Путь от схемы до устройства. Часть 5: фоторезист

Сегодня я хочу рассказать еще об одном материале для изготовления печатных плат - фоторезисте. Тему "священных войн" ЛУТ - фоторезист затрагивать не будем, этого "добра" в интернетах и так хватает, просто и беспристрастно рассмотрим очередной инструмент для нашей задачи.

А задача у нас, в общем-то, с прошлого раза совсем не изменилась: нам необходимо защитить медь текстолита от травильного раствора там, где должны остаться дорожки, и оставить ее открытой там, где она должна быть быть вытравлена.

Так что же такое фоторезист, и как он нам может помочь? Фоторезист - это светочувствительный полимерный материал, предназначенный для получения окон по шаблону, для доступа травящего раствора к обрабатываемой поверхности.

В нашем случае на поверхность меди наносится светочувствительный материал, который в дальнейшем экспонируется через фотошаблон, УФ-лампами с определенной длиной волны. В зависимости от типа фоторезиста засвеченные участки либо полимеризуются и становятся нерастворимыми (негативный фоторезист), либо наоборот растворяются (фоторезист позитивный).

По способу нанесения встречается фоторезист пленочный (гораздо чаще негативный) и аэрозольный (позитивный). По моему скромному мнению, с пленочным фоторезистом работать гораздо проще. Впрочем, имеется в продаже и текстолит с уже нанесенным фоторезистом, но цена у него гораздо выше, а нанести его самостоятельно совсем не проблема.

Изготовление платы можно разделить на следующие этапы:

Печать фотошаблона. Вообще в деле изготовления плат каждый этап важен, но в данном случае фотошаблон - основа всей платы. В идеале, непрозрачные детали фотошаблона должны совсем не пропускать свет, а прозрачные, соответственно, наоборот. На деле же полной непрозрачности в домашних условиях достигнуть сложно. И здесь среди радиолюбителей в ход идут такие хитрости как усилители оптической плотности тонера (для лазерного принтера), при чем как заводские (Density toner, например), так и кустарные (уплотнение в парах ацетона) шаблоны, склеенные стопкой, и даже обычная бумага, пропитанная растительным маслом.

Все это конечно увлекательно, но для моего струйного принтера (Epson L100) вполне достаточно выставить самое высокое качество печати, убрать яркость и поднять контрастность. Вообще струйные принтеры больше годятся для шаблонов, в них, как минимум, не происходит усадка пленки при нагреве в печке принтера. Да и печать получается плотнее, особенно если сравнивать с современными лазерными принтерами, которые печатают полигоны в виде мелкой сетки для экономии тонера. Но это, опять же, мое личное мнение.

Шаблоны я печатаю на предназначенной для этого пленке.

У этой пленки одна сторона гладкая, а вторая шершавая. Вот она-то и предназначена для печати. Фоторезист негативный, и шаблон ему соответствует. Подробнее о печати шаблонов я расскажу отдельно.

Нанесение фоторезиста. Фотошаблон готов, пришло время нанести фоторезист на заготовку. Первое что стоит сделать - подготовить поверхность меди. Правила здесь точно такие же, как и в способе ЛУТ / ЛЛТ: чистим поверхность и руками в дальнейшем не трогаем.

Далее с запасом отрезается фоторезист.

Если работать быстро, то под одеяло прятаться не нужно, эта статья - тому доказательство. Но если Вы забудете рулон фоторезиста под лампами дневного света на длительное время, то вероятнее всего его придется выбросить.

С обеих сторон фоторезиста имеется защитная пленка. И она разная. С одной стороны матовая, а с другой - глянцевая. При наклеивании удаляется матовая пленка. Вообще перепутать стороны сложно, даже на фотографии видно, где какая сторона.

Процесс нанесения будет больше понятен тем, кто имел дело с тонировочной пленкой или наклейкой рекламы. Но даже если у вас такого опыта нет, то уверяю, не так это и сложно. Самое главное - не допустить попадания воздуха между медью и фоторезистом.

Защитная пленка легко цепляется за уголок при помощи иголки.

Далее необходимо отклеить ее по всей длине фоторезиста, но не слишком много. Вполне достаточно 1,5 - 2 см.

После чего фоторезист приклеивается на заготовку. Просто ровно прикладываем, и разглаживаем. Удобнее это делать сложенной тканью.

В итоге край фоторезиста приклеен, а защитная пленка находится с обратной стороны, на меди.

Теперь остается постепенно вытягивая подложку, проглаживать фоторезист. Главное - не торопиться. Чем меньше будет шаг, тем меньше вероятность наловить пузырей.

Фоторезист наклеен, остается ножницами обрезать лишнее. Все же наловили пузырей? Конечно не очень хорошо, но если их совсем немного и они маленькие, то просто проколите их иголкой и выгоните воздух.  Далее для лучшей адгезии заготовка прокатывается в ламинаторе, на минимальной температуре. После чего она готова с к следующему этапу. Если нет ламинатора, допустимо воспользоваться утюгом, прогладив заготовку через несколько слоев бумаги. Только нужно быть очень осторожным с температурой, при ее превышении фоторезист расплавится и заготовка будет испорчена.

Экспонирование. У нас есть фотошаблон и есть заготовка, покрытая светочувствительным слоем. Нужно их совместить и засветить. Прижим шаблона к фоторезисту важен, нельзя допускать изгибания текстолита и неплотного прилегания фотошаблона. В моем случае для этой задачи используются два стекла от сканеров, у одного из которых по периметру проклеен двухсторонний скотч (чуть тоньше текстолита). Разумеется, защитная полоса снята только с одной стороны скотча. Прижимают стекла друг к другу канцелярские зажимы.

