Изготовление печатной платы методом ЛУТ - подробная пошаговая инструкция

В данном материале постараюсь очень подробно и в пошаговом режиме рассказать как самостоятельно изготовить печатную плату по методологии "ЛУТ", чтобы она получилась качественной, аккуратной и как правило с первого раза!

В качестве примера будет описано изготовление печатной платы для усилителя низкой частоты на микросхеме TDA7250.

Содержание:

1. Что такое ЛУТ
2. Инструменты и материалы
3. Распечатка трафарета
4. Подготовка трафарета и стеклотекстолита
5. Перенос трафарета на фольгу стеклотекстолита
6. Размачивание бумаги, промежуточная очистка
7. Корректировка дорожек, дополнительные надписи
8. Травление печатной платы
9. Корректировка дорожек после травления
10. Сверление отверстий
11. Очистка от тонера и финишная шлифовка
12. Лужение дорожек
13. В завершение

Что такое ЛУТ

Что такое ЛУТ? - это аббревиатура от слов Лазерно-Утюжная Технология, метод изготовления печатных плат, переносом напечатанного на лазерном принтере трафарета на металлическое покрытие стеклотекстолита с помощью утюга (температуры и некоторого усилия).

Плюсы этого метода:

• Простота;
• Доступность;
• Дешевизна.

Минусы:

• Плохо подходит для массового производства печатных плат;
• Немного неудобно изготавливать двухсторонние печатные платы;
• Плохо подходит для печатных плат с очень тонкими дорожками и маленькими расстояниями между ними.

Инструменты и материалы

Что понадобится из материалов:

• Парочка чистых листов А4 (для пробы).
• Несколько страниц из глянцевые журналов или буклетов;
• Стеклотекстолит;
• Кусочек мелкозернистой шкурки (шлифование);
• Кусочек ваты + медицинский спирт (очистка после шлифования и после переноса трафарета);
• Припой, канифоль (лужение).

Что понадобится из инструментов:

• Лобзик или ножницы/пилка по металлу (обрезка стеклотекстолита);
• Ножницы для бумаги (вырезание трафарета);
• Линейка (измерение вырезанного трафарета, правка дорожек);
• Нестираемый маркер (опционально, для корректировки дорожек и создания надписей);
• Острый нож с тонким кончиком + игла (корректировка дорожек до и после травления);
• Керн + небольшой молоточек (наметка отверстий для сверления);
• Дрель + сверла 1мм и 1,2мм (сверление отверстий в стеклотекстолите);
• Электроутюг;
• Раствор для травления медной платы (хлорное железо или другой);
• Терпение, аккуратность оператора :)

Приступим к делу...

Распечатка трафарета

Первый этап - распечатка трафарета печатной платы на глянцевой бумаге с использованием лазерного принтера. Бумагу стоит брать средней толщины (я бы сказал, немного толще типового листа А4 вполне сойдет), поскольку очень тонкая может деформироваться в печке принтера и ее придется оттуда извлекать.

Если печать будет выполняться не на личном принтере, а например где-то в офисе (на работе, у знакомых), то заранее предупредите присутствующий там персонал что будете печатать на нестандартной бумаге, и что в случае ее замятия для извлечения придется вынимать картридж и проводить другие манипуляции. Также уведомите что вам нужно будет некоторое время для работы, попросите не посылать на печать документы из других компьютеров (если принтер расшарен по сети).

Печать трафарета печатной платы выполняется, как правило, сразу же из программы, в которой она была разведена (нарисована), это может быть: KiCad, Sprint Layout, Eagle и другие.

Для таких программ как KiCad и Sprint Layout есть портабельные (portable) сборки, которые можно записать на флешь-носитель и запускать без установки, это может быть очень удобно при печати трафаретов с компьютера на котором нет возможности установить или же не желательно устанавливать сторонние программы.

В настройках принтера (могут отличаться в зависимости от модели, операционной системы на ПК и установленного драйвера) нужно:

• Отключить режим экономии тонера;
• Если доступна то установить галочку: "Print Colored Text and Lines in Black" (печать цветного текста и линий в черном цвете);
• Насыщенность тонера (Toner Density) - максимальная.

