Výroba plošných spojů fotocestou

Diskusi k tomuto článku a spoustu dalšího najdete na www.mcu.cz

V tomto návodě jsou shrnuty mé zkušenosti s výrobou DPS a zároveň jsem do něj zahrnul tipy a triky, které byly postupně zveřejněny v konferenci při WWW.HW.CZ a osvědčily se mi. Návod je napsán formou postupných kroků, které by se měly dodržet pokud má být výsledek odpovídající vynaloženému úsilí.

Výroba není složitá, ale chce určitou praxi. Nenechte se odradit pokud první výsledky nebudou dokonalé. Domácí výroba je vhodná, pokud potřebujete jeden až několik málo kousků desky a požadujete slušnou přesnost nebo takřka profesionální vzhled. Pokud potřebujete víc než cca 20 kusů vyplatí se jejich výrobu zadat profesionálům. Z toho plyne omezení této metody na kusovou výrobu nebo prototypové série. Dalším důvodem pro domácí výrobu může být rychlost, s jakou máme desky hotové. Při profesionální výrobě obvykle musíme několik dnů čekat, zatím co popisovaným postupem můžete mít DPS hotovou za 1,5 - 2 hodiny

Nejprve si vyrobíme klišé pro osvícení DPS. Já pro jeho tisk používám laserovou tiskárnu HPLJ1100. Mám vyzkoušené i tiskárny HPLJ5L, HPLJ6L, HP4V a HP1200. Výsledky jsou zcela srovnatelné. Kamarád mi kdysi doporučoval používat originální (ne renovovaný) toner. Zatím jsem neměl potřebu se jeho doporučení nedržet. Tisknu na průhlednou fólii do laserových tiskáren. Tu lze za cca 10kč koupit v každém lepším papírnictví. Používejte tlustší fólie bez ochranného papíru. Takové ty teninké s ochranným papírem se prý značně kroutí a průchodem tiskárnou se deformují – nezkoušel jsem. Změna - k použití takových fólií jsem byl okolnostmi donucen. V poslední době u fólií přestal fungovat dále popisovaný trik s fixou na školní tabule. Nejde totiž z nových fólií setřít. Při hledání fólií, které fungují jsem narazil na Italské fólie "ACCO NOBO Printer Transparency film". Tyto fólie jsou tenčí, než na jaké jsem byl zvyklý a mají ochranný papír. Tyto fólie jsou pro výrobu filmu bez problémů použitelné. Fix z nich lze setřít a žádné deformace jsem nepozoroval. Při nákupu fólií doporučuji vzít si do prodejny fix na tabule, zkusit jednu fólii zamazat fixem a setřít. Pokud nejde fix beze zbytku setřít, nejsou fólie pro popisovanou technologii vhodné. Kdysi jsem zkoušel tisknout klišé také inkoustovou tiskárnu HPDJ600 a tisk na originální fólii HP pro inkoust, ale výsledky byly odstrašující. Dnes jsem ale z mnoha stran slyšel, že moderními inkoustovými tiskárnami lze dosáhnout stejně dobrých výsledků jako z laserové tiskárny – nevím nezkoušel jsem.
Klišé se na fólii vytiskne tak, aby se potištěnou stranou přitisklo na měď. Kdyby byl obraz DPS o tloušťku fólie nad deskou, byly by okraje výsledných spojů rozostřené a podleptané. Pokud máte v návrhovém systému obraz DPS v pohledu ze strany součástek (např. Eagle), vytisknete obrazec tak jak je na obrazovce (nezrcadlíte) a před expozicí klišé přitisknete tonerem na měď.
Po vytištění ještě klišé není příliš kvalitní. pokud se na něj podíváte proti světlu zjistíte, že je obrazec mírně průsvitný. Musíme tedy nějakým způsobem zvýšit kontrast filmu. Já k tomuto účelu používám černou fixu na školní tabule. Ta se do toneru zažere, a z čisté fólie ji snadno setřete. Nejprve fixou začerněte celou plochu DPS a nechte cca 10 minut zaschnout. Pak fixu z ploch bez toneru setřete jemným suchým hadříkem nebo papírovým kapesníkem. Pozor na mechanické poškození jemných motivů DPS – pracujte opatrně. Při začerňování DPS se snažte pokud možno nevracet na již začerněná místa. Rozpouštědlo obsažené ve fixu naleptává toner a pokud po chvíli přejedete stejné místo porušíte celistvost toneru. Časem jsem zjistil, že fixa rychle vysychá. Doplňuji ji tedy lihem a ten zdaleka není vůči toneru tak agresivní. Možná by stálo za úvahu fixu hned po zakoupení nechat otevřenou a až vyschne doplnit ji lihem. Dodatek - teď používám fixu Donau "D-signer B" kterou jsem koupil b běžném papírnictví. Tato fixa se velmi dobře stírá a k toneru není agresivní Když se po setření fixu podíváte na film proti světlu zjistíte, že je dokonale černý a neprůsvitný. Pozor na malé dírky – může se stát, že zůstanou po setření fixu černé. Musíte se k nim vrátit a opatrně z nich fix vytřít. Pokud se stane, že je někde toner porušen, můžeme poškozené místo vyretušovat černou lihovou fixou. Tím máme hotové klišé.
