Как изготовить и чем травить плату?
Банальный, казалось вопрос. Но сколько копий уже о него сломано, сколько холиваров отвоёвано. Попробуем подойти к вопросу научно.
Мы, конечно помним, про навесной монтаж и макетные платы, но в данном случае нас интересует именно плата печатная. По сути техпроцесс сводится к четырём операциям.
1. Нанести на медь рисунок дорожек.
2. Вытравить плату — убрать лишнюю медь
3. Произвести сверловку отверстий под выводные элементы
4. Нанести защитную паяльную маску
Начнём с первого пункта. Можно, конечно нанести рисунок от руки и когда-то что-то из этого даже неплохо получалось. Но всерьёз об этом говорить уже не имеет смысла ибо возможности метода сильно ограничены, а трудозатраты огромны.
Всерьёз имеет смысл говорить либо о ЛУТ либо о фоторезисте.
Лазерный утюг всем хорошо знаком. Технология проверена годами.
1. Печатаем на лазерном принтере шаблон. Лучше на глянцевой бумаге, основе от стикеров или журналах.
2. Отмываем и обезжириваем поверхность меди.
3. Прикладываем шаблон и утюжим утюгом.
4. Остужаем.
5. Отдираем бумагу. Тут есть особенности и не всегда этот этап проходит гладко. Кто-то рекомендует скатывать бумагу в воде. В любом случае могут остаться проплешины.
6. Тщательно изучаем результат и замазываем огрехи маркером.
7. Можно травить.
Достоинства - простота и доступность. Недостатки? А вот тут стоит поговорить более развёрнуто.
Для начала нужно иметь лазерный принтер. Что ни говори, а они в бытовом пользовании постепенно уходят в историю, уступая место струйным. Ну а главная проблема - это тонер, который представляет собой ни что иное, как порошок с пористой структурой. Поэтому так или иначе в шаблоне будут микроскопические проплешины, которые будут подтравливаться. Жирным дорожкам тут мало что грозит, а вот с уменьшением размера начинаются проблемы вплоть до обрыва дорожек.
Есть ещё один нюанс, проявляющийся с миниатюризацией - слипание дорожек. Чем меньше дорожки и расстояние между ними - тем выше риск, что тонер при утюжке поплывёт и слипнется.
Резюме: Лазерный утюг был хорош для своего времени, по-прежнему широко используется, но есть смысл поискать что-то более подходящего для современных типоразмеров.
И тут к нам на помощь приходит фоторезист. Точность при его использовании буквально фотографична. Никакому ЛУТу такая точность и не снилась! Но самое главное то, что плата сразу готова к травлению и не нужно тратить время и нервы на поиск проплешин.
Существует такая радость либо в виде плёнки для нанесения на заготовку, либо в виде уже готовых заготовок. Бывают ещё экзотические жидко-аэрозольные формы, но о них не будем. Наносить плёнку или брать готовые заготовки - выбор каждого. Заготовки заметно дороже, но для качественного нанесения без пузырьков и риска отклеивания нужен ламинатор. Технология проста:
1. На прозрачной плёнке струйным принтером печатаем шаблон. Некоторые, конечно пробуют делать это на лазернике, но там есть нюансы. Во-первых На лазерном принтере от нагрева плёнку всё же немного ведёт, поэтому точность страдает. А во-вторых тонер, как мы помним, структура пористая и для ультрафиолета более проницаема. Пытаются обычно распечатать два шаблона и совместить, по мнению автора этих строк проще взять недорогой струйник. Надо ещё учитывать тип фоторезиста - он бывает негативным и позитивным. Соответственно и шаблоны надо печатать в негативе или позитиве.
2. Шаблон прикладывается к заготовке и засвечивается ультрафиолетом. Прижимать лучше оргстеклом и тонким стеклом, чтобы пропускало ультрафиолет. Прижимать надо плотно, чтобы исключить боковой засвет. По этой же причине следует печатать в зеркале и прикладывать к заготовке сторону с чернилами.
