Когда в распоряжении есть лазерный принтер, радиолюбителями применяется технология изготовления печатных плат, которая называется ЛУТ. Однако такой прибор имеется далеко не в каждом доме, поскольку даже в наше время стоит он достаточно дорого. Еще есть технология изготовления с применением фоторезистивной пленки. Однако для работы с ней тоже нужен принтер, но уже струйный. Уже проще, но сама пленка стоит достаточно дорого, а начинающему радиолюбителю на первых порах лучше потратить имеющиеся средства на хорошую паяльную станцию и прочие принадлежности.
Можно ли изготовить печатную плату приемлемого качества в домашних условиях, не имея принтера? Да. Можно. Причем, если все сделать, как описано в материале, понадобится совсем немного денег и времени, а качество будет на очень высоком уровне. Во всяком случае электрический ток «побежит» по таким дорожкам с большим удовольствием.
Перечень необходимых инструментов и расходников
Начать стоит с подготовки инструментов, приспособлений и расходных материалов, без которых просто нельзя обойтись. Для реализации самого бюджетного способа изготовления печатных плат в домашних условиях понадобится следующее:- Программное обеспечение для разработки рисунка.
- Прозрачная полиэтиленовая пленка.
- Узкий скотч.
- Маркер.
- Фольгированный стеклотекстолит.
- Наждачная бумага.
- Спирт.
- Ненужная зубная щетка.
- Инструмент для сверления отверстий диаметром от 0,7 до 1,2 мм.
- Хлорное железо.
- Пластиковая емкость для травления.
- Кисточка для рисования красками.
- Паяльник.
- Припой.
- Жидкий флюс.
Программ для разработки печатных плат существует сегодня огромное количество, но для начинающего радиолюбителя самым простым вариантом будет Sprint Layout. Несложно освоить интерфейс, пользоваться можно бесплатно, присутствует огромная библиотека, включающая распространенные радиокомпоненты.
Полиэтилен нужен для переноса рисунка с монитора. Лучше взять пленку пожестче, например, от старых обложек для школьных книг. Для ее крепления к монитору подойдет любой скотч. Лучше взять узкий – проще будет отклеивать (монитору эта процедура не вредит).
На маркерах стоит остановиться более подробно, так как это больная тема. Для переноса рисунка на полиэтилен, в принципе, подойдет любой вариант. А вот для рисования по фольгированному стеклотекстолиту нужен специальный маркер. Но тут есть маленькая хитрость, как сэкономить, и не покупать достаточно дорогие «специальные» маркеры для рисования печатных плат. Дело в том, что эти изделия по своим свойствам абсолютно ни чем не отличаются от обычных перманентных маркеров, которые продаются в 5-6 раз дешевле в любом канцелярском магазине. Но маркер должен обязательно иметь надпись «Permanent». Иначе ничего не получится.
Фольгированный стеклотекстолит можно брать любой. Лучше, если он будет потолще. Начинающим с таким материалом работать куда проще. Для его очистки понадобится наждачная бумага зернистостью около 1000 единиц, а также спирт (есть в любой аптеке). Последний расходник можно заменить жидкостью для сведения лака для ногтей, которая есть в любом доме, где живет женщина. Однако это средство довольно противно пахнет и долго выветривается.
Для сверления платы лучше иметь специальную мини-дрель или гравер. Однако можно пойти и более дешевым путем. Достаточно купить цанговый или кулачковый патрон под маленькие сверла и приспособить его к обычной бытовой дрели.
Хлорное железо можно заменить другими химическими средствами, включая те, которые уже наверняка есть в вашем доме. Например, подойдет раствор лимонной кислоты в перекиси водорода. Информацию о том, как готовятся альтернативные хлорному железу составы для травления плат, без проблем можно найти в Сети. Единственное, на что стоит обратить внимание, это на емкость для такой химии – она должна быть пластиковой, акриловой, стеклянной, но никак не металлической.
Про паяльник, припой и жидкий флюс подробнее говорить не стоит. Если радиолюбитель дошел до вопроса изготовления печатной платы, то с этими вещами он уже наверняка знаком.
Разработка и перенос рисунка платы на шаблон
Когда все вышеперечисленные инструменты, приспособления и расходные материалы подготовлены, можно браться за разработку платы. Если изготавливаемое устройство не уникальное, то гораздо проще будет скачать его проект из Сети. Подойдет даже обычный рисунок в формате JPEG.
Хотите пойти более сложным путем – рисуйте плату самостоятельно. Этот вариант часто бывает неизбежным, например, в ситуациях, когда у вас нет в наличии точно таких же радиодеталей, которые нужны для сборки оригинальной платы. Соответственно, заменяя компоненты аналогами, под них приходится выделять место на стеклотекстолите, подгонять отверстия и дорожки. Если проект уникальный, то плату придется разрабатывать с нуля. Для этого и нужно вышеупомянутое программное обеспечение.
Когда макет платы готов, его остается только перенести на прозрачный шаблон. Полиэтилен фиксируется прямо на мониторе при помощи скотча. Далее просто переводим имеющийся рисунок – дорожки, контактные пятачки и так далее. Для этих целей лучше всего использовать все тот же перманентный маркер. Он не стирается, не размазывается, и его хорошо видно.
Подготовка фольгированного стеклотекстолита
Следующим этапом идет подготовка стеклотекстолита. Для начала нужно отрезать его по размерам будущей платы. Делать это лучше с небольшим запасом. Для раскройки фольгированного стеклотекстолита можно использовать одни из нескольких способов.Во-первых, материал отлично режется при помощи ножовки по металлу. Во-вторых, если у вас есть гравер с отрезными кругами, то удобно будет использовать его. В-третьих, стеклотекстолит можно отрезать по размеру канцелярским ножом. Принцип раскройки такой же, как и при работе со стеклорезом – в несколько проходов наносится линия отреза, затем материал просто отламывается.
Теперь обязательно нужно очистить медный слой стеклотекстолита от защитного покрытия и окисла. Лучшего способа, чем обработка наждачной бумагой, для решения этой задачи нет. Зернистость берется от 1000 до 1500 единиц. Цель – получить чистую блестящую поверхность. До зеркального блеска зачищать медный слой не стоит, так как мелкие царапины от наждачной бумаги увеличивают адгезию поверхности, что понадобится дальше.
