Травление печатной платы: как протравить печатную плату

Преобразование покрытого медью ламината пустой печатной платы в функциональную электронную схему включает в себя тщательное удаление ненужной меди, чтобы оставить только нужные проводящие дорожки и площадки. Этот важный этап производства известен как травление печатной платы или печатной платы. Он представляет собой ключевой момент в процессе изготовления платы, переводя схему печатной платы в физическую форму. 

В то время как промышленные производители используют сложное оборудование для химического травления, любители могут травить простые платы в домашних условиях, используя недорогие материалы. 

В этом подробном руководстве рассматривается все, что касается травления печатных плат — сути преобразования инертной платы в основу электропроводки электронного устройства. 

В течение следующих нескольких минут мы обсудим различные методы травления печатных плат, процедуры, этапы производственного процесса, меры безопасности при работе с химикатами и советы по устранению распространенных проблем, связанных с травлением. 

Ну что, начнем? 

Что такое травление печатных плат?

Травление печатных плат относится к процессу выборочного удаления меди из ламината, чтобы оставить только желаемый проводящий рисунок дорожек и контактных площадок. Он преобразует сырую медную плату в функциональную печатную плату. 

Травление осуществляется с помощью химических веществ, которые растворяют ненужную медную фольгу, одновременно маскируя участки, которые остаются нетронутыми.

Наиболее распространенная техника травления основана на фотолитографии. Чувствительный к ультрафиолетовому свету фоторезист наносится на слой печатной платы перед использованием фотошаблонной пленки с требуемой схемой.
 
Под воздействием света резист сшивается и затвердевает, в то время как неэкспонированные области остаются растворимыми. Химическое проявление смывает эти растворимые области, оставляя защитную маску резиста, экранирующую предполагаемые медные элементы.

Затем печатная плата подвергается травлению жидкими травителями, такими как хлорид железа или персульфат аммония, которые удаляют всю открытую медь. Наконец, снятие оставшейся маски фоторезиста обнажает желаемый проводящий рисунок, который соответствует исходной схеме схемы. 

Протравленная плата затем может быть подвергнута сверлению, гальванизации, нанесению паяльной маски и другим этапам изготовления. Это означает, что травление помогает преобразовать медную фольгу в фактическую основу проводки схемы.

Типы травления печатных плат

Существует две основные категории процессов травления печатных плат - влажное травление и сухое травление. Вы должны понимать, что оба метода имеют свои плюсы и минусы. 

Теперь выбор правильного метода травления зависит от типа печатной платы, желаемого разрешения и ширины линии, совместимости с материалами, стоимости и экологических соображений.

Мокрое травление

Мокрое травление подразумевает погружение покрытой медью ламинированной печатной платы в химический травильный раствор, который разъедает ненужную медь, оставляя только защищенные дорожки и площадки. Это недорогой процесс, обычно используемый для крупносерийного производства печатных плат. 

Два основных типа растворов для жидкого травления — кислотные и щелочные.

1. Кислотное травление

В кислотном травлении хлорид железа (FeCl3) является наиболее популярным травителем, используемым в промышленности и любительских условиях. Он агрессивно растворяет медь изотропным образом, то есть травит равномерно во всех направлениях. Это делает хлорид железа хорошо подходящим для травления сложных контуров и внутренних слоев печатных плат.

Другие кислотные растворы включают персульфат аммония, перекись водорода/серную кислоту и хлорид меди. Их изотропное травление обеспечивает высокий контроль подрезов, но может привести к истончению дорожек, если не контролировать тщательно. Главным недостатком кислотных травителей является их токсичность для окружающей среды, требующая надлежащей утилизации.

2. Щелочное травление

Щелочные травители, такие как персульфат натрия и гидроксид аммония, травят медь анизотропно, то есть формируются вертикальные боковые стенки для точного переноса рисунка. Это позволяет более точно определять характеристики вплоть до ширины линии и расстояния до 25 мкм. Щелочные растворы травят медленнее, но обеспечивают лучший контроль травления.

Поскольку щелочная химия травит в одном направлении, для равномерного травления по всей плате часто требуется перемешивание с помощью барботирования воздуха. Щелочные травители менее токсичны, чем кислотные. Нейтрализующее ополаскивание после травления подготавливает печатную плату к процессам маскировки припоя и гальванизации.

Таким образом, влажное химическое травление создает опасные отходы, но позволяет эффективно травить тонкие медные слои весом до 1 унции. Это более простой процесс по сравнению с сухим травлением для печатных плат.

Сухое травление

При сухом травлении для удаления меди вместо жидких травителей используется газовая плазменная или лазерная абляция. 

Он обеспечивает более высокую точность и эффективность, чем традиционное влажное травление, что делает его подходящим для печатных плат HDI, требующих точной геометрии. 

