Устройство ультрафиолетового облучения для изготовления печатных плат

Настя Радикальная

11 лет назад

Примечание: Не смотрите прямо на ультрафиолетовые светодиоды. Это вредит глазам.

Введение

Я использую термомеханический метод переноса тонера для травления печатных плат около девяти лет с отличными результатами. Иногда если требуется плата с тонкими дорожками, для изготовления можно использовать ультрафиолетовый (УФ) метод. Моя УФ-установка для изготовления печатных плат (ПП) позволяла нанести рисунок только на одностороннюю плату и состояла из 30-и сантиметровой УФ-трубки, пары держателей, стола и плёнки (для печати рисунка). Время травления было довольно долгим, так как трубка находилась далеко от платы.

Несколько месяцев назад я выбирал светодиоды у одного из своих поставщиков и наткнулся на ультрафиолетовые. Сразу же сообразив, как можно модернизировать мою небольшую установку, я начал искать в интернете информацию. Оказывается, некоторые люди уже делали похожую установку на УФ-светодиодах, то есть, разработать её стало быть действительно возможно. Светодиодный ящик наделён очевидным преимуществом: эта установка может быть выполнена в любом требуемом размере, зависимо от нужд.

Позже я купил 25 светодиодов и начал экспериментировать. В ходе экспериментов, смог найти компромисс между плотностью расстановки светодиодов (расстоянием между ними), расстоянием между светодиодами и платой. Я хотел сделать компактное устройство, поскольку не занимаюсь изготовлением больших печатных плат и 30-и сантиметровые УФ-трубки не годятся для такой работы.

Светодиоды

Для установки я использовал светодиоды OSSV53E1A-OptoSupply с углом обзора 140°. Их излучение равномерно на более коротком расстоянии к светодиоду (при выбранном мной расстоянии между светодиодами – 1 см), поэтому плату следует расположить близко к LED-панели для лучшего результата. Пиковая длина волны УФ-светодиода – 405 нм – выше рекомендованной производителями ПП. Результаты показали, что УФ-светодиоды излучают достаточно света для реакции фоторезиста, что обеспечивает идеальное проявление рисунка ПП.

Я хотел использовать общее напряжение в схеме, поэтому три светодиода последовательно с резистором (сопротивление 91 Ом) подсоединены к источнику напряжений 12 В для обеспечения силы тока в 20 мА (в моей установке 7 параллельных ветвей со светодиодами).

Окончательная установка будет содержать стабилизатор LM317, поскольку я не планирую всё время использовать источник напряжения 12 В. Причина проблем в том, что в связи с нелинейной природой светодиодов, отклонение +/-5% от напряжения 12 В приводит к гораздо большему отклонению тока в цепи, а это влияет на необходимое время проявки. Использование в схеме стабилизатора даёт больше гибкости в выборе источника питания.

На плату в нижней части ящика добавил красные светодиоды. Эти светодиоды помогают выровнять плёнки для верхнего и нижнего слоёв ПП. Использовал дешёвые матовые светодиоды низкой яркости, так как должен смотреть на них при выравнивании плёнок. Подключение в схему похожее, 3 светодиода последовательно с резистором с сопротивлением 220 Ом, за исключением последнего ряда, который содержит 2 светодиода и резистор сопротивлением в 330 Ом. Устанавливать красные светодиоды не обязательно, плёнки выровнять и разместить можно и при тусклом внешнем освещении.

Из соображений безопасности и дополнительной функциональности я добавил переключатель, благодаря которому УФ-светодиоды выключаются при открытии ящика, включаются красные и останавливается счёт таймера. Это делает УФ-устройство более технологичным и говорит о профессиональном его выполнении.

Расположение светодиодов

Для установки в нижнюю часть ящика панели из оргстекла толщиной 4 мм использовал гайки, которые прикрутил на внутренние стенки ящика. Выбор держателя был в пользу легкодоступного варианта: гайки. Не используйте обычное стекло для защиты от ультрафиолетового излучения, не поможет. В ящике нет верхней панели из оргстекла, потому что она используется в процедуре выравнивания: ставлю плёнку для нижнего слоя ПП, затем плату и плёнку для топа, накрывая всё небольшой панелью из оргстекла. Выравнивание подразумевает расположение панельки из оргстекла так, чтобы обе плёнки идеально перекрывали друг друга. Плёнка прикрепляется к панели, это упрощает её размещение на плате. Вторая часть проекта будет содержать более подробное руководство по изготовлению двухсторонних плат.

