Подготовка поверхности
Добрый день, уважаемые радиолюбители.
Меня часто спрашивают изготавливаю ли я вообще к своим опытным макетам печатные платы? Вопрос резонный, учитывая, что ни к одному из макетов у меня не выложено ни одной печатной платы [1]… Но печатные платы я, конечно же, при необходимости изготавливаю. Если же Вы обратили внимание, то основную часть моего хобби занимают ламповые усилители (и вообще ламповые конструкции) где сделать макет навесным монтажом значительно проще и быстрее (есть, конечно, несколько конструкций в арсенале и на другую тематику среди выложенных, но они либо были сделаны достаточно давно, либо в крайне сжатые сроки) …
В данном небольшом цикле статей я хотел бы раскрыть некоторые моменты, связанные с практическим изготовлением печатных плат в домашних условиях. Какие-то общедоступные вещи, про которые существует множество видео и статей я не буду раскрывать подробно – остановлюсь только на моментах, которым уделено значительно меньше времени.
Итак, сегодня мы поговорим о подготовке поверхности фольгированного стеклотекстолита (заготовки) перед нанесением защитного рисунка и, соответственно, травлением печатной платы [2].
Если подходить строго, то подготовка поверхности в той или иной мере необходима всегда. Она необходима даже тогда, когда Вам кажется, что поверхность выглядит идеально.
Основными загрязнителями, покрывающими поверхность заготовки и подлежащими удалению, являются – потожировые следы (и продукты реакции меди с потом), оксиды и гидроксиды меди, а в некоторых случаях карбонат и гидроксокарбонат меди. Другие соединения меди на поверхности фольгированного стеклотекстолита в ощутимых количествах встречаются достаточно редко. Наибольшую проблему представляют из себя длительно находящиеся на поверхности потожировые следы т.к. пот имеет преимущественно кислую реакцию (pH 3.8 – 6.2), а многие его компоненты способны взаимодействовать с медью. При этом на поверхности медной фольги остаются отчетливые отпечатки пальцев с глубиной поражения, превышающей толщину типичной оксидной пленки [3, 4].
Это приводит к тому, что необходимо механически снимать либо химически стравливать несколько более толстый слой, чем реально необходимо для удаления пленки остальных загрязнений с поверхности (это хорошо заметно при химической подготовке поверхности – потожировые следы удаляются последними).
В качестве демонстрационного подопытного для данной части статьи выступит двухсторонний Советский фольгированный стеклотекстолит толщиной 1 мм (толщина медной фольги 35 микрон). Перед тем как попасть ко мне лист данного стеклотекстолита длительное время находился в сыром помещении – на поверхности можно найти всю гамму описанных выше загрязнений. В подборке фото ниже показан внешний вид отдельных частей данного листа, а так же нескольких отпиленных кусков.
Все методы подготовки поверхности, доступные радиолюбителям в домашних условиях, можно условно разделить на 2 большие группы: механические и химические. Рассмотрим некоторые способы несколько подробнее.
1. Самым распространённым механическим способом, ставшим классическим, является зачистка поверхности заготовки при помощи наждачной бумаги (наждачки) [5,6,7,8,9]. Как правило такая зачистка производится в 2 этапа. На первом этапе поверхность грубо обрабатывают относительно крупной наждачной бумагой (Р400 – Р600), а на втором этапе производят окончательную полировку более мелкой (Р2000 – Р2500).
После такой подготовки плату необходимо тщательно промыть проточной водой, используя кусок хлопчатобумажной ткани (ХБ) либо обратную сторону губки для мытья посуды. При этом в качестве средства для очистки поверхности от остатков загрязнений отлично подойдет порошковое чистящее средство (типа «Пемолюкс», «Сорти» и им подобные по составу), либо 3% раствор гидроксида натрия (NaOH, едкий натр, каустическая сода) [10,11].
При использовании порошкового чистящего средства необходимо нанести его небольшое количество на ткань либо обратную сторону губки, тщательно смочить и очистить всю поверхность стеклотекстолита круговыми движениями (без фанатизма). После этого заготовку следует тщательно промыть проточной водой, используя всё ту же ткань либо губку.
При использовании же 3% раствора гидроксида натрия алгоритм действий полностью аналогичен, но при работе необходимо использовать перчатки (например нитриловые либо латексные) для защиты кожи рук.