Однако необходимость использования шаблонных масок и оборудования значительно удорожает метод сухого травления.

1. Плазменное травление

При плазменном травлении ламинат с медным покрытием помещается в вакуумную камеру, заполненную плазмой тлеющего разряда. Когда реактивные ионы из плазменного газа ударяются о подложку, они химически атакуют открытые медные области.

Плазменное травление может использовать кислород, диоксид серы, хлор или газы на основе фтора. Плазма обеспечивает высокоанизотропное травление для создания вертикальных боковых стенок. Управляя такими параметрами, как мощность, давление и продолжительность, возможно разрешение травления менее десяти мкм.

Главным недостатком является то, что плазма может повредить фоторезистивные маски, что ограничивает гибкость процесса по сравнению с мокрым травлением. Также требуются сложные системы очистки отходящих газов для фильтрации токсичных побочных продуктов.

2. Лазерное травление

Лазерная абляция обеспечивает безмасочный метод прямого нанесения рисунка на медь с использованием высокосфокусированного лазерного луча. Интенсивный лазер локально нагревает медный слой, чтобы испарять его части чисто.

Точные движения лазерной системы позволяют протравливать прямые линии и отверстия до 25 мкм или ниже, когда это необходимо. Процесс вызывает минимальное повреждение поверхности, избегая при этом потоков жидких отходов.

Однако последовательная запись лазером медленнее по сравнению с параллельными фотолитографическими процессами. Лазерные системы сложны, а абляция по зонам может привести к неравномерному травлению печатной платы. Термическое воздействие также может вызывать микротрещины в диэлектрических слоях.

Итак, хотя сухое травление обещает превосходное качество травления, оно требует значительных капиталовложений. Мокрое химическое травление остается наиболее жизнеспособным вариантом для повседневных нужд прототипирования и производства печатных плат. 

И, конечно же, гибридные методы, сочетающие влажное и сухое травление, могут обеспечить гибкость и точность, необходимые для будущей электроники.

На каком этапе находится травление печатной платы во время ее изготовления?

Травление печатной платы — это критический этап, который физически переносит схему схемы на медный слой путем химического удаления нежелательных участков меди. Он происходит после переноса фотолитографического рисунка, но до завершающей отделочной работы.

Путь от проектирования печатной платы до готовой платы требует более дюжины производственных последовательностей. Этапы, предшествующие травлению печатной платы, следующие:

● дизайн: Инженеры создают макет печатной платы в программном обеспечении САПР, указывая пути прохождения цепей, компоненты, размеры отверстий и т. д.
● Поколение фильма: Выходные данные САПР используются для создания фотошаблонной пленки высокого разрешения, определяющей макет в виде непрозрачных и прозрачных узоров.
● Подготовка субстрата: Заготовка печатной платы из ламинированного медного покрытия обрабатывается до необходимой толщины и просверливается для отверстий.
● Обработка поверхности: Панель печатной платы проходит очистку, зернение и другие виды обработки поверхности для улучшения адгезии фоторезиста.
● Применение фоторезиста: Светочувствительный полимерный резистивный материал равномерно наносится на подложку методом распыления или нанесения валиком.
● Предварительное выпекание: Печатная плата подвергается обжигу для удаления влаги и растворителей из жидкого фоторезистивного покрытия.
● Воздействие: Макетная пленка точно выравнивается по печатной плате и подвергается интенсивному ультрафиолетовому излучению. Свет либо выборочно затвердевает, либо размягчает резист.
● Разработка: В зависимости от используемого позитивного или негативного фоторезиста экспонированные или неэкспонированные области растворяются проявителем.

На этом этапе на печатной плате открываются каналы и контактные площадки голой меди, в то время как фоторезист все еще защищает части поверхности. Теперь можно провести травление печатной платы, чтобы удалить открытую медь.

Этапы после травления включают в себя:

● Удаление фоторезиста: Остаточное резистивное покрытие удаляется путем химической зачистки, оставляя чистую медную схему.
● Покрытие проводящего слоя: Соединительные отверстия/переходы металлизированы для формирования токопроводящих путей между слоями.
● Покрытие паяльной маски: Места сборки замаскированы для защиты от перемычек припоя и коррозии под воздействием окружающей среды.
● Печать легенды: Контуры компонентов, этикетки и маркеры наносятся методом шелкографии для облегчения сборки печатной платы.

Итак, травление печатной платы является важнейшим этапом переноса желаемой схемы на проводящий медный слой путем точного удаления излишков меди. Оно происходит после фотолитографического переноса, но перед окончательной отделкой печатной платы.

