В качестве исполнительного устройства терморегулятора применяются электрогрелки, на которые ставятся кюветы с растворами. Мощность таких грелок порядка 65 Вт, чего вполне достаточно для поддержания температуры в кюветах.
Поэтому для электробезопасности применяется разделительный трансформатор мощностью 300 Вт 220 В / 4*220 В (четыре раздельные обмотки, каждая для своего регулятора). В этом случае вся схема регулятора гальванически развязана от сети и гальваническая связь датчика с питающим терморегулятор напряжением значения не имеет.
Итак, к списку оборудования добавляется 5 кювет (одна для промывки в проточной воде) 24*30 см, 4 терморегулятора с пропорциональным регулированием, 4 нагревателя (грелки ©) и разделительный трансформатор 300 Вт 220 В / 4*220 В.
Обработка фотоматериалов проводится при неактиничном освещении. Также при неактиничном освещении проводятся работы с фоторезистами. Поэтому для обоих видов работ целесообразно использовать один и тот же источник освещения, являющегося неактиничным как для фототехнических пленок и пластинок, так и фоторезиста.
Таким источником является фотофонарь со светофильтром красного цвета из стекла, окрашенного в массе (желатиновое покрытие со временем имеет свойство трескаться и пропускать через трещины актиничное освещение, что приводит к появлению вуали). Итак, плюс единица оборудования – фотофонарь. Для обработки фототехнической пленки ФТ-41П используются следующие растворы [9].
- Проявляющий раствор ФТ-2.
- Метол – 5,0 г.
- Гидрохинон – 6,0 г.
- Сульфит натрия (безводный) – 40,0 г.
- Калий углекислый (поташ) – 40,0 г.
- Калий бромистый – 6,0 г.
- Вода – до 1 л.
- Температура – 20°С, продолжительность проявления – 2-3 минуты.
- Стоп ванна.
- Кислота уксусная 1 -2%.
- Температура – 20°С, продолжительность обработки – 10-20 секунд
- Фиксирующий раствор (для фототехнических пленок).
- Тиосульфат натрия (кристаллический) – 250,0 г.
- Сульфит натрия (безводный) – 20,0 г.
- Кислота серная (концентрированная) – 2,0 мл.
- Вода – до 1 л.
- Температура – 20°С, продолжительность фиксирования – 10-15 минут.
Для приготовления растворов необходимы весы до 50 г с набором разновесов (до 10 мг).
Все растворы для обработки фотоматериалов рекомендуется делать на дистиллированной воде, также дистиллированная вода используется для финишной промывки. Кроме этого, и все прочие растворы рекомендуется выполнять, используя дистиллированную воду.
Таким образом, дистиллированная вода активно используется, в том числе и как расходный материал. Отсюда – необходимость в дистилляторе. Необходима также мерная посуда как для измерения относительно малых (до 10 мл) объемов, так и для измерения «стандартного» объема 1 л, который приводится в рецептурах.
Приготовленные растворы следует хранить в доверху закрытых герметичных емкостях при низкой температуре Но. если растворы для обработки фотоматериалов используются в течение короткого времени (и для этого условия хранения при низкой температуре не так важны, то вот сами фотоматериалы, а также фоторезист и заготовки с нанесенным фоторезистом настоятельно рекомендуется хранить при низкой (около +4°С) температуре в герметично закрытых контейнерах (в крайнем случае, пакетах), доставая только действительно необходимое количество непосредственно перед использованием (конечно, дав прогреться до «рабочей» температуры). Отсюда – необходимость холодильника (как правило, достаточно даже маленького, объемом в 20 л).
Для экспонирования фотоматериалов необходим софит, который на достаточном удалении может рассматриваться как точечный источник света (контактная печать к «точечности» такого источника не слишком критична), при этом расстояние от центра этого источника до центра и краев рамы, а также косинус угла падения отличаются незначительно. Это важно для по лучения оптимальной экспозиции как с точки зрения максимальной оптической плотности, так и плотности вуали. При этом, чем дальше будет софит от копировальной рамы, тем равномернее будет экспозиция по полю будущего фотошаблона.
Итак, софит. Для повторяемости полученных результатов и целенаправленной коррекции экспозиции необходимо реле времени с диапазоном выдержки от 0,1 секунды до нескольких десятков секунд. При использовании этого реле времени для фотолитографических процессов диапазон может увеличиваться до нескольких десятков минут (в зависимости от вида и состава фоторезиста).
