Исследование возможностей лазерно-утюжной технологии (ЛУТ) часть I

В этом исследовании я попробовал найти реальные границы применения ЛУТ-а, выяснять каковы минимальные зазоры и дорожки и определиться с лучшей бумагой для процесса. Практическая цель - достичь заветных 0.1мм, которые, как некоторые говорят, можно делать ЛУТ-ом.

Прим: все фото очень большого разрешения от 300КБ до 4МБ размером, чтобы были видны все детали. Поэтому я в текст их не вставлял, а даю ссылки на них.

Общий процесс

Я не буду вдаваться в теорию, а просто опишу на чем и чем я делаю в своей домашней обстановке.

Программа Sprint Layout, печатаю на HP LaserJet 1200 (600dpi), текстолит фольгированный толщиной 1.5мм, односторонний, утюг маленький, дорожный, травлю хлорным железом, тонер стираю растворителем 646.

До печати плату зашкуриваю шкуркой 1000 и вытираю 646-м растворителем.

Выбор бумаги

Критерии выбора бумаги:

• цена
• доступность
• хорошее покрытие тонером и его прикрепление при печати
• хороший перевод тонера на плату с бумаги
• легкость снятия с платы после переноса тонера
• покрытие (или смешивание) тонера слоем, который заделывает поры в нем.

Последний пункт требует пояснения. Суть в том, что вся технология ЛУТ держится на лазерной печати, а любая лазерная печать - на тонере, а любой тонер пригодный для ЛУТ страдает одни очень неприятным недостатком: пористостью. Из за этого происходят сильные подтравы дорожек, даже при не очень большом времени травления. А главное происходит протравливание больших поверхностей, которые покрыты тонером. Они как будь-то изъедены сверху, иногда насквозь. Фотобумага, в частности, обладает псевдо фотослоем, который может смешиваться с тонером при высоких температурах, покрывая его непробиваемой пластикообразной пленкой, которая устойчива к травильному составу. Однако, по опыту других любителей, этот слой часто также ложится плотно на плату и его тяжело отодрать, или забивается в зазоры, из-за чего маленькие зазоры становится делать или тяжело или невозможно. За границей есть коммерческое решение этой проблемы - фолька GreenTRF. Кому интересно - читайте гугль.

С самого начала я пробовал обычную офисную бумагу 80 г/м2. Ерунда полная. Не отдает тонер.

Потом делал на страницах с глянцевых журналов. Получается неплохо, но надо долго отмачивать, перенос тонера на плату не полный, тонер растекается сильно при разогреве утюгом.

Далее была матовая фото бумага "Славич" 170 г/м2. Очень дешевая. Полная неудача, бумага практически вообще не отдает тонер.

Далее глянцевая HP Premium Photo Paper 240 г/м2. Печать потрясающая на ней, но бумага прилипает к плате так, что невозможно снять.

Далее глянцевая бумага "Славич" 270 г/м2. Полная неудача, принтер не может на ней печатать как надо, тонер мажется, не держится на бумаге вообще.

Фирменная фотобумага HP матовая для струйников. Плохо переводится тонер на плату, не, тонер не покрыт ничем сверху, остается пористый.

Полуглянцевая фотобумага HP. После 30 минут отмокания снять бумагу с платы невозможно. Весь тонер покрыт белым пластиком. Отодрать можно только с тонером.

Термотрансферная бумага для стрйных принтеров для перевода на одежду. В лазерник пихать ее побоялся - больно легко плавится. Хотел заплавить аоры тонера. Полный провал.

Казалось бы все пропало. Выхода нет, пробовать тоже самое от других фирм (еще туча денег на ветер) или менять руки.

Но вот, что сказал Томас Эдисон:

"Слишком много людей ломаются, даже не подозревая о том, насколько близки к успеху они были в том момент, когда упали духом"

И был очень прав!

После всех этих мучений я пошел читать про GreenTRF, про коммерческие системы для ЛУТ-а, как они устроены пытался понять и когда читал про press'n'peel прочел, что температуру там надо не очень высокую (как для полиэстра). И я подумал, может и я перегрел.

