Применение термотрансферной бумаги в ЛУТ

или Изготовление плат в домашних условиях с помощью ЛУТ. Часть 3.

Ранее уже писал о том, как можно изготавливать печатные платы в домашних условиях при помощи ЛУТ:
Изготовление плат в домашних условиях с помощью ЛУТ 2
Технология изготовления печатных плат на лазерном принтере (ЛУТ)

В этой статье поделюсь своим первым опытом использования термотрансферной бумаги, это такая специальная бумага с глянцевым покрытием рабочего слоя к которому при печати припекается лазерным принтером тонер, а во время перевода на стеклотекстолит очень хорошо переносится на него.

Инструмент используемый при ЛУТ
Инструмент используемый при ЛУТ

Так же в статье подробно описано использования Лазерно Утюжной Технологии с применением термотрансферной бумаги и сравнение её с фотобумагой. Полученный результат 0.15мм дорожки, 0.18мм зазор (устаревшие данные) 0.1мм дорожки, 0.15мм зазор.

Где купить

Термотрансферная бумага продаётся на многих интернет площадках. Стоит примерно 1,5$/10шт или примерно 9р за А4 лист (конец 2017 года). Продаётся по 10, 50 и более листов. Брать по 10шт не рекомендую, т.к. присылают её свернутую в рулон с потрёпанными краями, после чего она месяц и более лежит под прессом (стопкой журналов), а края приходится срезать и выбрасывать.

Описание и сравнение

Один слой (не рабочий) у данной бумаг выглядит, как обычная офисная бумага для принтеров, второй (рабочий) слой глянцевый. По толщине данная бумага (по ощущениям) немного тоньше (менее плотная) чем офисная. Ведет ли бумагу при печати (изменяется длина вдоль листа из-за протягивания на горячую между валиками принтера) — пока не проверял (позже дополню). Печать на данной бумаге производится на лазерном принтере (кто тут первый раз, ЛУТ — Лазерно Утюжная Технология).

Рисунок на глянцевом слое, как и на фотобумаге, держится не очень крепко, можно содрать ногтем или может облупиться в месте перегиба. Но данные типы бумаги предназначены не для хранения текста и рисунка ПП, а для его перевода на плату.

По сравнению с глянцевой фотобумагой для струйных принтеров плотностью 170 грамм. Для которой принтер нужно было больше прогревать и устанавливать большую плотность бумаги. Лист А4 фотобумаги через обычный принтер прогонять не советую — большая механическая нагрузка на принтер (больше износ) и может застрять, использовал листы 10х15см.
Глянцевые буклеты. Толщина 0.6 мм дорожки и зазор без проблем, 0.4 мм можно, менее не пробовал.
Фотобумага. Толщина дорожек и зазор 0.4мм без проблем, 0.3мм можно, 0.25мм (шаг и размер выводов у STM32) возможны слипания, приходилось править зубным зондом (зубная ковырялка), 0.2мм трудно.
Термотрансферная бумага. На первой плате дорожки и зазоры 0.25мм без проблем, на второй и третей плате, те которые представлены в статье, 0.15 дорожки, 0.18 зазор без проблем. Толщина линии надписи 0.12 мм — получилось, зазоры в надписи менее 0.14 мм слиплись, см. надпись Alex_EXE на платах. Технологии и инструмент использовал тот же, что и при использовании фотобумаги. Платы делал 21х12мм, на больших размерах буду проверять позже. Эксперименты продолжу, о результатах напишу.

Настройки принтера

Настройки печати. Лазерный принтер HP LaserJet 1018 c оригинальным не перезаправленным картриджем, печатаю не много, поэтому специально для ЛУТ картриджи по окончанию меняю целиком. Плотность бумаги — обычная для термотрансферной, плотная для фото. У принтера разрешение 600dpi, в настройках есть опция повышения разрешения — FastRes до 1200. Расход тонера средний: 3 из 5.