3. Проявка. Тут зависит от типа фоторезиста. Негативный обычно проявляется в 1% растворе кальцинированной соды, позитивный же в 0,7% растворе натриевой или калиевой щёлочи. Со щёлочью надо быть особо внимательным - ибо она же и растворяет фоторезист. Поэтому следим за выдержкой и концентрацией.
Как итог имеем качественный результат с высокой точностью. По трудозатратам чуть сложнее, чем ЛУТ, однако с учётом гарантированного результата можно сказать, что они сопоставимы.
Можно сколько угодно вести холивар и топить за ЛУТ, но жизнь показывает одно: Те, кто перешёл с ЛУТа на фоторезист обратно обычно не возвращаются.
Дальше идёт травление и вот тут нас ожидает трудный мучительный выбор. Попробуем рассмотреть имеющиеся реактивы с йоксечимихточки зрения. Нас будет интересовать движущая сила реакции, то есть разность окислительно-восстановительных потенциалов.
Справка: Окислительно-восстановительный потенциал — мера способности химического вещества присоединять электроны (восстанавливаться). Выражается в милливольтах (мВ).
Первое, что приходит на ум - старое доброе хлорное железо. Хлорид железа (III) реагирует с медью, в результате образуется хлорид железа (II) и хлорид меди.
2FeCl3+ Cu→2FeCl2+CuCl2
Рассчитываем ОВП
Cu → Cu2++2e +337 мВ
Fe3- + e → Fe2-+771 мВ
Движущая сила для этой реакции составляет: 434 мВ. И при этом потенциал и скорость процесса сильно уменьшаются по мере накопления в растворе продуктов реакции. И вот дальше начинается алхимия. Некоторые наивно полагают, что раствор можно регенерировать путём осаждения из него меди на железе. В ход идёт всё: гвозди, болты, скрепки и прочий металолом. Однако на выходе получается зеленовато-голубоватая бурда, медленно превращающаяся, при доступе воздуха, в ни к чему непригодную чёрную жижу, которая, при утилизации, разукрашивает сантехнику в весёлые цвета ржавчины.
Что не так? А всё просто: в результате осаждения меди в растворе только прибавляется хлорида железа (II), который совершенно бесполезен в деле растворения меди.
CuCl2 + Fe →FeCl2 + Cu↓
4FeCl2+2H2O+O2 → 2FeCl3 +Fe(OH)3↓+ Fe(O)Cl↓ +HCl
А самое главное - хлорное железо гидролизуется со страшной силой и загрязняет всё, с чем только соприкасается практически без шансов отмыть. А за это все домашние вас возненавидят!
Итог: Метод при всей своей простоте и доступности малоэффективен и жутко грязен.
Другой спостоб - использовать медный купорос с солью. Реакция в упрощённом виде сначала даёт хлорид меди (I) и сульфат натрия, а затем идёт реация хлорида меди(I) и хлорида натрия с образованием дихлорокупрата натрия
Cu+CuSO4+2NaCl → 2CuCl↓ +Na2SO4
CuCl+NaCl → Na[CuCl2]
Расчёты электрохимии приводят нас к удручающим выводам:
Cu+ Cl-→ CuCl↓+e + 137 мВ
Cu2++Cl-+e → CuCl↓ + 540 мВ
Движущая сила не более 400 мВ. Однако купорос также легко доступен, но главное пятна от него уже оставляют нам возможность их смыть слабыми кислотными растворами - да хоть уксусом.
Резюме: Купорос хоть и более чист, но всё также неэффективен.
Что дальше? Можно, конечно вспомнить про азотную кислоту. Но надо очень сильно ненавидеть человечество, чтобы рекомендовать этот метод. Реакция бурно идёт с образованием нитрата меди (II), бурого газа и воды.
Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
Реакция экзотермическая, поэтому при самопроизвольном разогревании смеси она ускоряется. При этом надо помнить что, бурый газ смертельно ядовит, кроме того азотная кислота крайне опасна сама по себе. Это не безобидная соляная или даже в меру агрессивная серная. Ожоги, отравления и прочие бонусы... Оно вам надо?
