Изготовление печатной платы

С чего начинается любой проект? Правильно, с проектирования (нет, конечно же с идеи, но потом - проектирование). Первый этап проектирования электронного устройства — разработка принципиальной схемы. В последнее время я подсел на KiCAD — отличная, удобная и абсолютно бесплатная программа. В ней и работаю.
Что это будет за устройство, я даже писать не буду, ибо в этой статье — не об устройстве, а о процессе.

Короче, следующий этап (в моей цепочке) — проектирование печатной платы. Делаем, как получится, поскольку корпус будет создаваться под конкретную плату. В данном моменте, единственный критерий — плата должна получиться плюс-минус квадратной. Так надо.

Очень сильно беспокойство по поводу свободного места на плате. Как-то так хочется, чтобы его был минимум просто. В связи с чем, я забыл про крепёжные отверстия, да и ладно с ними — как-нибудь потом в корпус на защёлки... или прижимную планку какую сделаю. Варианты есть.



Ну, собственно на этом этапе уже можно оценить внешний вид будущего устройства . Естественно, если есть трёхмерные модели всех компонентов. Надо отдать должное, в библиотеке KiCAD трёхмерок просто завались. Почти на все случаи
жизни. Для отсутствующего есть (а) Интернет и (б) мышка и FreeCAD (тоже, кстати, бесплатная, совершенно замечательная, мощная, но довольно специфическая программа — с ней сначала надо научиться дружить).

Продолжаю. Далее требуется получить набор фотошаблонов — не руками же (и стеклянным рейсфедером) плату рисовать! Я экспортирую печатную плату в SVG. Нам требуется 4 слоя: верхний, нижний слои фольги (в негативном виде), верхний и нижний слои маски (в позитивном виде). SVG файлы я затаскивая в Inkscape (кругом, кстати «опенсоурс») дорабатываю напильником (убираю лишние поля, который KiCAD с упорством идиота генерирует), после чего печатаю на плёнке для цветных лазерных принтеров Lomond (дорогущая) на стареньком, но хорошем LJ1020, картриджи китайские, Cactus (отличий от оригинала я не нашёл, работают на 5 баллов).


С плёнкой есть досада: она в печке принтера несколько коробится, поэтому приходится заниматься шаманством. Лист А4 я режу пополам (на глазок). Половины пихаю в принтер в портретной ориентации. Сначала пропускаю обе половины
через принтер — печатаю пустой лист, дабы плёнка «усохла». И уже потом печатаю. Слои фольги печатаю на одной половине (располагаю их строго один над другим), маску — на другой (маску располагаю строго в тех же местах листа, где и слои фольги). При таком подходе фотошаблоны, в целом, совмещаются друг с другом довольно неплохо — вполне достаточно для того, чтобы размещать на плате переходные отверстия диаметром 0.4 мм на пятаках 0.9 мм.

Фотошаблон для травления платы совмещаю под лупой с увеличением хЗ и склеиваю двумя полосками совершенно плохого двухстороннего 3-мм скотча купленного когда-то для других целей, но совершенно непригодного почти ни для чего, кроме как склеивания фотошаблонов.


Дальше работаю руками: отрезаю кусок текстолита размером на 1.5-2 см больше размеров печатной платы (по каждой стороне), чтобы оставить поля — они будут нужны, потом аккуратно их отпилю. Зачищаю обычной пемзой под водой, промываю с максимально простым мылом без всяких там смягчителей-увлажнителей, даю просохнуть.

После сушки накатываю на плату, с обеих сторон, вот такой фоторезист (я использую Ordyl 350). К слову, этот импортный (итальянский) фоторезист мне создал проблему... Чуть позже всё покажу.


К слову, с фоторезистом работать вполне удобно — он засвечивается ультрафиолетом и не боится белого света. Светодиодное освещение УФ составляющей не содержит, поэтому можно всё делать с ныне уже обычным комнатным освещением. И да, к люминесцентным лампам это не относится, они ультрафиолетом фонят нормально.

Фоторезист сначала прикатываю пальцами, затем заготовку вкладываю в сложенный пополам лист обычной офисной бумаги и весь этот бутерброд засовываю в самый простецкий бытовой ламинатор, купленный по случаю лет 10 назад. Прокатываю два раза; второй раз так, чтобы верх-низ поменялись местами. После остывания засвечиваю заготовку с двух сторон, по полторы минуты с каждой стороны, 15-ваттной светодиодной ультрафиолетовой лампой.


