Last update : Dec 07, 2009
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碳粉熱轉印法 (Toner Transfer) 製作 PCB
製作方法介紹及能力測試


前言

    喜歡 DIY 的人多多少少都有過自製電路板的經驗,我對自製的電路要求的重點是:功能正常、製作快速、方便修改,通常不太考量美觀以及量產,所以很習慣以萬用板(洞洞板)製作。如果電路比較複雜或是雜誌、網路上已經提供了現成的 Layout,才會考慮買感光板來洗電路板,因此洗電路板的頻率並不高,而 DIY 的電路通常也會不複雜到用掉一整塊感光板,所以用剩的感光板擺著擺著就過期了(光阻的感光能力有一定的期限)。

    有一年春節期間,正好想要洗板子,這個時候電料行歇業,買不到新的感光板,只能翻出過期的板子試試看。因為是過期的板子,第一次我用 2 倍的曝光時間來試,結果很明顯的曝光不良,第二次用了 4 倍的曝光時間,有改善,但還是有局部曝光不良,實在是令人沮喪。後來上網尋找替代方案,發現了熱轉印的方法,隨手拿起一張不要的影印文件來轉印,結果一試成主顧,只能說千金難買早知道!

    本文除了介紹碳粉熱轉印法製作 PCB 的步驟以及經驗,順便測試自己能做到多小的線寬及間距。


碳粉熱轉印的原理

    雷射印表機或影印機的原理並不複雜,詳細的機構與說明可參考維基百科 (Xerography) 或其他網路資源,基本上就是將光學掃描或列印的訊號,在充電鼓(感光鼓)上轉換成相對應的負靜電場,碳粉匣內的碳粉(正電荷)受到負靜電的吸引附著在充電鼓(感光鼓)上,然後紙張被施予更強的負電場將碳粉從充電鼓(感光鼓)吸附過來,最後紙張通過加熱及加壓的滾軸,使紙張上的碳粉融化並黏著於紙張。

    所謂的碳粉 (Toner) 其實是幾種聚合物微粒混合在一起,一般是聚脂以及含有聚苯乙烯結構的聚合物,更簡單的說,就是極細微的塑膠粉。如果將碳粉再加熱融化,壓迫在裸銅板上,冷卻以後,裸銅板、碳粉與紙纖維就膠結在一起,又因為塑膠對酸鹼具有某種程度的抵抗能力,所以可以作為腐蝕電路板的遮罩。

    了解原理以後,製作過程的主要關鍵就很清楚了,那就是溫度、施加的壓力以及碳粉對紙張以及電路板的黏附性,因為每個人所用的碳粉以及紙張都不相同,所以只能做原則性的說明而難以提供人人適用參數值,總之個人的經驗很重要,但也不是很困難。


製作流程比較

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
時間:6~10分鐘
做法:將原稿放在感光板上,再用玻璃板壓在原稿上,使原稿緊貼感光板,置於日光燈下10~20公分曝光

熱轉印

工具:熨斗
時間:30秒~5分鐘,依照紙張材質及電路板大小而定
做法:將轉印稿固定於裸銅板上,以熨斗來回熨燙

5 顯影

工具:顯影劑、量杯、小盆子
時間:顯影時間約 1 分鐘,另外需要事先調製、溶解顯影劑
做法:將感光板浸入顯影液,搖晃感光板,使曝光的光阻變色,溶解於顯影液中

去除轉印媒介

工具:手指、牙刷、小盆子
時間:3~5分鐘
做法:將電路板放入水中浸濕,以手指將轉印紙搓掉,再用牙刷刷洗細部

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。


將線路圖轉成 Layout

    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。

Fig 01


印製轉印稿

    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。

  1. 初次製作的人一定要確認印表機水平及垂直方向輸出尺寸的精確度,尺寸如果誤差過大,有些零件會無法安裝,特別是腳數較多的 IC 或腳座。以目前的工業水準,通常不會有這種問題,如果電腦安裝的並非同一型號印表機專用的驅動軟體,這種問題確實有可能發生。

  2. 盡量以最高解析度列印,使細線以及窄間距都能清晰表現。

  3. 如果是列印圖檔,要注意原圖的 DPI 設定與印表機的列印解析度搭配,必要時使用圖片處理軟體放大或縮小原圖,總之就是讓列印出來的尺寸精確。

  4. 注意列印出來的墨色是否過淡、是否均勻,當碳粉快要用完的時候特別有這些問題。

    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。

  1. 為了克服墨水在紙上滲透產生的毛邊現象,列印的時候可以先放大為 2 倍或 3 倍列印,影印的時候再縮小還原回來。

  2. 特別注意影印機的掃描窗有無髒污,墨色濃淡設定要適中,輸出轉印稿的背景色不能有淡淡的灰影,也不能有雜斑使線路橋接。

    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。


清潔裸銅板

    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。

Fig 02

    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,熱轉印的時候容易在刮痕兩側成斷線。

    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,因為全新的裸銅板表面太過光滑,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。

