14 июня 2016
Кравченко Виктор

ЛУТ: Изготовление печатных плат при помощи лазерно-утюжной технологии (2 способа: хлорное железо и перекись водорода с лимонной кислотой и солью — сравнение)

Цифровые устройства Основы электричества Arduino
01 На заметку:
У данной статьи есть видеоверсия!
Подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе обновлений!
02

В статье показано, как в домашних условиях можно изготовить печатную плату с необходимым рисунком для монтажа на ней заданных электронных компонентов.

03
04

Изготавливать плату мы будем путем травления меди. В двух словах — на медную поверхность наносится защитный слой лазерного тонера, который защитит её в нужных местах во время травления. Таким образом на плате останутся только те участки (дорожки, контактные площадки), которые не подверглись химическому воздействию (были изолированы тонером).

05

В статье будут рассмотрены 2 способа травления — при помощи хлорного железа и при помощи перекиси водорода, соли и лимонной кислоты. В итоге сравним оба раствора и каждый выберет себе наиболее подходящий метод.

Травление — технологический приём для управляемого удаления поверхностного слоя металла с заготовки под действием специально подбираемых химических реактивов.
06

Остальные способы не будут затрагиваться в рамках данной статьи, потому что привносят с собой больше головной боли и неудобств, нежели существенного выигрыша.

07

Исходя из названия технологии, два основных инструмента, без которых ничего не получится — лазерный принтер и утюг. Также понадобятся (в порядке применимости в техпроцессе):

  • односторонний фольгированный текстолит (поскольку мы будем делать одностороннюю плату) — заготовка для платы;
  • ножницы или ножовка по металлу, напильник для подготовки фрагмента текстолита нужного размера;
  • наждачная бумага самой мелкой фракции (желательно нулевка) — для повышения адгезионных свойств поверхности меди, для улучшенного переноса тонера на медь;
  • ацетон, или растворитель 646 — для обезжиривания медной поверхности;
  • фотобумага, или глянцевая бумага из любого журнала или рекламного буклета;
  • неметаллическая емкость (пластик, стекло, керамика);
  • дрель, сверла — для изготовления отверстий в плате для монтажа компонентов;
  • флюс, припой, паяльник — для лужения дорожек;

08

В качестве реагентов для приготовления растворов нам понадобятся:

09
Раствор с перекисью водорода и
лимонной кислотой
Раствор с хлорным железом
Перекись водорода (3%) — 100 мл
Лимонная кислота — 30 г
Соль — 5 г
Вода — 100 мл
Хлорное железо — 40 г
10

Для примера, будут изготавливаться платы для часов Codius.WordClock v1.0. Схемы нарисованы в Sprint Layout 6.0:

11
Файл платы для Sprint Layout 6.0 — Codius.WordClock_Curcuit.lay6 (80,5 KB)
12

Распечатываем схему на глянцевой бумаге (глянцевой странице любого журнала, рекламного буклета, либо на глянцевой стороне фотобумаги) — это маска будущей платы:

13
14

Отрезаем необходимый фрагмент текстолита, зачищаем края напильником.

15
16
17

Обрабатываем наждачкой медную поверхность.

18
19

Обезжириваем при помощи ацетона (или аналогов).

20
21 На заметку:
Нельзя для обезжиривания использовать Уайт-спирит, так как он жирный. Допустимо использовать Уайт-спирит, в состав которого внесены изменения, делающие его пригодным для обезжиривания и об этом указано на этикетке.
22

Таким образом мы не только очистим поверхность от пыли и грязи, но и усилим сцепные (адгезионные) свойства медной поверхности — это упрощает перенос тонера.

23

Вырезаем напечатанную на бумаге маску (не стоит прикасаться руками к напечататнной области), оставляя по краям припуск около 2 см.

24
25

Укладываем текстолит медной поверхностью на рисунок, и загибаем края, тем самым, надежно фиксируя текстолит относительно рисунка.

26
27

Тщательно проглаживаем поверхность утюгом, разогретым до максимальной температуры, для переноса тонера на медь. Делаем это 10-15 секунд, иначе к медной поверхности приклеится уже не только тонер, но и бумага и придется в некоторых местах убирать и её.

28
29

Далее заготовка помещается на время (15-20 минут) в воду — бумага должна полностью раскиснуть. Это необходимо для легкого отделения бумаги от заготовки.

30
31
32

После того, как бумага удалена, обязательно нужно убедиться в отсутствии дефектов на плате — это могут быть участки, закрытые остатками бумаги, но без тонера (светлые участки после высыхания). Если такие участки есть, то их нужно удалить — либо тщательно промыть под теплой водой (пальцами оттирая проблемные места), либо механически — иголкой, ножом или шилом. Также, если на плате присутствуют дефекты связанные с некачественной печатью, их можно устранить, подкрасив дефектные участки перманентным маркером.

33

Как вы наверное уже догадались, схему изначально можно было нарисовать маркером!