Даю полежать 15 минут в тёмной месте (в соответствии с инструкцией на резист), и проявляю в ванночке с простой кальцинированной содой из хозмага. Всё строго по инструкции — 1% раствор, слегка подогретый.


Что-то начинает проявляться... Колдунство! Помогаю процессу мягкой кисточкой, оставшейся от художественных занятий.

Процесс проявки завершён. Фотошаблона не осталось на тех местах, фольгу с которых надо удалить. Что, собственно, и требуется.


Далее идёт процесс травления платы для того, чтобы снять лишнюю фольгу. Я перепробовал много раствором, в том числе и персульфат аммония. На мой скромный взгляд, лучше всего работает, таки, классика жанра — хлорное железо. Стоит подогревается в раковине с горячей водой... ну как «горячей», какой есть — просто тёплой.


Хлорное железо - это, наверно, единственная специфическая химия, требуемая в процессе домашнего изготовления печатных плат. И довольно безопасная. Пить хлорное железо, конечно, не стоит, но в целом основная опасность от него за-
ключается в том, что пятна, полученные в результате неаккуратного обращения, вывести невозможно.

Наливаю ХЖ в ванночку, окунаю туда плату, травлю. В процессе травления раствор необходимо перемешивать, чтобы удалять продукты травления и обеспечивать доступ раствора к фольге. Тут каждый делает как он хочет. Первые платы у меня вообще плавали на поверхности раствора фольгой вниз (они были односторонние) и мне достаточно было покачивать плату зубочистками. Кто-то делает вертикальную ванну и для перемешивания использует обычный аэратор от аквариума, но мне так не нравиться.

В общем, у меня вот так:


Так выглядит заготовка по окончании травления:


Теперь требуется удалить фоторезист, больше он не нужен. По инструкции необходимо использовать щёлочь, 30% NOH или KOH. Да ещё и нагретый до 50 C! Ну её такую химию. Я знаю способ лучше (знакомый подсказал) — простой ацетон, который, кстати, вполне себе продаётся в интернет-магазинах всяких разных. Плёнка отлетает с платы в течение 1-2 минут легко и незамысловано.


Далее необходим обязательный инструментальный контроль. Прозваниваю дорожки на предмет лишних, возможно образовавшихся из-за отлетания тонера (он к плёнке приклеивается ни разу не намертво) «лишних» перемычек. Ну и целостность дорожек тоже проверить не мешает. Попавший во время засветки какой-нибудь волос или собачья шерсть — бывало такое. Сразу не видно, а дорожка битая.


Результат получился, мягко говоря, неидеальный. Эта плата сама по себе достаточно непростая, поскольку на ней есть и обширные стравливаемые площади (которые травятся долго... очень долго), и тонкие дорожки, которые при слишком длительном нахождении в растворе могут излишне подтравливаться и утончаться.


Но здесь... Атас просто! Куча подтрав на всей площади платы, одной дорожки нет, пятаки послезали (да, по факту — один пятак слез, второй выжил).

Вот тут я и вспомнил, что мне что-то как-то не понравился один из отрезанных кусков фоторезиста: какие-то наплывы, неравномерная толщина плёнки и прочее.
Но я, в силу собственного недочета, подумал «и так сойдёт, не такое видели». Результат, как говориться, на лице. Причём, что характерно, вторая сторона вышла просто идеально! Совпадение?

Но, не всё так грустно. Переделывать не стал. Перемычку я и на половинчатый пятак припаяю, а дорожка слезла только одна, да и та между двумя близко расположенными деталями. Проводом восстановлю в процессе монтажа.

Дальше начинается очень трудный процесс изготовления паяльной маски. Сам процесс несложный, но какой длительный. После каждого движения надо ждать.

Долго ждать. Но, поскольку паяльная маска нужна не столько для эстетики, сколько для облегчения процесса пайки и защиты платы, то я предпочитаю её наносить. Тем более, что технологию я отладил и, в целом, результат достигается
вполне себе гарантированный и предсказуемый.

Первое, что надо сделать — отмыть заготовку от остатков ацетона и обезжирить её. Обезжирить надо очень хорошо. Иначе маска туда не прилипнет и будет отлетать в процессе окончательной сушки, либо в процессе пайки. В общем, плохо получится.

