Мы все в той или иной степени сталкивались или сталкиваемся с потребностью в изготовлении печатных плат.
И в этой статье будет рассказ про альтернативные технологии (и не только), которые могут помочь в этом.
Любой, кому приходилось выбирать печатную плату, думал, на какой технологии остановиться? Большинство выбирает в качестве наиболее простой технологии широко известный лазерно-утюжный (ЛУТ) подход. Однако ввиду складок на фольге, растрирования лазерным принтером изображения и других причин результат оставляет желать лучшего.
Кстати говоря, небольшая справка: если кто не знал, то растрирование в лазерных принтерах применяется с целью избежать «краевого эффекта», суть которого заключается в том, что лазерный принтер ввиду физических ограничений никак не сможет создать изображение на бумаге, полностью залитое монолитной заливкой каким-либо цветом.
Вернее сказать, сможет, но такая монолитно залитая область будет отличаться неравномерностью цвета: если, например, принтер чёрно-белый, то края такой области будут более чёрными, чем центр.
Причина в неравномерности распределения электростатических зарядов по плоскости.
С целью избежать этого применяется искусственное разбиение изображения на отдельные точки (то есть так называемое растрирование), что позволяет практически нивелировать этот эффект.
Он, конечно, всё равно наблюдается, но в рамках отдельной микроскопической точки, что уже не обнаруживается глазом.
Тем не менее, при изготовлении печатных плат по технологии ЛУТ такое растрирование служит свою отрицательную роль — дорожки печатных плат получаются «дырчатыми, как решето», что вызывает необходимость в их пропаивании. А это время, усилия.
Избежать этих проблем позволяет другая известная технология — использование плёнки-фоторезиста, что даёт возможность изготавливать платы достаточно высокого качества и недорого.
Тем не менее, у совершенства нет пределов, и многие стремятся избежать лишних процедур, связанных с ЛУТом или фоторезистом.
И для этого можно применить один из самых простых способов, который позволяет получить сразу готовую плату — фрезерование дорожек и сверление отверстий на широко известном среди любителей ЧПУ-станке — CNC3018/Pro и его клонах.
«Каких-то 27 000 руб. (в среднем)» и вы получаете готовую печатную плату сразу после нажатия на «Пуск»:
Тем не менее, этот станок тоже не у всех есть, кроме того, многие осознанно избегают фрезеровки с целью избежать лишнего шума.
В таком случае применяется альтернативный подход, который лично мне нравится своей относительной бесшумностью — рисование печатной платы с использованием маркера. Для этого вполне можно использовать 3D-принтер типа «дрыгостол» :-)
Кстати сказать, именно этот последний способ я и собираюсь применить в ближайшее время, так как уже наполовину построил такой станок.
Чем он ещё хорош, с моей точки зрения: единожды настроив станок на уже уложенную конкретную плату, можно сначала нарисовать дорожки, а потом сразу же, сменив инструмент, высверлить все отверстия для компонентов (так и рекомендуется делать — сверлить до травления, чтобы при сверлении не повредить мелкие элементы).
Таким образом, с помощью такого рисовального станка рисуются все дорожки, после чего плата травится только в открытых от краски местах.
Кроме своей малошумности, этот метод можно ещё упростить, если в качестве травящего раствора использовать не хлорное железо, а известную альтернативу — раствор из перекиси водорода, лимонной кислоты и соли.
Альтернативным такому подходу является окрашивание фольгированного текстолита какой-либо краской (частенько используют распыляемую краску из баллончиков). После высыхания её прожигают с помощью лазерных станков разной мощности, при этом выгорает только краска, а сам металлический слой остаётся. Причина этого — использование недорогих, слабых CO2-станков, длина волны которых не позволяет работать по металлу (нужен волоконный лазер, т. е. другого типа). Либо же используют недорогие, слабые диодные лазеры:
Те же редкие счастливцы, у которых есть волоконный лазер, длина волны которого позволяет обрабатывать металлические материалы, могут себе позволить изготовить печатную плату без каких-либо травильных процессов сразу и даже с отверстиями:
Ещё более редким зверем является известный робот, рисующий печатные платы паяльной пастой — после нагревания такой платы на выходе получается качественное изделие с уже «пропаянными» дорожками:
Тем не менее, его дороговизна и практически полное отсутствие на рынке делают его использование сказочным (если только вы не соберёте аналогичного робота самостоятельно).
