自己制作雙面PCB板，省去高額費(fèi)用和大把時間（下）
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如果你能夠以低價格獲得商業(yè)制作的印刷電路板，為什么還要自己去做呢？一個原因是，你可能需要花1至4周的時間才能拿到板子。對于搭建原型機(jī)來說，這可能是一個主要的障礙。每次設(shè)計反復(fù)因而可能花一個月甚至更長的時間，一個項(xiàng)目可能需要多個月才能做完。喜歡自己動手的人可以用一個晚上就做好電路板，并完成所有部件的裝配。這個優(yōu)勢真的很難打破。

 

除了時間因素外，自己制作電路板還有其它原因。商業(yè)服務(wù)根據(jù)電路板尺寸而不是復(fù)雜性進(jìn)行收費(fèi)。較大的板子價格更高，即使它們整個是空板。我曾經(jīng)做過一塊很大的PCB，因?yàn)樯厦娴脑仨氶g隔很遠(yuǎn)。這是一塊密度很小的板子，但即便是交給最便宜的商業(yè)廠家去做，費(fèi)用也非常昂貴。

 

但是話說回來，真正的原因并不是節(jié)省時間或金錢。如果“搭建你自己的”這個詞語不能令你感到興奮，那么就不要再讀下去了。搭建一個電路板可能不需要花兩個整周的時間，但也要花許多個小時。就像每件事一樣，都有一個學(xué)習(xí)曲線。第一次不能正常工作很常見。記住，我們是在討論搭建一塊接近專業(yè)質(zhì)量的電路板，而不只是堆在一起檢查電路功能的東西。如果這個過程本身是一件不愉快的經(jīng)歷，那么就不值得節(jié)省下來的任意時間或金錢。人們自己搭建而不是購買的理由是他們喜歡學(xué)習(xí)，喜歡讓新的技巧變得更加完美。如果你十分注重細(xì)節(jié)，有許多耐心，對手工技藝引以為豪，那么自己動手做PCB也許就非常適合你。

 

 

 

對家庭制作者來說，激光打印碳粉轉(zhuǎn)印方法是至今最容易也是可以獲得最高質(zhì)量的一種方法，甚至比預(yù)涂感光板的紫外光照射法還好。個中的原因需要做些解釋。PCB制造商使用光致抗蝕劑紫外光照射方法，這種方法使用光繪(不是激光打印)模板。光繪分辨率可以超過50000DPI，而激光打印機(jī)最多也只能達(dá)到2400DPI。為了利用光繪模板的優(yōu)勢，你需要一個非常均勻的紫外光源和強(qiáng)大的對齊能力，這個要求已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通家庭作坊的負(fù)擔(dān)。使用紫外光的大多數(shù)家庭制作者會使用激光打印機(jī)生成幻燈片，然后使用這種幻燈片作為模板去曝光涂有光致抗蝕劑的電路板。這種方法不是很管用。為什么呢？激光碳粉對紫外光不是完全不透明，因?yàn)樗写罅康尼樠?。紫外光波長只有365nm，因此很難密封這些針眼，使得它變得不透明。加上薄膜中的光學(xué)衍射和散射，不難見到生成的圖像比原始打印圖更差。另一方面，碳粉的直接熔化并不受任何這些效應(yīng)的影響。我可以用碳粉轉(zhuǎn)印方法得到5mil的線，這與任何商用PCB服務(wù)幾乎一樣好。

 

現(xiàn)在讓我們回到碳粉轉(zhuǎn)印方法上來。這種方法要求涂覆有脫模劑的專用紙。表面上看，某些光面紙也可以用，但最好是從www.pcbfx.com買一些貨真價實(shí)的專用紙，也可以從Mouser和Digikey等主要折扣店買到。每張紙大概1美元。你還需要層壓機(jī)，亞馬遜報價大概在90美元左右。一些人用過電熨斗，但層壓機(jī)的溫度和壓力可以產(chǎn)生好得多的一致性結(jié)果。

 

碳粉轉(zhuǎn)印成功的關(guān)鍵是找到一個好的打印機(jī)。這是極有技巧的部分，因?yàn)榇蛴C(jī)從一個品牌到另一個品牌似乎存在巨大的差異，不管宣傳的DPI分辨率是多少。你需要做一個細(xì)線測試圖案，并試著在不同打印機(jī)上打印，然后用顯微鏡進(jìn)行檢查。我們要尋找的是線中高密度的碳粉覆蓋率、干凈的空白區(qū)域和正確的線間距。我辦公室里價格很高的惠普打印機(jī)在顯微鏡下看到的是一個奇差無比的結(jié)果。下圖顯示了這個打印機(jī)打印出來的間距為5mil、線寬為5mil的線。注意空白處的碳粉斑點(diǎn)和兩根并到一起的線。