Из всех доступных способов, в моём случае, лучше всего себя зарекомендовала обычная пищевая сода и старая зубная щетка. Насыпаю горку соды на плату. Смачиваю щётку и тщательно всё это тру. Повторяю пару раз.


После этого, плату требуется хорошо просушить. Опять, очень хорошо. Малейшие остатки влаги — «см. пункт первый». Поэтому сушу в печке, которую я себе сделал специально для этих целей.


Не важно, из чего сделана печка, но я её научил конвекции, а также точно выдерживать температуру (±1 С). Это реально архиважно для достижения гарантированного результата — раствор для приготовления маски весьма капризен.
В общем, выставляю 70 С и полчаса... И жду.


На самом деле, за это время можно (а) натянуть на пяльцы сетку для шелкографии и (б) смешать компоненты паяльной маски. Что и делаю.


На просторах Интернета нашёл в продаже двухкомпонентную маску RS-2000. Естественно, продают её исключительно в промышленных масштабах, но есть барыги из красного магазина который я не буду называть, и вот они вполне себе фасуют это вот всё по мелким банкам и продают за дорого. Но, вариантов нет. Сами китайцы, хоть и производят эту маску, но, почему-то, не продают её, по крайней мере, в розницу.

Оказалось — отличная маска, которая даёт почти 100% результат, если всё сделать строго в соответствии с инструкцией! Пробовал однокомпонентную маску, двухкомпонентную XV501T — с ней, как повезёт.

И да, маску смешал — опять подождать. Ещё 10-20 минут. Клею плату на половину листа бумаги А4 уже упоминавшимся двухсторонним скотчем. Парой полосок по краям. Закрываю сеткой (сетка на 2-3 мм поднята над заготовкой), сверху наляпываю состав. По опыту вторая полоска состава нужна — нанесение получается значительно равномернее.


Дальше требуется в одно плавное движение (в идеале) - равномерно размазать маску по плате. Это самое сложное для меня лично. Но, в этот раз я прикинул (во FreeCAD'e) и напечатал себе целый специальный шпатель, который, по моему
разумению, должен хорошо подходить для размазывания пасты по сетке и плате.

Вот такой:


И это сработало! В одно движение и достаточно равномерно!


Все косяки остались на полях. Они, поля, для этого и нужны, в том числе. И их размер должен быть плюс-минус 7 мм, или больше.

Намазали — опять ждать. Ещё 10-20 минут. Потом — в печку на предварительную сушку. Инструкция даёт некоторый простор для творчества в выборе температуры и времени. Я выбрал 75 C и 45 минут. Мне надо, чтобы нанесённый слой просох хорошо, и я никуда не тороплюсь.


Вытаскиваю плату из печки, опять жду. Ещё примерно полчаса. Горячая плата липнет по любому, сколько ни жарь её в печке. За эти полчаса плата подсыхает вообще хорошо и можно накладывать фотошаблон паяльной маски.

Накладываю так: капаю на плату несколько капель технической смазки, лучше силиконовой, аккуратно кладу плёнку, распределяю смазку по площади и очень аккуратно, пинцетом, позиционирую маску под лупой (очками, на самом деле) с
3-кратным увеличением. Если шаблон напечатался удачно, то можно будет достичь хорошего совмещения.

Ну и под ультрафиолет всё это барахло. На 3,5 минуты. Первоначально, время засветки мной было рассчитано на основании сравнения инструкций к фоторезисту и к паяльной маске. В обеих инструкциях указана энергия засветки, и я знаю, сколько я засвечиваю фоторезист. В последствии, конечно, пришлось скорректировать, но это уже мелочи.



После засветки опять надо ждать 10-20 минут, затем — проявка. В том же однопроцентном растворе кальцинированной соды. И также, помогая кисточкой. В этот раз получилось хорошо — маска проявилась быстро, чётко, безо всего вот этого вот (иногда в соде не проявляется, хоть тресни, приходится проявлять в изопропиловом спирте).

Дальше я произвожу дополнительную засветку, ещё минут 45. В инструкции этого шага нет, но мне хочется добиться прочности маски, достаточной для того, чтобы я мог всё вышеописанное повторить со второй стороной платы без риска
запороть результат достаточно длительного процесса.

Как уже становится очевидно, дальше я всё повторяю со второй стороной платы.

