除了時(shí)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(jià)格更高，即使它們整個(gè)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(shí)間或金錢。如果“搭建你自己的”這個(gè)詞語不能令你感到興奮，那么就不要再讀下去了。搭建一個(gè)電路板可能不需要花兩個(gè)整周的時(shí)間，但也要花許多個(gè)小時(shí)。就像每件事一樣，都有一個(gè)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(gè)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(shí)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(duì)手工技藝引以為豪，那么自己動(dòng)手做PCB也許就非常適合你。

 

下面介紹細(xì)節(jié)……

 

 

對(duì)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(gè)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(gè)非常均勻的紫外光源和強(qiáng)大的對(duì)齊能力，這個(gè)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(huì)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(duì)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(jià)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(bào)價(jià)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(gè)好的打印機(jī)。這是極有技巧的部分，因?yàn)榇蛴C(jī)從一個(gè)品牌到另一個(gè)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(gè)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(jià)格很高的惠普打印機(jī)在顯微鏡下看到的是一個(gè)奇差無比的結(jié)果。下圖顯示了這個(gè)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(tái)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(jì)外形大半英寸。多出的空間主要方便電路板的操作。對(duì)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(gè)孔。這些孔用于對(duì)齊目的，應(yīng)該預(yù)先在電路板版圖上設(shè)計(jì)好?？自叫≡胶谩Ｎ矣玫氖?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?jiān)?。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(gè)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(duì)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(duì)另一面做同樣的操作。

 

圖3：對(duì)齊后的碳粉轉(zhuǎn)印紙。注意用于對(duì)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(huì)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(duì)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(gè)邊的方向送板子進(jìn)去。我們不能認(rèn)為頂面和底面會(huì)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(huì)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(huì)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(gè)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(huì)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(huì)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(cuò)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(gè)整表面。用一個(gè)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(huì)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(cuò)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(hào)筆加以修繕。記號(hào)筆的墨水似乎與蝕刻劑結(jié)合得非常好。

 

圖16：用記號(hào)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(gè)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(shí)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(gè)蝕刻過程不會(huì)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(hào)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(cuò)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(shí)間使之滲透到墨粉中，在仍浸潤于丙酮之時(shí)，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(duì)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(jì)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。

 

 

阻焊層是給電路板加一層專門可觸摸的層，它也能使得精細(xì)間距的表貼元件焊接起來更加容易。市場上有一種產(chǎn)品叫Dynamask 5000。它基本上是一種即剝即貼的環(huán)氧樹脂薄膜，用起來非常順手。遺憾的是，在美國市場上沒有賣的，只能通過海外銷售商采購。

 

這種膜是綠色的，采用紙張形式。將膜切得比設(shè)計(jì)大半英寸左右。剝除有紋理一邊的保護(hù)膜(使用兩片透明膠帶將膜分開)。從一邊開始，使用復(fù)印滾筒將膜壓到電路板上。在滾筒壓接之前不要讓膜接觸電路板，防止產(chǎn)生氣泡。然后將層壓機(jī)加熱到200°F (93°C)，將電路板送進(jìn)層壓機(jī)。重復(fù)送板或更高的層壓溫度可能讓薄膜變得太軟，并致使它們回流，這似乎會(huì)產(chǎn)生氣泡和干斑。使用手指將膜壓入蝕刻槽也是個(gè)好主意。這種膜最好是在真空環(huán)境中進(jìn)行層壓，因此這種方法不可避免會(huì)在膜的背后產(chǎn)生一些氣泡，特別是在又窄又細(xì)的槽里。如果有大的氣泡，薄膜很容易剝除并丟棄。

 

現(xiàn)在萬事俱備，可以用紫外光照射阻焊層了。這時(shí)需要一個(gè)紫外燈。對(duì)于小板子來說，美甲燈就行了，價(jià)格是20美元。對(duì)于大板子而言，需要一個(gè)平板型的紫外線燈，價(jià)格大約75美元。平板燈之所以好，是因?yàn)樯w板有個(gè)鎖止裝置，可以將幻燈片壓在電路板上，提高圖像的分辨率。