В завершение остается только очистить фольгу от пыли и следов ваших пальцев. Для этого используется спирт или ацетон (жидкость для снятия лака). После обработки к медной поверхности руками не прикасаемся. Для последующих манипуляций захватываем стеклотекстолит за грани.
Совмещение шаблона и стеклотекстолита
Теперь нашей задачей является совмещения полученного на полиэтилене рисунка с подготовленным стеклотекстолитом. Для этого пленка накладывается на нужное место и позиционируется. Остатки заворачиваются на обратную сторону и крепятся при помощи все того же скотча.
Сверление отверстий
Перед сверлением рекомендуется каким-либо способом закрепить стеклотекстолит с шаблоном на поверхности. Это позволит добиться большей точности, а также исключит внезапное проворачивание материала во время прохода сверла насквозь. Если у вас есть сверлильный станок для такой работы, то описанная проблема вообще не возникнет.
Сверлить отверстия в стеклотекстолите можно на любой скорости. Кто-то работает на малых оборотах, кто-то на больших. Опыт показывает, что сами сверла служат намного дольше, если их эксплуатировать на низких скоростях. Так их сложнее сломать, погнуть и повредить заточку.
Отверстия сверлятся прямо через полиэтилен. Ориентирами будут служить будущие контактные пятачки, нарисованные на шаблоне. Если того требует проект, то своевременно меняем сверла под нужный диаметр.
Рисование дорожек
Далее шаблон снимается, но не выбрасывается. К медному покрытию по-прежнему стараемся не прикасаться руками. Для рисования дорожек используем маркер, обязательно перманентный. Его хорошо видно по следу, который он оставляет. Рисовать лучше за один проход, так как после застывания лака, который есть в составе перманентного маркера, правки делать будет весьма затруднительно.
В качестве ориентира используем все тот же шаблон из полиэтилена. Можно рисовать также перед компьютером, сверяясь с оригинальным макетом, где есть маркировка и прочие пометки. Если есть возможность, то лучше использовать несколько маркеров с наконечниками разной толщины. Это позволит более качественно прорисовать и тонкие дорожки, и обширные полигоны.
После нанесения рисунка обязательно ждем некоторое время, необходимое для окончательного отвердевания лака. Можно даже подсушить феном. От этого будет зависеть качество будущих дорожек.
Травление и очистка дорожек от маркера
Теперь самое интересное – травление платы. Тут есть несколько нюансов, о которых мало кто упоминает, но они существенно влияют на качество результата. В первую очередь готовим раствор хлорного железа согласно рекомендациям на упаковке. Обычно порошок разбавляется водой в соотношении 1:3. И тут первый совет. Сделайте раствор более насыщенным. Это поможет ускорить процесс, и нарисованные дорожки не отвалятся прежде, чем вытравится все необходимое.
Сразу же совет второй. Ванночку с раствором рекомендуется погрузить в горячую воду. Можно нагреть ее в металлической посуде. Повышение температуры, как известно еще со школьной программы, значительно ускоряет химическую реакцию, которой травление нашей платы и является. Сокращение времени процедуры нам на руку. Нанесенные маркером дорожки достаточно нестабильны, и чем меньше они будут киснуть в жидкости, тем лучше. Если при комнатной температуре плата в хлорном железе травится около часа, то в теплой воде этот процесс сокращается до 10 минут.
В завершение еще один совет. В процессе травления, хоть он и так ускорен за счет подогрева, рекомендуется постоянно двигать плату, а также счищать продукты реакции щеточкой для рисования. Совмещая все вышеописанные манипуляции вполне возможно вытравить лишнюю медь всего за 5-7 минут, что является просто отличным результатом для этой технологии.
В конце процедуры плату нужно тщательно промыть под проточной водой. Затем просушиваем ее. Остается только смыть следы от маркера, все еще закрывающие наши дорожки и пятачки. Делается это все тем же спиртом или ацетоном.
Лужение печатных плат
Перед лужением еще раз обязательно проходимся по медному слою наждачной бумагой. Но теперь делаем это предельно осторожно, чтобы не повредить дорожки. Самый простой и доступный способ лужения – традиционный, с помощью паяльника, флюса и припоя. Можно также использовать сплавы Розе или Вуда. Также существует на рынке так называемое жидкое олово, которое значительно может упростить задачу.Но все эти новые технологии требуют дополнительных затрат и некоторого опыта, потому для первого раза подойдет и классический метод лужения. На очищенные дорожки наносится жидкий флюс. Далее набирается припой на жало паяльника и распределяется по оставшейся после травления меди. Здесь важно прогреть дорожки, иначе припой может не «приклеиться».
Если у вас все же есть сплавы Розе или Вуда, то их можно использовать и не по технологии. Они просто замечательно плавятся паяльником, легко распределяются по дорожкам, не сбиваются в комки, что для начинающего радиолюбителя будет только плюсом.
Заключение
Как видно из вышеописанного, бюджетная технология изготовления печатных плат в домашних условиях действительно доступная и недорогая. Не нужен ни принтер, ни утюг, ни дорогущая фоторезистивная пленка. Используя все вышеописанные советы вы легко сможете изготавливать простейшие электронные , не вкладывая в это больших денег, что очень важно на первых этапах занятия радиолюбительством.
В этой заметке я разберу популярные способы для создания печатных плат самостоятельно в домашних условиях: ЛУТ, фоторезист, ручное рисование. А также с помощью каких программ лучше всего рисовать ПП.
Когда-то электронные устройства монтировали с помощью навесного монтажа. Сейчас так собирают разве что ламповые аудиоусилители. В массовом ходу печатный монтаж, который преквратился уже давно в настоящую отрасль со своими хитростями, особенностями и технологиями. А хитростей там немало. Особенно при создании ПП для высокочастотных устройств. (Думаю, что сделаю как-нибудь обзор литературы и особенностей проектирования расположения проводников ПП)
Общий принцип создания печатных плат (ПП) заключается в том, чтобы на поверность из непроводящего ток материала нанести дорожки, которые этот самый ток проводят. Дорожки соединяют радиодетали согласно требуемой схеме. На выходе получается электронное устройство, которое можно трясти, носить, иногда даже мочить без боязни его повредить.
