ЛУТ (Лазерно-утюжная технология). Необычный способ изготовления печатных плат ЛУТ

ЛУТ наоборот

Как изготовить печатную плату в домашних условиях. Или ЛУТ (лазерно-утюжная технология) - наоборот.

Под «ЛУТ» имеется в виду термоперенос тонера с бумаги на поверхность металлизации будущей печатной платы.

Самые интересные ролики на Youtube

Предисловие

Много раз пытался изготовить печатную плату с использованием ЛУТ, но мне так ни разу не удалось получить надёжный легко повторяемый результат. Кроме того, при изготовлении платы мне необходимы протравленные отверстия в контактных площадках размером не более 0,5мм. Впоследствии, я их использую при сверлении, для того, чтобы отцентровать сверло диаметром 0,75мм.

Брак проявляется в виде смещения или изменения ширины дорожек, а так же в неодинаковой толщине тонера оставшегося на медной фольге после удаления бумаги. Кроме того, при удалении бумаги перед травлением, проблематично очистить каждое отверстие в тонере от остатков целлюлозы. В результате, при травлении печатной платы появляются дополнительные трудности, которых удалось избежать, только сделав всё наоборот.

Предполагаю, что причина, вызывающая брак следующая.

Бумага, нагреваясь до высокой температуры начинает коробиться. В то время как температура фольгированного стеклотекстолита всегда немного ниже. Тонер частично закрепляется на фольге, но остаётся расплавленным со стороны бумаги. При короблении, бумага сдвигается и изменяет первоначальную форму проводников.

ЛУТ - наоборот.

В самом начале хочу предупредить, что технология не лишена определённых недостатков.

Первый, это отсутствие специальной бумаги для термопереноса, вместо которой я предлагаю подобрать подходящую бумагу для самоклеящихся этикеток. К сожалению, не всякая бумага годится. Нужно выбрать ту, у которой этикетки плотнее, а подложка имеет хорошую, ровную поверхность.

Второй недостаток состоит в том, что размер печатной платы ограничен размерами подошвы утюга. Кроме того, не каждый утюг может достаточно равномерно разогреть фольгированный стеклотекстолит, поэтому лучше выбрать самый массивный.

Однако, при всех этих недостатках, описываемая ниже технология позволила мне получить стабильный, легко повторяемый результат, при мелкосерийном производстве.

Суть изменения традиционного процесса состоит в том, что предлагается нагревать не бумагу с тонером, а сам фольгированный стеклотекстолит.

Основное преимущество состоит в том, что при этом способе легко контролировать температуру в зоне плавления тонера. Кроме того, резиновый валик позволяет равномерно распределить давление и предотвратить раздавливание тонера.(Я везде пишу именно про фольгированный стеклотекстолит, так как другие материалы не испытывал).

Технология одинаково хорошо подходит для фольгированного стеклотекстолита разной толщины, но лучше использовать материал не толще одного миллиметра, так как его легко резать ножницами.

Итак, берём кусок, самого что ни на есть, затрапезного фольгированного стеклотекстолита и обрабатываем его шкуркой. Очень крупную шкурку использовать не стоит, так как можно повредить будущие дорожки. Однако можно не шкурить, если вы располагаете куском нового стеклотекстолита. Поверхность меди требуется тщательно очистить и обезжирить в любом случае.

Делаем трафарет для термопереноса. Для чего отрезаем необходимый кусок от листа бумаги для этикеток отделяем от подложки сами этикетки. В начале листа нужно оставить кусочек этикетки, чтобы предотвратить застревание подложки в механизме принтера.

Не следует прикасаться руками тех мест на подложке, куда впоследствии будет нанесён тонер.

Если толщина фольгированного стеклотекстолита один и менее миллиметра, то расстояние между краями отдельных плат можно выбрать 0,2мм, если больше и вы собираетесь разрезать заготовку ножовкой, то - 1,5-2,0мм в зависимости от толщины полотна и допуска на обработку.