Затем — окончательная сушка. Именно во время неё покрытие становится действительно прочным и термостойким. Это 160 C и час времени. Причём, я боюсь сразу пихать плату, которую я недавно проявлял (а значит, может остаться влага) , в сильно горячую печку. Предваряю я окончательную сушку получасами при 60 C. В общем, всё это — время, время, время, хоть и не сложно само по себе.

После окончательной сушки плата приобретает вид так себе, ибо медь при такой температуре очень даже неплохо окисляется. Но это легко исправляет при помощи стакана тёплой воды и лимонной кислоты. Слева — плата после жарки,
справа — после лимонки. Сегодня, кстати, не так сильно медь окислилась, я уж подумал, что плохо проявил маску, и теперь у меня будут большие проблемы с лужением. Но, нет. Всё нормально, там где маски не было и в помине, медь тоже
не сильно потемнела.


Собственно, лужение — процедура ответственная и достаточно кропотливая. Что я только не пробовал, чтобы вот, раз!, — и облудилось. И сплав Розе, и иммерсионное олово... В моём случае ничего не работает.

Для себя изобрёл следующую технологию. Беру немного старой засохшей паяльной пасты, лью в неё флюс ЛТИ-120, добавляю ещё изопропилового спирта, чтобы получить консистенцию гуаши или даже чуть пожиже. Кисточкой мажу эту жижу на плату.
Примерно так:


И потом, облуживаю это дело вручную паяльником при температуре 300 C. Для этой работы отлично подходит жало типа «К». Накапливающиеся на жале излишки припоя периодически удаляю о целлюлозную губку, пропитанную глицерином.


Флюс и остатки пасты удаляю салфеткой, пропитанной изопропиловым спиртом.
Следующим этапом — сверловка. Имеется маленький китайский станочек, к которому приляпана подсветка в виде трёх 1-ваттных светодиодов. Поскольку, как я уже упоминал, переходные отверстия я делаю диаметром 0.4 мм на пятаке 0.9 мм, то без микроскопа можно даже не пытаться сверлить, получится плохо. Микроскоп у меня самый дешевый, с разрешением 640x480. Этого более, чем достаточно.


Да, к сверловке под USB микроскопом надо сильно попривыкнуть (задержки, частота кадров и всё такое). Процесс не быстрый, сверло приходится опускать очень плавно, корректировать положение платы в процессе, стараясь не ткнуть
сверлом раньше времени и всё такое. Сложно без бинокулярного зрения, однако. Но результат того стоит. И да, сверло здесь — 0.4 мм.


Примечательно, что только на этом этапе (когда уже почти всё закончено) становится понятно, насколько точно совместились переходные отверстия (0.4 мм/0.9 мм), не перекосило ли шаблон в процессе изготовления... В общем, до
окончания сверловки совершенно нет уверенности в том, что всё получается хорошо.

Ну и дальше — окончательная механическая обработка платы. Требуется отпилить лишнее и подровнять края платы в размер. Мне понравилось обрезать плату бормашиной и алмазным пильным диском. В отличие от простых пильных дисков, пыли гораздо меньше, она не стоит туманом (стекло + эпоксидка, такое себе) в комнате, а также не жжёт текстолит. И пилит быстро.


С этой платой вообще получилось прям хорошо — в четыре движения срезаны 4 стороны минут за пять или меньше.

Ну и окончательно, требуется обточить плату до нужного размера. Обрезка всегда делается с запасом, поскольку руки —не станок с ЧПУ. Буквально недавно я получил маленький гриндер с али. Он реально для мелочей. Как раз для моих
печатных плат. Ленточка 320 grit отлично справляется с поставленной задачей.


В результате всего процесса получаем плату, очень похожую на заводскую.
Единственное — нет металлизации отверстий. И заморачиваться ей я не буду, там — провал полный. Да и руками без сверлилки с ЧПУ, по моему мнению, ничего не выйдет.


Ну и напоследок — фото почти спаянного устройства. Измерительный трансформатор китайцы ещё не подвезли. Но начинать программировать микроконтроллер уже можно, тем более, что я установил сюда МК на архитектуре RISC-V — требуются исследования.


Можно конечно сказать: «зачем это всё надо, китайцы делаю платы за три копейки мелочью». Во-первых, не три копейки. Во-вторых, а что делать, если устройство нужно в единственном экземпляре, и даже в перспективе? В-третьих, на
изготовление платы потрачено 2 дня, с перекурами, прогулками и прочее. От китайцев плату будешь ждать недели две или месяц.

Источник : «Домашняя лаборатория» №1 (январь) 2024