В общих чертах технология создания печатной платы в домашних условиях состоит из нескольких шагов:
- Выбрать подходящий фольгированный стеклотекстолит. Почему текстолит? Его проще достать. Да и подешевле получается. Зачастую для любительского устройства этого достаточно.
- Нанести на текстолит рисунок печатной платы
- Стравить лишнюю фольгу. Т.е. убрать лишнюю фольгу с участков платы, на которых нет рисунка проводников.
- Просверлить отверстия под выводы компонентов. Если требуется просверлить отверстия под компоненты с выводами. Для чип компонентов этого очевидно не требуется.
- Залудить токоведущие дорожки
- Нанести паяльную маску. Опционально, если хочешь внешне приблизить свою плату к заводским.
Другой вариант -- это просто заказать свлю плату на заводе. Сейчас множество компаний предоставляют услуги по производсту печатных плат. Получишь отличную заводскую печатную плату. Различаться с любительской они будут не только наличием паяльной маски, но и многими другими параметрами. Например, если у тебя двусторонняя ПП, то на плату бедт присутствовать металлизация отверстий. Можно выбирать цвет паяльной маски и т.д. Преимуществ море, только успевай отслюнявливать деньги!
Шаг 0
Прежде, чем изготавливать ПП, она должна быть где-то нарисована. Можно по старинке нарисовать её на миллиметровой бумаге и потом переносить рисунок на заготовку. А можно воспользоваться одной из многочисленных программ для создания печатных плат. Программы эти называются общим словом САПР (CAD). Из доступных радиолюбителю можно назвать DeepTrace (беспл. версия), Sprint Layout, Eagle (можно конечно найти и специализированные типа Altium Designer)
С помощью этих программ можно не только нарисовать ПП, но и подготовить её к производству в заводских условиях. Вдруг захочется заказать десяток платок? А если не захочется, то такую ПП удобно распечатать и с помощью ЛУТ или фоторезиста изготовить самостоятельно. Но об этом ниже.
Шаг 1
Итак, заготовку для ПП условно можно разделить на две части: непроводящая основа и проводящее покрытие.
Заготовки для ПП бывают разные, но чаще всего они различаются материалом непроводящего слоя. Можно встретить такую подложку из гетинакса, стеклотекстолита, гибкая основа из полимеров, композиции целлюлозной бумаги и стеклоткани с эпоксидной смолой, даже металлическая основа бывает. Все эти материаллы разлиаются своими физическими и механическими свойствами. И на производстве материал для ПП выбирается исходя из экономических соображений и технических условий.
Для домашних ПП я рекомендую фольгированный стеклотекстолит. Легко достать и цена приемлемая. Гетинаксы наверно дешевле, но лично я их терпеть не могу. Если ты разбирал хоть одно массовое китайское устройство, то наверно видел из чего там сделаны ПП? Они ломкие, а при пайке воняют. Пусть китайцы это нюхают.
В зависимости от собираемого устройства и условий его эксплуатации можно выбрать подходящий текстолит: односторонний, двусторонний, с разной толщиной фольги (18 мкм, 35 мкм и т.д. и т.п.
Шаг 2
Для нанесения рисунка ПП на фольгированную основу радиолюбители отработали множество методов. Среди них два самых популярных в нынешнее время: ЛУТ и фоторезист. ЛУТ -- это сокращение от "лезерно утюжная технология". Как и следует из названия потребюутся лазерный принтер, утюг и глянцевая фотобумага.
ЛУТ
На фотобумагу печатается рисунок в отзеракленном виде. Затем он накладывается на фольгированный текстолит. И хорошенько прогревается утюгом. Под воздействием температуры тонер с глянцевой фотобумаги прилипает к медной фольге. После прогрева плата отмачивается в воде и бумага аккуратно убирается.
На фото выше как раз плата после травления. Черный цвет токоведущих дорожек из-за того, что они еще покрыты затвердевшим тонером от принтера.
Фоторезист
Это более сложная технология . Но и результат с его помощью можно получить более качественный: без протравов, более тонкие дорожки и т.д. Процесс похож на ЛУТ, но рисунок ПП печатается на прозрачной пленке. Таким образом получается шаблон, который можно использовать многократно. Затем на текстолит наносится "фоторезист" -- чувствительная к ультрафиолету пленка или жидкость (фоторезист бывает разным).
Затем поверх фоторезиста прочно закрепляется фотошаблон с рисунком ПП и затем этот бутерброд облучается ультрафиолетовй лампой четко отмеренное время. Надо сказать, что рисунок ПП на фотошаблоне печатается инвертированным: дорожки прозрачные, а пустоты темные. Делается это для того, чтобы при засветке фоторезиста незакрытые шаблоном участки фоторезиста среагировали на ультрафиолет и стали нерастворимыми.
После засветки (или экспонирования, как это называют спецы) плата и "проявляется" -- засвеченные участки становятся тёмными, незасвеченные -- светлыми, так как там фоторезист просто растворился в проявителе (обычная кальцинированная сода). Затем плата травится в растворе, а после фоторезист удаляется, к примеру, ацетоном.
Виды фоторезиста
В природе обитает несколько видов фоторезиста: жидкий, самоклеющаяся плёнка, позитивный, негативный. В чем разница и как выбрать себе подходящий? На мой взгляд в любительском применении особой разницы нет. Тут уж как ты наловчишься, тот вид применять и будешь. Я выделил бы только два основных критерия: цена и на сколько удобно лично мне пользоваться тем или иным фоторезистом.
Шаг 3
Травление заготовки ПП с нанесённым рисунком. Растворить незащищенную часть фолги с ПП можно множеством способов: травление в персульфате аммония, хлорном железе, . Мне нравится последний способ: быстро, чисто, дешево.
Помещаем заготовку в раствор для травления, ждем минут 10, вынимаем, промываем, зачищаем дорожки на плате и переходим к следующему этапу.
