Tecnología de fabricación de circuitos impresos de alta resolución en condiciones amateurs

En el artículo se describe la tecnología de fabricación de circuitos impresos de alta resolución a partir de la recolección de antemano puesta фоторезистом. Muestra que, con impresión de alta calidad fotomodelos una impresora láser, el uso de nuevos material sensible a la luz y de fuentes contemporáneas de la radiación ultravioleta puede ser considerable ahorro de tiempo y dinero. La asimilación de la propuesta de la tecnología de radioaficionados les ayudará a aplicar en sus trabajos de desarrollo moderna элементную la base, reduciendo considerablemente los gastos de la placa de circuito impreso con nuestro rápido y significativo de la abaratar su fabricación.

Las dimensiones de las piezas de radio, diseñado para montaje en superficie (resistencias, condensadores, bobinas de inductancia, transistores, diodos, chips), tienen una tendencia a la reducción permanente. Por ejemplo, si hasta hace poco tiempo en la placa de circuito impreso tradicionalmente establecido

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

Industrial de la fabricación de placas de circuitos impresos destinados a la instalación de tales piezas, hoy en día no es ningún problema. Pero que pasa con aquellos a quienes desea utilizar componentes modernos en los diseños y singulares muestras de los dispositivos electrónicos? Una de las opciones es acudir a las empresas, capaces profesionalmente fabricar para ellos de la placa. Pero es un camino largo y недешев. Sigue siendo la fabricación de la placa con sus propias fuerzas. Este camino, en opinión del autor, no requiere de mucho tiempo y es barato, sin embargo, debe cumplir con requisitos de calidad del cableado de los conductores impresos, la precisión de fabricación фотошаблона y de la propia tarjeta.

Problemas con el cableado de circuitos impresos de hoy no hay. Para esto, hay muchos programas informáticos que permiten la precisión necesaria. El autor, por ejemplo, con el éxito está disfrutando el programa Sprint Layout de la versión 6.0. Sin embargo, con la fabricación de фотошаблона y la tarjeta no es así de simple.

Hace algún tiempo, el autor hizo las fotomáscaras las placas de circuitos por el método de фоторепродуцирования [1]. Este método es realmente proporciona la resolución y la precisión, sin embargo, requiere demasiado tiempo, materiales y mano de obra, ya que es bastante complejo.

El segundo método es imprimir las fotomáscaras en la impresora. Las modernas impresoras de inyección de tinta permiten alcanzar el necesario permiso, sin embargo, son muy poco fiables, y cartuchos de repuesto para ellos es demasiado caro. Con este método el autor usaba hasta que su impresora de inyección de tinta no se ha bloqueado. Y el costo de la reparación de esta impresora se encontraba cercano al precio de nuevo. Por lo tanto, de la impresora de inyección de tinta tuvo que abandonar y pasar a láser, que es muy fiable y es capaz de mucho tiempo de trabajar con seguridad. El autor, por ejemplo, todavía en el estado de la impresora láser HP LazerJet 6L, que desde hace más de 20 años. Sin embargo, la costumbre de impresoras láser, incluso los más modernos, mientras que la impresión en la cara de ellos transparencias no permiten obtener фотошаблона de calidad adecuada.

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.

En la venta se puede encontrar la pieza de trabajo para placas de circuitos impresos que representan una placa de chapa de materiales aislantes, cubiertas de lámina de cobre sobre la cual sufrió la capa fotosensible de la fotoprotección, la ausencia de respuesta a la radiación ultravioleta del llamado rango UV-A con la longitud de onda 315...400 nm. Esta capa está protegido contra luz ambiental y los daños mecánicos opaco y pegajoso de la película.

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.

Es muy importante la selección de la fuente de radiación ultravioleta para la exposición de la fotoprotección de la pieza de la placa a través de фотошаблон. En opinión de la autora, hasta hace poco tiempo la única fuente fiable de tal radiación se mantuvo la lámpara Ultra Vitalux de potencia de 300 w con el zócalo de la Е27, como el normal de la lámpara incandescente. Ella es una ртутную la lámpara de alta presión, colocada en una вакуумированную transparente frasco junto con el tungsteno espiral. La espiral sirve de lastre para una lámpara de mercurio y disipa una potencia significativa. Esta lámpara se disfrutó y el autor, sin embargo, tiene muchas deficiencias.

En primer lugar, es muy costoso (varios miles de rublos).