Existují i další způsoby jak zvýšit kontrast filmu. Někdo vytiskne filmy dva a slepí je přesně na sebe a tak zdvojnásobí kontrast. Další lidé tisknou na běžný pauzák a film na cca 2 hodiny vystaví v uzavřeném prostoru působení acetonových par (zavřete do krabice s hadrem namočeném v acetonu). Toner prý páry částečně naleptají a on se sleje v jednolitou černou vrstvu. Já tyto způsoby nezkoušel, trik s fixou mi vyhovuje.
Jako základní materiál pro výrobu DPS slouží jednostranně nebo oboustranně plátované kuprextitové desky. Můžete použít i hotové světlocitlivé desky, které se prodávají v GES, GM Electronics apod. Fotocitlivá vrstva těchto desek bývá mnohem odolnější než vrstva nastříkaná Pozitivem 20. Má to ale taky nevýhody. Jednak vysokou cenu, jednak tyto desky bývají poškrábané, zprohýbané nebo jsou pokryty fotocitlivou emulzí jen zčásti. Bývají rovněž vyrobeny z podřadného kuprextitu, který se nehodí pro speciální účely jako např. vysokofrekvenční obvody apod. Proto dnes již bez vyjímek používám pro nanesení fotocitlivé vrstvy sprej Pozitiv 20. Ten lze zakoupit v GES, GM a podobných prodejnách. Jeho cena je poměrně vysoká, ale stojí to za výsledky, které jím lze dosáhnout.
Příprava desky k nastříkání není složitá, ale důležitá. Odstřihněte desku na všech stranách o cca 5mm větší než skutečná velikost DPS. S tímto odpadem se prostě musíme smířit. Desky stříhám na malých a ostrých pákových nůžkách. Ty Vám desku nezprohýbají. Pokud má deska na okrajích otřepy či nerovné okraje odstřihněte je. Deska musí být co nejlépe rovná bez prohnutí či otřepů aby k ní bylo možné film s obrazem DPS dokonale po celé ploše přitisknout. Odstřiženou desku je nutné dokonale vyčistit. To je jeden ze základních předpokladů dobrého výsledku. Já na čištění používám velmi jemnou ocelovou vatičku bez jakýchkoliv chemikálií. Tou vyleštím měděnou vrstvu desky do zrcadlového lesku. Jiní kolegové používají chemické čištění – různé prášky na nádobí, TORO, Jemný smirkový papír, plavenou křídu, školní gumu a další přípravky. Řadu z nich jsem taky vyzkoušel, ale ocelová vatička se mi osvědčila nejlépe. Koupil jsem ji v Baumaxu. Po vyleštění povrch mědi otřete měkkým čistým hadříkem, který nepouští chlupy. Pak již samozřejmě na desku nesmíte sahat, nechali byste mastné otisky.
Tento návod nezahrnuje výrobu oboustranných desek. Bohužel s těmi jsem zatím dokonalých výsledků nedosáhl, takže to radši nechám někomu povolanějšímu. Problém je v dosažení dokonalého soutisku obou stran. Pokud máte filmy posunuté o 0,2mm, výsledek již vypadá jemně řečeno neprofesionálně. Pokud potřebuji desky pro VF účely, jsou obvykle vyrobeny z oboustranné desky, kde se jedna strana ponechá celá jako stínění. Pak nejprve tuto stranu po očištění ocelovou vatičkou nastříkám běžným nitro autoemailem ze spreje a nechám zaschnout. Tím mám tuto plochu chráněnou proti vyleptání a dál pokračuji jako u jednostranné desky.
Teď jsme se dostali k nejkritičtější fázi výroby – nastříkání fotocitlivé vrstvy. Na tomto kroku záleží konečný výsledek. Nejdůležitější předpoklad je co nejčistší prostor, ve kterém DPS stříkáme. Pokud nám na desku spadne zrníčko prachu odpudí emulzi ve svém okolí a v laku máme díru. Já stříkám v běžném čistém bytovém prostoru, četl jsem doporučení stříkat v koupelně – tam bývá vlhko a prašnost je omezená. V žádném případě nestříkejte venku nebo někde ve stodole – prach vám nedovolí udělat kvalitní vrstvu.
