготовку платы светочувстви­тельным слоем, с которого предвари­тельно снята защитная плёнка, к фото­шаблону. На заготовку накладывают прижимную пластину из стеклотексто­лита толщиной 4 мм, после чего весь пакет фиксируют в рамке двумя пружи­нами с защёлками. Благодаря этому светочувствительный слой фоторезиста оказывается плотно прижатым к напе­чатанному на фотошаблоне рисунку.

Рис. 3

Описанная процедура проста и легко выполнима. Единственный совет — для полного прилегания фотошаблона к фоторезисту необходимо ещё до снятия

защитной плёнки мелким напильником или надфилем удалить заусенцы на кра­ях заготовки платы, образовавшиеся после её распила. Все опилки следует тщательно удалить кисточкой с жёстким ворсом (лучше всего из щетины).

Источник ультрафиолетового излучения и экспонирование

Как было сказано выше, до послед­него времени единственным надёжным источником ультрафиолетового излуче­ния для экспонирования фоторезиста была лампа Ultra Vitalux мощностью 300 Вт. Однако сегодня вместо обычных ламп накаливания для освещения поме­щений, ламп в фарах автомобилей и даже поездов метро применяют высо­коэффективные светодиоды видимого спектра излучения. Автор задался во­просом: а не выпускают ли высокоэф­фективные светодиоды ультрафиолето­вого диапазона? Как оказалось, выпус­кают. Мало того, можно приобрести го­товую светодиодную ультрафиолетовую лампу мощностью 3 Вт со стандартным цоколем Е27, которая в 25 раз дешевле лампы Ultra Vitalux.

Но будет ли такой источник ультра­фиолетового излучения достаточным для экспонирования заготовки? Какая экспозиция потребуется? Чтобы прове рить это, была приобретена лампа диа­метром 63 мм, содержащая 50 ультра­фиолетовых светодиодов (Ultra Bright Е27 UV Lamp Ultraviolet Color Purple Light 50LED Lamp Bulb 220V, Model Number LDHH1599-b). По сравнению с лампой Ultra Vitalux она выглядит просто крошечной (рис. 4). Несколько дороже стоит ультрафиолетовая лам­па диаметром 92 мм и мощ­ностью 6 Вт, содержащая 100 светодиодов (Ultra Bright 6WE27 UV Lamp, Model Num­ber LDHH1621B).

Рис. 4

Но какова, хотя бы при­близительно, оптимальная продолжительность экспо­нирования фоторезиста та­кой лампой? Автор провёл эксперимент, экспонируя за­готовку трёхваттной свето­диодной лампой с расстоя­ния 10 см в течение четырёх минут. Через каждую минуту светонепроницаемая пластина, ус­тановленная перед заготовкой, сдвига­лась на шаг. Было обнаружено, что од­номинутной экспозиции вполне дос­таточно, а двухминутной слишком мно­го. Откуда же в такой маленькой свето­диодной лампе взялся такой мощный поток ультрафиолетового излучения?

Рис. 5

Для ответа на этот вопрос были про­анализированы спектры излучения лампы Ultra Vitalux (взят из прилагаемо­го к ней описания и показан на рис. 5) и ультрафиолетового светодиода. Анализ позволил сделать следующие выводы.

  1. Лампа Ultra Vitalux имеет широкий спектр излучения, но в эффективном облучении фоторезиста принимают участие лишь немногочисленные спек­тральные линии, лежащие в диапазоне UV-А. Вся остальная энергия расходу­ется бесполезно.
  2. Спектр излучения ультрафиолето­вого светодиода со средней длиной вол­ны 365 или 380 нм практически полно­стью сосредоточен в диапазоне UV-А. По­этому на фоторезист воздействует вся энергия излучения такого светодиода.

В связи с этим было решено поднять светодиодную лампу на высоту 30 см над поверхностью заготовки платы (рис. 6), чтобы уменьшить интенсив­ность её облучения, и провести ещё один эксперимент. Цифрами на полу ченной в его результате плате, показан­ной на рис. 7, обозначена продолжи­тельность экспозиции её участков в се­кундах. Ширина линий сетки — 0,1 мм, а линий окантовки — 0,25 мм.