Как правило, однажды найденная оптимальная экспозиция не будет сильно меняться при однотипных оригиналах, пленке из одной партии и фоторезиста одного и того же состава, поэтому удобство изменения выдержки не столь важно (в том числе и с помощью декадных переключателей). В этом случае можно использовать либо два раздельных реле промышленного образца с задатчиком на декадных переключателях (например, ВЛ-47 (1-999 секунд)) или же изготовить самостоятельно.
Поскольку обработка фотоматериалов (впрочем, и фоторезиста) происходит при неактиничном освещении, то отслеживать «боковым зрением» длительность того или иного процесса затруднительно. Лучше, если об окончании того или иного процесса будет напоминать звуковым сигналом таймер с диапазоном выдержек 10-999 секунд, в том числе и на базе реле времени ВЛ-47. Теперь переходим к стадии изготовительной, а именно, к заготовительному этапу.
Получение заготовок
Фольгированные материалы выпускаются в листах, размеры которых намного превосходят размеры плат. Поэтому самая первая стадия — это раскрой листа на заготовки, которые могут быть обработанными в имеющемся оборудовании. Исходя из оговоренного выше возможного размера фотошаблона 297*210 мм (формат А4) габариты заготовки (в том числе и групповой) должны ненамного превосходить его. (Кстати, оптимизация раскроя листа на заготовки — это еще одна задача подготовительного этапа.)
Практикой установлено, что для большинства технологических целей достаточен припуск 10-15 мм на сторону, т.е., габариты заготовки на 20-30 мм превышают габариты платы (или группы плат при групповом изготовлении). Вне зависимости от конфигурации платы заготовка для платы (или группы плат) будет иметь прямоугольную форму, поэтому при раскрое листа на заготовки достаточно иметь прямой рез «от края до края».
В условиях единичного/мелкосерийного производства такой рез может быть получен резцом (с последующим разламыванием фольгированного материала), лобзиком (в том числе, электрическим), горизонтально-фрезерным станком (в режиме «циркулярки»), вертикально-фрезерным станком (пальчиковой фрезой) или ножницами, роликовыми или рычажными. Представляется наиболее целесообразным использовать рычажные ножницы со сменными ножами, изготовленными из стали У-8. У-10, ХВГ, калеными до 61 -64 HRC.
В конструкции автора применены такие ножи, при этом путем последовательных переворотов можно в качестве режущих использовать все 4 ребра каждого ножа, прежде чем возникнет необходимость их последующей заточки на плоскошлифовальном станке. Итак, следующая единица оборудования: рычажные ножницы.
После разделения листа на части следует притупить острые кромки и углы полученных заготовок, для чего удобно использовать заточной станок. В другое время он используется для заточки сверл (и использованием приспособления, позволяющего выдерживать заданный угол заточки) с помощью заточного круга с мелким зерном и последующей правкой с помощью алмазного круга.
Итак, заточной станок. (Впрочем, притупление кромок и углов можно выполнить и с помощью приспособления для установки абразивного камня в шпиндель сверлильного станка, только, конечно, не того, которым сверлятся монтажные и переходные отверстия в платах, тот жалко для таких целей использовать.) При этом образуется мелкодисперсная абразивная пыль, поэтому эту операцию следует выполнять в респираторе или марлевой маске (желательно влажной), а к рабочей зоне подвести всасывающее сопло пылесоса.
Отсюда: пылесос, причем обязательно с пылосборным мешком, который следует увлажнить перед работой. По кондуктору (зачем кондуктор – будет показано ниже) сверлятся технологические отверстия в заготовках по 2 с каждой стороны. Эти отверстия используются для подвешивания заготовок при всех последующих операциях, в том числе и при нанесении и сушке фоторезиста, а также для закрепления токоподводов при гальванических процессах.
При сверловке также следует подвести всасывающее сопло пылесоса в рабочую зону, и также эту операцию выполнять в респираторе или маске. Теперь переходим к собственно изготовительной стадии. Хотя описанная здесь подготовка могла бы быть отнесена к подготовительной стадии, но она повторяется не только при первоначальной подготовке, а включена во многие технологические процессы, так что логичнее было бы вынести ее из заготовительного этапа.
Подготовка поверхности фольги. Обезжиривание
Для обеспечения отсутствия дефектов при всех последующих операциях необходимо выполнить подготовку поверхности фольги для обеспечения адгезии к покрытиям и смачивания в растворах по всей поверхности заготовки. Поверхность фольгированного материала часто бывает преднамеренно покрыта ингибиторной пленкой, или же непреднамеренно – окислами, да и просто механическими загрязнениями, которые абсолютно необходимо удалить.