 

辦公用品商店的打印服務(wù)是做試驗(yàn)的好地方，因?yàn)檫@些打印機(jī)維護(hù)得都比較好。在經(jīng)過一些嘗試后，我發(fā)現(xiàn)Officemax店的打印機(jī)效果相當(dāng)好。它是一臺施樂公司的Workcentre 5775打印機(jī)。只需支付1頁10美分，我就能得到相當(dāng)好的結(jié)果。

圖1：惠普(HP)Laserjet 600 M601(5mil的線寬和間距——顯微鏡圖像)。注意空白處的碳粉斑點(diǎn)和兩條并在一起的線。

圖2：施樂(Xerox) Workcentre 5775(5mil的線寬和間距——顯微鏡圖像)。這是一張好得多的打印圖。

 

切割出來的FR-4雙面包銅板尺寸至少要比設(shè)計外形大半英寸。多出的空間主要方便電路板的操作。對電路板的邊沿進(jìn)行倒角，清潔電路板，然后將打印紙面朝上用膠帶紙固定在電路板上。沿著板的邊沿至少鉆3個孔。這些孔用于對齊目的，應(yīng)該預(yù)先在電路板版圖上設(shè)計好?？自叫≡胶?。我用的是#80鉆頭。然后拿掉紙，用百潔布擦洗電路板，直到銅發(fā)亮嶄新后，再用丙醇擦試。不要用水去擦試，因?yàn)楹芗?xì)的銅顆粒將立即氧化，并粘附在電路板上，形成難看的殘渣。最后，用不起毛的布擦試。市場上銷售的用于清潔眼鏡的藥巾也適合做這個用途。等到電路板完全干燥和干凈后，將一張打印紙面朝下放在電路板上，并用小的別針或?qū)Ь€將它們與以前鉆的孔對齊。我使用10mil的線。仔細(xì)將紙沿著板子邊沿用膠帶固定到電路板上。聚酰亞胺膠帶要好于透明膠帶，因?yàn)樗苋淌軐訅焊邷?。然后將電路板翻轉(zhuǎn)過來，對另一面做同樣的操作。

圖3：對齊后的碳粉轉(zhuǎn)印紙。注意用于對齊的小細(xì)線。

 

最好一次做一面碳粉轉(zhuǎn)印。但這樣做確實(shí)會導(dǎo)致更多的問題。紙和板的膨脹系數(shù)不同，因此在加熱條件下膨脹幅度不同，如果我們一次做一面，很難做到正確對齊，特別是大板子。

 

將層壓機(jī)開機(jī)，經(jīng)過大約15分鐘后達(dá)到全熱狀態(tài)。然后從全部4個邊的方向送板子進(jìn)去。我們不能認(rèn)為頂面和底面會同等加熱，因此最好將板子翻過來，再送4次。也就是說總共送8次進(jìn)層壓機(jī)。結(jié)束后在空氣中冷卻一會兒，再朝紙上噴一些水。脫模劑應(yīng)變得具有活性，不用費(fèi)力那些紙就能自己分開來。然后將膠帶小心的撕下來，將紙丟掉。將電路板放在干凈的自來水中沖幾分鐘。這一步很重要。我們必須徹底清除粘在碳粉轉(zhuǎn)印紙上的脫模劑，否則它會影響下一步密封材料的粘貼。

圖4：總共送8次電路板進(jìn)層壓機(jī)(每個方向兩次，先送一面，再送另一面)。

圖5：成功的碳粉轉(zhuǎn)印。

 

碳粉有許多氣孔，如果不使用密封材料的話會在銅線中產(chǎn)生凹點(diǎn)。密封材料進(jìn)入這些氣孔后，可以做成更好的蝕刻掩模板。密封材料采用大片形狀，看起來非常像老式的復(fù)寫紙，只是顏色是綠色的。它們可以從出售碳粉轉(zhuǎn)印紙的相同地方買到。將綠色薄膜包裹住電路板，在保持伸展的情況下用膠帶固定住，不要讓它折疊或起皺。然后像以前一樣送進(jìn)層壓機(jī)8次。最后去除膠帶，將綠色薄膜剝掉。

圖6：將安裝了密封薄膜的電路板再送進(jìn)層壓機(jī)8次。

圖7：將密封薄膜剝除。

 

這一步過后會在電路板上留下多余的密封材料。電路板上的線可能看起來像并在一起或很臟，特別是在非常窄的走線之間。在我前面幾次嘗試中，我錯誤地認(rèn)為這一步失敗了，甚至決定從頭再來。事實(shí)上，這是非常正常的現(xiàn)象，多余的密封材料很容易清除。