Рис. 6

Этот эксперимент показал, что оптимальная продолжительность экспози­ции лежит в интервале от 40 до 60 с Причём было обнаружено, что изобра­жения на участках платы, экспонированных в течение 80 и 60 с, появи­лись через соответственно 1,5 и 2 мин после начала проявле­ния. Однако на участке платы, экспонированном в течение 40 с, изображение появилось лишь спустя 5 мин. Это говорит о том, что меньше 40 с экспони­ровать фоторезист не следует.

Рис. 7

Из теории фотографии хо­рошо известно: чтобы получить более контрастный снимок (что и требуется при изготовлении фотошаблона), его необходи­мо "недодержать" и "перепроявить". Иными словами, макси­мально укоротить экспозицию и увеличить длительность про­явления. Чрезмерно увеличи­вать экспозицию нежелательно, поскольку это приводит к появле­нию точечных дефектов на относитель­но больших по площади участках меди. Это отчётливо видно на рис. 8 — фото­снимке участка платы, полученной в предыдущем эксперименте, при его облучении в течение 4 мин.

Рис. 8

Итак, оптимальное расстояние от светодиодной ультрафиолетовой лам­пы мощностью 3 Вт до облучаемой поверхности заготовки платы — около 30 см, при этом продолжительность экспозиции должна быть не более минуты (столько же, сколько требуется при освещении лампой Ultra Vitalux). Для увеличения оптической плотности слоя тонера рекомендую использовать дихлорметан.

Необходимо добавить, что светоди­одная лампа диаметром 60 мм, состоя­щая из 50 светодиодов одинаковой яркости, позволила получить световое пятно диаметром около 120 мм, осве­щённое практически равномерно, в отличие от светового пятна, создавае­мого лампой Ultra Vitalux. Для опреде­ления оптимального места расположе­ния рамки с заготовкой платы в свето­вом пятне рекомендуется подложить под рамку лист белой бумаги.

Проявление фоторезиста

Для проявления изображения печат­ных проводников на фоторезисте автор рекомендует жидкость для прочистки труб "Крот" (её продают и под другими названиями, например, "Укротитель засоров" или "КР07"). Такую жидкость легко приобрести в хозяйственном магазине. Основа состава этого препа­рата — каустическая сода (химическая формула NaOH).

Чтобы получить раствор нужной кон­центрации, отвинтите от бутылки с жид­костью для прочистки труб пластиковую крышку и наполните её препаратом доверху (рис. 9). Затем вылейте препа­рат из крышки в пластиковую бутылку ёмкостью 330 мл и долейте воды до её полного заполнения.

Рис. 9

Длительность проявления — 3...5 мин при температуре раствора +25 °С. За это время по поверхности платы не­обходимо несколько раз пройти кистью средней мягкости (лучше всего из козь­ей шерсти), чтобы смыть ненужную эмульсию. По окончании проявления тщательно промойте заготовку боль­шим количеством холодной воды, ис­пользуя ту же кисть.

Всю процедуру проявления и про­мывки необходимо проводить при сла­бом рассеянном освещении (напри­мер, лампой накаливания мощностью не более 40 Вт, расположенной не ближе 1,5 м от заготовки). Если это делать при ярком свете (особенно солнечном), то фоторезист может быть необратимо засвечен, весь рисунок с него пропадёт.

Сушить заготовку не требуется, её можно сразу же поместить в раствор хлорного железа. При этом раствор должен быть не очень насыщенным — таким, при котором процесс травления продолжается не менее часа. Это поз­волит, наблюдая за его ходом, прекра­тить травление в нужный момент, не допуская сквозного подтравливания печатных проводников, как на рис. 8. Остатки затвердевшего фоторезиста легко снять с платы тампоном, смочен­ным в ацетоне.

Технология всех дальнейших работ с платой (лужения печатных проводни­ков, сверления отверстий, пайки ком­понентов для поверхностного монтажа) подробно описана в [2].

ЛИТЕРАТУРА

1 Кузьминов А. Метод фоторепродуци­рования для изготовления фотошаблона пе­чатных плат в домашних условиях. — Техно­логии в электронной промышленности, 2010, №5, с. 17-23; №6, с. 10-15; № 7, с. 8-15.

  1. Кузьминов А. Изготовление устройств на печатных платах с высоким разрешением в домашних условиях. — Технологии в элект­ронной промышленности, 2010, № 8, с. 18— 25; 2011, № 1, с. 9-13; № 2, с. 18-25.

Автор: А. Кузьминов, г. Москва
Источник: Радио №10/2017

Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/35908

Добавить комментарий