Шаг 4
Плату можно залудить либо сплавом Розе, либо Вуда, лубо просто покрыть дорожки флюсом и пройтись по ним паяльником с припоем. Сплавы Розе и Вуда -- многокомпонентные легкоплавкие сплавы. А сплав Вуда ещё и кадмий содержит. Так то в домашних условиях проводить такие работы следует под вытяжкой с фильтром. Идеально иметь простенький дымоуловитель. Ты же хочешь жить долго и счастливо?:=)
Шаг 6
Пятый шаг я пропущу, там всё понятно. А вот нанесение паяльной маски довольно интересный и не самый простой этап. Так что давай изучим его подробней.
Паяльная маска используется в процессе создания ПП для того, чтобы защитить дорожки платы от окислений, влаги, флюсов при монтаже компонентов, а также, чтобы облегчить сам монтаж. Особенно, когда используются SMD-компоненты.
Обычно, чтобы защитить дорожки ПП без маски от хим. и мех воздействий матерые радиолюбители такие дорожки покрывают слоем припоя. После лужения такая плата часто выглядит как-то не очень красиво. Но хуже, что в процессе лужения можно перегреть дорожки или повесить между ними "соплю". В первом случае проводник отвалится, а во втором придётся удалять такие нежданные "сопли", чтобы устранить короткое замыкание. Еще одним минусом является увеличение ёмкости между такими проводниками.
Прежде всего: паяльная маска довольно токсична. Все работы следует проводить в хорошо проветриваемом помещении (а лучше под вытяжкой), а также избегать попадания маски на кожу, слизистые оболочки и в глаза.
Не могу сказать, что процесс нанесения маски довольно сложный, но все же требует большого числа шагов. После обдумывания решил, что дам ссылку на более-менее подробное описание нанесения паяльной маски, так как нет сейчас возможности самостоятельно продемонстрировать процесс.
Творите, ребята, это интересно =) Создания ПП в наше время сродни не просто ремеслу, а целому искусству!
К сожалению единственное что вам понадобиться это текстолит, его можно только купить, вряд ли вы найдете его дома.
Первым делом мы рекомендуем вам зачистить (отпалировать) текстолит, так что бы он блестел. Лучше это сделать перед тем как вырезать нужный рисунок, потому что потом по рисунку отполировать поверхность будет намного сложнее.
В местах где будут дырочки под электронные компоненты, необходимо наметить дырочки. Для этого можно взять острый гвоздь или сверло, ставить в точку контакта сверло и ударять по нему сзади молотком (не сильно что бы не затупить сверло и не сломать его)
Если вы нанесете метки отверстий, вам легче будет потом просверлить дырки. Сверло очень плотно входит в такие наметки и не соскакивает, что позволяет делать точные и красивые отверстия. Так же это поможет вам перерисовать рисунок напечатанный на листе бумаги по точками привязки.
Самый главный этап это вырезание текстолита. Тут вам понадобиться скальпель или острый нож (лезвие). Вы можете сильно прижимая ножь пройтись по всем граням нарисованных дорожек. Таким образом вы проделаете неглубокие разрезы, отделяя дорожки от ненужной медной пластины. На ножь надо давить с такой силой, что бы разрезать поверхность медной пластины текстолита (сильно давить не стоит - вы можете разрезать текстолит насквозь).
Далее вы можете поддеть острой частью скальпеля медную пластину приклеенную к текстолиту в том месте где медная пластина должна быть удалена. Делайте это смелее, таким образом отделив скажем сантиметр меди вы сможете взять его пальцами и просто потянув на себя отделить его от текстолита. Лишняя медная пластина будет отделяться именно по тому рисунку который вы прорезали скальпелем.
Не стоит спешить в этой ювелирной процедуре, если вы будете отрывать медь резко, вы можете оторвать часть дорожки и работа будет испорчена. Не стоит и этого пугаться, если вы где то разорвете дорожку...вы можете взять кусочек провода и припаять его поверх к концам разорванной дорожки, удалив таким образом образовашуюся прорезь.
Отделив лишний текстолит у вас остануться медные дорожки, по сути вам останется только просверлить отверстия, вставить электронные компоненты и припаять их.
Читайте про другие методы создания печтаных плат на нашем сайте.
Удачи вам в ваших начинаниях.
На страницах сайта уже заходила речь о так называемой «карандашной технологии» изготовления печатных плат . Метод прост и доступен – корректирующий карандаш можно купить практически в любом магазине, торгующем канцелярскими товарами. Но есть и ограничения. Те, кто пробовал рисовать рисунок печатной платы с помощью корректирующего карандаша, заметили, что минимальная ширина получаемой дорожки вряд ли будет меньше 1,5-2,5 миллиметров.
Это обстоятельство накладывает ограничения на изготовление печатных плат, которые имеют тонкие дорожки и малое расстояние между ними. Известно, что шаг между выводами микросхем, выполненных в корпусе для поверхностного монтажа очень мал. Поэтому, если требуется изготовить печатную плату с наличием тонких дорожек и малым расстоянием между ними то «карандашная» технология не подойдёт. Также стоит отметить, что нанесение рисунка корректирующим карандашом не очень удобно, дорожки получаются не всегда ровные, а медные пятачки для запайки выводов радиодеталей выходят не очень аккуратные. Поэтому приходиться корректировать рисунок печатной платы острым лезвием бритвы или скальпелем.
Выходом из сложившейся ситуации может быть использование маркера для печатных плат, который прекрасно подходит для нанесения устойчивого к травлению слоя. По незнанию можно приобрести маркер для нанесения надписей и пометок на CD/DVD-диски. Такой маркер не годится для изготовления печатных плат – раствор хлорного железа разъедает рисунок такого маркера, и медные дорожки практически полностью вытравливаются. Но, несмотря на это, в продаже имеются маркеры, которые годятся не только для нанесения надписей и пометок на различные материалы (CD/DVD-диски, пластмассу, изоляцию проводов), но и для изготовления устойчивого к травлению защитного слоя.
На практике был применён маркер для печатных плат Edding 792 . Он позволяет рисовать линии шириной 0,8-1 мм. Этого достаточно для изготовления большого количества печатных плат для самодельных электронных устройств. Как оказалось, данный маркер прекрасно справляется с поставленной задачей. Печатная плата получилась довольно неплохой, хотя и рисовалась второпях. Взгляните.