Слой тонера я использую тот, что заложен по-умолчанию в дрйвере принтера, а вот «B & W Halftones:» (Ч/Б Полутон) следует выбрать «Solid» (Сплошной). Иными словами, нужно предотвратить появление растра. Вы его можете не увидеть на трафарете, однако это может сказаться на толщине тонера.

Закрепляем трафарет на отрезке фольгированного стеклотекстолита канцелярскими скрепками. Ещё одну скрепку цепляем на свободный край трафарета, чтобы он не соприкоснулся с утюгом.

Температура плавления тонера разных марок составляет примерно 160-180С. Поэтому, температура утюга должна быть чуть выше на 10-20С. Если ваш утюг не нагревается до температуры 180С, то придётся его подрегулировать.

Перед нагревом, подошву утюга следует тщательно очистить от жира и других загрязнений!

Разогреваем утюг до температуры 180-190 градусов и плотно прижимаем к фольгированному стеклотекстолиту так, как показано на рисунке. Если расположить утюг иначе, плата может разогреться слишком неравномерно, так как обычно утюг разогревается на 20-30С сильнее в широкой части. Выдерживаем две минуты.

После этого, снимаем утюг и одним движением, с усилием прикатываем трафарет к фольгированному стеклотекстолиту используя резиновый валик для накатки фотографий.

Если во время прикатывания происходит раздавливание тонера, то есть, дорожки съёзжают в сторону или меняют свои очертания, то следует уменьшить количество тонера в драйвере принтера.

Нужно, чтобы центр валика всегда двигался вдоль центра платы. Ручку валика нужно держать так, чтобы не допустить появления вектора силы направленного "вокруг" ручки.

Ещё несколько раз сильно прикатываем трафарет и прижимаем полученный «бутерброд» чем-нибудь тяжёлым, предварительно проложив сложенную в несколько раз газету для того, чтобы равномерно распределить вес.

Прикатывать трафарет следует всякий раз в одну и ту же сторону. Валик начинает движение от места крепления трафарета.

Минут через десять можно снять пресс и удалить трафарет. Вот что получилось.

Лишнюю часть заготовки можно отрезать и использовать в следующий раз.

Теперь нужно к обратной стороне платы приклеить любым способом что-то такое, за что впоследствии можно будет эту плату удерживать при травлении. (Я использую термоклей.)

Травим плату в растворе хлорного железа.

Как приготовить раствор?

Если банка с хлорным железом разгерметизирована, то там, скорее всего, уже есть сверхконцентрированный раствор. Его можно слить в посуду для травления и добавить немного воды.

Если хлорное железо ещё не покрылось водой, то это можно сделать самому. Наверное, можно достать и сами кристаллы из банки, но не используйте для этого фамильное серебро.

Имейте в виду, в сверконцентрированном растворе процесс травления не пойдёт, поэтому, получив такой раствор, нужно добавить немного воды.

В качестве посуды лучше всего использовать фото ванночку из винипласта, но можно и любую другую.

На снимке видно, что плата плавает на поверхности раствора за счёт его поверхностного натяжения. Этот метод хорош тем, что продукты травления не задерживаются на поверхности платы, а сразу опускаются на дно ванночки.

В самом начале травления нужно убедиться, что под платой не осталось воздушных пузырей. В процессе травления желательно проверять, чтобы травление протекало равномерно на всей поверхности платы.

Если есть какая-то неоднородность, то нужно активировать процесс старой зубной щёткой или чем-то подобным. Но делать это нужно осторожно, чтобы не разрушить слой тонера.

Особое внимание следует уделить отверстиям в контактных площадках. Места, на которых процесс травления не пошёл сразу - более светлые. В принципе, достаточно в самом начале процесса добиться потемнения всей поверхности и всех отверстий и тогда успех предрешён.

В тех местах, где медь вытравилась полностью, стеклотекстолит начинает просвечиваться.

Если основная часть платы вытравилась за 15 минут, то не стоит увеличивать общее время травления больше, чем в два раза, то есть более 30 минут. Дальнейшее травление не только уменьшит ширину проводников, но и может частично разрушить тонер.