Использованный инструмент

Применяемый инструмент: компьютер, лазерный принтер, специальная бумага, стеклотекстолит, утюг, быстрый курьер (толстый не глянцевый справочник), 2 листа офисной бумаги А4, ножницы хирургические (канцелярские), скотч, напильник, гравер (dremel), защитные очки и респиратор, отрезной алмазный диск с большим зерном, металлическая щётка для бормашины, сверла разного диаметра, фреза (для снятия фаски), насадка трубка крупнозернистая наждачная, нитка, резиновые перчатки, хлорное железо, ванночка для травления (или другая удобная ёмкость), Flux Off (старые запасы, можно ацетон, растворитель…), этиловый спирт.
Для лужения: паяльник, флюс, припой или сплав розе.

Процесс изготовления ПП

Первым делом подготавливаю на компьютере рисунок будущей печатной платы. Давным-давно для рисования печатных плат использовал Sprint-Layout, сейчас трассирую в Altium Designer. В Altium есть два способа подготовки рисунка платы для ЛУТ: или подготовить PDF файл с рисунком платы, или подготовить стандартные Gerber файлы и встроенным инструментом работы с gerber и cam файлами распечатать из Altium. Так же могу использовать CAM350. По подготовки проектов для производства и ЛУТ в Altium пара статей ближайшие пару месяцев будет.

Распечатываю рисунок на специальной бумаги и вырезаю рисунок с небольшим запасом (запас в зависимости от размера платы от 5мм до пары см.). Подготавливаю весь необходимый инструмент и рабочие место. Предпочитаю и рекомендую изготавливать ПП за 1 раз, т.к. медь на воздухе окисляется и при растягивание процесса на более чем 1 день качество может ухудшится.

Подготавливаю стеклотекстолит. Бормашиной, используя алмазный диск, отрезаю необходимый кусок стеклотекстолита с запасом (от 1 до 3 мм в зависимости от размера платы). Напильником стачиваю острые и шершавые края у платы, для удобства работы и что бы ватка с химией не зацеплялась.

Металлической щеткой полирую стеклотекстолит. Шкурку не использую, как перешел на фотобумагу, щеткой аккуратнее и удобнее, по моему мнению. Использую со стальным нитями, в планах попробовать латунные. Размер 13мм для средних и больших плат, 5мм, как на фото, для мелких.

Шлифовка платы
Шлифовка платы

После шлифовки включаю на разогрев утюг (использую советский утюг, разогревается 4-5 минут). В это время подготавливаю (достаю) рисунок платы. Протираю спиртом шлифованный стеклотекстолит. Жду 10 секунд, что бы выветрился с платы и проверяю, что бы не осталось ворсинок от ватного тампона. Накладываю ПП на бумагу и фиксирую. К глянцевым рекламным буклетам и фотобумаги приклеивал по углам скотчем (толщиной 1-2мм длиной ~8-10мм) прямо к рабочему — глянцевому слою. К термотрансферной бумаги плата скотчем не приклеивается, плату обернул бумагой, примял по двум длинным сторонам, и прихватил за нерабочий слой скотчем. В будущем буду думать, как улучшить крапление стеклотексталиа к бумаге.

Шлифованная плата и заготовленный рисунок платы
Шлифованная плата и заготовленный рисунок платы

Кладу справочник на стол, накрываю первым чистым офисным А4 листом бумаги. На него переводимой стороной вверх кладу бутерброд из спец бумаги и стеклотекстолита. Сверху накрываю вторым офисным листом.

Отключаю утюг. Советский утюг, как минимум 5 минут сохраняется хорошо разогретым ).

Разогретым утюгом аккуратно и равномерно прогреваю заготовку. Контролирую прогретые области по потемнениям верхнего листа офисной бумаги. На платы маленького размера (примерно до 50х50мм) уходит 30-60 секунд.