Vyleštěný kuprextit položte na vodorovnou podložku. Pokud nebude DPS vodorovná, lak steče ke kraji a deska je nepoužitelná. Nastříkejte stejnoměrnou vrstvu tak, aby její barva byla tmavě zelená, ale ne do černa. Barva napovídá o tloušťce vrstvy. chce to cvik a pár pokusů, než se naučíte odhadovat správný odstín. Po nastříkání se zhrozíte. Deska je flekatá jak mourovatá kočka. Vypadá to strašně ale to je normální. V žádném případě nepropadněte panice a nezačněte stříkat druhou vrstvu. Tím byste teprve desku opravdu zničili druhá vrstva se totiž neslije s tou první a je zle. Pokud vyčkáte, zjistíte, že se stal zázrak. Ty fleky se během cca 2 – 3 minut slijí dohromady a vytvoří dokonalou jednolitou vrstvu. Když jsem to viděl poprvé, nevěřil jsem vlastním očím. Lak vytvoří dokonalou vrstvu a jeho přebytek se usadí na okrajích desky. Proto jsme ji ustřihli o 5mm větší. Vyčkáme nějakou dobu (10 – 15min) až není lak tekutýa potom můžeme s deskou manipulovat. Lak se při běžné pokojové teplotě vytvrdí až za 20hod. Vytvrzení lze výrazně urychlit zvýšením teploty. Při teplotě 70°C má vytvrzení emulze trvat asi 15min. Proto jsem si postavil speciální termostatovou topnou desku, na kterou položím DPS, ohřeji na 70°C a vytvrzuji pro jistotu asi 45min. Samozřejmě můžete použít termostatovanou troubu nebo jiný prostředek pro ohřátí desky. tvořivosti se meze nekladou. Po vytvrzení je deska připravená k expozici.
Od okamžiku nastříkání již pracujeme s fotocitlivým materiálem. Na běžné světlo sice vrstva není příliš citlivá, přesto se ale vyvarujte přímému světlu, a pokud potřebujete desku uchovat delší dobu, musí to být ve tmě. Při práci zatahuji závěsy a pracuji v přítmí. Není potřeba temná komora.
Než se pustíme do expozice, musíme mít vhodný zdroj světla. Naprostá většina lidí, kteří používají fotocestu pro osvit používají rtuťové výbojky. Použít lze např. výbojku RLV125 nebo její ekvivalent – já používám výbojku Philips HPL-N 125W. Je to běžná výbojka, jaká se používá v pouličním osvětlení. Do série s výbojkou musí být zapojena odpovídající tlumivka 125W. Obojí jsem koupil v obchodě, kde se prodává elektroinstalační materiál. Výbojku jsem umístil do plechového reflektoru. Ten je ale již notně zrezavělý, takže světlo příliš neodráží. Některé prameny doporučují rozbít baňku výbojky a ponechat jen vnitřní část, která produkuje ultrafialové světlo. Baňka je Pokud tuto úpravu chcete provést, obalte baňku hadrem, výbojku uchopte za patici a sevřete přes hadr baňku ve svěráku. Opatrným přitahováním svěráku baňku rozmáčkněte. Přitom nesmíte porušit vnitřní část výbojky. Odbalíte hadr, vysypete střepy a máte výbojku, která produkuje mnohem více ultrafialové světlo a tedy stačí kratší expozice. Já ale používám výbojku s nerozbitou baňkou a funguje to bez problémů. Někteří lidé používají také jiné zdroje ultrafialového světla. Obvykle jsou však podstatně dražší. Používají se např. horská sluníčka, několik ultrafialových zářivek vedle sebe, nedávno jsem slyšel o obličejových soláriích které prý taky fungují. Nicméně patrně nebude náhodou, že většina lidí používá výbojky.
Světelný zdroj máme, připravenou fotocitlivou desku taky, takže můžeme exponovat. DPS položte na tvrdou rovnou desku citlivou vrstvou nahoru. Já používám prknénko na krájení velikosti cca A4 a tloušťky asi 2cm. Deska je z výroby zabroušená do roviny a je pro tento účel vhodná. Na fotocitlivou vrstvu přiložte připravené klišé tonerem k citlivé vrstvě. Aby byl film dokonale přitisknutý k desce, přikryjeme desku a film skleněnou tabulí tloušťky cca 4 – 5 mm. Já žádné další závaží nebo přítlačné mechanizmy nepoužívám. Film je přitlačen pouze vahou skleněné tabule velikosti A4. Jiní lidé používají růžné pružinové přítlaky, závaží nebo dokonce vakuové pumpy, které vyčerpají vzduch mezi sklem a podložkou a tím dojde k přitisknutí filmu. Bezesporu je lepší pokud je film k DPS nějakým mechanizmem přitlačován.