Кроме этого, поверхность фольги в состоянии поставки весьма гладкая, что может вызвать недостаточную адгезию. В [3] упоминается как о химической, так и о механической подготовке поверхности фольги и оборудовании, и материалах для этого, также, как и в (4], многие из которых могут быть недоступны. Тем не менее, для неортодоксального платостроителя многие операции можно опустить, а оборудование упростить без потери качества.
Итак, нарезанные заготовки следует прежде всего обезжирить (чтобы жировые остатки не разносились далее по процессу).
Обезжиривание
Обезжиривание производится в вертикальной ванне из коррозионностойкой стали (желательно 12Х18Н10Т) габаритами 250*350*50 мм в составе:
- Едкий натр – 10-15 г/л.
- Натрий углекислый – 20-25 г/л.
- Тринатрийфосфат – 20-30 г/л.
- Температура ванны – 80-90°С, продолжительность обработки – 1-2 минуты.
Нагреватели удобно прикрепить к боковым стенкам ванны. При такой конструкции (особенно, если снаружи нагреватели термоизолировать с помощью любого минерального утеплителя и закрыть кожухом) минимизируются как потери тепла через боковые стенки и зеркало ванны, так и испарение раствора. Отсюда необходимость в ванне с подогревом.
В качестве регулятора температуры можно использовать как уже упомянутые терморегуляторы с пропорциональным регулированием, а также любые регуляторы с позиционным регулированием (автор использовал ТРМ-Щ с датчиком ТСП-100, которые в другое время используются в других процессах), т.к. особых требований к точности поддержания температуры нет.
После обезжиривания следует промывка в горячей воде 5-10 минут в такой же ванне. Таким образом, подобных ванн нужно 2. В связи с особой опасностью (высокая влажность и высокая температура) нагреватель выполняется низковольтным (12 В) и запитывается через понижающий трансформатор. Нагреватели выполняются непосредственно на самой ванне.
Боковые поверхности ванны обматываются слоем стеклоткани 0.5 1 мм. после чего на стеклоткань с натягом наматывается нихромовая проволока диаметром 0,5-0,8 мм (применения более толстой проволоки следует избегать, так как ухудшается соотношение объем/площадь поверхности) с зазором между витками, исключающим в дальнейшем сползание витков и их замыкание.
Общая мощность нагревателя вполне достаточна порядка 300 Вт благодаря хорошей термоизоляции самой ванны и стационарному процессу. Задавшись плотностью тока 3 А/кв.мм (для проволоки диаметром 0.8 мм это около 1,5 А) определяется длина намотки 12-вольтовой секции (соответственно около 3,5 метра) и количество секций (18).
Намотанные секции так же туго обматываются стеклотканевой лентой, после чего выводы секций соединяются параллельно (лучше всего сваркой [7]) и с надетыми «бусинами» керамической изоляции выводятся для подключения питания или присоединяются непосредственно к термостойкому проводу (например, марки ТМ-250). Поверх стеклоткани укладывается утеплитель – минеральная вата, стекловата, различные плитные утеплители.
Если нагревостойкость такого утеплителя неизвестна, то перед его укладкой поверх слоя стеклоткани укладывается асбест 6-8 мм, а утеплитель – поверх асбеста. Уложенный утеплитель снова обматывается слоем стеклоткани (только на этот раз не так туго – чтобы не уменьшить находящийся в утеплителе объем воздуха) и закрывается кожухом из пищевой жести. Следует напомнить, что ток такого нагревателя будет порядка 25-30 А (важно иметь в виду при изготовлении трансформатора).
Теплопотери такой ванны и мощность нагревателя зависят от конкретного исполнения, но 300 Вт будет заведомо достаточно для поддержания необходимой температуры. Однако при желании можно и отказаться от регуляторов вообще и упростить конструкцию и уменьшить мощность трансформатора. Для этого такой нагреватель (естественно, при заполненной ванне) подключается к трансформатору, который, в свою очередь, подключается к сети через ЛАТР и находится такое напряжение вторичной обмотки, которое обеспечивает стационарную температуру ванны около 85 °С при номинальном напряжении сети и нормальных комнатных условиях (20°С).
Исходя из этого и рассчитывается (или подбирается) необходимый трансформатор. При этом ток нагревателя (а соответственно, и вторичной обмотки) может быть существенно ниже. Первичная обмотка имеет дополнительный отводы на ±5% и ±10% для компенсации как изменения сетевого напряжения, так и окружающей температуры. Эти дополнительные усилия с лихвой окупаются за счет снижения мощности (а значит, удешевления) понижающих трансформаторов, а самое главное, за счет исключения терморегулятора и как дорогостоящего прибора, так и источника ненадежности.