Перед изменением настроек, запишите себе в текстовом файле или на листе бумаги их изначальные значения, чтобы потом после работы можно было их восстановить.

В программе где разработана печатная плата нужно отключить лишние слои (обозначения компонентов, заметки, перемычки и т.п.), по возможности для слоя с дорожками выставить черный цвет.

Теперь можно выполнить пробную печать на листике А4. Здесь нужно внимательно проверить правильно ли распечатан трафарет чтобы после изготовления печатной платы в нее можно было правильно запаять некоторые не симметричные по назначению выводов компоненты - микросхему, электромагнитные реле, микросборки и т.п.

Если на плате должна быть установлена какая-то микросхема, то проверку можно выполнить следующим образом:

1. Распечатываем трафарет на листике бумаги;
2. Прикладываем трафарет к стеклотекстолиту - рисунком к стороне с медным покрытием;
3. Ставим на стеклотекстолит микросхему примерно в то место где она будет установлена на плате;
4. Отгибаем листик с трафаретом и смотрим совпадает ли при поворотах микросхемы вокруг своей оси ее первая ножка с дорожкой к которой она должна быть подключена (получится ли запаять микросхему в верном положении).

По большому счету можно просто приложить микросхему к трафарету со стороны дорожек и проверить все ли совпадает со схемой, тем не менее, пример что выше позволит начинающим и неопытным разобраться в том как будут перенесены дорожки и как нужно распечатывать трафарет.

Если же микросхему не удается установить таким образом, чтобы первая ножка совпала с нужным соединением на будущей печатной плате - попробуйте распечатать трафарет в зеркальном отображении.

Когда убедились что все верно - размножаем (копируем) печатные платки в программе так, чтобы на одном печатаемом листе получилось 2-3-4 или сколько нужно копий трафарета. Выполняем печать на разных листах из журналов/буклетов и смотрим на качество и насыщенность нанесения тонера.

Бывает что лазерный принтер может попасться с уже частично изношенным барабаном - будут небольшие пропуски или полоски после печати. В данном случае не стоит сильно расстраиваться и бежать на поиски другого принтера - все мелкие недочеты после переноса на металл мы потом подкорректируем несмывающимся маркером.

Рис. 1. Трафарет печатной платы, напечатанный на бумаге из глянцевого буклета.

По завершению печати не забудьте вернуть настройки принтера к прежним, например: включить режим экономии тонера, вернуть ранее установленный уровень насыщенность тонера и т.п.

Перед транспортировкой (например с работы к дому), напечатанные листики с трафаретами нужно положить в целлофановый файлик, проложив между ними и по сторонам несколько листов А4 (можно использовать те на которых тренировались).

Это придаст пакету из литов некоторую прочность, а также предотвратит трение листов между собою, защитит от влаги. Распечатанные листы нельзя сильно изгибать, также не рекомендую их скручивать в рулон.

Очень важно не трогать распечатанный на бумаге тонер пальцами, поскольку микрочастицы покрытия кожи потом могут ухудшить качество удерживания тонера после переноса на металл.

Эти правила простые и казалось бы немного излишние, но если вы хотите чтобы все вышло как нужно, то очень важно их соблюдать!

Подготовка трафарета и стеклотекстолита

Обрезаем бумажный трафарет для будущей печатной платы, по краям оставляем немного пространства (например для крепления), если нужно. Измеряем трафарет линейкой и по полученным размерам вырезаем нужный кусочек из листа стеклотекстолита.

Рис. 2. Вырезание трафарета и подготовка кусочка стеклотекстолита.

Выполняем шлифовку медной поверхности стеклотекстолита с помощью мелкозернистой наждачной бумаги. Сначала шлифуем платку вдоль - убираем мусор, окислившиеся участки (если попался старый текстолит).

Потом продолжаем шлифовать но уже поперек, это завершающий этап черновой шлифовки. И наконец, легкими (без значительного усилия) круговыми движениями по поверхности медной фольги выполняем чистовую обработку.