Как протравить печатную плату (травление печатной платы своими руками)

Травление позволяет перенести схему на медный слой заготовки печатной платы, выборочно удаляя нежелательные медные области, не защищенные травильным резистом. 

В то время как для коммерческого травления печатных плат используется сложное фотолитографическое оборудование, домашнее травление также позволяет производить качественные платы с помощью простых методов. 

Чтобы протравить печатную плату, выполните следующие основные шаги:

Шаг 1: Разработка схемы 

Создайте схему дорожек печатной платы, вручную нарисовав ее или используя программное обеспечение EDA, например Eagle, KiCad или Fritzing. Планируйте размеры контактных площадок, ширину дорожек, размеры отверстий и т. д. в соответствии с потребностями схемы. Выводите файлы Gerber для изготовления платы.

Шаг 2: Распечатать шаблон макета 

Для метода переноса тонера распечатайте макет на прозрачной пленке лазерного принтера. Для фотохимического травления выведите на фотошаблон пленки с высоким разрешением. Выровняйте пленку эмульсионной стороной вниз по меди, чтобы позже перенести рисунок.

Шаг 3: Подготовка ламината с медным покрытием

Выберите армированную стекловолокном медную оболочку подходящего размера от 1⁄4 унции до 2 унций веса меди. Слегка потрите медную фольгу стальной ватой или мелкой наждачной бумагой, чтобы удалить окисление, затем очистите ее изопропиловым спиртом. В качестве альтернативы нанесите жидкий раствор лужения, чтобы покрыть открытую медь.

Шаг 4: Перенос макета на медь 

Для переноса тонера закрепите прозрачную пленку тонером вниз на очищенной медной фольге, используя журнальные страницы для распределения давления. Проведите бытовым утюгом на максимальной мощности по бумаге в течение 3-5 минут, затем снимите прозрачную пленку. Для фотохимического травления используйте блок УФ-экспонирования.

Шаг 5: Протравка платы в хлорном железе 

Смешайте травитель хлорида железа согласно техническому описанию производителя и погрузите плату в перемешиваемый травильный бак. Время, необходимое для полного удаления меди с открытых участков, составляет от 30 до 60 минут, оставляя только тонер или УФ-закаленные резистивные следы.

Шаг 6: Промойте и высушите 

Извлеките плату из ванны для травления отработанным газом и тщательно промойте остатки химикатов под проточной водой. Промокните насухо впитывающей тканью или высушите в условиях окружающей среды. Визуально проверьте полноту травления меди.

Шаг 7: Просверлите отверстия 

Если в конструкции имеются отверстия для контактных площадок или переходные отверстия, используйте сверлильный станок с небольшим сверлом для сверления отверстий в отмеченных пересечениях. Полностью удалите заусенцы с отверстий.

Шаг 8: Удалить Резист 

Смоченными в ацетоне ватными дисками удалите сухие остатки резиста от тонера или фоторезиста, обнажив готовый медный рисунок, необходимый для установки компонентов.

Протравленная пустая плата служит основой для добавления контактных площадок, металлизированных отверстий, паяльных масок и шелкографии, что превращает ее в функциональную сборку печатной платы.

Хотя химическое травление в домашних условиях занимает много времени, оно обеспечивает недорогой процесс самостоятельного создания прототипа печатной платы перед инвестированием в крупносерийное производство печатных плат для воплощения идей продуктов в жизнь. 

С практикой высококачественные печатные платы можно травить дома. Понимание шагов, которые мы описали выше, должно помочь вам настроить параметры для улучшенного переноса макета и оптимального качества травления.

Вот полное руководство по травлению печатных плат в домашних условиях:

Распространенные проблемы, возникающие при травлении печатных плат

Хотя травление печатных плат позволяет переносить рисунки разводки на медный слой, могут возникнуть некоторые дефекты обработки, приводящие к дефектам травления. 
Понимание того, что может пойти не так, помогает устранить неполадки и оптимизировать процесс травления. 

Итак, вот семь распространенных проблем, с которыми вы можете столкнуться в процессе травления печатных плат:

Подрезка 

Это относится к чрезмерному боковому травлению из-за изотропного поведения травления. Это приводит к сужению ширины следа и плохому разрешению. Использование щелочных травителей, контроль перемешивания и оптимальное время уменьшают подрезы.

Перерезка 

Если применяемый травильный раствор слишком концентрированный или время травления слишком велико, он будет воздействовать на слой резиста, что приведет к дефектам травления печатной платы за пределами границ рисунка. Мониторинг скорости травления и визуальный осмотр обеспечивают оптимальную конечную точку без перерезов.

Питтинг и проколы 

Грубые медные поверхности с вмятинами, царапинами или примесями травятся быстрее, что приводит к образованию ямок на меди с отверстиями после травления. Правильная подготовка поверхности печатной платы путем удаления грязи и металлической щетки сводит к минимуму неравномерное травление.

