在家制作高質(zhì)量雙面PCB板的全過(guò)程

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)根據電路板尺寸而不是復雜性進(jìn)行收費。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(guò)一塊很大的pcb，因為上面的元件必須間隔很遠。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(chǎng)家去做，費用也非常昂貴。

但是話(huà)說(shuō)回來(lái)，真正的原因并不是節省時(shí)間或金錢(qián)。如果“搭建你自己的”這個(gè)詞語(yǔ)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)習曲線(xiàn)。第一次不能正常工作很常見(jiàn)。記住，我們是在討論搭建一塊接近專(zhuān)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(guò)程本身是一件不愉快的經(jīng)歷，那么就不值得節省下來(lái)的任意時(shí)間或金錢(qián)。人們自己搭建而不是購買(mǎi)的理由是他們喜歡學(xué)習，喜歡讓新的技巧變得更加完美。如果你十分注重細節，有許多耐心，對手工技藝引以為豪，那么自己動(dòng)手做PCB也許就非常適合你。

下面介紹細節……

激光打印碳粉轉印方法

對家庭制作者來(lái)說(shuō)，激光打印碳粉轉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(guò)50000DPI，而激光打印機最多也只能達到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大的對齊能力，這個(gè)要求已經(jīng)遠遠超過(guò)普通家庭作坊的負擔。使用紫外光的大多數家庭制作者會(huì )使用激光打印機生成幻燈片，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，因為它有大量的針眼。紫外光波長(cháng)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(jiàn)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的影響。我可以用碳粉轉印方法得到5mil的線(xiàn)，這與任何商用PCB服務(wù)幾乎一樣好。

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

碳粉轉印成功的關(guān)鍵是找到一個(gè)好的打印機。這是極有技巧的部分，因為打印機從一個(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)細線(xiàn)測試圖案，并試著(zhù)在不同打印機上打印，然后用顯微鏡進(jìn)行檢查。我們要尋找的是線(xiàn)中高密度的碳粉覆蓋率、干凈的空白區域和正確的線(xiàn)間距。我辦公室里價(jià)格很高的惠普打印機在顯微鏡下看到的是一個(gè)奇差無(wú)比的結果。下圖顯示了這個(gè)打印機打印出來(lái)的間距為5mil、線(xiàn)寬為5mil的線(xiàn)。注意空白處的碳粉斑點(diǎn)和兩根并到一起的線(xiàn)。

辦公用品商店的打印服務(wù)是做試驗的好地方，因為這些打印機維護得都比較好。在經(jīng)過(guò)一些嘗試后，我發(fā)現Officemax店的打印機效果相當好。它是一臺施樂(lè )公司的Workcentre 5775打印機。只需支付1頁(yè)10美分，我就能得到相當好的結果。

碳粉轉印

切割出來(lái)的FR-4雙面包銅板尺寸至少要比設計外形大半英寸。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(zhù)板的邊沿至少鉆3個(gè)孔。這些孔用于對齊目的，應該預先在電路板版圖上設計好?？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，因為很細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(chǎng)上銷(xiāo)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，并用小的別針或導線(xiàn)將它們與以前鉆的孔對齊。我使用10mil的線(xiàn)。仔細將紙沿著(zhù)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，因為它能忍受層壓高溫。然后將電路板翻轉過(guò)來(lái)，對另一面做同樣的操作。

最好一次做一面碳粉轉印。但這樣做確實(shí)會(huì )導致更多的問(wèn)題。紙和板的膨脹系數不同，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。

將層壓機開(kāi)機，經(jīng)過(guò)大約15分鐘后達到全熱狀態(tài)。然后從全部4個(gè)邊的方向送板子進(jìn)去。我們不能認為頂面和底面會(huì )同等加熱，因此最好將板子翻過(guò)來(lái)，再送4次。也就是說(shuō)總共送8次進(jìn)層壓機。結束后在空氣中冷卻一會(huì )兒，再朝紙上噴一些水。脫模劑應變得具有活性，不用費力那些紙就能自己分開(kāi)來(lái)。然后將膠帶小心的撕下來(lái)，將紙丟掉。將電路板放在干凈的自來(lái)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印紙上的脫模劑，否則它會(huì )影響下一步密封材料的粘貼。

密封材料

碳粉有許多氣孔，如果不使用密封材料的話(huà)會(huì )在銅線(xiàn)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(lái)非常像老式的復寫(xiě)紙，只是顏色是綠色的。它們可以從出售碳粉轉印紙的相同地方買(mǎi)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8次。最后去除膠帶，將綠色薄膜剝掉。

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

買(mǎi)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)復印滾筒或有力的指壓將它牢牢粘貼到走線(xiàn)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。

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

下圖顯示了碳粉上的密封材料效應。

修補

接下來(lái)要仔細檢查走線(xiàn)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的記號筆加以修繕。記號筆的墨水似乎與蝕刻劑結合得非常好。

蝕刻

現在電路板可以進(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，使用復印滾筒將液體鋪開(kāi)，使電路板的所有部分都濕潤到。隔一分鐘將袋子翻轉一次，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(zhù)加快蝕刻速度。透過(guò)塑料袋應能夠清晰地看到電路板，因此在完成蝕刻之前無(wú)需拿出來(lái)。等到蝕刻完成后，打開(kāi)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(lái)水中徹底清洗干凈。使用這種方法的話(huà)，整個(gè)蝕刻過(guò)程不會(huì )濺出一滴化學(xué)液體。