Печатная плата (сделано с помощью маркера Edding 792)
К слову сказать, маркер Edding 792 также можно использовать для исправления ошибок и помарок, которые получились при переносе рисунка печатной платы на заготовку методом ЛУТ (лазерно-утюжной технологии). Такое бывает, особенно, если печатная плата довольно больших размеров и со сложным рисунком. Это очень удобно, так как нет необходимости снова полностью переносить весь рисунок на заготовку.
Если найти маркер Edding 792 не удастся, то подойдёт Edding 791 , Edding 780 . Их также можно использовать для рисования печатных плат.
Наверняка начинающим любителям электроники интересен сам технологический процесс изготовления печатной платы с помощью маркера, поэтому дальше пойдёт рассказ именно об этом.
Весь процесс изготовления печатной платы аналогичен тому, который описан в статье «Изготовление печатной платы "карандашным" методом ». Вот краткий алгоритм:
Немного «тонкостей».
О сверлении отверстий.
Есть мнение, что сверлить отверстия в печатной плате нужно после травления. Как видим, в приведённом алгоритме сверловка отверстий стоит до травления печатной платы в растворе. В принципе, можно сверлить хоть до травления печатной платы, хоть после. С технологической точки зрения никаких ограничений нет. Но, стоит учитывать, что качество сверловки напрямую зависит от инструмента, которым производится сверловка отверстий.
Если сверлильный станок развивает хорошие обороты и в наличии есть качественные свёрла, то можно сверлить и после травления – результат будет хороший. Но, если сверлить отверстия в плате самопальной минидрелью на базе слабенького моторчика с плохой центровкой, то можно запросто содрать медные пятачки под выводы.
Также многое зависит от качества текстолита, гетинакса или стеклотекстолита. Поэтому в приведённом алгоритме сверловка отверстий стоит до травления печатной платы. При таком алгоритме медные края, оставшиеся после сверления легко убрать наждачной бумагой и заодно очистить медную поверхность от загрязнений, если таковые имеются. Как известно, загрязнённая поверхность медной фольги плохо вытравливается в растворе.
Чем растворить защитный слой маркера?
После травления в растворе защитный слой, который наносили маркером Edding 792 легко убрать растворителем. На деле использовался «Уайт-спирит». Воняет он, конечно, противно, но защитный слой смывает на ура. Остатков лака не остаётся.
Подготовка печатной платы к лужению медных дорожек.
После того, как защитный слой убран, можно на несколько секунд закинуть заготовку печатной платы опять в раствор. При этом поверхность медных дорожек чуть подтравиться и станет ярко-розового цвета. Такая медь лучше покрывается припоем при последующем лужении дорожек, так как на её поверхности нет окислов и мелких загрязнений. Правда лужение дорожек нужно производить сразу, иначе медь на открытом воздухе вновь покроется слоем окисла.
Готовое устройство после сборки
Сегодня мы выступим в немного непривычном для себя амплуа, будем рассказывать не о гаджетах, а о технологиях, которые стоят за ними. Месяц назад мы были в Казани, где познакомились с ребятами из Навигатор-кампуса . Заодно побывали на расположенном близко (ну, относительно близко) заводе по производству печатных плат - Технотех . Этот пост - попытка разобраться в том, как же все-таки производят те самые печатные платы.
Итак, как же все-таки делают печатные платы для наших любимых гаджетов?
На заводе умеют делать платы от начала и до конца - проектирование платы по вашему ТЗ, изготовление стеклотекстолита, производство односторонних и двухсторонних печатных плат, производство многослойных печатных плат, маркировка, проверка, ручная и автоматическая сборка и пайка плат.
Для начала, я покажу, как делают двухсторонние платы. Их техпроцесс ничем не отличается от производства односторонних печатных плат, кроме того, что при изготовлении ОПП не производят операции на второй стороне.
О методах изготовления плат
Вообще, все методы изготовления печатных плат можно разделить на две большие категории: аддитивные(от латинского additio
-прибавление) и субтрактивные (от латинского subtratio
-отнимание). Примером субтрактивной технологии является всем известный ЛУТ(Лазерно-утюжная технология) и его вариации. В процессе создания печатной платы по этой технологии мы защищаем будущие дорожки на листе стеклотекстолита тонером от лазерного принтера, а затем стравливаем все ненужное в хлорном железе.В аддитивных методах проводящие дорожки, наоборот, наносятся на поверхность диэлектрика тем или иным способом.
Полуаддитивные методы(иногда их еще называют комбинированными.) - нечто среднее между классическими аддитивными и субтрактивными. В процессе производства ПП по этому методу часть проводящего покрытия может стравливаться(иногда почти сразу после нанесения), но как правило это происходит быстрее/проще/дешевле, чем в субтрактивных методах. В большинстве случаев, это следствие того, что большая часть толщины дорожек наращивается гальваникой или химическими методами, а слой, который подвергается травлению - тонкий, и служит лишь в качестве проводящего покрытия для гальванического осаждения.
Я покажу именно комбинированный метод.
Изготовление двухслойных печатных плат по комбинированному позитивному методу(полуаддитивный метод)
Изготовление стеклотекстолита
Процесс начинается с изготовления фольгированного стеклотекстолита. Стеклотекстолит - это материал, состоящий из тонких листов стекловолокна(они похожи на плотную блестящую ткань), пропитанных эпоксидной смолой и спрессованных стопкой в лист. Сами полотна стекловолокна тоже не слишком просты - это плетеные(как обычная ткань в вашей рубашке) тонкие-тонкие нити обычного стекла. Они настолько тонкие, что могут легко гнуться в любых направлениях. Выглядит это примерно вот так:
Увидеть ориентацию волокон можно на многострадальной картинке из википедии:
В центре платы, светлые участки - это волокна идут перпендикулярно срезу, участки чуть темнее - параллельно.
Или например на микрофотографии tiberius , насколько я помню из этой статьи:
Итак, начнем.
Стекловолоконное полотно поступает на производство вот в таких бобинах: 
Оно уже пропитано частично отвержденной эпоксидной смолой - такой материал называется препрегом , от английского pre
-impreg
nated - предварительно пропитанный. Так как смола уже частично отверждена, она уже не такая липкая, как в жидком состоянии - листы можно брать руками, совсем не опасаясь испачкаться в смоле. Смола станет жидкой только при нагреве фольги, и то лишь на несколько минут, прежде чем застыть окончательно.