После проглаживания утюгом
После проглаживания утюгом

После прогрева убираю утюг, через ~10 секунд убираю верхний офисный лист. через 30-60 секунд переворачиваю бутерброд и отклеиваю скотч. Через примерно 60 секунд, после утюга, на горячую снимаю термотранферную бумагу, аналогично с фотобумагой. Глянцевые буклеты приходится отмачивать. Точное время, которое проходит между убиранием утюга и снятием бумаги не скажу, оно зависит от температуры печатной платы, которую пока ни разу не замерял (думаю в районе 70-90 градусов). Время зависит от размера платы, количества слоёв, толщины используемой бумаги и окружающей температуры.

Две платы после переноса рисунка
Две платы после переноса рисунка

На фото видны получившийся результат от переноса. Платы со своими использованными бумажными заготовками лежат горизонтально. Нижняя плата получилась хорошо. Верхняя плата получилась то же хорошо, но видны небольшие остатки тонера на тремотрансферной бумаги, они получились из-за небольшого нарушения техпроцесса, пока готовил предыдущий снимок с проглаженной заготовкой. Повреждения контура платы дефектом не считаю, т.к. во первых его удаляю во время последующей механической обработкой; во вторых возможна его деформация в начале и самом конце удаления спец. бумаги, при удалении на горячую; в третьих заготовленный стеклотекстолит может во время закрепления сместиться и его край оказаться на контуре, или стеклотекстолитовая заготовка была подобрана в притык.

Печатные платы при травлении в растворе располагаю вертикально в подвешенном виде, ближе к поверхности раствора. Из-за чего есть затруднения крепления ПП в подвешенном состоянии, т.к. большая часть зажимов (крокодилы, прищепки), или металлические или использует металлические пружины, подходящий вариант на глаза пока не попался. Поэтому для удержания платы в вертикальном подвешенном состоянии использую технологическое отверстие ближе к краю, по средине со стороны с меньшей длиной. Через отверстие продёргиваю нитку. Стараюсь выполнять это отверстие за контуром платы, но из-за не желания в пустую расходовать стеклотекстолит и хлорное железо, почти всегда это отверстие или на неиспользуемой части платы или в ближайшем подходящем отверстии разъёма.

Травление плат в хлорном железе
Травление плат в хлорном железе

Травления ПП в хлорном железе занимает от 5 до 60 минут, это зависит от размера печатной платы, концентрации раствора, температуры, насыщенности раствора, дополнительных вспомогательных факторов (вибрация, взбалтывания раствора, пузырьки воздуха, иное перемешивание раствора и движение платы в нём). У меня процесс в среднем занимает 30-60 минут, т.к. раствор не первой свежести, использую растворы до посинения раствора в прямом смысле этого слова, когда раствор перестаёт травить и начинает уже осаждать медь, раствор часто не подогреваю до и во время процесса травления и не использую вспомогательные факторы. В данном случае одна плата травилась 40 минут, вторая 50, т.к. использовал разный стеклотекстолит.

После окончания травления платы обильно промываю под хорошей струей проточной холодной воды, что бы хлорное железо не нанесло вред хромированным элементам слива раковины, после промываю с мылом.

Платы после травления
Платы после травления

Обычно после травления произвожу сверления отверстий до снятия тонера, т.к. слой тонера добавляет толщины медным контактным площадкам, что помогает центровке сверла без дополнительного кернения. Из-за высокой плотности монтажа, на представленных в статье платах, и применения пояска отверстий с малым запасом (с нижней стороны платы), сверление на данных платах выполнял после снятия тонера.

Тонер снимал с помощью средства для снятия флюса с плат Flux Off. Потому что это средство мне понравилось и у меня есть его старые запасы. Средство дорогое, тем более с текущем курсом доллара, покупал при курсе около 34р за зеленый. Подойдут различные растворители, изопропиловый спирт и возможно ацетон (он может оставлять белый осадок на меди, не сталкивался, потому что им не пользуюсь, но слухи были).
Техника безопасности! Работа с растворителем выполняю в резиновых перчатках.