Теперь слегка промочите ватку спиртом, с ее помощью уберите мусор и опилки меди с отшлифованной поверхности.

Внимание! Трогать пальцами отшлифованную поверхность нельзя, брать платку пальцами можно только за края или за поверхность где нет меди (в случае одностороннего стеклотекстолита)!

Рис. 3. Шлифовка и очистка металлической поверхности стеклотекстолита.

Перенос трафарета на фольгу стеклотекстолита

Разогреваем утюг - можно современный, а можно советский, здесь главное чтобы была температура. Кладем печатную плату фольгой вверх на какую-то не нужную книгу (в моем случае такой оказался справочник по устаревшему Flash MX 2004) или стопку газет.

Это нужно чтобы плата могла немножко деформироваться, а также чтобы не повредить стол или другую рабочую поверхность воздействием температуры.

Рис. 4. Подготовка к переносу тонера с трафарета на медную поверхность стеклотекстолита.

Аккуратно, не касаясь тонера и отшлифованной поверхности, кладем трафарет стороной с тонером на вырезанную платку. Подгоняем чтобы все сходилось хорошо, можно этот "бутерброд" перевернуть и проверить не вышла ли какая-то дорожка за пределы стеклотекстолита.

Кладем платку с приложенным трафаретом на книгу/газеты и начинаем с небольшим усилием прогрев - от середины перемещаем в одну из сторон, потом не поднимая утюг перемещаем его в другую сторону.

Теперь, приложив немного большее усилие, начинаем как бы "втирать" трафарет в печатную платку по всей ее поверхности. В завершение можно еще пройтись утюгом с одной стороны в другую.

Теперь трафарет должен быть очень плотно приклеен к поверхности печатной платы. Также не помешает визуальный осмотр - если где-то какую-то область пропустили или же она пристала плохо, то берем утюг и пробуем исправить этот недочет.

Рис. 5. Трафарет приклеен тонером к медной поверхности платки из стеклотекстолита с помощью температуры.

Размачивание бумаги, промежуточная очистка

Теперь нужно отделить бумагу от стеклотекстолита чтобы на нем остался только перенесенный тонер. Для этого готовим небольшую ванночку с теплой водой (температурой ~40°). Окунаем в воду нашу плату и даем бумаге размокнуть примерно 10-20 минут.

Рис. 6. Размачиваем приклеенную бумагу в теплой воде.

Когда бумага промокнет можно пробовать ее отделять, начиная с одного из краев стеклотекстолита.

 

Рис. 7. Пробуем аккуратно отделить размокшую бумагу от стеклотекстолита.

Здесь важно не спешить, сперва понемногу снять верхний слой, который достаточно легко отдирается.

Рис. 8. Верхний слой бумаги отделен.

На данном этапе уже можно увидеть примерный рисунок печатной платы - дорожки из тонера, который плотно пристал к медной поверхности.

Теперь, когда мы сняли верхний слой и убедились что бумага промокла достаточно хорошо, можно приступить к уборке оставшихся ее частиц.

Если прижать палец к платке и провести его вдоль то размоченная бумага начнет скатываться в рулончики, также для этого можно попробовать применить кусочек ватки.

Выполнять данную операцию нужно с аккуратностью, вы должны прочувствовать необходимое давление, достаточное для отделения бумаги и безопасное для того, чтобы не содрать тонер с медной поверхности платы. Будьте особо аккуратны в тех местах, где расположены тоненькие дорожки.

Если все же какая-то дорожка из тонера немного стерлась, то не переживайте - это мы потом исправим.

Рис. 9. Убираем остатки размоченной бумаги.

Даем плате просохнуть и приступаем к очередному этапу очистки, который нужен чтобы по возможности убрать оставшиеся частички бумаги приклеившиеся не к тонеру а к меди.

Намачиваем ватку в этиловый спирт (можно купить в аптеке) и с небольшим усилием начинаем очищать поверхность дорожек из тонера от микрочастиц бумаги (тонер не растворяется под воздействием спирта).