 

首先，將阻焊層圖案打印在幻燈片上，讓墨粉位于朝向電路板的一邊。這要求在打印期間將頂部圖像進(jìn)行鏡像處理。隨后用膠帶將幻燈片固定到電路板上，確保它與電路板有非常緊密的接觸。任何空隙都會(huì)使圖像變得模糊。

 

曝光時(shí)間多長真的取決于燈的亮度。規(guī)范要求是100 mJ/cm2 至500 mJ/cm2，但你需要有紫外光功率計(jì)才能使用這個(gè)數(shù)據(jù)。不過很容易做一些測試板來配置正確的曝光值。太多曝光可能會(huì)讓光線照透幻燈片的暗區(qū)。太少曝光將使得膜溶入顯影劑。由于反射的原因，銅區(qū)上的膜要比蝕刻區(qū)的膜更快得到曝光，因此要密切注意膜在這兩個(gè)區(qū)域上的表現(xiàn)。在我的試驗(yàn)中，我采用的是2mW/cm2的平板紫外光燈，5分鐘的曝光時(shí)間可以得到很好的圖案。

 

圖22：平板紫外線曝光燈。

 

接著把膜放在黑暗的地方近30分鐘，等曝光過的環(huán)氧樹脂固化。然后去除幻燈片，從膜上剝離頂部保護(hù)層。

 

顯影液是按1%配重比在水中混合碳酸鈉粉制作而成的。不要使用商店出售的各種洗滌堿，用它的結(jié)果真的很糟糕，也許是因?yàn)樗颂妓徕c之外的其它添加劑。最好從化學(xué)品商店或賣Dynamask膜的相同供應(yīng)商處買純的碳酸鈉。

 

將電路板浸入顯影劑溶液中，用鬃毛刷輕輕地刷洗。規(guī)范要求溶液加熱到90°F (32°C)，但那樣做似乎顯影速度太快了。當(dāng)溶液溫度較低時(shí)更好控制，只需花大約5分鐘的時(shí)間就能完成顯影。過長的顯影時(shí)間會(huì)使得膜變得太軟，并且邊緣參差不齊，因此仔細(xì)監(jiān)視整個(gè)過程很重要。

 

圖23：正在顯影中的電路板(和鬃毛刷)。

 

在圖案被完全顯影之后，用干凈的水漂洗電路板，并再次用紫外光照射幾分鐘。這次照射的目的是使環(huán)氧樹脂完全固化。這次的時(shí)間不重要，不過比第一次曝光要長得多。然后將電路板再次放入層壓計(jì)，這次使用最高溫度。當(dāng)在背面增加阻焊層時(shí)，用一些有粘性的貨架掛面紙保護(hù)正面是個(gè)好主意。這樣，顯影劑就不會(huì)使正面的阻焊層變軟或受到破壞。當(dāng)兩面都完成顯影后，我還把電路板放在212°F (100°C)的爐子中烘了大約30分鐘，以便進(jìn)一步固化薄膜。確保電路板平放在爐子中，否則它會(huì)變形翹曲。

 

圖24：成功的阻焊層。

 

圖25：阻焊層(顯微鏡圖像)。

 

 

現(xiàn)在可以鉆元件孔了。我們需要用到微型尺寸的鉆頭。最好的鉆頭是柄長1/8″的鉆頭。沒有柄的標(biāo)準(zhǔn)鉆頭很難放在鉆頭夾盤中間，因?yàn)樗鼈兊闹睆教?。McMaster-Carr商店出售很多不同尺寸的鉆頭，手頭最好準(zhǔn)備一組大小不一的鉆頭。

 