Платы после удаления тонера
Платы после удаления тонера

Сверлю отверстия с предварительной легкой разметкой шилом. Из-за высокой плотности сначала сверлю 0.6мм, далее правые отверстия под PLS рассверливаю 0.8мм и довожу вручную (держа сверло в руке) твердосплавным сверлом на 0.9мм, т.к. обычных на 0.9мм до этого у меня не было. Обычно сразу сверлю отверстия диаметром до 1мм нужным диаметром, а большего диаметра предварительно рассверливаю 1мм.

После сверловки: вручную, при малом количестве отверстий, или используя гравер, при большом их количестве, снимаю фаску с отверстия в стеклотекстолите с нефольгированной стороны. Для снятия фаски использую фрезу или камушек, раньше применял сверла большего диаметра. Фаску снимаю, для большей эстетике и что бы многовыводные элементы было проще устанавливать на их посадочные места.

Далее провожу механическую обработку контура платы. Если есть излишки поясков более ~1 мм то их предварительно срезаю алмазным кругом. Подравниваю контру с помощью круглой насадкой — трубка наждачная крупнозернистая. Стачиваю излишки включая контур платы. Далее чуток закругляю все углы. Так как работаю на весу, контур всегда получается волнистым.

Не забывайте о ТБ! Все работы с отрезным кругом и шкурящей насадкой провожу в респираторе, мелкодисперсная пыль от стеклотекстолита опасна для лёгких. Все работы с применения гравера провожу в защитных очках.

Платы после механической обработки
Платы после механической обработки

Сразу или в течении дня после изготовления печатной платы произвожу её лужения, т.к. при долгом хранении платы медь на плате окисляется, что в будущем затруднит её пайку. Обычно произвожу лужение паяльником использую насадку в виде ножа (лопатки). Данную маленькую печатную плату с высокой плотностью монтажа и дорожками и зазорами менее 0,2мм лудил боковой стороной обычного круглого острого жала. Так же после производства платы, вместо лужения, можно её покрыть жидким флюсом для не длительного хранения.

Результат

Получившиеся печатные платы можно видеть на фотографиях снизу.

Получившиеся платы, после лужения Получившиеся платы, после лужения
Получившиеся платы, после лужения

На фотографиях возможно погрешность добавленной на компьютере линейки примерно +-0,2мм на 10мм. Размеры левой платы 20.7х12.2мм, правой 20.8х11.9мм.

Напомню. Толщина дорожек на получившихся платах от 0.15 до 0.25мм. 0.25 по питанию и у краёв платы, дорожки по 0.15 идут от микроконтроллера в нижней части платы. Контактные площадки у микроконтроллера 0.25х0.8мм. Минимальный зазор 0.18мм. Приведенные минимальные зазоры и толщины дорожек были заложены при проектировании в Altium Designer; во время печати, перенесении рисунка на ПП и травлении допуски могли незначительно измениться. Фактические получившиеся размеры дорожек и зазоры пока с помощью микроскопа не замерял. Высота надписи (Alex_EXE) в левом нижнем углу закладывалась в настройках текста 0.55мм, ширина линий надписи 0.12мм. Замерено линейкой в программе высота 0.67мм, длина 4.24мм. Ширина «окна» в символе «A» 0.131мм, в символе «e» 0.062мм, эти окна на обоих платах слиплись на этапе печати. Из чего делаю вывод, что дорожки на данный момент до 0.12 мм достижимы, зазоры до 0.15мм. Дальше буду проверять.

Печатная плата использует резисторы и конденсаторы 0402 (0201 в наличии в городе не нашел), один конденсатор на 10uF 0603, микроконтроллер STM8S003F3U6TR в корпусе UFQFPN20, размер корпуса 3х3мм, диодную сборку sot-323, стабилизатор в корпусе sot23-5. В будущем, возможно, по ней будет статья.