Всю бумагу отделить конечно же не получится (да и не нужно), поскольку часть из нее уже плотно склеена с тонером, нас больше интересуют именно те участки, где остались небольшие кусочки бумаги прилипшей к медной поверхности - к примеру это могут быть промежутки между дорожками, отверстия и т.п.

Поэкспериментировав и убедившись что при очистке тонер на дорожках остается на месте и все хорошо, можете попробовать немного увеличить усилие чтобы убрать кусочки бумаги в отверстиях под сверление.

После этой процедуры даем платке высохнуть, на это потребуется несколько секунд (спирт выветривается очень быстро).

Рис. 10. Предварительная очистка поверхности платы с тонером с помощью ватки и спирта.

Корректировка дорожек, дополнительные надписи

Далее следует корректировка и косметическая правка дорожек из тонера. Возможно по каким-то причинам некоторые дорожки в процессе были повреждены - дорисовываем их (или их части) с помощью перманентного маркера.

Также правим участки где дорожки вышли очень тоненькими и их неплохо бы сделать немного потолще. Если где-то есть лишнее соединение дорожек или там остались частицы бумаги - убираем эти недочеты с помощью скальпеля или хорошо наточенной иголочки.

Также у вас есть возможность с помощью перманентного маркера добавить какие-то пометки, надписи или даже рисунки, по желанию. Можно напечатать год изготовления, нарисовать свой логотип или подпись, указать название модуля или же просто нарисовать что-то веселенькое. )

Рис. 11. Убираем дефекты и исправляем недочеты на плате с помощью несмываемого маркера и скальпеля.

Травление печатной платы

Для травления печатных плат я использую раствор из хлорного железа. Процесс происходит достаточно быстро, выполнять травление стоит на улице или в хорошо проветриваемом помещении. Перед использованием раствор желательно немного перемешать.

Для того чтобы не запачкаться и уберечься от попадания раствора на кожу рук используйте салфетки или же более дешевый расходный материал - туалетную бумагу.

Травление печатной платы нужно выполнять в специальной ванночке или же в пластиковой посудине, которую не жалко испортить.

Вытравливаемая плата должна быть расположена медной стороной донизу, чтобы частички меди после химической реакции свободно оседали на дно посудины.

Идеальный вариант - если удастся положить платку на поверхность раствора так, чтобы она на нем плавала, но это не всегда удается.

Лучше заранее просверлить отверстия на краях платы (например для будущего крепления) и продев через них нити или эмалированную проволоку закрепить платку так как нужно и чтобы она не лежала на дне посудины, а была погружена в раствор на небольшую глубину.

Рис. 12. Подготовка к травлению печатной платы в хлорном железе.

Процесс травления в хлорном железе может занять примерно 10-20 минут, в зависимости от площади платы, качества раствора и температуры окружающей среды.

Проверять результат процесса травления желательно каждые 5-10 минут.

Когда все дорожки уже вытравлены, держим некоторое время платку над посудиной чтобы с нее стекли остатки раствора.

Вытираем стеклотекстолит салфетками или туалетной бумагой и несем под кран для промывания водою. 

Плата вытравлена!

Корректировка дорожек после травления

Теперь осматриваем вытравленную плату и выполняем окончательную корректировку дорожек с помощью скальпеля (возможно придется убирать кусочки медного покрытия). Сверяем печатную плату с трафаретом, смотрим чтобы нигде не было лишних соединений.

Рис. 13. Вытравленная плата после окончательной корректировки дорожек.

Сверление отверстий

Для уверенного и точного сверления отверстий (чтобы сверло не гуляло по сторонам) нужно наметить их центры - сделать небольшие углубления на их местах. Для этой задачи используем керн и молоточек.

Керн можно изготовить самостоятельно на точильном станке из кусочка не нужного или же поврежденного сверла (не забываем про меры безопасности, защитные очки обязательны!).

Рис. 14. Наметка отверстий для сверления с помощью керна и молоточка.

В зависимости от толщины ножек устанавливаемых деталей, компонентов и проводников, выбираем нужные по диаметру сверла. Сверление можно выполнять самодельной микро-дрелью из мощного электродвигателя и цангового микро-патрончика (в китайском магазине стоит 1-2$) или же используя инструмент из набора для фрезеровки (например тот же Dremel).