Asi 5 minut před vlastní expozicí zapněte výbojku aby se stihla naplno rozsvítit. Po rozsvícení podložku s DPS a sklem umístěte pod osvětlovací těleso. Doba expozice je asi 20 minut a vzdálenost výbojky od DPS asi 40cm. Že byla deska osvícena poznáte podle zeleného nádechu osvícených ploch.
Teď se potřebujeme zbavit laku z osvětlených ploch. To provedeme tak že desku potopíme do misky s vývojkou a vyčkáme až se osvětlený lak rozpustí a odplaví. Tomu napomáháme pohybem misky, aby byla vývojka v pohybu a přelévala se přes desku. Vyčkáme tak dlouho, dokud se dokonale nevyvolá obrazec DPS. Pak vyjmeme desku z vývojky a pečlivě omyjeme vodou. Vývojku vyrobíme rozpuštěním 7g hydroxidu sodného v 1 litru vody. Lze rovněž koupit již namíchaná. Vývojku můžete uchovat delší dobu a používat opakovaně. Dobře si prohlédněte kvalitu vyvolaného obrazce. Případné kazy můžeme ještě opravit lihovou fixou. Pokud ve větších plochách prosvítá měď došlo k prosvícení ploch a po vyleptání by byly plochy poleptané. Toto nelze opravit. Očistěte emulzi
Vyvolanou desku můžeme vyleptat. Já používám na leptání roztok kyseliny solné, která se kupuje v drogerii a 3% peroxydu vodíku, který lze koupit v lékárně. Výhodnější je koupit 1l 30% peroxidu a naředit si ho dle potřeby. Leptací roztok se připravuje až těsně před leptáním. Desku opatrně položíme leptanou plochou na hladiny leptacího roztoku. Díky povrchovému napětí se deska udrží na hladině a zůstane plavat. Neumím to vysvětlit, je ale známo, že takto je leptání podstatně rychlejší. Trvá to přibližně 5 minut. Pak desku otočíme a ponoříme do leptacího roztoku. Tak můžeme sledovat konec procesu leptání a vytáhnout desku přesně po ukončení leptání aby nedošlo ke zbytečnému podleptání. Po leptání desku omyjeme vodou, osušíme a ocelovou vatičkou očistíme z desky fotocitlivý lak. Doba leptání je závislá na teplotě roztoku. Ta se někdy vlivem probíhajícího chemického procesu zvětšuje. To může být nebezpečné, protože při vyšších teplotách je leptací roztok agresivní i k laku a mohlo by dojít k podleptání. Proto pokud leptáme větší plochy použijeme větší množství leptacího roztoku a mírně ho naředíme.
Teď už zbývá jen desku vyvrtat. Většinu děr pro běžné součástky vrtám vrtákem 0,8mm. Bohužel běžné vrtáky vydrží velmi málo – desítky děr. Tvrdokovové vydrží o něco déle, ale neodpovídá to jejich ceně. Před časem jsem koupil tvrdokovový kopinatý vrták a to je hotový zázrak. Vyvrtal jsem s ním již tisíce děr a vrtá stále jako nový. Ale pozor! K vrtání musíte používat kvalitní vrtačku se stojanem. Nesmí dojít ke chvění – vrták je velmi pevný, ale křehký. Nezkoušejte vrtat v ruce. Já používám vrtačku Proxxon FSB 12/E a stojan. Pak můžete bezpečně vrtat bez ohrožení vrtáku. Vrták má sice doporučené otáčky cca 20 000ot/min, ale já vrtám jen cca 5000ot/min. Kopinaté vrtáky dodává firma Proxxon a v katalogu je má i GES Electronics. Kopinatými vrtáky vrtám díry 0,8, 1 a 1,2mm. Ostatní díry již běžnými vrtáky.
Pokud vyrábíme desky pro VF, bývá vrchní fólie celistvá a kolem vývodů součástek je třeba odfrézovat isolační kroužky. Nejprve nožem ořízneme otřepy vzniklé vrtáním děr. Na frézování izolačních kroužků používám speciální frézičku vybroušenou ze stopky vrtáku 3mm. Ta se podobá plochému vrtáku na dřevo. Střední trn nasadíme do vyvrtané díry a břity odfrézujeme měděnou fólii kolem díry.
Tím je deska hotová. Zbývá už jen desku vyleštit do zrcadlového lesku a okamžitě natřít pájitelným ochranným lakem. Já používám kalafunový lak. Jde o řídký roztok kalafuny v lihu. Pokud použijete roztok příliš hustý špatně schne a lepí i po dlouhé době. Méně je v tomto případě více. Někdo též kalafunu rozpouští v nitroředidle. Prý to lépe zasychá. Já jsem ale s roztokem v lihu spokojen a navíc nesmrdí tak nepříjemně jako nitroředidlo. Po zaschnutí laku je deska hotová a připravená k použití. Díky použití kalafunového laku