Технология изготовления печатных плат с использованием фоторезиста

Предварительная подготовка заготовки. Данный этап заключается в подготовке поверхности будущей печатной платы к нанесению на нее защитного покрытия. Весь процесс сводится к удалению окислов и загрязнений с поверхности платы с использованием различных абразивных средств и последующему обезжириванию.

Для удаления сильных загрязнений можно использовать мелкозернистую наждачную бумагу («нулевку»), мелкодисперсный абразивный порошок на основе пемзы (Пемолюкс) или любое другое средство, не оставляющее на поверхности платы глубоких царапин. Поверхность печатной платы вымыть жесткой губкой для мытья посуды с чистящим порошком. Несколько минут заготовку необходимо выдержать под сильной струёй воды. Качество очистки можно контролировать, наблюдая за степенью смачивания водой поверхности меди. Полностью смоченная водой поверхность, без образования на ней капель и разрывов пленки воды, является показателем нормального уровня очистки. Нарушения в этой пленке воды указывают, что поверхность очищена недостаточно.

Основное на что необходимо обратить внимание – это тщательная промывка. На заготовке не должно оставаться ни одной крошки порошка, а так же мыльных разводов, иначе фоторезист ляжет неравномерно.

Заключительный этап подготовки поверхности заключается в обезжиривании. Для этого можно использовать листок бумаги или кусочек мягкой ткани, не оставляющей волокон, смоченный спиртом, бензином или ацетоном. Здесь следует обратить внимание на чистоту поверхности платы после обезжиривания.

Нанесение защитного покрытия с применением фоторезистов. Нанесение защитного покрытия является самым важным этапом в процессе изготовления печатных плат, и именно им на 90% определяется качество изготовленной платы.

Фоторезистом называется чувствительное к свету вещество, которое под воздействием освещения изменяет свои свойства. В процессе изготовления использовался фоторезист «Позитив 20»

Вначале необходимо подготовить фотошаблон. Его можно получить, напечатав рисунок платы на струйном принтере на пленке. У лазерных принтеров есть ряд недостатков: экономия тонера в центре полигона, геометрическое искажение изображения (распечатанные схемы на струйном и лазерном принтерах не идентичны). Если печатать на лазерном принтере необходимо особое внимание уделить плотности черного цвета на фотошаблоне, отключить в настройках принтера все режимы экономии тонера и улучшения качества печати.

Далее на предварительно подготовленную и очищенную поверхность платы наносится тонкая пленка фоторезиста около 10 мкм. Толщина плёнки оценивается визуально – зеленоватый цвет слой тоньше 10 мкм, а синий – толще 10 мкм. Распыление осуществляется с расстояния порядка 20-30 см. При этом следует стремиться к максимальной равномерности получаемого покрытия. Кроме того, очень важно обеспечить отсутствие пыли в процессе распыления — каждая попавшая в фоторезист пылинка неминуемо оставит свой след на плате.

После нанесения слоя фоторезиста необходимо высушить получившуюся пленку. Делать это рекомендуется при температуре 70 °C, причем сначала нужно подсушить поверхность при небольшой температуре и лишь затем постепенно довести температуру до нужного значения. Время сушки при указанной температуре составляет порядка 20–30 мин. В крайнем случае допускается сушка платы при комнатной температуре в течение 24 часов. Платы с нанесенным фоторезистом должны храниться в темном прохладном месте.