Обычно за удвоенное время вытравляются все отверстия 0,5мм в контактных площадках.

Моторчик крутит небольшой эксцентрик, который создаёт вибрации в растворе (не обязательно, если периодически приподнимать и шевелить плату).

Смываем тонер тампоном смоченным в ацетоне.

Вот, что получилось. Слева плата ещё покрыта тонером. Ширина дорожек 0,4мм.

Сверлим отверстия, не забывая периодически затачивать сверло.

Теперь можно удалить заусенцы, образовавшиеся на меди при сверлении. Для этого, сначала закатываем их при помощи шарикоподшипника закреплённого в какой-нибудь удобной оправке. При этом плату лучше разместить на твёрдой ровной поверхности. Затем, мелкой шкуркой удаляем окисел с поверхности меди, если он образовался.

Лудим заготовку, для чего предварительно покрываем её слоем флюса.

Разрезаем заготовку на отдельные платы.

По просьбам трудящихся сходил в магазин канцтоваров и сфотографировал упаковку с Самоклеящимися этикетками. Именно эта бумага плохо подходит для термопереноса. Хотя, если нет другой, то можно использовать и эту после некоторой доработки. Подробнее – в очередной статье про ЛУТ.

Слева лицевая сторона упаковки, а справа, соответственно, задняя. На задней стороне нарисованы варианты размещения Самоклеящихся этикеток на листе А4. Крупные цифры, это количество этикеток одинакового размера размещённых на одном листе А4.

Все вышесказанные слова по поводу упаковки не имеют прямого отношения к отобранной мною бумаге. Как оказалось, продавцы используют данную упаковку для хранения совсем других типов бумаги.

Подозрения закрались, когда в разных магазинах я купил разную бумагу, которую достали из одной и той же упаковки. Продавцы рассказывали что-то про производителя, который типа меняет качество бумаги как перчатки. Но, сегодня я разговаривал с хозяином мелкооптового магазина и он мне поведал, что оказывается, продавцы просто используют упаковку как тару для бумаги, которая изначально не имеет упаковки. Вернее упаковка есть, но это просто тонкая прозрачная плёнка.

Так что, бумага, которая оказалась самой удобной для термопереноса, оказалась производства финской компании "Campas". А так как на мелкой упаковке нет никаких опознавательных знаков, то вряд ли удастся её идентифицировать без тестирования.

20 сентября 2013 в 14:35

Постутюжная технология производства печатных плат

DIY или Сделай сам

Tutorial

Последний раз я делал печатную плату, когда ещё не было интернета, лазерных принтеров и другой современной ерунды, зато была клейкая лента, скальпель и куча свободного времени. И вот теперь для меня пришло время вернуться к решению этой задачи.
Теперь, вроде как, всё есть, однако проблема осталась. Всем ведь понятно, чем неудобен заказ печатных плат на специализированном производстве, когда нужно сделать лишь одну штуку, или прототип. Потому и используют ЛУТ, фоторезист, фрезерование, в общем, кто что может. Но ведь хочется без развития специальных навыков получить гарантированный и повторяемый результат. Вот и приступим…

Однажды мне попалась . Предложен интересный способ, который обеспечивает безупречный результат, и полностью меняет отношение домашнему производству печатных плат.

Буквально в двух слова технологии

От ЛУТ она отличается способом переноса тонера на фольгу платы. А именно, предполагается заготовку из фольгированного материала положить на ровную поверхность, сверху, как обычно, принтерный отпечаток. Но поверх располагается гибкий нагревательный элемент, который необходимо плотно и равномерно прижать в приспособлении. После этого включается нагрев до достижения температуры плавления тонера.

И о предложенной реализации

В качестве нагревательного элемента в статье предлагается использовать пищевую фольгу, а чтобы она разогрелась, через неё пропускается ток порядка 200 ампер при напряжении около 1 вольта. Мило, не правда ли?