После промывки заготовку необходимо тщательно вытереть и дать высохнуть 5-10 минут впитавшейся в поры стеклотекстолита влаге в процессе промывки. После этого остаётся только лишь обезжирить будущую плату этиловым (изопропиловым) спиртом либо ацетоном и больше не прикасаться руками к металлизированной поверхности до нанесения защитного рисунка [12,13,14,15,16].
При подготовке поверхности я использую для очистки преимущественно порошковое чистящее средство, а так же ацетон для обезжиривания.
Основными достоинствами данного способа подготовки поверхности являются:
- простота применяемой технологии;
- крайне низкая себестоимость всего процесса подготовки;
- отсутствие необходимости использовать химические реактивы и специальный инструмент.
Основными недостатками данного способа являются:
- большая неравномерность снимаемого слоя меди вместе с загрязнениями (особенно от центра к краю);
- частое стачивание медной фольги по краю платы и на углах при попытке удаления остатков загрязнений;
- относительно большое стачивание слоя меди (по толщине);
- относительно глубокие царапины от абразивного материала, наличие остаточных раковин на поверхности (удалить остатки загрязнений из раковин можно только вместе с удалением слоя меди на глубину данных раковин);
- практическая невозможность эффективного использования данного метода по озвученным выше причинам при толщине медной фольги менее 35 микрон (например, для фольги 18 микрон).
В подборке фото ниже показана заготовка, обработанная данным методом. Изначальная шлифовка производилась наждачной бумагой Р400, а конечная полировка наждачной бумагой Р2000 (первое и второе фото считая слева). Несмотря на зеркальный блеск и глянцевую поверхность на фото отчётливо видны дефекты, описанные выше. Фото сделано специально так, что бы на поверхности просматривалось отражение — это позволяет наглядно оценить конечное качество подготовки поверхности.
Для улучшения результата необходимо использовать более мелкую наждачную бумагу для первоначальной шлифовки, например Р600 — Р800, что, однако, увеличит необходимое для подготовки поверхности время. В подборке фото ниже 3 и 4 фото считая слева соответствуют наждачной бумаге Р1000 в качестве первоначальной шлифовки и Р2000 в качестве конечной полировки (затраченное время по сравнению с первым примером возросло примерно в 3-4 раза). Отчётливо видно, что часть дефектов, связанных с глубокими царапинами, удалось избежать применением более мелкой наждачной бумаги. Шлифовка и полировка в данном примере выполнялась вручную.
На крайнем правом фото фотоаппарат был сфокусирован не на самой заготовке, а на отражённом изображении, что позволяет показать реальное качество конечной поверхности. Для подавляющего большинства применений подобную подготовку поверхности можно считать достаточной с запасом.
С другой стороны скорость выполнения шлифовки и полировки не является проблемой при автоматизированной шлифовке/полировке (т.е. при использовании дрели со специальными шлифовальными/полировальными кругами, например).
2. Другим распространённым способом механической подготовки поверхности является использование специализированных абразивных паст для шлифовки и полировки поверхностей из различных материалов.
Одной из самых распространённых паст для шлифовки/полировки является паста ГОИ (ГОИ — это Государственный Оптический Институт, а не то что вы подумали). В зависимости от размера частиц выделяют 4 разновидности пасты ГОИ: для грубой шлифовки, для средней шлифовки, для тонкой полировки, для чистовой полировки [17,18].
Наждачная бумага Р2000 — Р2500 по параметрам примерно соответствует пасте ГОИ второго типа т.е. предназначенной для тонкой полировки. Наждачная бумага Р1000 — Р1500 примерно соответствует пасте ГОИ третьего типа т.е. предназначенной для средней шлифовки. Исходя из этого ожидается сопоставимость результатов, полученных этими двумя способами для описанных соотношений. Но так же следует учитывать, что существует паста ГОИ первого типа — для чистовой полировки. С помощью данной пасты можно получить практически идеальную зеркальную поверхность.
В процессе использования паста ГОИ наносится на войлок, после чего производится ручная либо полуавтоматическая шлифовка и полировка необходимой заготовки.
После шлифовки и полировки поверхность необходимо промыть так, как было описано выше.