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

清除墨粉

現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(guò)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(lái)。有些墨粉可能仍然粘在電路板上，但這似乎是無(wú)法避免的。

絲印

這一步是將一些標記和文字印到電路板上，不過(guò)不是用傳統的絲網(wǎng)印刷方法，而是用同樣的墨粉轉印技術(shù)，利用以前鉆好的對齊標記將圖案打印到電路板上。因為在經(jīng)過(guò)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(wú)法正確轉印。為了盡量減少問(wèn)題，設計應盡可能避免跨越蝕刻區的邊界。

阻焊層

阻焊層是給電路板加一層專(zhuān)門(mén)可觸摸的層，它也能使得精細間距的表貼元件焊接起來(lái)更加容易。市場(chǎng)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(shù)脂薄膜，用起來(lái)非常順手。遺憾的是，在美國市場(chǎng)上沒(méi)有賣(mài)的，只能通過(guò)海外銷(xiāo)售商采購。

這種膜是綠色的，采用紙張形式。將膜切得比設計大半英寸左右。剝除有紋理一邊的保護膜(使用兩片透明膠帶將膜分開(kāi))。從一邊開(kāi)始，使用復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。然后將層壓機加熱到200°F (93°C)，將電路板送進(jìn)層壓機。重復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，特別是在又窄又細的槽里。如果有大的氣泡，薄膜很容易剝除并丟棄。

現在萬(wàn)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。對于小板子來(lái)說(shuō)，美甲燈就行了，價(jià)格是20美元。對于大板子而言，需要一個(gè)平板型的紫外線(xiàn)燈，價(jià)格大約75美元。平板燈之所以好，是因為蓋板有個(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(cháng)真的取決于燈的亮度。規范要求是100 mJ/cm2 至500 mJ/cm2，但你需要有紫外光功率計才能使用這個(gè)數據。不過(guò)很容易做一些測試板來(lái)配置正確的曝光值。太多曝光可能會(huì )讓光線(xiàn)照透幻燈片的暗區。太少曝光將使得膜溶入顯影劑。由于反射的原因，銅區上的膜要比蝕刻區的膜更快得到曝光，因此要密切注意膜在這兩個(gè)區域上的表現。在我的試驗中，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。

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

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，用它的結果真的很糟糕，也許是因為它包含了碳酸鈉之外的其它添加劑。最好從化學(xué)品商店或賣(mài)Dynamask膜的相同供應商處買(mǎi)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(guò)長(cháng)的顯影時(shí)間會(huì )使得膜變得太軟，并且邊緣參差不齊，因此仔細監視整個(gè)過(guò)程很重要。

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(shù)脂完全固化。這次的時(shí)間不重要，不過(guò)比第一次曝光要長(cháng)得多。然后將電路板再次放入層壓計，這次使用最高溫度。當在背面增加阻焊層時(shí)，用一些有粘性的貨架掛面紙保護正面是個(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。

元件孔

現在可以鉆元件孔了。我們需要用到微型尺寸的鉆頭。最好的鉆頭是柄長(cháng)1/8″的鉆頭。沒(méi)有柄的標準鉆頭很難放在鉆頭夾盤(pán)中間，因為它們的直徑太小。McMaster-Carr商店出售很多不同尺寸的鉆頭，手頭最好準備一組大小不一的鉆頭。

在鉆孔過(guò)程中你會(huì )發(fā)現正反對齊程度有多好。在這方面我們沒(méi)有太多工作要做，只能寄希望于結果OK。

過(guò)孔

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

焊線(xiàn)過(guò)孔

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

空心鉚釘是一種更加整潔的可選方法。我曾用過(guò)0.6mm的銅質(zhì)鉚釘(0.4mm內徑)，它們可以在易趣和各種其它資源上獲得。還要一個(gè)用于按壓這些鉚釘的專(zhuān)用工具，但極其昂貴，我無(wú)法想象有人真的買(mǎi)過(guò)這樣的工具。鉚釘可以手工安裝。在版圖上我設計了75mil的焊盤(pán)，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(guò)來(lái)，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撐開(kāi)鉚釘尾部。然后使用內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。當鉚釘到位時(shí)按壓應發(fā)出一個(gè)明顯的咯嗒聲。這不會(huì )用多大的力，因為銅是軟的。

用鉚釘也存在一些嚴重的問(wèn)題。我做的許多過(guò)孔結果都呈開(kāi)路狀態(tài)。我很肯定的是，這是由于銅的腐蝕性質(zhì)造成的。因為在做阻焊層那一步銅焊盤(pán)都放在碳酸鈉溶液中，并且隨后經(jīng)過(guò)了層壓機和爐子的高溫，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?chē)恿松倭康闹竸?，并進(jìn)行了回流焊。經(jīng)過(guò)這樣的處理后所有過(guò)孔都沒(méi)問(wèn)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(xiàn)方法看起來(lái)沒(méi)多大差別。然而，與用線(xiàn)做的過(guò)孔相比，它們與板子更加平齊。下圖顯示了側面高度的區別。

修繕

最后一步是修繕電路板，使用銼刀將電路板邊緣銼平。

最終結果是一塊看起來(lái)很專(zhuān)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(guò)程共花了約4個(gè)小時(shí)。