Вывод

Используя термотрансферную бумагу без проблем получилось получить толщину дорожек в 0.15мм, зазор между дорожками 0.18мм. Полученной точности достаточно для большинства типов SMD и LGA микросхем, с BGA на данный момент опыта работы пока нет. Данные допуски получены с первого раза (есть богатый опыт ЛУТ с другими типами бумаг) без ручной корректировки платы (без применения пергаментного маркера и тонкой иголки/зубного зонда). Меньшие допуски попробую достичь позже. Изготовленные платы 21х12мм, какое качество будет на платах большого размера будет проверено позже. Ведет ли бумагу то же проверю позже. Эксперименты буду продолжать, через неопределенное время статью обновлю.

Данная бумага у меня лежала пару лет и у меня до неё не доходили руки, как многое я терял. Фоторезист не предлагать, мне ЛУТ хватает.

Дополнение 1

Собрался, сделал следующею, 3 версию платы, ещё более компактную. Две платы из основной части статьи — это 2 версия. В программе закладывал дорожки в нижней части платы: ширина дорожек 0.1мм, зазор 0.15мм. Дорожки получились без проблем, только точность +-0.05мм. Основная проблема не в способе, а уже в нехватки точности принтера, 1200х1200dpi мало, буду искать более точные принтеры. На листе А6 напечатал сразу 10 рисунков платы и выбирал наилучший: на многих некоторые мелкие элементы уже почти не пропечатывались.

Платы после механической обработки
3 версия платы, общий план

Фотографии делал под микроскопом. Размер платы 19х8мм. Закругленные края — недочёты ручной обработки гравером, без доп. приспособлений. Вздутия на нижних отверстиях — тупые сверла, не заточил. Устройство тоже, но схемотехника немного изменена: элементы уменьшены до 0201, где это возможно, отказался от подстроечного резистора, заменил его дополнительными алгоритмами в микроконтроллере.

Платы после механической обработки
3 версия платы, мелкие дорожки, крупный план

Более крупный план с замером дорожек и зазоров. Нужно увеличить фото, небольшие красные надписи и красные линии слева от них — это то, что измерялось. Дорожки делались 0.1мм, получились от 0.042 до 0.132мм; зазоры задавались 0.15мм, получились от 0.101 до 0.18мм. Повторюсь: проблема в нехватки точности принтера.

Когда найду более точный принтер — эксперименты продолжу.

Статья обновлена 16.12.2017

4 комментария на « Применение термотрансферной бумаги в ЛУТ»

  1. Юрий пишет 28.11.2017 в 10:14 #

    Доброго времени суток.
    К сожалению мой опыт использования термотрансферной бумаги был неудачным. Года 3 назад заказывал 10 листов и несколько дней потратил на эксперименты с печатью. Бумага была очень тонкая, старый лазерный принтер ее сильно жевал. Приходилось делать бутерброд из листов А4 и данных, чтоб получить хоть какой-то результат. В итоге на тот момент так и остановился на глянцевых рекламных листках. 0,25мм на них точно получалось.

    Дорожки в 0,12мм — конечно впечатляет.
    Тут уже другая проблема появляется, как бы не поттравились =)

    С ув. Юрий

  2. Alex_EXE пишет 28.11.2017 в 13:27 #

    Повторюсь, что 0.12 — это только толщина линий на надписи и во время печати и переносе с бумаги на плату они могли стать немного потолще, пока не замерял.
    Так же эксперименты собираюсь продолжить, осталось пара вопросов:
    1. 0.12 получилось без проблем, на сколько можно меньше
    2. оптимизация процесса для улучшения результата
    3. что получиться на платах большего размера
    т.е. статья на данный момент ещё не закончена.

    На счёт глянцевых рекламных буклетов: когда их использовал скил был менее прокачен. Качество буклетов может значительно варьироваться от буклета к буклету, если использовать какую-либо готовую бумагу — то отличий в качестве между листами не будет.

  3. jabacrack пишет 29.11.2017 в 18:02 #

    Немного не понял — вы кладете термобумагой вниз, текстолитом вверх? Т.е. греете через текстолит?

  4. Alex_EXE пишет 30.11.2017 в 01:01 #

    Бумагой вверх. Если приглядеться, то на фото, из-под утюга, видны силуэты дорожек.

Комментарии RSS

Оставьте отзыв