Поставил утюг между 1 и 2 точками и использовал ту же фото бумагу от HP Premium, которая намертво прилипала. Погрел 3 минуты, пошел в ванную, включил холодную воды и дернул бумагу. Она отошла вообще без сопротивления! На меди осталось процентов 90 рисунка! Причем очень черного. На бумага тонер почти нет!

После 3 проб, установил, что оптимально - на одно деление выше 2 точек (на моем утюжке между точками еще туча делений). При этом задняя часть бумаги уже начинает плавиться, поэтому надо подкладывать 1 лист обычной бумаги. Я тестировал на маленькой платке, поэтому туда сюда утюгом водить не потребовалось, однако давил нормально и иногда с маленьким давлением проходился по контуру. Прогрев: 3.5-4 минуты.

После этого сразу беру за бумажку, иду в ванную, ставлю под холодную воду и через 3 секунду одним движением снимаю бумагу. Вот что получается:
/elektro/tt/IMG_3517.jpg

Там где был тонер, бумага становится синеватой, а тонер на плате на ощупь как пластик, блестящий и глянцевый. Однако никакого фотослоя нигде в щелях нет! Выцарапывать нечего! Бумага, кстати, очень интересная, при намокании со стороны глянца она какой то кашицей скользкой покрывается, как настоящая фотобумага. Как видно тонер перешел идеально! Красота!

Мой LaserJet 1200 глотает как полный лист 10х15, так и половинку 10х7.

Метод измерения

Метод прост: берем фотоаппарат, линейку и предмет, ложим линейку поверх или рядом с прдметом и делаем крупную макросъемку. Считаем количество пикселей в 1 мм на линейке, считаем кол-во пикселей на объекте, делим последнее на первое и получаем размер объекта в пикселях.

Для тех. кто сомневается в такой технологии замера я провел тест на точность. У меня чип есть от TI psp54310pwp в очень маленьком корпусе. По даташиту у него нога толщиной 0.19 мм, а расстояние между серединой ног 0.65 мм. Моим способом после фотографирования чипа получены значения: 0.20 и 0.62 соответственно. Так что, думаю, вопрос по точности не будет
/elektro/tt/4/IMG_3532.jpg

Тестирование на толщину дорожек и зазоров

После этого сделал ванночку с хлорным железом покруче. Вытравил все за 15 минут. Вот результат:
/elektro/tt/IMG_3518.jpg

Стираем тонер:
/elektro/tt/IMG_3519.jpg

Выглядит супер. Все дорожки вышли полностью (даже 0.05мм), зазор 0.1 не вышел совсем (но никто и не надеялся), а вот 0.2 вполне цел.

Мультиметром тестирую все дорожки - все целые. Тестирую зазоры. Опа, 0.2мм проводит! Здесь видно место, где есть мостик:
/elektro/tt/IMG_3521.jpg
(красным контуром обведено)

Одно движение иглой по этому месту и проблема устранена.

Но вопрос, а каковы реальные размеры?

Как и ранее прикладываем линейку и делаем макрофото:
/elektro/tt/IMG_3521.jpg

И получаем: на 1 мм: 30 пикселей

Дорожки:

• 0.05мм 5px 0,17мм
• 0.10мм 7px 0,23мм
• 0.15мм 9px 0,30мм
• 0.20мм 10px 0,33мм

Печально. И бумага супер, и руки не крюки, вроде. Но меньше 0.17 не идет! Я делал максимальную заливку тонером при печати (это когда принтеру указано, что печать на прозрачной пленке), может быть если не так жирно делать, то тонер не так расползаться будет при расплаве утюгом.

Зазоры

• 0.2мм 6px 0,2мм
• 0.3мм 9px 0,3мм
• 0.4мм 13px 0,43мм

Зазоры, почему-то, вышли идеально!

В целом очень красиво получается, но дорожки, увы, не того размера.