Резюме: Не надо!
Нельзя обойти вниманием популярную тему с персульфатами.Тут казалось бы, одно вещество (персульфат натрия или аммония) , в процессе травления, распадается на три: перекись водорода, серную кислоту и не участвующий ни в чем сульфат (натрия или аммония). Из этого сразу вытекает необходимость существенно подогревать раствор персульфата для его гидролиза.
Na2S2O8 +Cu → CuSO4 + Me2SO4
или
(NH4)2S2O8 → CuSO4 + Me2SO4
Электрохимия тут посложнее:
S2O82- +2H2O → H2O2+ 2H+ +2SO42-.
Cu → Cu2++2e + 337 мВ
H2O2+2e+2H→ 2H2O +1,77 В
Движущая сила процесса, казалось бы бьёт рекорд 1,43 В! Вот только, практически, такой потенциал не достижим, ибо персульфат, даже при сильном нагревании раствора не гидролизуется мгновенно и полностью. Есть ещё одна проблема: раствор гораздо более агрессивен к фоторезисту и если затягивать - неминуемо появляются проплешины. А ещё персульфат очень любит оставлять дырки на одежде со всеми вытекающими.
Резюме: Хоть метод призван решить все проблемы, по факту он не решает ни одной, да ещё и создаёт новых.
И вот мы постепенно подбираемся к чему-то лучшему. Под "лучшим" я понимаю перекись водорода и соляную кислоту. Реакция протекает с образованием хлорида меди (II) и воды
Cu+ H2O2+ 2HCl → CuCl2+ 2H2O
а электрохимия:
Cu → Cu2++2e + 337 мВ
H2O2+2e+2H+ → 2H2O +1,77 В
Ну и казалось бы, потенциалы такие же как у персульфатов. Только есть одно но: перекись уже присутствует в своей максимальной концентрации, что позволяет достигнуть максимального ОВП в 1,43 В сразу.
В присутствие соляной кислоты или хлоридов реакция растворения меди протекает через образование промежуточного продукта - хлорида меди
2Cu+ H2O2+ 2HCl →2CuCl↓ + H2O
который, однако, не успевает выпасть в осадок и быстро окисляется далее. Образование этого продукта заметно понижает потенциал окисления меди, что существенно облегчает течение реакции. т.е. хлориды в данной системе являются катализатором. При этом фоторезист остаётся в безопасности.
Есть только одно маленькое но: солянка тоже очень любит делать дырки в штанах с последующими люлями от жены.
Попытки улучшить метод пошли в обход солянки и как выясняется, природа, используемой совместно с перекисью, кислоты не имеет большого значения, и будет оказывать влияние только на скорость травления меди. А значит можно использовать любую подходящую кислоту, которая не окисляется перекисью водорода, например стянуть с кухнилимоннуюили уксусную, хотя уксусную не советую ибо запах.Лимонная кислота доступна в любом магазине, имеет достаточную силу и не пахнет. Более того, она образует прочнейший комплекс с медью, что исключает всякое влияние продуктов реакции на её скорость! А для ускорения процесса следует добавить не расходующийся хлорид натрия (соль то есть). Суммарная реакция выглядит так: В результате образуются цитрат меди и вода.
Cu+ H3Cit +H2O2→ H[CuCit] +2H2O
электрохимия:
Cu +Cit3-→ [CuCit]-+2e - 83 мВ
Отрицательное значение ОВП показывает, что медь должна растворяется в лимонной кислоте с выделением водорода, уходя в комплекс.
H2O2+2e+2H+ → 2H2O +1,67 В
Движущая сила процесса составляет рекордные 1,775 В! Процесс быстро протекает при комнатной температуре.
Итог: Раствор безопасен для тела и одежды, даёт максимальную скорость травления и не требует труднодоступных реактивов.
Следующим этапом идёт нанесение паяльной маски… Впрочем о маске поговорим в следующий раз.
Видео уже когда-то было. Оставлю для тех, кому лень читать.