En segundo lugar, el consumo de una gran potencia, la lámpara se calienta, lo que requiere utilizar para ella especial casquillo de porcelana, sostiene la alta temperatura, y especiales resistentes a la temperatura del alambre. El autor ponga en una cubierta de metal ampliadora [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.

En cuarto lugar, la vida de servicio de la lámpara del total de 1000 horas. Tungsteno espiral en ella a menudo se quema en el momento de la inclusión, así como de su resistencia en frío es mucho menor que en caliente.

A continuación, el autor intenta explicar cómo resolver el problema descrito — fabricar de alta calidad фотошаблон de alta resolución con una impresora láser, aplicar moderno barato sensible a la luz фольгированный material de la pieza de la placa de circuito impreso usar de bajo costo y alta efectividad fuente de radiación ultravioleta en lugar de una lámpara de mercurio.

Изготовление фотошаблона для печатной платы

Cuando salió el fallo de la impresora de inyección de tinta, el autor se ha quedado transparencia para varios tipos de. Incluso universal de transparencia LOMOND RE Universal Film 0710421, apta para inyección de tinta y láser. Tiene una parte, шершавая al tacto como un fino papel de lija, cubierto de gelatina y está diseñado para impresoras de inyección de la impresora. La segunda parte, para la impresión de una impresora láser. Es más suave que la primera, pero menos suave que la superficie de la película, diseñado exclusivamente para la impresión de una impresora láser. Por тактильному la sensación de su suavidad comparable con la suavidad de papel cebolla.

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.

No tuvo más remedio que aumentar la densidad de la capa de tóner, ya que en el lumen de la imagen no era absolutamente negro. Para ello, impreso фотошаблон suficiente en algún momento de colocar en la atmósfera de vapores de disolvente de pinturas, barnices y, como se recomienda en [1].

Para realizar este procedimiento, se han adquirido un contenedor de polipropileno diseñada para calentar alimentos en el microondas, y que tiene el herméticamente закрывающуюся la tapa con broches y junta de goma, de polipropileno jabonera de tamaño adecuado y película de plástico, rejilla para el fregadero de la cocina (polipropileno y polietileno de soporte a la influencia del disolvente). De la rejilla se cortó un fragmento de la помещающийся en el contenedor.

На дне контейнера была установле­на мыльница с 20…30 мл растворителя (fig. 1). En la jabonera se ha echado la parrilla, y a ella — фотошаблон el dibujo de arriba. Después de esto, la tapa del contenedor estaba herméticamente cerrada y bloqueada encaje en las ranuras que forman parte de las lengüetas en el cuerpo del envase.

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.

Pero la principal ventaja de дихлорметана — a diferencia de los efectos tóxicos del dicloruro de etileno se refiere a малоопасным entidades químicas. En este sentido, su uso en mezclas de quitaesmalte, en la industria alimentaria — para preparar быстрорастворимого de café y otros productos alimenticios, e incluso en el proceso de producción de los espíritus. Además, el diclorometano es significativamente más barato dicloruro de etileno. Alta растворяющая la capacidad y la volatilidad дихлорме - tana permiten aumentar considerablemente la densidad óptica de la capa de tóner en comparación con дихлорэтаном.

Новые материалы со светочувствительным слоем

Además de relativamente caros стеклотекстолитовых piezas de tarjetas con светочувствительным capa, producidos por la compañía Випдагс!, en el último tiempo en la venta haba de la pieza de un material diferente de la baquelita, envuelto en lámina de cobre de espesor 0,035 mm causado no ella светочувствительным capa (фоторезистом), protegido conduzca la luz pegajoso de la película de color gris claro. Lo fabrica la empresa Kinsten (fig. 2).

A diferencia de стеклотекстолита que constituye la tela de fibra de vidrio impregnada con resina de epoxi, бакелитовая suplemento compuesto en su totalidad de ha endurecido resina fenólica. Esto es similar con гетинаксовой, representa un papel base impregnada con resina fenólica.

La baquelita frágil, por lo tanto, empezar a cortar con tijeras de metal, como стеклотекстолит, no se puede. Sin embargo, se está obteniendo ordinario manual de la sierra de calar con пилкой de madera. Cuando este sekrecio no tupitsya, como de стеклотекстолита. Además, la baquelita puede perforar comunes con brocas de acero,

no por temor a su embotar.

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 (10×15 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 9×12 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.

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).

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?

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.

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.

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.

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.

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].

LITERATURA

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.

2. 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.

Autor: А. Кузьминов, г. Москва
Fuente: Радио №10/2017