После промывки в горячей воде (2-3 минуты) следует промывка в проточной холодной воде в винипластовой ванне такого же габарита, т.е, 250*350*50 мм (внутренние размеры) в течение 3-5 минут. Указанные размеры ванны примем за основные для унификации размеров (если не будет необходимости в иных). При обезжиривании заготовки опускаются в ванны на подвесах, продетых в уже просверленные технологические отверстия.
Для многих процессов справедливо правило, что скорость их протекания находится в прямой связи со скоростью обмена в зоне реакции. Для интенсификации таких процессов необходимо каким-то образом интенсифицировать обмен в зоне реакции. Для процессов обезжиривания и промывки важна еще и механическая составляющая реакции. «По науке» интенсификация производится с помощью наложения ультразвука.
Но в «кухонных» условиях создание достаточно мощных УЗ генераторов, а самое главное, излучателей, представляется проблематичным, поэтому в качестве паллиативного решения можно предложить вибрацию заготовок в растворах. Для этого заготовки с помощью установленных в технологические отверстия подвесов вешаются на горизонтальную штангу, которая механически соединена с коромыслом электромагнитного пускателя, закрепленного над ванной в перевернутом положении.
Для использования в качестве вибратора пускатель дорабатывается. Автор использовал магнитный пускатель SRC3631-02 (Fuji Electric Co. Ltd) на напряжение 200/220 В 50/60 Гц с вышедшими из строя контактами (они в данном случае не используются). Неподвижные контакты были удалены, а к коромыслу, приводящему в движение подвижные контакты, прикреплена тяга, соединяющаяся с горизонтальной штангой, на которую подвешена с помощью подвесов заготовка.
Для увеличения вибрации короткозамыкающие кольца на стержнях магнитопровода удалены, а на катушку подано напряжение порядка 80 В 50 Гц (точное значение напряжения подбирается для получения максимальной амплитуды вибрации коромысла (и всего, что с ним связано). Можно было бы применить ключ, коммутирующий 100 В постоянного тока на катушку с максимальной частотой, при которой происходит полное втягивание (и, соответственно, отпускание) сердечника, но это дополнительное усложнение.
Можно было бы собрать на 2-х пускателях мультивибратор, однако для этого необходимо, чтобы каждый из них имел как нормально замкнутые, так и нормально разомкнутые контакты (причем исправные!), которые будут интенсивно разрушаться от работы на индуктивную нагрузку, и к тому же такая схема будет создавать интенсивные помехи, проникающие в сеть. Такие вибраторы желательно установить над каждой ванной. Итого, для обезжиривания необходимо три вибратора. Все операции после обезжиривания выполняются только в перчатках.
Гидроабразивная зачистка
После обезжиривания необходимо удалить ингибиторную пленку (если она была нанесена), загрязнения, окислы и т.д. и придать микрошероховатость поверхности фольги для обеспечения равномерной и надежной адгезии к покрытию, а также снять избыточную толщину фольги, полученную при металлизации сквозных отверстий (для уменьшения абсолютного значения бокового подтравливания при том же самом коэффициенте подтравливания). Все это решается путем механической и/или химической подготовкой поверхности фольги.
[info]Производственная компания “Квалитет” предлагает электроэрозионную обработку металла в Самаре по низкой цене в короткие сроки http://kvalitet-63.ru/katalog/errozionnaya-obrabotka-metalla[/info]
И в [3], и в [4] описаны технологические процессы подготовки поверхности фольги, и механической, и химической, а также оборудование и материалы для этого. Однако только химическая подготовка поверхности фольги, с одной стороны, не способна решить все перечисленные выше задачи (в чистом виде она используется только для диэлектриков с тонкомерной фольгой при полуаддитивном способе), в то время как механическая позволяет в большинстве случаев обойтись без химической (тем самым устраняя потребность в реактивах и их расход, сокращая технологический цикл, потребность в оборудовании и производственных площадях).
Однако зачистные щетки или круги из насыщенного абразивным порошком нетканого нейлона (кстати, получившие для этих целей широкое распространение). во-первых, достаточно дефицитны, во-вторых, наносят микроскопические царапины только вдоль направления вращения, в-третьих, создают мелкодисперсную медную пыль. Значительно более эффективным является гидроабразивная зачистка, которая, однако, требует специальных насосов для работы с абразивной пульпой.
Учитывая небольшие объемы производства, нет необходимости применять высокопроизводительное промышленное оборудование, а в значительной степени рассчитывать на ручную (хоть и механизированную) обработку. Так, автору удавалось получать хорошие результаты при обработке заготовок мелкой водостойкой шкуркой в среде меловой кашицы на дне горизонтально расположенной ванночки.
