PCB還能這樣玩?你見過嗎

如果你能夠以低價格獲得商業(yè)制作的印刷電路板，為什么還要自己去做呢？

一個原因是，你可能需要花1至4周的時間才能拿到板子。對于搭建原型機來說，這可能是一個主要的障礙。每次設(shè)計反復(fù)因而可能花一個月甚至更長的時間，一個項目可能需要多個月才能做完。喜歡自己動手的人可以用一個晚上就做好電路板，并完成所有部件的裝配。這個優(yōu)勢真的很難打破。

除了時間因素外，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)雜性進行收費。較大的板子價格更高，即使它們整個是空板。我曾經(jīng)做過一塊很大的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)廠家去做，費用也非常昂貴。

但是話說回來，真正的原因并不是節(jié)省時間或金錢。如果“搭建你自己的”這個詞語不能令你感到興奮，那么就不要再讀下去了。搭建一個電路板可能不需要花兩個整周的時間，但也要花許多個小時。就像每件事一樣，都有一個學(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。

如果你十分注重細節(jié)，有許多耐心，對手工技藝引以為豪，那么自己動手做PCB也許就非常適合你。

下面介紹細節(jié)…… 圖文并茂，在家制作屬于你的高質(zhì)量雙面PCB板

激光打印碳粉轉(zhuǎn)印方法

對家庭制作者來說，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，你需要一個非常均勻的紫外光源和強大的對齊能力，這個要求已經(jīng)遠遠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買一些貨真價實的專用紙，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，亞馬遜報價大概在90美元左右。一些人用過電熨斗，但層壓機的溫度和壓力可以產(chǎn)生好得多的一致性結(jié)果。

碳粉轉(zhuǎn)印成功的關(guān)鍵是找到一個好的打印機。這是極有技巧的部分，因為打印機從一個品牌到另一個品牌似乎存在巨大的差異，不管宣傳的DPI分辨率是多少。你需要做一個細線測試圖案，并試著在不同打印機上打印，然后用顯微鏡進行檢查。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。我辦公室里價格很高的惠普打印機在顯微鏡下看到的是一個奇差無比的結(jié)果。下圖顯示了這個打印機打印出來的間距為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)是做試驗的好地方，因為這些打印機維護得都比較好。在經(jīng)過一些嘗試后，我發(fā)現(xiàn)Officemax店的打印機效果相當(dāng)好。它是一臺施樂公司的Workcentre 5775打印機。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。

碳粉轉(zhuǎn)印

切割出來的FR-4雙面包銅板尺寸至少要比設(shè)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個孔。這些孔用于對齊目的，應(yīng)該預(yù)先在電路板版圖上設(shè)計好?？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。市場上銷售的用于清潔眼鏡的藥巾也適合做這個用途。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齊。我使用10mil的線。仔細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，因為它能忍受層壓高溫。然后將電路板翻轉(zhuǎn)過來，對另一面做同樣的操作。

圖3：對齊后的碳粉轉(zhuǎn)印紙。注意用于對齊的小細線。

最好一次做一面碳粉轉(zhuǎn)印。但這樣做確實會導(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，很難做到正確對齊，特別是大板子。

將層壓機開機，經(jīng)過大約15分鐘后達到全熱狀態(tài)。然后從全部4個邊的方向送板子進去。我們不能認(rèn)為頂面和底面會同等加熱，因此最好將板子翻過來，再送4次。也就是說總共送8次進層壓機。結(jié)束后在空氣中冷卻一會兒，再朝紙上噴一些水。脫模劑應(yīng)變得具有活性，不用費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，否則它會影響下一步密封材料的粘貼。

圖4：總共送8次電路板進層壓機(每個方向兩次，先送一面，再送另一面)。

圖5：成功的碳粉轉(zhuǎn)印。

密封材料

碳粉有許多氣孔，如果不使用密封材料的話會在銅線中產(chǎn)生凹點。密封材料進入這些氣孔后，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層壓機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層壓機8次。

圖7：將密封薄膜剝除。

這一步過后會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，我錯誤地認(rèn)為這一步失敗了，甚至決定從頭再來。事實上，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整表面。用一個復(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。

修補

接下來要仔細檢查走線中是否有任何斷點和針孔。這些斷點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(jié)合得非常好。

圖16：用記號筆修補少量缺陷。

蝕刻

現(xiàn)在電路板可以進行蝕刻了。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，整個蝕刻過程不會濺出一滴化學(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。這種水有極強的腐蝕性，千萬不能直接倒入地漏中。

圖17：用密封袋進行蝕刻。

圖18：蝕刻板。注意記號筆墨水仍然非常完整。

清除墨粉

現(xiàn)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分鐘的時間使之滲透到墨粉中，在仍浸潤于丙酮之時，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)。

絲印

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)，利用以前鉆好的對齊標(biāo)記將圖案打印到電路板上。因為在經(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

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)。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。然后將層壓機加熱到200°F (93°C)，將電路板送進層壓機。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，這似乎會產(chǎn)生氣泡和干斑。使用手指將膜壓入蝕刻槽也是個好主意。這種膜最好是在真空環(huán)境中進行層壓，因此這種方法不可避免會在膜的背后產(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(xiàn)在萬事俱備，可以用紫外光照射阻焊層了。這時需要一個紫外燈。對于小板子來說，美甲燈就行了，價格是20美元。對于大板子而言，需要一個平板型的紫外線燈，價格大約75美元。平板燈之所以好，是因為蓋板有個鎖止裝置，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。任何空隙都會使圖像變得模糊。

曝光時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才能使用這個數(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區(qū)域上的表現(xiàn)。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)溶液溫度較低時更好控制，只需花大約5分鐘的時間就能完成顯影。過長的顯影時間會使得膜變得太軟，并且邊緣參差不齊，因此仔細監(jiān)視整個過程很重要。

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，這次使用最高溫度。當(dāng)在背面增加阻焊層時，用一些有粘性的貨架掛面紙保護正面是個好主意。這樣，顯影劑就不會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，以便進一步固化薄膜。確保電路板平放在爐子中，否則它會變形翹曲。

圖24：成功的阻焊層。

圖25：阻焊層(顯微鏡圖像)。

元件孔

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(zhǔn)備一組大小不一的鉆頭。

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

過孔

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。

焊線過孔

焊線是連接過孔的最簡單方法，但它會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

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按壓應(yīng)發(fā)出一個明顯的咯嗒聲。這不會用多大的力，因為銅是軟的。

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。因為在做阻焊層那一步銅焊盤都放在碳酸鈉溶液中，并且隨后經(jīng)過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。我最后在鉚釘周圍加了少量的助焊劑，并進行了回流焊。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。

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(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。整個制作過程共花了約4個小時。

來動手試試唄~