買一卷3M的潔凈遮蔽膠帶，將它粘貼到電路板的兩個整表面。用一個復(fù)印滾筒或有力的指壓將它牢牢粘貼到走線中。然后將膠帶撕掉。這樣就能去除不在原始碳粉表面的所有多余密封材料。這一步也會讓你相信，碳粉和密封材料非常牢固，不是那么容易就能擦除掉。

圖8：用遮蔽膠帶去除多余的密封材料。

圖9：撕掉膠帶就能帶走多余的密封材料。

圖10：在遮蔽膠帶撕掉后。

下面的顯微鏡圖像顯示了沒用膠帶和用了膠帶后5mil測試圖案的差別。效果是很顯著的，因此這是不可錯失的重要一步(我還沒在其它地方看到過這一步)。

圖11：這是碳粉轉(zhuǎn)印后的圖像(5mil線－顯微鏡圖像)。

圖12：這是應(yīng)用密封薄膜后的圖像(5mil線－顯微鏡圖像)。注意在間隙和合并的線中存在的多余密封材料。

圖13：在應(yīng)用遮蔽膠帶后，所有多余的密封材料都被清除了(5mil線－顯微鏡圖像)。

 

下圖顯示了碳粉上的密封材料效應(yīng)。

圖14：碳粉本身含有大量極小的空隙。

圖15：在應(yīng)用密封材料后，所有空隙都被封住了。

 

接下來要仔細(xì)檢查走線中是否有任何斷點(diǎn)和針孔。這些斷點(diǎn)和針孔很容易用精細(xì)的記號筆加以修繕。記號筆的墨水似乎與蝕刻劑結(jié)合得非常好。

圖16：用記號筆修補(bǔ)少量缺陷。

 

 

現(xiàn)在電路板可以進(jìn)行蝕刻了。我使用的是氯化鐵，雖然也有腐蝕性較低的其它材料。為了不發(fā)生濺溢、混亂或廢氣，可以使用密封塑料袋進(jìn)行蝕刻。將電路板放入袋中，然后倒入一些蝕刻劑，封好袋口。為了防止滴漏，我在外面又套了一個袋子。將它放在平坦的桌子上，使用復(fù)印滾筒將液體鋪開，使電路板的所有部分都濕潤到。隔一分鐘將袋子翻轉(zhuǎn)一次，再使用滾筒輕壓另一面。蝕刻時間主要取決于溫度，因此用電吹風(fēng)可以顯著加快蝕刻速度。透過塑料袋應(yīng)能夠清晰地看到電路板，因此在完成蝕刻之前無需拿出來。等到蝕刻完成后，打開塑料袋，戴上手套取出電路板，將板子放在一疊紙巾上，擦掉化學(xué)物質(zhì)。然后在自來水中徹底清洗干凈。使用這種方法的話，整個蝕刻過程不會濺出一滴化學(xué)液體。

 

蝕刻完的廢液應(yīng)倒入瓶中并得到正確的廢棄處理。這種水有極強(qiáng)的腐蝕性，千萬不能直接倒入地漏中。

圖17：用密封袋進(jìn)行蝕刻。

圖18：蝕刻板。注意記號筆墨水仍然非常完整。

 

現(xiàn)在可以用丙酮等溶劑清除墨粉/密封材料了。但不要錯誤地使用浸過丙酮的毛巾去擦試電路板。這樣做將不可挽回地將墨粉弄進(jìn)電路板，使電路板非常難看。相反，要將整塊電路板浸到丙酮桶中，等待2至3分鐘的時間使之滲透到墨粉中，在仍浸潤于丙酮之時，使用軟鬃毛刷子將墨粉脫離電路板。在將所有墨粉完全從電路板分離之前，不要將電路板從丙酮液中拿出來。有些墨粉可能仍然粘在電路板上，但這似乎是無法避免的。

圖19：在清除墨粉之后。

圖20：在清除墨粉之后(特寫)。

 

這一步是將一些標(biāo)記和文字印到電路板上，不過不是用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷方法，而是用同樣的墨粉轉(zhuǎn)印技術(shù)，利用以前鉆好的對齊標(biāo)記將圖案打印到電路板上。因?yàn)樵诮?jīng)過銅蝕刻后表面不是完全平坦，位于銅箔邊緣的一些圖案將無法正確轉(zhuǎn)印。為了盡量減少問題，設(shè)計應(yīng)盡可能避免跨越蝕刻區(qū)的邊界。

圖21：印上絲網(wǎng)文字。

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