Медная насечка 

Образование надрезов происходит, когда остаточные вещества, оставшиеся после проявления резиста, вытравливаются быстрее меди, создавая надрезы и пустоты вдоль краев дорожек. Полное проявление для удаления остатков предотвращает образование надрезов.

Сломанные следы

Механические или манипуляционные напряжения могут отслоить тонкие медные дорожки после травления. Аналогично, точечные отверстия или зазубрины в слое резиста подвергают медь преждевременному травлению. Бережное обращение и безупречное нанесение резиста сохраняют целостность дорожек.

Палатки

Если две медные области расположены близко друг к другу, материал резиста часто образует мосты между ними. Во время травления медь попадает под «палатку» резиста, что приводит к потенциальным коротким замыканиям. Адекватные экспозиции создают чистые отверстия.

Фальстарты и отсутствие контактных площадок

Неполный перенос или засоренные сопла приводят к отсутствию участков резистного покрытия. Это приводит к преждевременному обнажению меди, что приводит к разрывам в дорожках или изолированным площадкам после травления. Улучшение процесса нанесения покрытия повышает эффективность переноса.

Конкретную причину дефектов травления можно определить путем наблюдения и анализа реальных плат. Регулировка соответствующих параметров, таких как адгезия резиста, глубина экспозиции, концентрация травителя и перемешивание, помогает преодолеть проблемы для получения более качественных результатов травления печатных плат.

Меры предосторожности при травлении печатной платы в домашних условиях

Травление печатных плат требует работы с едкими химикатами, такими как хлорид железа, соляная кислота или персульфат натрия. Без адекватных мер предосторожности кислотные пары и опасность контакта с кожей могут быстро вызвать проблемы со здоровьем. 

Вам следует следовать этим советам по технике безопасности при самостоятельном травлении:

1. Работайте в проветриваемом помещении, используя вытяжной вентилятор для удаления паров травильных химикатов. Это предотвращает раздражение дыхательных путей. Подходящие СИЗ, такие как респиратор для защиты от кислотных газов, обеспечивают дополнительную защиту дыхательных путей.

2. Наденьте нитриловые перчатки, чтобы полностью закрыть руки. Определите совместимость перчаток, так как виниловые перчатки быстро разрушаются в травильных растворах. Защитные очки защищают глаза от брызг, а фартук защищает тело и одежду.

3. Травите в большой неметаллической ёмкости вместо маленьких мисок, которые легко переполняются. Поместите ёмкость в большую пластиковую ванну для сбора проливов. Расположите на кислотостойком верстаке или на бетонном полу для устойчивости.

4. Подготовьте поблизости пищевую соду или разбавленный раствор буры, чтобы быстро нейтрализовать любые кислотные пятна на коже или поверхностях. Держите также наготове аварийную станцию ​​для промывания глаз.

5. При смешивании кислотных порошковых концентратов добавляйте порошок в воду, а не наоборот. Это позволит избежать бурных реакций с брызгами.

6. Храните отработанные травильные химикаты в герметичных пластиковых контейнерах с надежной маркировкой для надлежащей утилизации химических отходов и предотвращения загрязнения окружающей среды. Также соблюдайте правила гигиены, мойте руки после работы и не ешьте и не пейте рядом. 

При соблюдении мер предосторожности травление печатных плат можно выполнять относительно безопасно даже в домашних условиях.

Заключение 

Травление печатных плат — важнейший этап производства, на котором удаляется ненужная медь для переноса макета на плату путем химического растворения.
Как мы указывали ранее, двумя основными методами травления являются влажное травление с использованием кислотных или щелочных растворов и сухое травление с использованием плазмы/лазеров. 

Травление печатной платы происходит после начальных этапов переноса рисунка, таких как перенос тонера или фотолитография. Некоторые распространенные проблемы, которые могут возникнуть здесь, — это подрезание сломанных дорожек на основе параметров травления, обработка дефектов или проблемы сопротивления адгезии. 

Но при соблюдении правильных мер предосторожности даже домашнее травление с помощью простых химикатов дает достойные результаты. Вам необходимо понимать механизмы травления, оптимизацию процесса и устранение неполадок, поскольку это позволяет использовать травление для эффективного преобразования пустых плат в функциональные схемы для электроники.

В компании PCBasic мы предлагаем профессиональные, высококачественные услуги по травлению и изготовлению печатных плат за пределами Китая, что обеспечивает быстрое прототипирование и производство. 

Свяжитесь с нами, чтобы получить бесплатную смету на изготовление вашей следующей надежной индивидуальной печатной платы с оптимизированным травлением.