Нужное количество слоев вместе с медной фольгой собирается вот на этом аппарате:
А вот сам рулон фольги.
Далее полотно нарезается на части и поступает в пресс высотой в два человеческих роста:
На фото Владимир Потапенко, начальник производства.
Интересно реализована технология нагрева во время прессования: нагреваются не части пресса, а сама фольга. На обе стороны листа подается ток, который за счет сопротивления фольги нагревает лист будущего стеклотекстолита. Прессование происходит при сильно пониженном давлении, для исключения появления воздушных пузырей внутри текстолита
При прессовании, за счет нагрева и давления, смола размягчается, заполняет пустоты и после полимеризации получается единый лист.
Вот такой:
Он нарезается на заготовки для плат специальным станком:
Технотех использует два вида заготовок: 305х450 - маленькая групповая заготовка, 457х610 - большая заготовка
После этого к каждому комплекту заготовок распечатывается маршрутная карта, и путешествие начинается…
Маршрутная карта - это вот такая бумажка с перечнем операций, информацией о плате и штрих-кодом. Для контроля выполнения операций используется 1С 8, в которую внесена вся информация о заказах, о техпроцессе и так далее. После выполнения очередного этапа производства сканируется штрихкод на маршрутном листе и заносится в базу.
Сверловка заготовок
Первый этап производства однослойных и двухслойных печатных плат - сверление отверстий. С многослойными платами все сложнее, и я расскажу об этом позже. Заготовки с маршрутными листами поступают на участок сверловки:
Из заготовок собирается пакет для сверловки. Он состоит из подложки(материал типа фанеры), от одной до трех одинаковых заготовок печатных плат и алюминиевой фольги. Фольга нужна для определения касания сверла поверхности заготовки - так станок определяет поломку сверла. Еще при каждом захвате сверла он контролирует его длину и заточку лазером.
После сборки пакета он закладывается вот в этот станок:
Он такой длинный, что мне пришлось сшивать эту фотку из нескольких кадров. Это швейцарский станок фирмы Posalux, точной модели, к сожалению не знаю. По характеристикам он близок вот к этому . Он ест трехразовое трехфазное питание напряжением 400В, и потребляет при работе 20 КВт. Вес станка около 8 тонн. Он может одновременно обрабатывать четыре пакета по разным программам, что в сумме дает 12 плат за цикл(естественно, что все заготовки в одном пакете будут просверлены одинаково). Цикл сверления - от 5 минут до нескольких часов, в зависимости от сложности и количества отверстий. Среднее время - около 20 минут. Всего таких станков у технотеха три штуки.
Программа разрабатывается отдельно, и подгружается по сети. Все что надо сделать оператору - отсканировать штрихкод партии и заложить пакет из заготовок внутрь. Емкость инструментального магазина: 6000 сверл или фрез.
Рядом стоит большой шкаф со сверлами, но оператору нет необходимости контролировать заточку каждого сверла и менять его - станок все время знает степень износа сверл - записывает себе в память сколько отверстий было просверлено каждым сверлом. При исчерпании ресурса сам меняет сверло на новое, старые сверла останется выгрузить из контейнера и отправить на повторную заточку.
Вот так выглядят внутренности станка:
После сверловки в маршрутном листе и базе делается отметка, а плата отправляется по этапу на следующий этап.
Очистка, активация заготовок и химическое меднение.
Хоть станок и пользуется своими «пылесосом» во время и после сверловки, поверхность платы и отверстий все равно надо очистить от загрязнений и подготовить к следующей технологической операции. Для начала, плата просто очищается в моющем растворе механическими абразивами
Надписи, слева направо: «Камера зачистки щетками верх/низ», «Камера промывки», «Нейтральная зона».
Плата становится чистой и блестящей:
После этого в похожей установке проводится процесс активации поверхности. Для каждой поверхности вводится серийный номер Активация поверхности - это подготовка к осаждению меди на внутреннюю поверхность отверстий для создания переходных отверстий между слоями платы. Медь не может осесть на неподготовленную поверхность, поэтому плату обрабатывают специальными катализаторами на основе палладия. Палладий, в отличии от меди, легко осаждается на любую поверхность, и в дальнейшем служит центрами кристаллизации для меди. Установка активации:
После этого, последовательно проходя несколько ванн в еще одной похожей установке заготовка обзаводится тонким(меньше микрона) слоем меди в отверстиях. 
Дальше этот слой гальваникой наращивается до 3-5 микрон - это улучшает стойкость слоя к окислению и повреждениям.
Нанесение и экспонирование фоторезиста, удаление незасвеченных участков.
Дальше плата отправляется в участок нанесения фоторезиста. Нас туда не пустили, потому что он закрыт, и вообще, там чистая комната, поэтому ограничимся фотографиями через стекло. Нечто подобное я видел в Half-Life(я про трубы, спускающиеся с потолка):
Собственно вот зеленая пленка на барабане - это и есть фоторезист.
Далее, слева направо(на первой фотографии): две установки нанесения фоторезиста, дальше автоматическая и ручная рамы для засветки по заранее подготовленным фотошаблонам. В автоматической раме присутствует контроль, который учитывает допуск по совмещению с реперными точками и отверстиями. В ручной рамке маска и плата совмещаются руками. На этих же рамах экспонируется шелкография и паяльная маска. Дальше - установка проявки и отмывки плат, но так как мы туда не попали, фотографий этой части у меня нет. Но там ничего интересного - примерно такой же конвейер как в «активации», где заготовка проходит последовательно несколько ванн с разными растворами.
А на переднем плане - огромный принтер, который эти самые фотошаблоны печатает:
Вот плата с нанесенным, экспонированным и проявленным:
Обратите внимание, фоторезист нанесен на места, на которых в дальнейшем не будет меди - маска негативная, а не позитивная, как в в ЛУТ-е или домашнем фоторезисте. Это потому, что в дальнейшем наращивание будет происходить в местах будущих дорожек.
Это тоже позитивная маска:
Все эти операции происходят при неактиничном освещении, спектр которого подобран таким образом, чтобы одновременно не оказывать влияния на фоторезист и давать максимальную освещенность для работы человека в данном помещении.