Если в наличии только ручная дрель с большим патроном - в принципе можно обойтись и ею (самому раньше приходилось так выкручиваться не раз).

Чтобы зажать микро-сверло в большом патроне придется прибегнуть к небольшой хитрости: плотно наматываем на сверло медную проволоку (виток к витку) и потом зажимаем эту конструкцию в патрон большой ручной дрели. Сверлить такой дрелью конечно же не очень удобно и нужно быть аккуратным чтобы не сломать маленькое сверло.

Рис. 15. Сверление отверстий в самодельной печатной плате с помощью микро-дрели.

Очищаем обратную сторону платы после сверления с помощью скальпеля или остро наточенного ножа.

Рис. 16. Очистка обратной стороны печатной платы после сверления.

Очистка от тонера и финишная шлифовка

Пришло время очистить дорожки от тонера и увидеть что же у нас получилось в результате. Для очистки и параллельной шлифовки медных дорожек используем тот же кусочек наждачной бумаги, который мы применяли на начальном этапе подготовки стеклотекстолита.

Рис. 17. Очищаем дорожки от тонера и шлифуем их.

По завершению очистки и шлифования плату желательно немного приподнять и постукать по ней, чтобы опилки застрявшие в отверстиях после шлифовки покинули их, также можно применить заостренную спичку. 

После этой процедуры протираем обе поверхности платы смоченной в этиловом спирте ваткой.

Рис. 18. Очищенная и подготовленная к лужению печатная плата.

Здесь опять же желательно не касаться дорожек пальцами и сразу же переходить к следующему завершающему этапу.

Лужение дорожек

Зачем лудить дорожки печатной платы? - это нужно чтобы защитить их от окисления и коррозии (реакции взаимодействия воздуха и влаги с медной поверхностью), также небольшой слой припоя поверх дорожки сделает ее более толстой и позволит выдержать более высокие токи там где это нужно, впаивать электронные компоненты станет легко и удобно.

В нашем случае, после двух процедур шлифования (перед переносом трафарета и после травления), медные дорожки немного утратили в своей толщине, поэтому лужение небольшим слоем припоя здесь будет очень кстати!

При необходимости выдерживать большие токи, дорожки печатной платы можно покрыть толстым слоем припоя и даже напаять поверх них медные проводники, но это может потребоваться как правило в случае когда печатную плату развели без правильного учета нагрузки на соединения.

Для лужения печатной платы я использую припой и канифоль (потому что они есть в наличии в достатке), также можно применить флюс или же припой с флюсом внутри.

Рис. 19. Подготовка к лужению дорожек печатной платы.

Перед лужением/пайкой желательно убедиться что жало паяльника не выгорело и хотя бы одна из его сторон является плоской (в зависимости от типа вашего паяльника), если же это не так - используем напильник по металлу чтобы очистить жало и привести его в порядок.

Рис. 20. Подготовленная к монтажу электронных компонентов печатная плата.

Печатная плата готова к установке в нее электронных компонентов - к монтажу!

В завершение

Примерно такой подход я использую при изготовлении печатных плат с помощью Лазерно-Утюжной Технологии. В большинстве случаев все получается качественно и с первого раза, а это - сэкономленное время и хорошее настроение.

Хочу заметить, что даже при отсутствии лазерного принтера и утюга печатную плату можно развести вручную, с помощью того же перманентного маркера или лака.

Для этого бумажный трафарет приклеивается несколькими капельками клея к стороне с фольгой, керном намечаются места будущих отверстий, потом отклеив трафарет по этим наметкам рисуются все дорожки. Подобный метод изготовления несложной платки я описал в статье про самодельный роутер на базе Raspberry Pi.

Если интересно как была использована печатная плата из примеров, то вы можете ознакомиться с этой информацией в моей следующей статье, в которой я рассказываю как отремонтировать заводской усилитель Радиотехника У-101 стерео.

Пусть у каждого печатная плата получится с 1-го раза!