Из любопытного ещё можно отметить маскирование дорожек на обычном 3D-принтере, печатая прямо по медной фольге платы flex-пластиком:
Однако это всё относительно стандартные технологии, которые в той или иной степени известны многим.
Тем не менее, существует и ряд интересных альтернативных подходов, не знакомых широкой публике, о которых и будет ниже.
Один из таких способов был показан на канале Applied Science:
Cуть его заключается в следующем: сначала создаётся перенасыщенный раствор медного купороса, состоящий из собственно медного купороса, к которому затем прибавляется тартрат меди.
Как объясняет сам автор, такая связка служит для того, чтобы создать высокую концентрацию меди в растворе, так как без тартрата меди, который служит хелатирующим агентом (захватывающим ионы металла), на определённом этапе медный купорос просто перестал бы растворяться и невозможно было бы достичь той высокой концентрации, которая необходима для опыта.
Кроме того, в раствор добавлен формальдегид, который выполняет восстанавливающую роль и позволяет меди, содержащейся в растворе в окисленном состоянии, при определённых условиях вернуться обратно в металлическую форму.
Также раствор содержит едкий натр, выполняющий роль регулятора кислотности, так как весь описанный далее процесс протекает только при высоком уровне кислотности раствора.
Кроме перечисленного, в раствор добавляется и сода, которая служит своеобразным буфером, так как в ходе химических реакций образуется излишняя кислота, уровень кислотности раствора изменяется, а добавленная сода автоматически вступает в реакцию с этой кислотой, поддерживая нужный уровень кислотности раствора.
Автор признаётся, что он провёл множество экспериментов, и раствор, состоящий из компонентов, перечисленных выше, показывает наилучшие результаты.
Это что касается раствора для меднения.
Кроме этого, необходимо приготовить и раствор катализатора, представляющего собой небольшое количество хлорида палладия, растворённого в соляной кислоте, после чего к получившемуся раствору добавляется небольшое количество хлорида олова.
Дальнейшая работа с раствором заключается в последовательном погружении детали (перед этим тщательно вымытой и обезжиренной) в раствор катализатора с последующей промывкой, после чего деталь окунается в раствор для меднения, что вызывает восстановление меди на поверхности детали, другими словами, её осаждение на деталь.
Автор пробовал такое осаждение на поверхности стеклотекстолита, а также на поверхности 3D-печатных деталей — простых пластинок, изготовленных из прозрачной фотополимерной смолы (на фотополимерном принтере). Как показали эксперименты, процесс протекает вполне успешно.
Однако автор решил усложнить ход эксперимента и попробовать задуматься вот над чем: а можно ли как-то осуществить селективное осаждение меди только в тех местах, где необходимо?
В ходе решения этого вопроса была выдвинута идея, заключающаяся в том, что, по большому счёту, взаимодействие жидкого раствора с поверхностью зависит от того, смачивается ли поверхность этим раствором или нет.
Так как в качестве первичного раствора выступает раствор катализатора, то необходимо каким-то способом сделать так, чтобы к каким-то местам детали этот раствор хорошо «прилипал», в то время как к другим — не прилипал вовсе.
В качестве такого агента, регулирующего смачиваемость поверхности, изначально был выбран лаурилсульфат натрия — известное анионное (то есть с отрицательно заряженной молекулой, позволяющей прикрепляться к положительно заряженным поверхностям) поверхностно-активное вещество (ПАВ).
Однако его результаты оказались не лучшими, поэтому после множества экспериментов была найдена отлично работающая альтернатива, катионное поверхностно-активное вещество — дидецилдиметиламмония хлорид, представляющее собой дезинфицирующее средство, которое может, в частности, использоваться не только для уничтожения плесени и грибков, но и, как показывают дальнейшие эксперименты, вполне годится и для изготовления печатных плат! ;-)
Совершенно случайно в ходе эксперимента автором была выявлена интересная зависимость: так как на названные выше прозрачные пластиковые пластины он наносил перпендикулярные риски с использованием лазера, предназначенные для отмерения участков, с разной концентрацией раствора, с разными временем удержания пластины в растворе и т. д., было обнаружено, что с использованием вот этого последнего ПАВ медь оседает особенно прочно на тех участках, которые были обработаны лазером.
Автор сделал предположение, что такая лазерная обработка отрицательно заряжает поверхность, что позволяет к этой поверхности особо прочно «приклеиться» катионному ПАВ с последующим прочным осаждением меди на это место.