Основными достоинствами данного способа являются:
- возможность получения практически идеальной зеркальной поверхности при соответствующих трудозатратах;
- простота применяемого способа;
- отсутствие редких, дорогих, либо токсичных реактивов и материалов.
Основными недостатками данного способа являются:
- более высокие трудозатраты по сравнению с первым описанным способом (особенно при ручной тонкой и чистовой полировке заготовки);
- необходимость постоянно следить за температурой заготовки при автоматизированной шлифовке и полировке т.к. заготовка ощутимо греется из-за трения (при перегреве возможно отслоение фольги от стеклотекстолита).
- относительно большое стачивание слоя меди (по толщине);
- наличие остаточных раковин на поверхности (удалить остатки загрязнений из раковин можно только вместе с удалением слоя меди на глубину данных раковин);
- практическая невозможность эффективного использования данного метода по озвученным выше причинам при толщине медной фольги менее 35 микрон (например, для фольги 18 микрон).
Так же следует отметить, что первые 2 способа могут быть скомбинированы между собой. В подборке фото ниже представлено сравнение качества конечной поверхности при использовании наждачной бумаги Р400 для начальной шлифовки и наждачной бумаги Р2000 для конечной полировки (правая часть фото), с той же исходной обработкой, но с дополнительной полировкой пастой ГОИ второго типа (т.е. для тонкой полировки) — результат виден невооружённым глазом (левая часть фото).
Как уже говорилось ранее, второй группой доступных методов подготовки поверхности, являются химические методы. Вообще существует огромное множество всевозможных химических способов подготовки поверхности, отличающихся применяемыми реактивами, условиями проведения подготовки, получаемым результатом, скоростью протекания химических реакций, типом материалов для которых они предназначены и т.д. и т.п. В данной статье мы рассмотрим только 2 способа.
Тут необходимо сделать небольшое отступление, что бы понятно было о чём дальше пойдет речь. Одним из широко распространённых в радиолюбительской практике способов травления печатных плат является травление в растворе, состоящем из лимонной кислоты, перекиси водорода и поваренной соли. При этом оптимальным считается следующий состав: 100 мл. аптечной 3% перекиси водорода, 30 г. лимонной кислоты и 5 г. поваренной соли (об оптимальности состава мы ещё поговорим позже – в данный момент это не критично). Более подробно о распространённых составах травления можно почитать в соответствующей статье на сайте Радиокот [19,20,21,22].
Одной из рекомендаций, многократно попадавшейся мне на просторах интернета, является рекомендация производить химическую подготовку поверхности в том же самом травильном растворе. И чаще всего это был как раз-таки описанный выше состав травления. Поговорим об этом способе несколько подробнее.
3. Действительно, те кто пользовался данным травильным составом знают, что процесс идёт достаточно быстро. Таким образом и подготовка поверхности будет проходить достаточно быстро т.к. фактически происходит стравливание с поверхности соединений меди вместе с тонким слоем меди. Чем дольше заготовка будет находиться в растворе — тем более толстый слой будет стравлен (а соответственно и остаточный слой окажется тоньше).
В среднем на полную очистку поверхности заготовки исходным составом уходит несколько минут (в зависимости от степени загрязнённости), но проблемы начинаются дальше – на этапе промывки.
Для промывки заготовки необходимо быстро вытащить плату из травильного раствора и промыть большим количеством дистиллированной воды (в идеале) удаляя параллельно остатки травильной жидкости тканью либо губкой (на все должно уйти не более 5-10 секунд в идеале). Если всё сделать недостаточно быстро, то заготовка в лучшем случае покрывается пятнами тонкой плёнки соединений меди и процесс очистки придётся повторить…
Кроме того промывку радиолюбители обычно производят проточной водой из под крана, что так же дополнительно способствует образованию различных соединений на поверхности заготовки… Так как же быть?
Выход из данной ситуации очень прост – уменьшить концентрацию перекиси водорода раза в 3-4 т.е. примерно до 0.8 — 1%. При этом концентрации остальных компонентов остаются прежними. В растворе такого состава процесс травления будет протекать значительно медленнее, а работать с таким составом становится намного комфортнее.
Процесс очистки поверхности заготовки данным способом производится следующим образом:
- подготавливается травильный раствор, состоящий из 100 мл. 0.8 — 1% перекиси водорода, 30 г. лимонной кислоты и 5 г. поваренной соли;
- производится отмывка поверхности заготовки порошковым чистящим средством либо 3% раствором каустической соды так, как это было описано выше;
- производится обезжиривание поверхности этиловым (изопропиловым) спиртом либо ацетоном;
- заготовка помещается в раствор на одну — полторы минуты. При этом ёмкость с раствором постоянно покачивается для обеспечения циркуляции раствора;
- далее следует вытащить заготовку из раствора и используя жёсткую кисть либо щётку (например, зубную) необходимо удалить с поверхности плёнку загрязнений. При этом щётку необходимо постоянно окунать в травильный раствор либо производить очистку под слоем травильного раствора;
- процесс очистки необходимо продолжать до полного удаления всех загрязнений (при этом травильный раствор будет нагреваться, а скорость протекающих реакций увеличиваться – этот момент будет подробно рассмотрен при описании процесса травления печатных плат);
- после удаления всех загрязнений необходимо быстро протереть всю поверхность заготовки кистью, щёткой, губкой либо ХБ-тканью в травильном растворе, быстро вытащить и тщательно промыть большим количеством проточной воды, удаляя параллельно остатки травильного раствора обратной стороной губки либо ХБ-тканью.
ВНИМАНИЕ: при работе с травильным раствором необходимо использовать перчатки, респиратор (в идеальном случае — противоаэрозольный т.е. FFP3) и защитные очки (в идеальном случае — лицевой щиток). В процессе травления, а также при работе жёсткой кистью образуется достаточно едкий аэрозоль и брызги! Соблюдайте технику безопасности. Дышать подобным аэрозолем вредно для здоровья и к тому же он достаточно сильно раздражает глаза и дыхательные пути (в отдельных случаях можно получить полноценный химический ожог слизистых оболочек) [23,24]!
После тщательной промывки заготовки проточной водой, аналогично предыдущим способам поверхность заготовки необходимо повторно отмыть порошковым чистящим средством либо 3% раствором каустической соды, насухо вытереть тканью, дать испариться остаткам впитавшейся жидкости. Далее повторно производится обезжиривание поверхности этиловым (изопропиловым) спиртом либо ацетоном. На этом подготовку поверхности данным способом можно считать законченной.
Основными достоинствами данного способа являются:
- достаточно быстрая скорость подготовки поверхности;
- отсутствие редких, а также высокотоксичных реактивов (в используемых концентрациях);
- подготовленная поверхность явятся матовой, шероховатость поверхности равномерная и незначительная, что способствует дальнейшему качественному лужению поверхности (в т.ч. химическому). Правильно подготовленная поверхность после конечного обезжиривания в солнечных лучах имеет отчётливый матовый металлический блеск (кажется что поверхность припудрена мелкой блестящей металлической пылью);
- стравливание слоя меди практически равномерно по всех обрабатываемой площади;
- раствор возможно использовать для слоя металлизации менее 35 микрон (например, для стеклотекстолита с толщиной фольги 18 микрон);
- возможно полноценное удаление загрязнений из раковин на поверхности даже без их физического полноценного стравливания.
Основными недостатками данного способа являются:
- необходимость использования набора СИЗ (перчатки, респиратор, очки, лицевой щиток и пр.);
- возможность образования едкого аэрозоля;
- определённая сложность оперативной промывки заготовки;
- саморазогрев травильного раствора с увеличением скорости протекающих реакций.
В подборке фото ниже показан внешний вид поверхности, подготовленной описанным выше способом (в т.ч. в сравнении с неподготовленной поверхностью).
4. Другим способом химической подготовки поверхности заготовки является очистка в растворе перекиси водорода и Трилона Б. Обычно я пользуюсь именно этим способом [25,26].
Вообще динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (торговое название Трилон Б) достаточно интересное соединение. Интересно оно прежде всего тем, что способно образовывать достаточно устойчивые комплексные соединения с большинством катионов. Полученные комплексные соединения многих металлов хорошо растворимы в воде. Но при этом Трилон Б не взаимодействует с металлами в нулевой степени окисления т.е не является окислителем. Эти интересные свойства данного соединения используют для очистки поверхностей металлов от многих исходно нерастворимых соединений.
Теоретически можно поместить заготовку в концентрированный раствор Трилона Б и подождать пока произойдет образование комплексных соединений меди, и оксидная плёнка с сопутствующими загрязнениями будет растворена. Но на практике это займет достаточно много времени даже при подогреве раствора (процесс вполне может продолжаться от нескольких часов до суток) и регулярной очистке поверхности жёсткой кистью или щёткой. Неплохо бы данный процесс как-то ускорить…
При экспериментах с достаточно концентрированными растворами перекиси водорода (35 — 40%) я обратил внимание на то, что перекись способна образовывать на поверхности меди целый рад соединений в различных экспериментальных условиях. Например, на видео ниже показан процесс взаимодействия 35-40% раствора перекиси водорода с медной фольгой.
Процесс идёт достаточно медленно (что не удивительно, учитывая положение меди в электрохимическом ряду активности металлов). Через 1-3 часа на поверхности можно увидеть следующую картину (см. подборку фото ниже).
А вот с плёнкой загрязнений перекись водорода уже практически не взаимодействует, что вполне ожидаемо и логично.
Через 3 часа результат выглядит как-то так…
Кстати, сама перекись водорода проявляет слабые кислотные свойства (по литературным данным слабее угольной кислоты). Для стабилизации растворов высокой концентрации (за исключением ХЧ и ЧДА. Стабилизация данных форм выпуска оговаривается отдельно с соответствующей пометкой) в раствор добавляют небольшое количество пирофосфата либо фосфата натрия (кроме того медицинская и техническая перекись водорода может содержать небольшое остаточное количество серной и уксусной кислот). При этом pH раствора смещается в кислую сторону – стабильность перекиси водорода повышается. Не верите? — тогда смотрите подборку фото ниже.
Таким образом, если объединить два описанных выше процесса, то получится неплохой состав для химической подготовки поверхности.
В данном случае не особо важен точный химический состав и растворимость в воде образованных соединений меди на поверхности т.к. при использовании Трилона Б они будут переведены с большой вероятностью в растворимую форму.
Итак, для данного способа оптимальным является раствор следующего состава: 150 мл. воды, 12-15 мл. 35-40% раствора перекиси водорода, 10-12 гр. Трилона Б. Если же Вы используете аптечную перекись водорода, то состав будет выглядеть следующим образом: 150 мл. 3% раствора перекиси водорода, 10-12 гр. Трилона Б. В таком растворе полная очистка поверхности заготовки суммарно занимает около 10-40 минут. Работать с раствором достаточно комфортно.
Алгоритм использования данного состава полностью аналогичен описанному выше (в пункте 3) с одним отличием – обрабатывать поверхность щёткой можно один раз в 1-2 минуты. В реальном времени процесс протекает вот так:
В результате обработки так же получается равномерная матовая поверхность.
Основными достоинствами данного способа являются:
- достаточно быстрая скорость подготовки поверхности;
- отсутствие редких, а также высокотоксичных реактивов;
- подготовленная поверхность явятся матовой, шероховатость поверхности равномерная и незначительная, что способствует дальнейшему качественному лужению поверхности (в т.ч. химическому). Правильно подготовленная поверхность после конечного обезжиривания в солнечных лучах имеет отчётливый матовый металлический блеск (кажется что поверхность припудрена мелкой блестящей металлической пылью);
- возможно полноценное удаление загрязнений из раковин на поверхности даже без их физического полноценного стравливания;
- стравливание слоя меди практически равномерно по всех обрабатываемой площади;
- раствор возможно использовать для слоя металлизации менее 35 микрон (например, для стеклотекстолита с толщиной фольги 18 микрон);
- раствор значительно менее агрессивен к обрабатываемой поверхности по сравнению с ранее описанным;
- раствор намного безопаснее для слизистых оболочек глаз и дыхательных путей.
- при работе с раствором нет необходимости использовать полный комплект СИЗ (как в случае с использованием ранее описанного раствора) — достаточно перчаток и лицевого щитка (либо перчаток, очков и медицинской маски).
Основными недостатками данного способа являются:
- использование химических реагентов как таковых (при использовании концентрированных растворов перекиси водорода для приготовления данного состава необходимо соблюдать осторожность и правила ТБ);
- стоимость Трилона Б в среднем в 3-4 раза выше стоимости лимонной кислоты (не катастрофически выше, но всё же).