Позиционируем шаблон на заготовке, и собираем весь этот бутерброд.

Все готово к экспонированию. Производитель фоторезиста Ordyl ALPHA 340 (а именно такой фоторезист я использую) рекомендует экспонировать его УФ-лампами с длиной волны 360 - 380 нм. Для этой цели идеально подходят лампы черного света (лампы Вуда). Сфера применения этих ламп огромна: детекторы валют, косметология и дерматология, реклама, устранение сколов автостекол, ночные клубы и еще масса всего. Так что проблем с приобретением таких ламп нет совсем.

Да, на просторах интернета встречаются упоминания о засветке чем угодно, от солнышка до внутренних колб от ламп ДРЛ (рискуя остаться без глаз), но мы выберем более безопасный способ. В моей установке используются лампы с цоколем E27, это наиболее удобный вариант.

Установка позволяет настроить не только время засветки, но и количество ламп.

Можно конечно обойтись и без таймеров, это просто добавляет удобства в работе. Как и чем светить мы определились, а вот как понять, сколько времени светить? К сожалению, универсального ответа нет. Фоторезист, шаблон, тип ламп и расстояние до них - все это влияет на результат. Есть только один способ - сделать тестовый фотошаблон, и через определенные промежутки времени закрывать его участки чем-то светонепроницаемым. Далее проявить плату и уже по результату определить оптимальное время. Делается это однократно, но например при смене марки фоторезиста придется проделать эту операцию снова.

Экспонируем плату.

Этот фоторезист индикаторный, и после экспонирования видно рисунок платы. Рекомендуется оставить проэкспонированную плату на 15-30 минут для окончания процесса полимеризации.

Проявка. Выполняется в 1-2% растворе кальцинированной соды (Na₂CO₃). Средство очень популярное, используется для мытья посуды, смягчения воды и прочих бытовых нужд. Имеется практически в любом магазине бытовой химии, стоит очень недорого а хватает пачки надолго.

Для получения нужной концентрации необходимо растворить 10-20 гр. соды в литре воды. Одна чайная ложка соды = 10 гр. Для проявки вполне достаточно 250 мл воды, в которой растворяем пол чайной ложки соды (получая 2% раствор).

Перед проявкой не забудьте удалить вторую защитную пленку! Иначе плата будет проявляться вечно. 🙂

Бросаем плату в раствор и оставляем на минуту, чтобы ненужный фоторезист немного разбух. Далее периодически достаем плату, и смываем фоторезист ватным тампоном, или мягкой кистью. Главное, полностью смыть ненужный фоторезист. Может показаться что плата полностью проявлена, но не всегда это так. На фотографиях ниже видно, что в первом случае плата не проявлена до конца, во втором же проявка завершена, медь полностью чистая.

После проявки плату нужно промыть под проточной водой, для того чтобы остановить процесс проявки, и высушить заготовку.

Травление. Ни чем не отличается от ранее рассмотренных способов, раствор все тот же (подробнее в часть 3  и часть 4).

Удаление фоторезиста. После травления и ополаскивания заготовки, ставший ненужным фоторезист нужно удалить. С этим лучше всего справляется каустическая сода (NaOH). Главное - не перепутать, кальцинированная сода для проявки, а каустическая сода для удаления.

Найти каустическую соду так же не сложно, это основная составляющая всех средств для прочистки труб. Дорогое средство покупать смысла нет, прекрасно подходит дешевый "Крот". Плюс еще в том, что после удаления раствор не утилизируется, а сливается обратно в тару, своих свойств он не теряет.

Заготовка помещается в раствор на несколько минут. Через некоторое время фоторезист станет прозрачным и создастся впечатление, что он растворился. Но это не так, просто теперь его можно снять с платы цельным куском.

После удаления фоторезиста тщательно промываем заготовку и сушим феном.

Сверление. Здесь все без хитростей, как и раньше сверлим заготовку.

Лужение. Раньше мы этого не делали, процедура эта не обязательная, но залуженная плата дольше сохраняет кондиционный вид и легче паяется. Наносим флюс и лудим дорожки, стараясь сделать равномерный и тонкий слой.

Допустимо оставить и так, но лучше удалить неровности припоя при помощи демонтажной оплетки. Наносим на нее флюс, и проходим паяльником уже через эту оплетку. Лишний припой впитается, и покрытие станет более равномерным.

Обрезка. Обрезаем заготовку по контуру удобным для вас способом (ножницами по металлу, процарапывая и обламывая и прочее).

Сборка устройства. Наша плата готова, осталось запаять детали.

Вполне возможно кто-то задаст вопрос: а к чему вообще такие сложности? Ведь по сравнению с "утюжным" способом здесь все гораздо сложнее. С одной стороны да, здесь уже требуется и определенная химия, и оборудование. Но стоит все же понимать, что и фоторезист и ЛУТ  - это всего лишь инструменты. И выбирается каждый из них соответственно потребностям радиолюбителя.

Если нужда делать платы возникает пару раз в год, то не нужен ни утюг ни травящий раствор, вполне достаточно макетной платы. Если требуется быстро сделать прототип, и происходит это так же не очень часто, то лучше утюга не придумать. В лазерном принтере не сохнут чернила, утюг всегда есть под рукой, а плата при этом получается вполне годного качества.

Но если речь идет о постоянном изготовлении прототипов, и требуется предсказуемый результат, то лучше фоторезиста не придумать. При отработанной технологии можно совершенно точно сказать, что результат будет качественным. И немаловажен тот факт, что фотошаблон используется многократно, что для тиражирования устройств огромный плюс.

Я больше скажу, даже на этом наша плата не закончена. Будет еще одна часть, а на сегодня закончим.