Люблю объявления, смысл которых я не понимаю:
Гальваническая металлизация
Теперь настал через ее величества - гальванической металлизации. На самом деле, ее уже проводили на прошлом этапе, когда наращивали тонкий слой химической меди. Но теперь слой будет наращён еще больше - с 3 микрон до 25. Это уже тот слой, который проводит основной ток в переходных отверстиях. Делается это вот в таких ваннах:
В которых циркулируют сложные составы электролитов:
А специальный робот, повинуясь заложенной программе, таскает платы из одной ванны в другую:
Один цикл меднения занимает 1 час 40 минут. В одной паллете могут обрабатываться 4 заготовки, но в ванне таких паллет может быть несколько.
Осаждение металлорезиста
Следующая операция представляет собой еще одну гальваническую металлизацию, только теперь осаждаемый материал не медь, а ПОС - припой свинец-олово. А само покрытие, по аналогии с фоторезистом называется металлорезистом. Платы устанавливаются в раму:
Эта рама проходит несколько уже знакомых нам гальванических ванн:
И покрывается белым слоем ПОС-а. На заднем плане видна другая плата, еще не обработанная:
Удаление фоторезиста, травление меди, удаление металлорезиста
Теперь с плат смывается фоторезист, он выполнил свою функцию. Теперь на все еще медной плате остались дорожки, покрытые металлорезистом. На этой установке происходит травление в хитром растворе, который травит медь, но не трогает металлорезист. Насколько я запомнил, он состоит из углекислого аммония, хлористого аммония и гидрооксида аммония. После травления платы выглядят вот так:
Дорожки на плате - это «бутерброд» из нижнего слоя меди и верхнего слоя гальванического ПОС-а. Теперь, другим еще более хитрым раствором проводится другая операция - слой ПОС-а убирается, не затрагивая слой меди.
Правда, иногда ПОС не убирается, а оплавляется в специальных печах. Или плата проходит горячее лужение(HASL-процесс) - когда она опускается в большую ванну с припоем. Сначала она покрывается канифольным флюсом:
И устанавливается вот в такой автомат:
Он опускает плату в ванну с припоем и тут же вытаскивает ее обратно. Потоки воздуха сдувают лишний припой, оставляя лишь тонкий слой на плате. Плата получается вот такая:
Но на самом деле метод немного «варварский» и не очень действует на платы, особенно многослойные - при погружении в расплав припоя плата переносит температурный шок, что не очень хорошо действует на внутренние элементы многослойных плат и тонкие дорожки одно- и двухслойных.
Гораздо лучше покрывать иммерсионным золотом или серебром. Вот очень хорошая информация о иммерсионных покрытиях, если кому интересно.
Мы не побывали на участке иммерсионных покрытий, по банальной причине - он был закрыт, а за ключом было идти лень. А жаль.
Электротест
Дальше почти готовые платы отправляются на визуальный контроль и электротест. Электротест - это когда проверяются соединения всех контактных площадок между собой, нет ли где обрывов. Выглядит это очень забавно - станок держит плату и быстро-быстро тыкает в нее щупами. Видео этого процесса можно посмотреть у меня в инстаграме (кстати, подписаться можно там же). А в виде фото это выглядит вот так:
Та большая машина слева - и есть электротест. А вот и сами щупы ближе:
На видео, правда, была другая машинка - с 4 щупами, а тут их 16. Говорят, гораздо быстрее всех трех старых машинок с четырьмя щупами вместе взятых.
Нанесение паяльной маски и покрытие контактных площадок
Следующий технологический процесс - нанесение паяльной маски. То самое зеленое(ну, чаще всего зеленое. А вообще оно бывает очень разных цветов) покрытие, которое мы видим на поверхности плат. Подготовленные платы:
Закладываются вот в такой автомат:
Который через тонкую сеточку размазывает полужидкую маску по поверхности платы:
Видео нанесения, кстати, тоже можно посмотреть в инстаграме (и подписаться тоже:)
После этого, платы сушатся, пока маска перестанет липнуть, и экспонируются в той же желтой комнате, что мы видели выше. После этого, неэкспонированная маска смывается, обнажая контактные пятачки:
Потом их покрывают финишным покрытием - горячим лужением или иммерсионным нанесением:
И наносят маркировку - шелкографию. Это белые(чаще всего) буковки, которые показывают, где какой разъем и какой элемент тут стоит.
Она может наносится по двум технологиям. В первом случае все происходит так же, как и с паяльной маской, отличается лишь цвет состава. Она закрывает всю поверхность платы, потом экспонируется, и неотвержденные ультрафиолетом участки смываются. Во втором случает ее наносит специальный принтер, печатающий хитрым эпоксидным составом:
Это и дешевле, и гораздо быстрее. Военные, кстати, не жалуют этот принтер, и постоянно указывают в требованиях к своим платам, что маркировка наносится только фотополимером, что очень огорчает главного технолога.
Изготовление многослойных печатных плат по методу металлизации сквозных отверстий:
Все, что я описал выше - касается только односторонних и двухсторонних печатных плат(на заводе их, кстати, никто так не называет, все говорят ОПП и ДПП). Многослойные платы(МПП) делаются на этом же оборудовании, но немного по другой технологии.Изготовление ядер
Ядро - это внутренний слой тонкого текстолита с медными проводниками на нем. Таких ядер в плате может быть от 1(плюс две стороны - трехслойная плата) до 20. Одно из ядер называется золотым - это означает, что оно используется в качестве реперного - того слоя, по которому выставляются все остальные. Ядра выглядят вот так:
Изготавливаются они точно так же, как и обычные платы, только толщина стеклотекстолита очень мала - обычно 0,5мм. Лист получается такой тонкий, то его можно изгибать, как плотную бумагу. На его поверхность наносится медная фольга, и дальше происходят все обычные стадии - нанесение, экспонирование фоторезиста и травление. Итогом этого являются вот такие листы:
После изготовления дорожки проверяются на целостность на станке, который сравнивает рисунок платы на просвет с фотошаблоном. Кроме этого, существует еще и визуальный контроль. Причем реально визуальный - сидят люди и смотрят в заготовки:
Иногда какая-то из стадий контроля выносит вердикт о плохом качестве одной из заготовок(черные крестики):
Этот лист плат, в которой случился дефект все равно изготовится полностью, но после нарезки бракованная плата пойдет в мусор. После того, как все слои изготовлены и проверены, наступает черед следующей технологической операции.