Я вижу некоторые недостатки:

Высокий ток подразумевает повышенные требования к проводам, контактам и шинам. Это удорожает конструкцию. Кроме того, жёсткие провода создают неудобства, ну и вообще...
Трансформатор надо городить
Фольга хлипкая. Впрочем, это больше вопрос эстетики
Вся конструкция избыточно громоздкая

Впрочем, возможно, кому-то именно эта реализация придётся по душе.

Очевидно, проблемы создаёт фольга, а точнее, низкое сопротивление нагревательного элемента на его основе. Ещё бы, ведь удельное сопротивление алюминия одно из самых малых - смотрим таблицу . А нам бы что-нибудь из конца списка, например нихром, на худой конец, константан. Фольга или лента из подобных материалов в природе есть, но купить с комфортом меньше, чем вагон, получится врядли.

Однако со временем родились два рабочих варианта:

Углеткань. Как водится, она продаётся метрами. Когда мне удалось раздобыть кусочек разумных размеров, и я покрутил его в руках, идея слегка разонравилась. Нити легко расползаются, кроме того, они переплетены в разных направлениях, т. е. ток пойдёт не по всем. Но должно работать.
Маска цветного кинескопа, или телевизора. Просто возникла мысль, что удельное сопротивление инвара, из которого её изготавливают, должно быть неплохим, но я так и не нашёл достоверные данные… Надо пробовать.

Получение принтерного отпечатка

Итак, делаем зеркальный отпечаток на лазерном принтере. Я использовал подложку от самоклеящихся этикеток. Её пришлось подшлифовать, иначе тонер осыпался. В итоге остались ворсинки. Большая часть ворсинок потом прилипла к плате (что не создало проблемы), но некоторые из них вместе с тонером остались на подложке, что уже неприятно. Вот он, человеческий фактор! Эти места я потом подкрасил перманентным маркером. В общем, у меня этот момент проработан не безупречно, но, похоже, глобально он решён. Просто, видимо, стоило заказать вот это , но, к сожалению, встретил слишком поздно. А может, следовало раздобыть Oracal 651 .

Моё приспособление

Вся конструкция собрана из подручных материалов, на фотографиях видно. Шины выступают на высоту платы, т.е. примерно на 1.5 мм. Плату окружает рамочка из картона, она не обязательна, но очень желательна, поскольку помогает сохранить нагревательный элемент ровненьким.

На следующей фотографии видно, вырезанный из маски нагревательный элемент уложен поверх принтерного отпечатка. И он сделан такого размера, чтобы был контакт с алюминиевыми шинами.

Для равномерного распределения давления я применил пластину из пористого силикона толщиной 8 мм. Уложенная поверх нагревательного элемента, она его плотно прижимает одновременно к плате и алюминиевым шинам, обеспечивая с ними хороший электрический контакт . Это сделало приспособление очень простым и удобным. Я опасался, что пластина слишком мягкая и толстая, но оказалось - в самый раз. Вот как выглядит пористый силикон:

«3М» с обратной стороны - это своего рода подложка, потому что пластина самоклеющаяся мне досталась. Конечно, такую не найдёшь в соседнем магазине, но, возможно, подойдут несколько слоёв обычного силикона, вырезанного из формочки для запекания. Можно взять любую мягкую резину, но её придется теплоизолировать тем же силиконом.

Пористая резина прижимается сверху пластиной из металла. Если резина достаточно мягкая, думаю, можно прижимать и толстой фанерой.
Этот бутерброд в моём случае сжимается струбциной. Для маленькой экспериментальной установки этого достаточно, а так можно сообразить что-нибудь быстрозажимное. При затягивании струбцины я значительных усилий не прилагал, получилось 2.5 оборота, но всё зависит от твёрдости используемой резины.