Pic 01 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。



將轉印稿固定於裸銅板

    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。

Fig 03

    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。


熨燙熱轉印

    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。

Pic 02

    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。


泡水、搓掉、刷掉紙張

Pic 03 照片 3:將熨燙之後的板子放到水中浸濕,圖形隱約可見。
 
Pic 04 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。
 
Pic 05 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)。
 
Pic 06 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,橋接可以銳利的小刀或針尖將橋接處小心刮除,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,去除指甲油的『去光水』也可以用,因為去光水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:

  1. 一般影印紙的纖維比較粗、比較長、纖維彼此間空隙多,融化的碳粉傾向融滲在纖維彼此間的空隙,比較不會到處流動,所以轉印過去的圖形其實相當漂亮,也不太會變形。熨燙時多加點壓力,以確保碳粉與裸銅板接觸膠結。但是如果電路間距相當小,比較長的纖維可能會膠結在兩條相鄰的電路,在搓刷的時候,纖維容易受力拉扯,結果反而將膠結處扯鬆甚至扯掉,因而造成斷線。

  2. 光面紙的纖維比較細、比較短、纖維比較緻密,融化的碳粉不容易融滲進纖維之間的空隙,熨燙時過多的壓力以及時間容易使融化的碳粉受擠壓往兩側流動,熨燙的經驗以及手感很重要。然而光面紙在搓洗的時候就容易多了。

  3. 如果找得到纖維又細、又短、結構稀疏的紙張,碳粉熱轉印法製作細線寬,小間距的成功率應該會大大提昇。

  4. 離型紙沒有纖維膠結的問題,轉印以後為黑色的圖形,應該適合用來轉印 Silk Screen (零件標示面)。


蝕刻

    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。

Pic 07
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

  1. 使用適量的蝕刻液就足以完成工作。不必為了洗大板子而使用大的容器盛裝蝕刻液。

  2. 容易觀察蝕刻狀況,方便控制局部區域的蝕刻狀況,例如電路密集區的反應生成物比較不容易被帶走,就可以局部加強擦洗。大幅減低過度蝕刻及蝕刻不良的問題

  3. 不用加溫,不用搖晃,蝕刻速度快。

  4. 不用戴手套把電路板撈出來,完全不會沾到手。(基本上還是建議戴手套做基本安全防護)。


測試板的結果分析與進一步探討

Pic 08
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。

  1. Layout 輸出的圖檔就有誤差:仔細算算每條線路的色點數,赫然發現原來圖檔就有誤差,見下表。表中『圖檔中的色點數目』的 10.5 是表示 10 個純黑的點加一個灰色點。最後一列 214mil 是最細的線到最粗的線的距離。由這些數值看來,平均都與理論值差了一個色點,推測這個軟體的運算邏輯是以每個物件的中心點位置做運算,然後才運算每個物件的長寬,所以由 Layout 轉圖檔的時候,線寬容易不準,但物件位置基本上是準確的。

    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

  2. 印表機列印效果不錯:最上面的一般影印紙,列印結果與圖檔完全相同,第二個圖光面紙,輸出結果也差不多,但是 20mil 那條線明顯比較細,原因不得而知。此外,兩張紙上面都可以看到規律的格點,可能是印表機上某個滾軸造成的,但不影響製作轉印板。

    Pic 09
    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

  3. 紙張的差異:明顯看得出來影印紙比較粗糙,線與線之間顏色比較深,線的邊緣比較不平整,線上面有一些大的白點,光面紙上面的線條就比較好看一些。

  4. 看得出來過度蝕刻的結果:在進行蝕刻的時候,這 9 條線擠在一起,實在很難看清楚中間的銅箔有沒有蝕刻乾淨,所以特別加強用海綿擦洗,變成局部過度蝕刻。最細的線大約剩 4mil 左右,正常的部分則跟光面紙轉印稿相近。由此可知這次熱轉印的失真應該很小。

  5. 菜瓜布的刮痕在掃描後看起來很可怕,不過不影響製作。

Pic 10 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。


洗感光板好還是碳粉熱轉印好?

    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。



BV3FG / Robert Suen