Окончательная сборка установки позволяет наносить рисунок на платы площадью до 10×15 см, при этом внутренние размеры ящика — 18 см длина, 11 см ширина и 5,5 см высота для обеих половин. Внешние размеры будут зависеть от толщины материала. Каждая плата содержит 7 × 12 УФ-светодиодов, с 3 и 4 соответственно отверстиями между ними (фактическое расстояние между центрами светодиодов одинаково). Расстояние между панелью светодиодов и платой равно 3,5 см, включая 4 мм панели из оргстекла. На фото ниже, вы можете подробно разглядеть расположение светодиодов на плате с шагом расположения контактных площадок 0.1″ или 1.27 мм:

Облучение

Результаты облучения: тест я проводил на небольшой плате с 2 до 8 минут. Начать тестирование с минимума в 2 минуты, оказалось, не самая лучшая идея, но по старому опыту я выбрал такое время.

На интервале от 2 до 7 минут, как вы можете видеть на фото выше, рисунок проявился отлично. После 7 минут некоторые передержки могут появляться, но только на больших площадях меди, в связи с тем, что плёнка была напечатана лазерным принтером. Этот результат очень отличается от того, что бывает при использовании люминесцентной лампы: до 12 минут плата была неясно проявлена, а выше 14 – передержана, временной интервал для травления — небольшой.

Пока что я сделал 4 платы с 2 минутным проявлением, и они отлично получились. В свободное время я продолжу исследования, чтобы выяснить, какими будут результаты при экспонировании мене чем 2 минуты. В интервале от 2 до 7 минут, ящик, кажется, работает, поэтому нет непосредственной необходимости в таймере. Тем не менее, вторая часть проекта будет содержать основные схемы для таймера.

Галерея

Готовые панели:

Ящик:

Установленные панели:

Установленная нижняя панель из оргстекла и гайка:

Вид сзади:

Предохранительный выключатель:

Включённые красные светодиоды:

Включённые УФ-светодиоды:

Создай своё собственное устройство УФ-облучения

Для того, чтобы создать своё собственное устройство вы должны в первую очередь определиться с размером плат, который вам требуется. В моём устройстве могут быть проявлены платы размером 10 x 15 см. Для такой установки вам понадобятся следующие материалы:
— 168 УФ-светодиодов, OSSV53E1A;
— 56 резисторов 91 Ом 1% 0.25Вт (точность 5% также подходит);
— 66 красных матовых светодиодов;
— 18 резисторов номиналом 220 Ом для красных светодиодов;
— 6 резисторов номиналом 330 Ом для красных светодиодов;
— 2 платы для светодиодов, минимальный размер, который подошёл для встройки в ящик, — 13 x 25 см;
— 1 переключатель для крышки с номинальным значением тока 1.5 A минимум;
— 2 завесы;
— 1 ящик;
— разное: винты гайки, клей и т.д.
Выбор материала для ящика – за вами. Я соорудил его из двух идентичных половин, внутренние размеры которых — 18 x 11 x 5.5 см. Использованный материал – ДСП, толщиной 8 мм, размеры граней следующие:
— 4 11 x 5.5 см;
— 4 19.6 x 5.5 см;
— 2 19.6×12.6 см.

Таймер

Для того чтобы усовершенствовать мой ультрафиолетовый ящик, я спроектировал и встроил в него таймер обратного отсчета.