Теперь можно измерить сопротивление нагревательного элемента. Ориентировочно оно составило 0.05 Ом при зоне нагрева 80 х 80 мм. Кстати, сопротивление элемента из углеткани получилось примерно 0.35 Ом.
Нагрев длился одну минуту, потребляемая мощность была примерно 350 Вт. Возможно, это не оптимальные режимы, и следует держать несколько минут при меньшей мощности, но пока я решил на этом остановиться. Вот готовый результат:

Что следует добавить

Поскольку маска сферическая, она может и не прижаться полностью к поверхности платы больших размеров. Но на последних моделях ныне вымерших кинескопов она достаточно плоская. Кстати, я её добыл из 15"" монитора. Использовать углеткань, или углеволокно тоже заманчиво, особенно, если суметь зафиксировать на подходящей основе. Вот так выглядит углеткань в моём эксперименте:

А что в чёрном ящике?

Для нагрева требуется относительно большой ток и возможность его регулировки. Тут можно применить разные решения, и, возможно, у вас уже есть что-то готовое. У меня не нашлось ничего подходящего, поэтому пришлось придумывать самому. В результате, из подручных средств построена такая конструкция:

От UPS оставлен только корпус и трансформатор, на первичную обмотку трансформатора поступает напряжение с регулятора мощности от пылесоса. В качестве регулятора можно использовать простейший диммер достаточной мощности, или можно спаять самодельный. Нагревательный элемент подключен напрямую к половине вторичной обмотки трансформатора.

Мощность нагрева (нас интересует удельная мощность, т.е. мощность на единицу площади обогрева) может меняться в широких пределах. Так, в оригинальной статье получается, она составляла 0.9 Вт/см 2 , а мой опыт проводился при 5.5 Вт/см 2 .

Как сделать плату методом ЛУТ?

Многие считают метод ЛУТ (лазерный утюг ) чисто отечественным изобретением. На самом деле это не так. В цивилизованных странах этот процесс зовётся Iron Toner Transfer for PCB Making и по этим ключевым словам в Гугле очень много интересного, особенно если искать видео. Я ограничусь несколькими фотками с телефона. Так трафик меньше, особенно когда в нет заходишь через тот же телефон 8-)

Итак, самое главное - найти достойный лазерный принтер (я использую НР1018). Основной критерий - чтоб не сильно тонер экономил при печать. Распечатка должна слегка ощущаться пальцем на поверхности бумаги и не сильно просвечиваться при взгляде на лампу "на просвет". Следующий компонент техпроцесса - бумага . Точней основа от наклеек . На самом деле кроме бумаги для наклеек она встречается в самоклеящихся обоях и материалах для рекламы ORACAL (эта основа мне нравится больше всего - она плотная и не скручивается). Обрезки ORACAL -а можно бесплатно или занедорого вымутить в любой даже маленькой рекламной фирме, занимающейся наружной рекламой и вывесками. С одной стороны основа выглядит глянцевой.

Именно на глянцевой стороне и надо напечатать дорожки своей будущей платы . Тут есть 2 важных нюанса: дорожки надо печатать зеркально, чтобы буквы на поверхности платы были нечитабельны. И второе - отключаем экономию тонера и выбираем чёрный цвет для дорожек при печати. Отпечатки пальцами не трогаем - даже микроскопическое загрязнение жиром вызовет плохое прилипание тонера к меди платы .

Пол дела сделано. Теперь отрезаем брутальными ножницами по железу кусочек стеклотекстолита немного больше будущей платы . Края материала при нагреве слегка коробит и к ним плохо прилипает тонер . Лучше выбросить лишние 5мм материала, чем получить брак на плате .
Отрезанную заготовку я ошкуриваю мелкой наждачной бумагой. Без фанатизма - фольга очень тонкая. Ошкуренная поверхность лучше прилипает к тонеру .
Ни в коем случае не прикасаться к ошкуренной меди! Напомню: жир с пальцев главный враг процесса!

Далее готовим "пресс". Я уже много лет использую книгу известного автора Шкритека по схемотехнике высококачественной аппаратуры. Эта книга достаточно толстая и обеспечивает как хорошую теплоизоляцию, так и равномерный прижим платы.