Сборка ядер в пакет и прессование
Это происходит в зале под названием «Участок прессования»:
Ядра для платы выкладываются вот в такую стопочку:
А рядом кладется карта расположения слоев:
После чего в дело вступает полуавтоматическая машина прессования плат. Полуавтоматичность ее заключается в том, что оператор должен по ее команде подавать ей ядра в определенном порядке.
Перекладывая их для изоляции и склеивания листами препрега:
А дальше начинается магия. Автомат захватывает и переносит листы в рабочее поле:
А затем совмещает их по реперным отверстиям относительно золотого слоя.
Дальше заготовка поступает в горячий пресс, а после прогрева и полимеризации слоев - в холодный. После этого мы получаем такой же лист стеклотекстолита, который ничем не отличается от заготовок для двухслойных печатных плат. Но внутри у него доброе сердце несколько ядер со сформированными дорожками, которые, правда, еще никак не связаны между собой и разделены изолирующими слоями полимеризированного препрега. Дальше процесс проходит те же стадии, что я уже описывал ранее. Правда, за небольшим различием.
Сверловка заготовок
При сборке пакета ОПП и ДПП для сверловки его не нужно центровать, и его можно собирать с некоторым допуском - все равно это первая технологическая операция, и все остальные будут ориентироваться на нее. А вот при сборке пакета многослойных печатных плат очень важно привязаться к внутренним слоям - при сверловке отверстие должно пройти насквозь все внутренние контакты ядер, соединив их в экстазе при металлизации. Поэтому пакет собирается вот на такой машинке:
Это рентгеновский сверлильный станок, который видит сквозь текстолит внутренние металлически реперные метки и по их расположению сверлит базовые отверстия, в которые вставляются крепежи для установки пакета в сверлильный станок.
Металлизация
Дальше все просто - заготовки сверлятся, очищаются, активируются и металлизируются. Металлизация отверстия связывает между собой все медные пяточки внутри печатной платы:
Таким образом, завершая электронную схему внутренностей печатной платы.
Проверка и шлифы
Дальше от каждой платы отрезается кусочек, который шлифуется и рассматривается в микроскоп, для того, чтобы удостовериться, что все отверстия получились нормально. 
Эти кусочки называются шлифы - поперечно срезанные части печатной платы, которые позволяет оценить качество платы в целом и толщину медного слоя в центральных слоях и переходных отверстиях. В данном случае, под шлиф пускают не отдельную плату, а специально сделанные с краю платы весь набор диаметров переходных отверстий, которые используются в заказе. Шлиф, залитый в прозрачный пластик выглядит вот так:
Фрезеровка или скрайбирование
Далее платы, которые находятся на групповой заготовке необходимо разделить на несколько частей. Делается это либо на фрезерном станке:
Который фрезой вырезает нужный контур. Другой вариант - скрайбирование, это когда контур платы не вырезается, а надрезается круглым ножом. Это быстрее и дешевле, но позволяет делать только прямоугольные платы, без сложных контуров и внутренних вырезов. Вот скрайбированная плата:
А вот фрезерованная:
Если заказывалось только изготовление плат, то на этом все заканчивается - платы складывают в стопочку:
Оборачивается все тем же маршрутным листом:
И ждет отправки.
А если нужна сборка и запайка, то впереди есть еще кое-что интересное.
Сборка
Дальше плата, если это необходимо поступает на участок сборки, где на нее напаиваются нужные компоненты. Если мы говорим о ручной сборке - то все понятно, сидят люди(кстати, в большинстве своем женщины, когда я к ним зашел, у меня уши в трубочку свернулись от песни из магнитофона «Боже, какой мужчина»):
И собирают, собирают:
А вот если говорить о автоматической сборке, то там все гораздо интереснее. Происходит это вот на такой длинной 10-метровой установке, которая делает все - от нанесения паяльной пасты до пайки по термопрофилям.
Кстати, все серьёзно. Там заземлены даже коврики:
Как я говорил, начинается все с того, что на неразрезанный лист с печатными платами устанавливают вместе с металлическим шаблоном в начало станка. На шаблон густо намазывается паяльная паста, и ракельный нож проходя сверху оставляет точно отмерянные количества пасты в углублениях шаблона.
Шаблон поднимается, и паяльная паста оказывается в нужных местах на плате. Кассеты с компонентами устанавливаются в отсеки:
Каждый компонент заводится в соответствующую ему кассету:
Компьютеру, управляющему станком, говорится где какой компонент находится:
И он начинает расставлять компоненты на плате.
Выглядит это вот так(видео не мое). Можно смотреть вечно:
Аппарат установки компонентов называется Yamaha YS100 и способен устанавливать 25000 компонентов в час(на один тратится 0.14 секунды).
Дальше плата проходит горячую и холодные зоны печки(холодная - это значит «всего» 140°С, по сравнению с 300°С в горячей части). Побыв строго определенное время в каждой зоне со строго определенной температурой, паяльная паста плавится, образуя одно целое с ножками элементов и печатной платой:
Запаянный лист плат выглядит вот так:
Все. Плата разрезается, если нужно и упаковывается, чтобы вскоре уехать к заказчику:
Примеры
Напоследок, примеры того, что технотех может делать. Например, конструирование и изготовление многослойных плат(до 20 слоев), включая платы для BGA компонентов и HDI платы:
C со всеми «номерными» военными приемками(да, на каждой плате вручную ставится номер и дата изготовления - этого требуют военные):
Проектирование, изготовления и сборка плат практически любой сложности, из своих или из компонентов заказчика:
И ВЧ, СВЧ, платы с металлизированным торцом и металлическим основанием(фотографий этого я не сделал, к сожалению).
Конечно, они не конкурент резониту в плане быстрых прототипов плат, но если у вас от 5 штук, рекомендую запросить у них стоимость изготовления - они очень хотят работать с гражданскими заказами.
И все-таки, в России производство еще есть. Что бы там не говорили.
Напоследок можно отдышаться, поднять глаза на потолок и попытаться разобраться в хитросплетениях труб:
