Last update : Dec 07, 2009碳粉熱轉印法 (Toner Transfer) 製作 PCB
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順序 | 曝光法 | 碳粉熱轉印法 |
1 | 將線路圖轉成 Layout | 同左 |
2 | 列印原稿 | 同左 |
3 | 裁切感光板 | 裁切裸銅板,並加以清潔 |
4 | 曝光 工具:日光燈、玻璃板或硬質透明塑膠板 | 熱轉印 工具:熨斗 |
5 | 顯影 工具:顯影劑、量杯、小盆子 | 去除轉印媒介 工具:手指、牙刷、小盆子 |
6 | 蝕刻 註:蝕刻後留在銅箔上的光阻不須去除就能焊接零件 | 同左 註:蝕刻後留在銅箔上的碳粉必須以丙酮擦拭去除才能焊接零件 |
由上表可知兩種做法所花的時間差不多。以下再對各個步驟詳細說明。
Layout 的方法及軟體 不是本文的重點,請自行研究。
我個人目前使用 FreePCB (http://www.freepcb.com/) 這個免費軟體,他的特色是:
1. 軟體的體積小,執行速度快。
2. 操作簡單,很快就能夠上手。
缺點是:
1. 還在開發階段,有一些小 bug,截至 2009/12 月,最穩定的版本為 1.354。
2. 缺乏整合式的列印介面,使用者須將 Layout 輸出為圖檔或另外安裝 Gerber Viewer 再列印。
本文所要製作及測試的圖形如下, [ 原圖下載 ] ,請以 1200dpi列印,建議讀者印出來看才有實際的感覺,因為為了方便解說,後面的圖片看起來都比實際的大。
測試圖形的的格點彼此相距 100mil = 2.54mm,焊墊直徑為 60mil = 1.524mm,最小線寬為 8mil = 0.203mm,佈線定位點 (Routing Grid) 為 25mil,即每條電路的中心線相距 25mil,所以線與線最小的距離 (LINE 8,9 之間)為 25-(15+20)/2 = 7.5mil = 0.191mm。因為粗線有較多的碳粉量,所以特別把最粗的兩條線擺在一起,用來檢視融化的碳粉是否容易受到壓力往兩側流動而造成橋接,同理,J2 也是用來檢視線路與墊是否會橋接。以業餘製作的觀點來看,這個測試的規格應該是很嚴格的。
首先要注意的是列印出來的圖必須是原來 Layout 的鏡影圖,如此,在轉印以後,才會是原來的 Layout。例如 原來的英文字母 『b』,鏡影為 『d』。
印製轉印稿自然以雷射印表機為首選,掌握的重點是尺寸精確度、清晰度、墨色濃淡及均勻性。
如果沒有雷射印表機,那麼可以使用噴墨印表機列印,然後再拿到影印機影印。
以上所提的,是以感光法或碳粉熱轉印法製作電路板都必須經歷的步驟以及重點。接下來,才是碳粉熱轉印法相關的步驟與重點。
前面提到碳粉黏附的問題,所以轉印稿所使用的紙張就是製作關鍵之一,但是這個部分留到後面再一併詳述。
首先是裁切適當大小的裸銅板,切割下來的裸銅板邊緣,銅箔通常會翹起來,會使轉印稿無法平貼裸銅板,所以要使用細砂紙磨掉或用銳利的刀子削去。
裸銅板上如果有嚴重的刮痕也要特別注意(用指腹摸起來有感覺稱為嚴重),因為刮痕通常是中間凹下去,兩側凸起來,也會使得轉印稿無法平貼裸銅板,造成跨越刮痕的線路斷線。
裸銅板上面如果有氧化物或油漬,可能會擋住蝕刻液進行蝕刻,容易造成線路橋接。一般來說,使用菜瓜布應該就可以去除,但千萬不要使用帶有沙粒的菜瓜布,這會把裸銅板刮壞,如果要用砂紙一定要選用最細的砂紙。
全新的裸銅板一樣要用菜瓜布刷過,因為它的表面太過光滑,融化的碳粉雖然可以附著,但附著力不佳。
刷好以後的板子,目視應該是佈滿細小刮痕,但摸起來平整順手。
接著用清潔劑洗去指痕油漬,擦乾,最後用酒精擦拭確保完全沒有油膜。清潔好的板子要儘量避免再用手指碰觸到銅箔面。
照片 1:在 Junk Box 找到一塊略小的裸銅板,稍微轉個角度剛好可以把測試電路塞進去。板子上有一些輕微的刮痕,但不影響製作。 |
最簡單的辦法是將轉印稿的一邊反折起來,把裸銅板沿著摺痕對齊,在背後貼膠帶固定,如下圖。
我個人則習慣在轉印稿沒有線路的幾個地方點上很少量的膠水,然後直接把裸銅板貼上去。
我所使用的工具是蒸氣熨斗,使用前把水排掉,並預熱把殘餘的水汽排掉。
除了熨斗以外,網路上有不少文章介紹使用護背機來轉印,但是大量閱讀網路文章以後就會發現只是幾份相同的文章過度轉貼,由許多留言板、討論區看到的回饋也顯示失敗率很高。此外,有圖有真相的文章,幾乎都是用熨斗。因為我自己都是用熨斗,所以對於護背機,我只能說:態度保留、不予置評。
熨燙是相當關鍵以及需要經驗的步驟,因為熨燙的手法要依據碳粉跟紙張的特性做調整,才能獲得精美的轉印。注意電路板的邊邊角角也要均勻熨燙。
碳粉的變因
各種廠牌印表機、影印機的碳粉附著量、碳粉顆粒大小、融化溫度、黏附性都不盡相同,我的建議是盡量少變換列印設備。
紙張與熨燙溫度的關係以及手法
1. 一般影印紙:一般影印紙的表面比較粗糙,纖維比較粗比較長,融化的碳粉會有點融滲進紙纖維中,所以比較不會因為壓力而往旁邊流動。使用一般影印紙可以把溫度調高一些(綿~麻),熨斗剛下去的不用急著移動,停個十幾秒,然後緩慢移動,可以用點力氣施壓。熨燙時間約 5~10 分鐘。
因為整個過程不會很趕,也不怕用力過猛,所以一般影印紙其實還蠻適合初學者製作線路間距不會太小的電路。
2. 光面紙:單面或雙面光滑的紙張,例如銅版紙或蠟光紙。我所使用的光面紙其實就是過期雜誌的內頁,紙張厚度比影印紙稍微薄一些,紙張上的印刷油墨並不會因為加熱而轉印到裸銅板,每次要做電路板就撕下一張來用,非常方便。
相較於影印紙,碳粉對光面紙的附著力稍差,也不太會滲進纖維,比較容易轉印,所以熨燙的時間較短,約一分半鐘,溫度也可以稍微低一點,以我的熨斗而言,我是調在標誌著蒸氣的位置,大約是羊毛的溫度。
3. 離型紙(貼紙的底紙):所謂離型紙就是黏附貼紙,當貼紙撕掉,剩下來的黃色或白色底紙。碳粉對這種紙的黏附能力很差,所以會全部轉印到裸銅板。我個人沒有用過這種紙做熱轉印,推測手法如下:熨燙的手腳要快,約 30 秒 ~ 1 分鐘,溫度與光面紙轉印相同或略低,基本上以熨斗重量產生的壓力就足夠。使用離型紙如果能保持紙張不移位,轉印後可以緩慢小心將離型紙掀起,如果看到哪裡沒有轉印好,還可以蓋回去再補燙一下。
照片 3:將熨燙之後的板子放到水中浸濕,圖形隱約可見。 |
照片 4:用指頭把紙搓掉,中間線路密集區用指頭不容易搓乾淨。 |
照片 5:用牙刷做細部刷洗,中間線路密集區已經清晰可見,但是...(詳見內文)。 |
照片 6:搓洗完成的電路板,部分線路還濕濕的,看起來是黑的,部分已經乾燥,看起來是灰色的。仔細檢查,完全沒有斷路和橋接。從照片 6(含) 開始,都是以光面紙做為轉印媒介所做出來的電路板。 |
將轉印好的裸銅板泡到水裡 1 至 2 分鐘,然後在水中用手指輕搓紙背,將濕掉的紙纖維搓掉,將濕軟的紙撕掉,大區域的紙掉得差不多了,就可以用牙刷刷洗,融化的碳粉會將紙纖維膠結,所以邊緣會有纖維毛邊,不過沒關係,只要確認線路與線路之間的沒有整塊的紙擋住,將來蝕刻液可以到達這個區域即可。
搓洗以及刷洗的力道不需要太輕柔,因為良好的熱轉印並不是那麼容易被刷掉的。
從開始製作到照片 5 為止,是以一般影印紙製作,圖形都正常,沒有橋接也沒有斷線,已經可以準備蝕刻了。拍完照以後,老是覺得有一些毛邊看了不舒服(其實是希望下一張照片能夠拍得漂漂亮亮的),所以後續又很用力多搓了一會兒。有多用力呢?就像是要把貼紙的殘膠搓乾淨那麼用力,結果 8mil 的細線硬是被我搓斷掉了 0.5mm 左右。只好重做,重做時改用光面紙,幾乎沒有毛邊。
由上面這個小插曲,你應該可以體會搓洗、刷洗力道的極限在哪裡。
刷洗完畢,將電路板擦乾,隨著水分乾掉,轉印過去的圖案會由黑變灰,這是因為紙纖維膠結在上面,光線反射回來的緣故(照片 6)。仔細檢查線路有無斷路、橋接,可以使用銳利的小刀或針尖小心的將橋接處的碳粉刮除,斷路的地方可以用油性筆補上,線如果密集又細,可能就沒辦法補,只能最後焊接跳線。如果斷路或橋接太多,就應該將碳粉去掉,重新做一次。
去除碳粉最簡單的方法是用棉花或衛生紙沾丙酮擦拭,也可以使用去除指甲油的『去光水』,因為它的主要成分就是丙酮。
至此,再比較一下使用一般影印紙與光面紙的不同。
因為熱轉印的機制是加熱讓碳粉融化,冷卻以後使銅板、碳粉、紙纖維三者膠結在一起,所以:
碳粉熱轉印的方法到上面已經介紹完畢,但要把蝕刻做完,測試才算完整。
蝕刻銅板的蝕刻液其實有很多種,一般 DIY 普遍使用氯化鐵溶液,因為它不是強酸,比較安全。有的人喜歡用鹽酸加雙氧水,也有人用製備氯化銅 CuCl2 溶液,在蝕刻電路板以後,還可以用空氣(其實是利用空氣中的氧氣)還原再生重複使用,有興趣的人可以參考 Etching with Air Regenerated Acid Cupric Chloride。
大部分的文章說氯化鐵的反應速率不快,要將氯化鐵溶液隔水溫熱來提昇反應速率,然後把電路板泡完全浸泡在氯化鐵溶液中,不斷搖晃,因為氯化鐵溶液很難透光,看不到蝕刻進度,所以要不時把電路板撈起來看一看,避免過度蝕刻。電子材料行還有銷售專用的蝕刻槽,可以控溫並且有幫浦打氣泡擾動蝕刻液,但是對偶爾洗電路板的人來說,這並不經濟而且保養清洗還真是麻煩。
照片 7:橡皮筋綁住兩根竹籤,竹籤夾住海綿來回擦洗,請注意我只用了很少量的氯化鐵,盒子的一端還別墊高才方便沾擦。圖中下半部的銅箔已經蝕刻乾淨,注意電路板的左下角只積了一點點氯化鐵溶液,但是已經遮住電路了。電路板如果整個泡在氯化鐵溶液中,根本無法觀察蝕刻進度。 |
其實氯化鐵還原銅的反應速率並不算慢,會讓反應變慢的主要原因是反應的生成物擋住了未反應的銅,所以我的做法是用海綿來回擦洗,用曬衣夾夾住電路板的一邊,先洗完一半,沖洗,再洗另外一半。這樣做好像花了兩倍時間,其實不然,而且好處多多
照片 8 |
蝕刻完畢,用丙酮把碳粉擦掉,完成的板子如照片 8,除了遷就板子不夠大,線路是斜的以外,似乎沒什麼好挑剔的。用電錶量一量,該導通的都有導通,該絕緣的都有絕緣,證明了碳粉熱轉印法至少可以做到 8mil 的細線及間距。從頭到尾跟在身旁觀看製作過程的兩個女兒也直呼:『爸爸好厲害!』而且已經拿起筆開始畫娃娃,要求我幫她們做銅版畫,心中真是飄飄然。
後來我把轉印稿、電路板拿到掃描器以 1200dpi 解析度掃描,再和 Layout 圖檔比較 (圖檔也是 1200dpi),果然發現許多有趣的現象。請看照片 9,是線路密集區的比較圖,最上面是一般印表紙,再來是光面紙、接著是電路板線最細以及最粗的地方。
線寬 | 理論色點數目 | 圖檔中的色點數目 |
8 mil | 9.6 | 10.5 |
10 mil | 12 | 13 |
12 mil | 14.4 | 15.5 |
15 mil | 18 | 19 |
20 mil | 24 | 25 |
214 mil | 256.6 | 258 |
照片 9:最上面是一般印表紙,再來是光面紙、接著是電路板線最細以及最粗的地方,用掃描器以 1200dpi 解析度掃描,中間黑白鮮明的線段,是原始 LAYOUT 圖檔,用來做為比較的尺規 |
照片 10:注意焊墊與線路連接處,有縮小的現象。 |
另外我特別觀察到有幾個焊墊與線路連接處,有縮小的現象 (照片 10),我相當確定這並不是熱轉印所造成的。這也說明有些商用 Layout 軟體在最後出圖的時候,會把焊墊的形狀由圓形修改為水滴型,而細線轉彎的時候嚴禁轉 90 度角,只能轉 45 度角,看來確實是有根據的。
業餘製作如果以 25mil 為最小的佈線間距 (Routing Grid),線寬以 12~15mil 比較保險,焊墊直徑放大到 65 mil 也還算安全。
從這次的測試,可知碳粉熱轉印法可以做到細線寬及窄間距的需求。如果一年才洗一次板子,建議使用感光板,因為碳粉熱轉印法確實需要累積經驗及手感。如果經常或偶爾會洗電路板,碳粉熱轉印法的確有低成本的優點,製作速度也不會比感光板慢,值得推薦。首次接觸的人先花幾個小時的時間,反覆練習轉印,適度調整一下手法,就可以做到不錯的轉印。老實說,我很少聽到經常做熱轉印的人說這個方法不好,倒是常看到只有轉印一兩次經驗的人抱怨失敗率高、耗工費時等等。所以,洗感光板好還是碳粉熱轉印好?就由讀者自行判斷了。