В начале точно расположите листик бумаги на заготовке. Чтобы при "глажке" этот бутерброд не разъехался, первый "прихват" надо делать через одну страничку. Температура утюга для ЛУТ должна быть около 180-190 градусов Цельсия. Обычно это около трёх точек на шкале регулятора температуры.

Когда листик слегка прилипнет к поверхности будущей платы , переворачиваем страничку и гладим уже непосредственно наш ЛУТ -бутерброд. Без сильного давления. Тонер прилипает не от давления, а от температуры. Поэтому не спешим, гладим плавно, давая плате прогреться. Дорожки должны как бы слегка проступить через бумагу.

Далее убираем утюг и даём плате остыть до температуры примерно градусов 50-60 . Подцепляем краешек бумаги ногтем или любым тонким предметом и поднимаем основу самоклейки . Должно получиться что-то в этом роде:

Теперь вооружаемся лупой и тщательно контролируем полученный ЛУТ -отпечаток. Не пренебрегайте оптикой. Она позволяет очень сэкономить нервы на этапе отладки устройства 8-) Имеющиеся трещинки можно отретушировать несмываемым маркером для CD-DVD дисков .

Когда маркер высохнет (минут через 10), плату можно приклеить тыльной стороной на узкий скотч и окунуть в банку с травящим медь раствором . Я пользуюсь по старинке - хлорным железом . Если Вы собираетесь сделать методом ЛУТ двустороннюю плату , то перед погружением в раствор вторую сторону со сплошным слоем меди надо заклеить широким скотчем.

Процесс быстрей всего идёт если раствор подогреть до 40-45 градусов по Цельсию. Выше греть нельзя - при температуре более 50 градусов раствор быстро деградирует. В процессе травления периодически извлекаем плату и контролируем результат (чтобы наши тонкие дорожки не съел раствор).

После завершения травления промываем плату под проточной водой. ОСТОРОЖНО! Если капля раствора попадёт на одежду, одежда будет испорчена. Пятна от хлорного железа не отмываются с ткани.
Теперь с чистой и протравленной платы нужно удалить рисунок из тонера . Я для этого использую ватку, смоченную растворителем Р-646 (для нитрокрасок). Тонер легко отмывается.

После отмывки - визуальный контроль результата.

Далее наношу на плату флюс и лужу. Раньше использовал спиртоканифоль . Но потом спирт оказался под запретом в Украине и я перешёл на канифоль, растворённую в растворителе (том же Р-646). Пахло это дело не сильно аппетитно и когда в продаже появился нейтральный флюс Lukey L2010 я перешёл не его использование. Лужу паяльником, припой аналогичен ПОС-61 (я покупаю ASAHI 60/40).

После залуживания всей платы излишки припоя снимаю медной оплёткой от экранированных проводов. Когда домашние запасы оплётки закончились стал покупать китайскую. Она уже пропитана канифолью.

После удаления припоя плату отмываю опять Р-646. После чего можно приступать к сверлению отверстий. Если Вы будете делать двустороннюю плату , то отверстия на данном этапе ЛУТ сверлить не надо (только пару по краям платы для совмещения рисунка дорожек).

После сверления односторонняя плата методом лазерного утюга готова - можно запаять детельки и отмыв после пайки плату (кто спиртом, а кто и вонючим Р-646) можем полюбоваться на полученный результат:

Это была плата индикации

Если же Вам надо сделать двустороннюю плату , на этапе перед лужением платы сверлим пару реперных отверстий (обычно по углам платы), ошкуриваем медь как и первую сторону, с помощью пары иголок в просверленных отверстиях совмещаем рисунок и утюжим. После "глажки" и снятия бумаги заклеиваем широким скотчем сторону с уже вытравленными дорожками и травим как и в случае с односторонней платой . Далее всё то же самое - залуживание (двух сторон) и сверление.

Удачи! И не нервничайте - если делать всё не торопясь и спокойно, результат будет сразу положительный.

Tutorial