在鉆孔過程中你會(huì)發(fā)現(xiàn)正反對(duì)齊程度有多好。在這方面我們沒有太多工作要做，只能寄希望于結(jié)果OK。

 

 

電鍍過孔是家庭制作者要過的最后一關(guān)。在家里做通孔電鍍沒有簡單的方法，因此一般采用替代性技術(shù)，如焊線、導(dǎo)電性環(huán)氧樹脂和鉚釘。所有這些方法都有或多或少的問題，但我發(fā)現(xiàn)焊線是最可靠的，接下來是空心鉚釘。

 

 

焊線是連接過孔的最簡單方法，但它會(huì)留下像大橡樹果一樣的突起物，即使用平頭鋼絲鉗剪過。這些接點(diǎn)不僅難看，而且在這些過孔上方不能再放置元件。然而這是目前最為簡單的過孔制作方法。

 

 

空心鉚釘是一種更加整潔的可選方法。我曾用過0.6mm的銅質(zhì)鉚釘(0.4mm內(nèi)徑)，它們可以在易趣和各種其它資源上獲得。還要一個(gè)用于按壓這些鉚釘?shù)膶Ｓ霉ぞ?，但極其昂貴，我無法想象有人真的買過這樣的工具。鉚釘可以手工安裝。在版圖上我設(shè)計(jì)了75mil的焊盤，鉆孔孔徑是25mil。用#72鉆頭打孔，再用鑷子插入鉚釘。將電路板反過來，放在金屬平面上，確保鉚釘與金屬板接觸。在放大鏡下用圖釘輕輕地?fù)伍_鉚釘尾部。然后使用內(nèi)六角螺絲刀等工具的平頭按壓尾部，確保螺絲刀垂直于電路板。當(dāng)鉚釘?shù)轿粫r(shí)按壓應(yīng)發(fā)出一個(gè)明顯的咯嗒聲。這不會(huì)用多大的力，因?yàn)殂~是軟的。

 

圖26：插入鉚釘，并將板子翻轉(zhuǎn)過來。

 

圖27：用圖釘撐開鉚釘尾部。

 

圖28：撐開的尾部(顯微鏡圖像)。

 

圖29：用內(nèi)六角螺絲刀的平頭按壓尾部。

 

圖30：壓過的鉚釘尾部(顯微鏡圖像)。

 

圖31：另一邊的鉚釘邊緣(顯微鏡圖像)。從這張圖可以看出配準(zhǔn)誤差很明顯。

 

用鉚釘也存在一些嚴(yán)重的問題。我做的許多過孔結(jié)果都呈開路狀態(tài)。我很肯定的是，這是由于銅的腐蝕性質(zhì)造成的。因?yàn)樵谧鲎韬笇幽且徊姐~焊盤都放在碳酸鈉溶液中，并且隨后經(jīng)過了層壓機(jī)和爐子的高溫，因此被氧化就不奇怪了。另外，將一種金屬折疊到另一種金屬上似乎是一種很差的電氣連接方法。我最后在鉚釘周圍加了少量的助焊劑，并進(jìn)行了回流焊。經(jīng)過這樣的處理后所有過孔都沒問題了，最可能的原因是助焊劑中的焊劑清除掉了氧化物。

 

最后鉚釘必須進(jìn)行焊接，因此與焊線方法看起來沒多大差別。然而，與用線做的過孔相比，它們與板子更加平齊。下圖顯示了側(cè)面高度的區(qū)別。

 

用5mil導(dǎo)線制作的焊線型過孔。

 

使用了助焊劑的0.6mm外徑鉚釘過孔。

 

 

最后一步是修繕電路板，使用銼刀將電路板邊緣銼平。

 

最終結(jié)果是一塊看起來很專業(yè)的電路板，非常接近于從商業(yè)資源獲得的電路板。整個(gè)制作過程共花了約4個(gè)小時(shí)。

 

 

來源：電子技術(shù)設(shè)計(jì)。

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