Кстати о лазерном принтере как таковом. Вот мой максимум дает 600dpi. Т.е. 236 линий на 1 см. Т.е. 24 линии на 0.1мм. Мне кажется, что на таких размерах погрешности уже запредельные у этого принтера. Особенно с перезаряженным картриджем и несвежим барабаном и неизвестно каким тонером.

Кто вообще знает, на сколько тонер "плывет" при печати? Проводим простой эксперимент. Печатаем в нормальном режиме на бумаге этот же макет и смотрим, какой толщины они на бумаге, еще до переноса.

Проводим 4 эксперимента, шкала - штангенциркуль (чтобы поточнее):

• жирная печать на фото бумаге
• обычная печать на фото бумаге
• обычная печать на обычной бумаге А4 (после прогонки через принтер несколько раз)
• контрольный замер только что сделанной платы.

Меряем только дорожку 0.1. Метод такой же как описано ниже (1мм в пикселях определяется в каждом кадре отдельно)

Поехали:

1. жирная печать на фото бумаге
   /elektro/tt/3/IMG_3524.jpg
   на 1 мм - 34 п.
   дорожка 0.1 - 6п. - 0.17 мм
2. обычная печать на фото бумаге
   /elektro/tt/3/IMG_3525.jpg
   на 1 мм - 35 п.
   дорожка 0.1 - 5п. - 0.15 мм
3. обычная печать на обычной бумаге А4
   /elektro/tt/3/IMG_3526.jpg
   на 1 мм - 35 п.
   дорожка 0.1 - 5п. - 0.15 мм
4. контрольный замер только что сделанной платы
   /elektro/tt/3/IMG_3527.jpg
   на 1 мм - 35 п.
   дорожка 0.1 - 7п. - 0.2 мм

В этом свете у меня вопрос: о каких дорожках 0.1мм может идти речь, если сама печать УЖЕ толще, а еще будет расплав при переносе? Надеяться, что они подтравятся на нужную ширину глупо, так как тогда и зазоры подтравятся и там будут проблемы.

Может быть проблемы с принтере? Может быть 600dpi мало? В офисе на принтере с 1200 dpi (HP LJ 3055) на обычной бумаге (80г/м2) и на той самой HP Premium Photo Paper был распечатан тестовый рисунок, а дома измерены размеры рисунка.

Замер делался только по дорожке 0.1 (просто взята, как референс, чтобы не мучиться чрезмерно много).

Фотобумага: 0.125 мм
Обычная бумага: 0.11 мм

Неплохо, да. Не то, что дома на 600dpi. Однако, там явно тонер другой, не очень хорошо садится на фотобумагу. Много "волосатости". Дорожки 0.05 визуально пропечатаны с разрывами на фотобумаге, но замер показал, что там размер 0.09мм.

Переводим на медь.

Итак, размер на меди дорожки 0.1мм - 0.17мм

Травил в крутом растворе, минут за 10 все сошло.
/elektro/tt/4/IMG_3538.jpg
(есть подтравы, с домашним на 600dpi такого нет, местами тонер слез просто, странно)

Результирующий размер дорожки 0.1мм - одна 0.18мм вторая 0.20 (почему-то разные вышли).

Размер дорожки 0.05мм - 0.15мм, но она ужасно неровная, одна дорожка порвана в середине.

Электрический тест не прошла одна дорожка 0.05мм (ну которая 0.15 на самом деле) и зазор 0.2 замыкал тоже. После того как по зазору прошел ножем для бумаги все прошло.

Вывод: 1200 dpi не помогает, да и тонер там менее подходящий.

Далее я решил сделать новый тестовый паттерн и проверить повторяемость.

Итак, новый тестовый паттерн:
/elektro/tt/4/IMG_3534.jpg

Отмечены места, где тонер просто не взялся на бумагу, пока точно не пойму почему это иногда происходит, но это зависит от того как пустить воду с крана и когда дернуть бумагу, лучше воду прямо в стук между платой и бумагой пускать.

В нем добавлены посадочные места для SMD.