34
35
36
На фото видны остатки бумаги в<span class= «ненужных» местах — там где должны быть отверстия — все это нужно убирать." data-original="/file/getimage/9dd4b4de-9148-4947-bfcd-182f1c6d6220" data-fresco-caption="На фото видны остатки бумаги в 'ненужных' местах — там где должны быть отверстия — все это нужно убирать." title="На фото видны остатки бумаги в 'ненужных' местах — там где должны быть отверстия — все это нужно убирать."/>
На фото видны остатки бумаги в «ненужных» местах — там где должны быть отверстия — все это нужно убирать.
37

Когда все готово к травлению, в неметаллической емкости делается раствор хлорного железа в воде или перекиси водорода (3%) с лимонной кислотой и солью в пропорциях, указанных выше.

38 На заметку:
Чем выше температура раствора, тем быстрее протекает реакция. Температура — катализатор (курс химии, 8 класс школы)
39

Комфортная (и для раствора, и для пользователя) температура для обоих растворов 35-50°C, но и при комнатной температуре травление пройдет нормально, только немного дольше.

40 На заметку:
Подогрев остывшего раствора можно производить на водяной бане.
41
42 На заметку:
Для удобства погружения/извлечения будущей платы, а также проведения манипуляций по ускорению травления рекомендуется просверлить отверстие в заготовке и привязать к ней нитку.
43 На заметку:
Ускорить процесс травления можно путем удаления продуктов растворения меди. Делается это неагрессивным механическим воздействием на обрабатываемую поверхность при помощи ватного тампона или ватного диска.
44
Время травления платы 6×9 см в хлорном железе — 10 минут 50 секунд.
45
Время травления платы 6×9 см в перекиси водорода с лимонной кислотой и солью — 17 минут.
46

По завершении процесса травления ополаскиваем плату в теплой воде.

47
48 Внимание:
Удаление растворов производить в канализацию, без контакта с металлическими поверхностями. Раствор хлорного железа удалять без контакта с любыми поверхностями, предварительно разбавив его насколько можно.
49
50

Для удаления основной массы тонера можно воспользоваться жесткой стороной кухонной губки, остатки тонера удаляются ацетоном.

51
52
53

Сверлим отверстия в плате.

54
55

Лудим дорожки.

56
57

Впаиваем компоненты и готово.

58
59

Выводы представим в сводной таблице:

60
Раствор с перекисью водорода и
лимонной кислотой
Раствор с хлорным железом
Уравнения реакции травления
Суммарная реакция:
$Cu+H_3Cit+H_2O_2→ H[CuCit]+2H_2O$

Первая реакция — медь ($Cu$) связывается с лимонной кислотой ($Cit$ — $[(CH_2)_2C(OH)(COO)_3]$) с образованием цитратного комплекса меди $[CuCit]^{-}$. Реакция сопровождается выделением водорода:
$Cu+Cit^{3-}→ [CuCit]^{-}+2e$

Вторая реакция (перекись водорода с водородом — вода, кислотность раствора снижается):
$H_2O_2+2e+2H^+→2H_2O$

Если медная поверхность при травлении находится сверху, то цитратный комплекс меди оседает в виде осадка на поверхность и препятствует дальнейшему ходу травления — необходимо периодически убирать осадок с поверхности.
Основная реакция:
$2FeCl_3+Cu→2FeCl_2+CuCl_2$

На поверхности меди:
$FeCl_3+Cu→FeCl_2+CuCl$

В растворе:
$FeCl_3+CuCl→FeCl_2+CuCl_2$

При нагревании раствора выше 70°C растворимость хлорида железа III ($FeCl_3$) в воде увеличивается в 5 раз. При этом он сильно гидролизуется горячей водой с образованием солей и соляной кислоты, которая испаряется из раствора:
$FeCl_3 + H_2O→FeCl_2(OH) + HCl↑$

$FeCl_3 + 2H_2O→FeCl(OH)_2 + 2HCl↑$

Травление практически останавливается.
Утилизация
В канализацию. Не выливать в металлические емкости. В канализацию. Ржавыми пятнами въедается в любую поверхность, в том числе акрил и керамику. Рекомендуется перед утилизацией сильно разбавить раствор водой.
Повторное использование, хранение
Повторно не используется, не хранится Используется. При повторном использовании скорость заметно снижается. Хранение только без доступа кислорода. С кислородом раствор быстро деградирует ($4FeCl_2+2H_2O+O_2 → $$2FeCl_3 +Fe(OH)_3↓+ Fe(O)Cl↓ +HCl$).
Температурный режим
Нормально травит и при комнатной температуре.
Идеальная температура — 50°C. Идеальная температура — 70°C. При превышении 70°C скорость реакции существенно падает.
Преимущества
Спокойно протекающая реакция
В процессе реакции не происходит выделения ядовитых или едких газов
Простота приготовления растворов
Не маркий
Достаточно быстрый процесс травления
Дешевизна и доступность компонентов
Быстрый процесс травления
Для приготовления раствора нужен только один компонент
Недостатки
Скорость травления ниже в 1,5 раза, по сравнению с хлорным железом Очень маркий
Основной компонент продается только в специализированных магазинах
Время травления идентичных плат в равном объеме растворов:
17 минут 10 минут 50 секунд
61

Мой выбор — раствор перекиси водорода с лимонной кислотой и солью.

62
64

Похожие запросы:

  • ЛУТ — изготовление печатных плат
  • Печатные платы в домашних условиях
  • ЛУТ — лазерно-утюжная технология и травление плат
  • Травление медных плат методом ЛУТ
comments powered by HyperComments

Яндекс.Метрика