Для механизации процесса используется ныне широко распространенное приспособление для зачистки или установленное в патрон пневматического шуруповерта, или соединенное диэлектрическим валом (для электробезопасности) с редуктором, установленным на вал электродвигателя (который для надежности и долговечности должен быть асинхронным, а не коллекторным!), размещенным над ванночкой для обработки.
В качестве последних автор использовал электросверлилку (именно так написано на шильдике!!!) модели С-363, 3-фазную 36 В, 200 Гц 0,12 кВт, 1200 об/мин, выпуска 1964 г., Совнархоз Латвийской ССР (надежные вещи делались, однако), запитанную от преобразователя, аналогичного описанному в [11].
Меловая кашица слоем 2-3 см помещается в винипластовую ванночку размерами 500*600*70 мм (можно использовать фотографическую кювету соответствующего формата), установленную на такой высоте, чтобы нижняя поверхность приспособления была наполовину погруженной в меловую кашицу. Заготовку берут (обязательно в резиновых перчатках!) за кромки, помещают в меловую кашицу в ванночке, подводят к приспособлению, снизу прижимают к вращающейся поверхности и. прижатую, перемещают таким образом, чтобы приспособление равномерно обработало всю поверхность этой стороны заготовки.
При использовании двустороннего фольгированного диэлектрика после окончания обработки одной стороны заготовка вынимается, переворачивается и немедленно (!) погружается в ванночку, после чего процедура повторяется. Густота меловой кашицы, номер зерна водостойкой шкурки, усилие прижатия и время обработки определяется опытным путем.
Учитывая, что зачистка происходит не единовременно (а следовательно, уже обработанная сторона может подвергнуться окислению), меловую кашицу следует готовить на дистиллированной воде, чтобы хоть как-то минимизировать вредное воздействие содержащихся в воде солей.
После такой, с определенным натягом именуемой «гидроабразивной обработки» следует промывка в протонной воде. Для этого, казалось бы, можно было бы использовать винипластовую ванночку с проточной водой, используемой для промывки после обезжиривания, однако, к тому есть препятствие. Гидроабразивной обработке подвергаются не только заготовки исходного диэлектрика, но и «промежуточный продукт» – заготовки с просверленными отверстиями перед металлизацией двух- и многослойных ПП, а также с уже металлизированными отверстиями.
Абразивную массу (включая меловую кашицу) необходимо удалить (причем, как можно быстрее) не только с поверхности заготовок, но и из отверстий, для чего промывка погружением недостаточно эффективна. Поэтому для первичной промывки в проточной воде используется вертикальная винипластовая ванна размером 500*600*200 мм, в верхней части широких противоположных стенок которой (но не точно напротив друг друга!) установлены две головки для душа, в которые под давлением подается проточная вода, смывая при этом абразив с поверхности и вымывая его из отверстий. Руками в перчатках заготовку перемещают относительно головок, после чего разворачивают на 180 градусов. Продолжительность промывки составляет 2-3 минуты.
Декапирование
Как бы ни старались минимизировать вредное влияние солей, находящихся в ванне для гидроабразивной обработки, полностью избежать этого невозможно, поэтому на поверхности появятся (пусть в незначительном количестве) окислы и труднорастворимые соли.
Для их удаления промытую в проточной воде заготовку вновь подвешивают на подвесы и декапируют в серной кислоте (50 г/л) 10-15 секунд при температуре 20 25СС в вертикальной винипластовой ванночке размером 250*350*50 мм, после чего снимают с подвесов и вновь промывают 1-2 минуты струйно в проточной воде (возможно это выполнять и в предыдущей ванне), после чего вновь устанавливают на подвесы, подвешивают на коромысло вибратора и промывают в ванне с дистиллированной водой 3- 5 минут с вибрацией.
После окончания промывки заготовки подвешиваются за подвесы для стекания воды. С этого момента дальнейшая судьба заготовок различается в зависимости от последующих операций.
Перед нанесением сухого пленочного фоторезиста, «лазерно-утюжным» нанесением защитного рельефа или трафаретной печатью (сеткографией) заготовки сушатся в специальной сушилке (которая другое время используется для сушки нанесенного фоторезиста) в потоке воздуха, пропущенного через фильтр (все равно он установлен для фильтрации воздуха при сушке фоторезиста).
Перед подтравливанием диэлектрика и/или металлизацией сквозных отверстий, а также перед покрытием припоями заготовки могут или сушиться (если предполагается длительный перерыв), или не сушиться (если соответствующая операция последует незамедлительно). А вот наносить фоторезист следует только на мокрые заготовки.