В качестве дополнения следует отметить, что подготовленную поверхность заготовки необходимо использовать в течении 20-30 минут (в худшем случае — одного часа). В этом случае возможно получение наилучшего результата на следующих этапах изготовления печатной платы в домашних условиях. Уже через 20-30 минут после подготовки поверхности заметно изменение её цвета — глянцевая поверхность становится более красной и менее блестящей, а на матовой поверхности в солнечных лучах исчезает металлический блеск (эффект припудривания мелкой блестящей металлической пылью).
Таким образом статья по подготовке поверхности подходит к концу и осталось рассмотреть последний вопрос: «А для чего оно вообще нужно? Зачем такие сложности и заморочки? Вот я 100500 раз шлифовал одной только 400-й наждачкой и всё всегда было нормально…»
Ну что тут можно возразить? Если на ваших печатных платах нет дорожек уже 0.6…0.8 — 1 мм. или же если у вас нет необходимости использовать фольгированный стеклотекстолит с тонкой фольгой (18 микрон, например), то в большинстве случаев вам, действительно, будет достаточно отшлифовать поверхность наждачной бумагой Р400 — Р600, а конечную полировку провести наждачной бумагой Р2000 — Р2500.
Если же планируется изготавливать печатную плату с узкими дорожками (особенно уже 0.5 мм), то без тщательной подготовки поверхности уже не обойтись. Так, например, относительно глубокие царапины на поверхности медной фольги (как после наждачки Р400) при изготовлении дорожек шириной 0.35 мм. и уже с использованием плёночного фоторезиста часто способствуют появлению дефектов. Фоторезист не прилегает (и, соответственно, не приклеивается) плотно к поверхности заготовки. При травлении наблюдается ощутимое подтравливание дорожек, либо отслаивание фоторезиста со всеми вытекающими последствиями. Соответственно и с повторяемостью результатов (если нужно изготовить несколько плат последовательно) наблюдаются определённые проблемы.
Таким образом, только при качественной подготовке поверхности заготовки возможно получение наилучшего результата на следующих этапах изготовления печатной платы в домашних условиях.
А на этом на сегодня всё, с уважением, Андрей.
Список использованной литературы:
1. ГОСТ Р 53386-2009. Платы печатные. Термины и определения
2. Гетинакс и стеклотекстолит фольгированные. Технические условия
3. Потожировые следы человека как объект ДНК-идентификации
4. Пот
5. ГОСТ 5009-82. Шкурка шлифовальная тканевая и бумажная. Технические условия
7. ГОСТ 3647-80. Материалы шлифовальные. Классификация. Зернистость и зерновой состав. Методы контроля
8. ГОСТ 21445-84. Материалы и инструменты абразивные. Термины и определения
9. ГОСТ 6456-82. Шкурка шлифовальная бумажная. Технические условия
10. ГОСТ Р 55064-2012. Натр едкий технический. Технические условия
11. ГОСТ 4328-77. Реактивы. Натрия гидроокись. технические условия
13. ГОСТ 5962-2013. Спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья
14. ГОСТ Р 55878-2013. Спирт этиловый технический гидролизный ректификованный. Технические условия
15. ГОСТ 9805-84. Спирт изопропиловый. Технические условия
16. ГОСТ 2768-84. Ацетон технический. Технические условия
17. Паста ГОИ
18. ТУ 6-18-36-85. Паста ПХЗ (типа ГОИ). Технические условия
19. ГОСТ 3652-69. Кислота лимонная моногидрат и безводная. Технические условия
20. ГОСТ 908-2004. Кислота лимонная моногидрат пищевая. Технические условия
21. ГОСТ 10929-76. Водорода пероксид. Технические условия
22. ГОСТ 177-88. Водорода перекись. Технические условия
24. Гребенюк А.Н., Стрелова О.Ю., Старков А.В., Степанова Е.Н. Медицинские и технические средства защиты: учебное пособие. — СПб: Фолиант, 2019. — 224 с.
26. Динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты
27. А. Медведев. Печатные платы. Конструкции и материалы. — М: Техносфера, 2005. — 305 с.