Получается, что половина задачи решена, теперь необходимо каким-то образом добиться, чтобы медь не оседала на ненужные места…
Ответ напрашивается сам собой: нужно просто покрыть деталь чем-то, что отталкивает воду! А что у нас лучше всего отталкивает воду, из доступного? Обычное масло!
Таким образом, эксперимент был несколько преобразован:
- поверхность детали была тщательно смазана маслом;
- после чего поверхность в некоторых местах была обработана лазером (то есть масло испарено лазером);
- далее деталь была окунута в раствор уже названного выше катионного ПАВ (на 1 мин.);
- далее деталь помещена в раствор катализатора (на 2,5 мин.);
- после чего деталь была помещена в раствор для меднения ( 40°C, на 1,5 часа).
В результате было получено хорошее медное покрытие и только в тех местах, где нужно!
Чем хорош этот способ: с его использованием можно изготавливать двусторонние печатные платы, одновременно проделывая лазером сквозные отверстия, соединяющие две стороны платы друг с другом. При последующем меднении эти отверстия также покрываются внутри медью и служат соединительными каналами между двумя сторонами платы!
Ещё одним плюсом такого процесса, «с активацией» лазером участка поверхности для последующего нанесения металла, является то, что можно использовать для нанесения металла любые криволинейные поверхности!
Это означает, в частности, что печатная плата, изготовленная с использованием такого процесса, может быть расположена, например, на любой поверхности 3D-печатной детали, не требуя отдельной платы из текстолита и располагаясь прямо на поверхности модели!
Кроме того, автор случайно открыл ещё один любопытный способ создания металлических дорожек: если добавить в эпоксидную смолу оксид меди и хорошенько перемешать, то после застывания этой массы, если по ней вести несколько расфокусированным лучом CO2-лазера, оксид меди восстанавливается до металлической меди и на поверхности остаются медные дорожки! Причём на базе такого подхода были собраны печатные платы, которые вполне себе хорошо работали. Как отмечает автор, процесс хорошо осуществляется, однако нужно ещё поработать над более крепким удержанием дорожек на поверхности (на его взгляд, они ещё недостаточно прочно держатся и это можно улучшить):
На картинке выше, в самом низу (жёлтые дорожки на треугольной фигуре) показан результат «активации» поверхности волоконным лазером с последующим окунанием в катализатор и раствор для металлизации. На картинках выше показана печатная плата из эпоксидки с оксидом меди. Сразу напрашивается мысль создать свой филамент для FDM-печати с оксидом меди;-)
Кроме того, им было выявлено, что меднение (с раствором катализатора и раствором для меднения) не работает с PLA-пластиком (то есть деталями, сделанными из него), так как высокая кислотность раствора его попросту разрушает…
Ещё один альтернативный и весьма интересный процесс показывается вот в этом исследовании:
Автор нашёл научную работу 1982 года, посвящённую лазерному выборочному меднению, и решил её проверить на практике: для этого он взял медицинскую чашку Петри, налил туда водный раствор медного купороса, после чего погрузил в этот раствор медную пластину и стал водить по ней диодным лазером с длиной волны 450 нм мощностью 5 Вт, включённым на полную мощность.
Как он сам описывает этот процесс, несмотря на то, что эта длина волны очень плохо поглощается медью, почти сразу после включения сфокусированного лазера от чашки появился звук потрескивания, и в тех местах, где лазер проходил по поверхности пластины, начала появляться на её поверхности свежая медь. Причём, как он отмечает, это не снятие оксидной плёнки или что-то подобное, происходящее с медью под воздействием луча, а именно осаждение свежей меди из раствора.
Что особенно любопытно: несмотря на то, что это электролитический процесс, он протекает без какого-либо воздействия электрического тока! То есть, как можно видеть на видео, пластина в ванной ни к чему не подключена!
В названном выше научном труде 1982 года говорится, что причиной такого осаждения меди является то, что существенное повышение температуры водного раствора медного купороса приводит к сдвигу потенциала покоя в положительную сторону.
Таким образом, в такой ванне прогретая область металла выступает в качестве катода, в то время как окружающая её более холодная область металла работает как анод.
Такое состояние дел, в свою очередь, приводит к тому, что эти две области начинают взаимодействовать как обычная электрохимическая ячейка, и медь начинает осаждаться на катоде.
Другими словами, при таком мощном локальном нагреве образуется разница напряжений между горячей и холодной зонами, и между ними возникает электрический ток.
При этом наблюдается один нюанс: более горячая зона покрывается свежей медью, а окружающая, более холодная зона подвергается травлению.
Таким образом, если этот эксперимент проводить достаточно долго, то окружающая зона протравится достаточно сильно, и контакт с более горячей зоной полностью разорвётся.
Кроме того, это означает ещё и следующее следствие: если лазер перемещается по металлу из одного места в другое, то в каждом новом месте, где находится лазер в данный момент, происходит осаждение металла, и при этом одновременно происходит травление предыдущих мест, где происходило осаждение до этого.
Таким образом, существуют физические ограничения того, насколько толстый слой металла можно нанести на каждое новое место, так как получается, что толщина слоя металла — это некий компромисс между его нанесением и растворением. Предположительно, используя быстро двигающийся лазер со сканирующей головкой (оптоволоконный), можно поддерживать высокую температуру нагретых мест «везде сразу» и таким образом не допускать их паразитного травления.
Для ускорения процесса такого осаждения существенное значение имеет мощность лазера, а также термоизолированность места, на которое происходит осаждение, так как при прочих равных условиях, чем более высокую температуру можно достичь с помощью лазера, тем быстрее будет откладываться медь.
Для осуществления высокой термоизоляции в научных опытах для этих целей применяется оксид алюминия или сапфир в качестве подложки под металлом — в видео выше автор также проверил эту информацию, используя в качестве подложки оксид алюминия, на который наклеил медную фольгу. И действительно, процесс шёл многократно быстрее и меди откладывалось намного больше.
Также такой способ позволяет наносить слой меди на нержавеющую сталь, где в качестве катода выступает пластина из нержавеющей стали, а в качестве анода — медная деталь.
Процесс также протекает в водном растворе медного купороса, где лазер, работающий по поверхности нержавеющей стали, также смещает его потенциал покоя, что приводит к прямому осаждению меди на поверхность стали.
Но и это ещё не всё! Подобный подход с использованием лазера позволяет осаждать металлы прямо на поверхность токонепроводящих объектов, например, на текстолит или стекло (да здравствует стеклянная печатная плата).
Для проведения такой работы был применён несколько иной раствор, состоящий из следующих компонентов:
- глицерин;
- едкий натр;
- медный купорос;
- этиловый спирт.
В комментарии автор говорит, что, предположительно, вместо медного купороса следует взять хлорид меди, так как металл из такого раствора будет осаждаться в более лучшей зернистой структуре, однако у него такого не было, поэтому пришлось использовать медный купорос.
Кроме того, для создания аналогичного раствора можно использовать вместо этанола формальдегид, а вместо медного купороса — тартрат меди.
Вкратце, суть применения подобного раствора заключается в том, что раствор находится в стабильном состоянии, но выходит из него при поступлении внешней энергии, например, в виде лазерного излучения (более подробное научное объяснение приведено в ролике выше, начиная с 10:15), при этом наблюдается осаждение меди в нагретой зоне, а реакция протекает тем активнее, чем меньше жидкости в растворе (надо полагать, что это связано с возможностью более активного нагрева горячей зоны и уменьшением возможностей по термопереносу).
Показателем успешно протекающей реакции является потрескивающий звук, который вызван активным выделением микропузырьков водорода в нагретой зоне.
Как отмечает автор, его возможности были несколько ограничены, так как он использует достаточно слабый лазер, и более мощные лазерные установки, по идее, должны показать в этом процессе более хорошие результаты.
Кроме того, по его предположениям, так как он использует не совсем подходящую длину волны, это также уменьшает эффективность.
Тем не менее, как можно видеть по видео, такой подход очень интересен тем, что он фактически позволяет «рисовать медью» по поверхности непроводящего материала, используя лазер!
При этом под микроскопом видно, что нанесение получается достаточно качественным, хотя и несколько пористым в некоторых местах:
Предположительно, количество пор напрямую обусловлено количеством пузырьков водорода, выделяющегося при этом процессе, таким образом, путём экспериментов следует подобрать такую мощность лазерного излучения, чтобы она была оптимальной для создания удовлетворяющий по качеству медной поверхности.
Подытоживая, можно сказать, что электроника плотно проникла практически во все сферы нашей жизни, и, думается, мы увидим в дальнейшем ещё более впечатляющие варианты технологических приёмов её реализации, а какие-то её приёмы вполне можно будет попробовать применить и в своей практике.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