У одного ширина контакта по схеме 0.44 мм, зазор 0.17 мм.
Второй: ширина контакта по схеме 0.63мм, зазор 0.62 мм.
/elektro/tt/4/IMG_3544.jpg
Вверху справа еще место под SMD конденсатор размера 0402 (рамка это - silk screen типа.

Беру упомянутую фото бумагу HP, свой принтер с 600dpi. Печатаю.

Размеры на бумаге:

• 0.63 мм - 0.63 мм
• 0.44 мм - 0.43 мм
• 0.1мм - 0.14 (уже поплыли)

Результирующие размеры на платы после вытравки:

• 0.63 мм - 0.65 мм
• 0.44 мм - 0.43 мм
• 0.1 мм - 0.22 мм
• 0.05 мм - 0.18 мм

И не спрашивайте меня почему 0.43 не поплыл. Может это какой то особый размер, который и принтер может правильно печатать и какие нибудь силы при расплавлении держат тонер вместе.

Приятно, то, что дорожки ровные, без выгрызов.

Электротест показал, что все дорожки целые, а в зазоре 0.2 есть замыкание. В одном месте одно соедиение. Убрал ножом - проблем нет.

Из 4-х случаев в 100% в зазоре 0.2 замыкает и в 100% это лечится одним проходом ножа или иглы. Наверное, лучше это делать то вытравки.

Проверка мест для SMD показала, что замыканий нет вообще. Так как размер площадки соблюден, то и зазоры соблюдены. Т.е. там зазоры около 0.17мм без замыканий. И не спрашивайте почему - не знаю!

Выводы

1. Бумага HP Premium Photo Paper (Q199HF) рулит по черному!
2. Если переводит тонер ламинатором, то нужен ламинатор ОБЯЗАТЕЛЬНО с регулировкой температуры!
3. Травить надо быстро! Дольше травишь - больше подтравы.
4. Температуру на утюге надо подбирать индивидуально для утюга, тонера, бумаги, и, возможно, платы (для этой бумаги надо найти минимум, при котором весь тонер переходит через 4-5 минут прогрева).
5. Предел технологии с принтером в 600dpi и китайским тонером в перезаряженном картридже - 0.18мм
6. Чтобы получить дорожку 0.18-0.20 надо в схеме рисовать 0.05- 0.1! Это очень важно!

Думаю, что тема с дорожками 0.1мм может быть закрыта. Нет таких дорожек на ЛУТе и быть не может! Но то, что есть вполне хватает, чтобы делать TQPF144 для AVR32 без особым проблем, можно даже сказать, что вообще без проблем (площадка 0.25, зазор 0,25 и все ок, там шаг 0.5мм).

Если кто-то считает, что реально сделал дорожку 0.1мм ЛУТом - жду макрофото с приложенной линейкой, похохочем вместе.

Кое-какие далеко идущие выводы

Глянцевая фотобумага впитывает по любому лучше, чем прозрачная пленка. При фотометоде используется прозрачная пленка поверх резиста. На этой пленке толщина не может быть меньше, чем на глянцевой фотобумаге, т.е. мы говорим о минимуме в 0.15мм. Далее при засветке может происходить затенение или подсветка дорожек, из-за чего они могут быть толще или тоньше, причем значительно в отношении 0.15мм (т.е., например гулять от 0.1 мм до 0.2 мм). Кроме этого, опыт с дорожкой 0.09 показал, что она легко подтравливается и даже местами перегрызается составом травления. Это все теория, так как фото способ я не использовал никогда, но мне кажется, что там предел около 0.15мм. Если кто-то считает, что сделал меньше - макрофото с линейкой в студию.

ВНИМАНИЕ! ВНИМАНИЕ! ВНИМАНИЕ! ВНИМАНИЕ!

Позже выяснилось, что указанная бумага HP Premium абсолютно не подходит для изготовления плат больше чем 3 на 5 см, так как при съеме бумаги вырываются клочки тонера. Читайте следующую часть, для информации о правильной бумаге. Вторая часть здесь.

ВНИМАНИЕ! ВНИМАНИЕ! ВНИМАНИЕ! ВНИМАНИЕ!