Экспонирование. Следующим после нанесения фоторезиста этапом является экспонирование. При этом на плату накладывается фотошаблон (желательно стороной печати к плате: это способствует увеличению четкости при экспонировании), который прижимается тонким стеклом или куском плексигласа. При достаточно небольших размерах плат для прижима можно использовать крышку от коробки компакт-диска либо отмытую от эмульсии фотопластинку. Основное условие, чтобы прижимное стекло пропускало УФ свет. Поскольку область максимума спектральной чувствительности большинства современных фоторезистов приходится на ультрафиолетовый диапазон, для засветки желательно использовать лампу с большой долей УФ-излучения в спектре. В крайнем случае, можно использовать мощную ксеноновую лампу. Время экспонирования зависит от многих причин (тип и мощность лампы, расстояние от лампы до платы, толщина слоя фоторезиста, материал прижимного покрытия и др.) и подбирается экспериментально. Однако в целом время экспонирования составляет обычно не более 10 минут даже при экспонировании под прямыми солнечными лучами. После экспонирования необходима выдержка в темноте в течение 20 мин, чтобы завершились химические реакции. В процессе создания платы использовалась ртутная лампа ДРЛ-600 высокого давления. Выход на режим составляет 5-7 мин, а время экспозиции 3 мин.

Проявление. Проявление фоторезиста осуществляется раствором едкого натра (NaOH) 7% — 7 граммов на литр воды. Время проявления зависит от толщины пленки фоторезиста и находится в пределах от 30 секунд до 2 минут. Далее плату необходимо промыть под проточной водой.

После проявления и промывки плату необходимо просушить – данный процесс называется термическое дубление. Дорожки фоторезиста принимают более устойчивое состояние. При использовании качественных фотошаблонов применение фоторезиста позволяет получить дорожки шириной вплоть до 0,15–0,2мм.

Травление. Перед травлением необходимо заклеить скотчем обратную сторону платы.

Для химического стравливания меди используется раствор хлорного железа. Хлорное железо (FeCl3) — самый известный и популярный реактив. Сухое хлорное железо растворяется в воде до тех пор, пока не будет получен насыщенный раствор золотисто-желтого цвета, как правило, 1:2 т.е. на 250г. FeCl3 500г. воды. Процесс травления в этом растворе может занять от 10 до 60 минут. Время зависит от концентрации раствора, температуры и частоты перемешивания. По окончании травления плату необходимо промыть большим количеством воды, желательно с мылом (для нейтрализации остатков кислоты).

После завершения травления и промывки платы необходимо очистить ее поверхность от защитного покрытия. Сделать это можно органическим растворителем, например, ацетоном.

Сверловка реперов. Вначале нужно удалить скотч и прочистить плату ацетоном. Далее – просверлить реперные точки, по которым следует совмещать обратную сторону платы с фотошаблоном. Здесь важно очень аккуратно просверлить эти отверстия, от того насколько точно будут совмещены верхний и нижний слои зависит конечный результат.

После этого этапа весь процесс повторяется для другого слоя: промывка, сушка, нанесение фоторезиста, экспонирование, проявление, термическое дубление, травление.

Сверловка, нанесение флюса, лужение. Следующий этап изготовления печатной платы состоит в сверловке отверстий. Делать это нужно остро заточенным сверлом при максимальных оборотах электродвигателя. В случае, если при нанесении защитного покрытия в центрах контактных площадок не было оставлено пустого места, необходимо предварительно наметить отверстия. Прижимное усилие в процессе сверления не должно быть слишком большим, чтобы на обратной стороне платы не образовывались бугорки вокруг отверстий. После сверловки нужно обработать отверстия: удалить все зазубрины и заусенцы. Сделать это можно наждачной бумагой.

Следующим этапом является покрытие платы флюсом с последующим лужением. Можно использовать специальные флюсы промышленного изготовления (лучше всего смываемые водой или вообще не требующие смывания) либо просто покрыть плату слабым раствором канифоли в спирте. Лужение можно производить двумя способами: погружением в расплав припоя либо при помощи паяльника и металлической оплетки, пропитанной припоем.

Пайка. Заключительным этапом является пайка компонентов. Вначале припаиваются пассивные элементы: резисторы и конденсаторы, а также площадки под микросхемы. Затем активные элементы: транзисторы, стабилизатор напряжения, микросхемы. После пайки всех компонентов устанавливается микроконтроллер или интегральные микросхемы в колодки.