Есть несколько других решений этой задачи, но чтобы улучшить прибор, я хотел бы добавить ему следующие ключевые функции:

— Точное отображение времени

— Регулируемое время, разрешение 10 сек

— Пуск / пауза процедуры

— Автоматическая пауза и выключение УФ-светодиодов, когда ящик открыт

— Наличие предварительно записанных в память значений времени для легкого доступа

Реализация мер безопасности проста, переключатель на ящике может управлять либо, красными, либо УФ-светодиодами. Таймер должен контролировать УФ-светодиоды, для этого я использовал МДП-транзистор. Кроме того, необходимо знать, какое состояние крышки ящика. Я построил схему, которая справляется со всеми вышепоставленными задачами. Схематическую концепцию можно увидеть ниже:

Символически схема показывает матрицу красных и ультрафиолетовых светодиодов в основной ячейке: на панели серии из трёх светодиодов и резистора повторяются. Как видите, включить УФ-светодиоды невозможно, если крышка ящика открыта, даже если такая команда будет поступать от микроконтроллера (МК). МК может зажечь УФ-светодиоды с помощью полевого транзистора только когда крышка ящика закрыта. Эта функция прописана в программном коде. Для того чтобы определить, открыт ящик или нет, микроконтроллер отслеживает состояние катода красной светодиодной матрицы. Когда крышка закрыта, он заземлён и микроконтроллер считывает низкий логический уровень напряжения, когда открыта, красные светодиоды начинают производить ток, МК считывает высокий логический уровень. Сила производимого тока маленькая, ток ограничен резистором (10 кОм) и, следовательно, МК может посчитать, что красные светодиоды не включены. Я мог бы оставить их постоянно зажженными, и это бы не повлияло на функционирование устройства, но прибавило бы расходов и тепла, которое необходимо рассеять на нижней панели.
Хотя это не совсем оправдано, я решил поработать в полную силу и собрал схему таймера с дисплеем. Вариантов реализации – море, начиная с простой схемы включения таймера 555. Я хотел, чтобы схема была компактной, так что мелкие SMD компоненты используются, где только можно.
Дисплей — KW4-361ASB Luckylight. Это маленький, семисегментный четырёхразрядный дисплей, высотой знака 9,2 мм. Я выбрал такой дисплей по двум основным критериям: во первых, хотел чтобы он был маленьким и эффективным настолько, чтобы даже небольших значений тока хватало для достаточной яркости подсветки, во вторых, желательно, чтобы дисплей был мультиплексным, так как это упрощает топологию печатной платы.
В качестве микроконтроллера выбрал ATTiny2313, так как ему присущи все функции, необходимые для выполнения поставленных задач: достаточная нагрузочная способность ножек, таймер, нужное количество ножек и объём памяти. В наличии также встроенный генератор, но я не использовал его, потому что посчитал допуск по частоте в пределах 10% слишком высоким для этого проекта. Позже я добавил на плату кристалл кварца, но с поправкой исходного значения таймера конкретно для моей цепи, чтобы компенсировать внутреннее отклонение частоты осциллятора. Определить поправку было просто, так как я знал, что частота обновления экрана для дисплея должна быть равна 50 Гц, поэтому мне понадобился частотомер. Я считаю, что частота обновления не должна изменяться, поэтому определённая поправка будет достаточной при колебании частоты менее 2-3%. Я предлагаю использовать кристалл кварца, но это не обязательно, можете делать по-моему или просто принять максимальный допуск генератора равным 10%.

Для включения УФ-светодиодов используется TSM2302 МДП-транзистор, ток истока которого равен 3.6 A, что более чем достаточно для обеих плат. Могут быть использованы другие транзисторы, например такие как IRLML0060TRPBF.

Кроме этого, на плате таймера есть четыре кнопки, стабилизатор 7805 и разъёмы. Кнопки выполняют следующие функции (слева направо): старт/пауза таймера, добавить ещё 10 секунд, отнять 10 секунд, установка уже заданных значений из памяти.
Поскольку программное обеспечение позволяет удобно подключить дисплей, я решил установить разъёмы так, чтобы как можно больше упростить топологию печатной платы, и именно поэтому схема не очень проста.

Соединение переключателя на крышке ящика и светодиодных матриц показано ниже:

Готовая печатная плата показана ниже, она очень компактна и выполнена в размерах менее 6×3.5 см:

На плате нет программируемого разъёма по двум причинам: я хотел, чтобы сделать плату как можно более компактной и, по факту, это тип схемы требует единичного программирования (для конечного пользователя). Так как все контакты, необходимые для программирования, подключены к дисплею, то легко подсоединить несколько проводов к программатору. Как я это сделал, видно на фото ниже: