Bringen Sie Ihre Leiterplatten von gut zu großartig: Tonertransfer

Jun 25, 2023

Viele von uns stellen Leiterplatten zu Hause her. Ich halte es für eine nützliche Fähigkeit, sie für Zwischenschritte auf dem Weg zu einem fertigen Projekt in meiner Trickkiste zu haben, selbst wenn die fertige Version an eine Leiterplattenfertigung geschickt wird. Wenn ich zum Beispiel ein Breakout-Board benötige, das mit anderen Entwicklungstools kompatibel ist, gibt es nichts Besseres, als etwas zusammenstellen zu können, das sich direkt einstecken lässt. Ich muss es schnell erledigen und mit dem Rest des Projekts weitermachen, anstatt eine Bestellung aufzugeben und zu warten für die Lieferung hilft mir, im Fluss zu bleiben.

Die Tonerübertragung ist bei weitem die schnellste Möglichkeit, eine Leiterplatte zu Hause herzustellen: Drucken Sie die Schaltung einfach auf einem Laserdrucker aus, bügeln Sie sie auf das Kupfer und ätzen Sie sie. Wenn es funktioniert, ist es großartig. Wenn dies nicht der Fall ist, kann es eine schwierige Aufgabe sein, herauszufinden, welche der unzähligen Faktoren nicht in Einklang stehen.

Ich verwende schon seit langem eine Methode, die sehr zuverlässig und wiederholbar ist. Vor Kurzem habe ich die Leistung des Systems ein wenig optimiert und dachte, ich würde Ihnen mitteilen, was ich habe. Im Moment bin ich in der Lage, sehr zuverlässig Platinen mit 6 mil (0,15 mm) Leiterbahnen und 8 mil (0,20 mm) Abständen herzustellen. Mit ein wenig Sorgfalt bei der Nachbearbeitung sind 4 Mil / 6 Mil durchaus plausibel.

Das ist gut genug für die meisten meiner Prototyping-Anforderungen, deckt TSSOP-Teile mit einem Pinabstand von bis zu 0,65 mm ab und ermöglicht es mir, zwei Leiterbahnen durch einen oberflächenmontierten 0805-Widerstand oder -Kondensator zu führen. Es liegt auf Augenhöhe mit den billigsten professionellen Herstellern, aber ich kann ein Board in etwa fünfzehn Minuten fertigstellen. Meiner Meinung nach ist das Bestellen und Warten um Längen besser. Wenn ich Luxusgüter wie Siebdruck und Durchkontaktierung benötige, gibt es Workarounds, aber meistens werde ich damit sparen, bis die endgültige Version fertig ist.

Das Geheimnis? Wissenschaft! Oder zumindest die möglicherweise überwältigende Anzahl von Variablen und geheimen Techniken auf Experimente reduzieren, die jeweils eine Variable ändern, und dann entlang dieser einen Dimension optimieren. Es gibt eine schwindelerregende Vielfalt an Techniken, und viele davon funktionieren nur, wenn Sie genau die richtige Tonermarke, das richtige Papier oder das richtige Fingerspitzengefühl im Umgang mit einem heißen Bügeleisen haben. Kurz gesagt, sie sind nicht reproduzierbar. Wenn Ihr Setup nicht genau mit dem einer anderen Person übereinstimmt, sind alle Wetten ungültig. Hier werde ich eine reproduzierbare Methode vorstellen und Ihnen zeigen, wie Sie sie kalibrieren.

Viele Anleitungen zum Tonertransfer im Internet konzentrieren sich auf Details, die nicht wirklich wichtig sind, etwa die Art des Papiers, das für das Transfermedium verwendet wird, oder die Methode zum Reinigen des Kupfers vor dem Bügeln. Das heißt nicht, dass Sie das Kupfer nicht zuerst reinigen müssen – das ist auf jeden Fall der Fall –, aber es spielt keine Rolle, wie Sie es machen. Ich habe feinkörniges Schleifpapier und grüne Topfreiniger verwendet und heutzutage verwende ich einige Schwämme, die ich im Baumarkt gekauft habe, um Rohrverbindungen vor dem Löten auf Hochglanz zu bringen. Ich trage anschließend ein Wischtuch mit Aceton auf. Der Punkt ist, dass Sie die Oxidation und das Fett von der Oberfläche entfernen. Es ist mir egal, wie.

Ebenso ist die Wahl des Transferpapiers ziemlich offen. Ich wechsle zwischen glänzenden Zeitschriftenseiten (der Economist ist derzeit mein Favorit) und den kunststoffbeschichteten Trägerpapieren, auf denen sich abziehbare Aufkleber befinden. Diese beiden Oberflächen funktionieren völlig unterschiedlich; Das Trägerpapier des Aufklebers löst sich direkt ab, während sich das Zeitschriftenpapier durch Reiben mit dem Daumen in kaltem Wasser auflöst. Es gibt ausgefallenere Sachen da draußen. Der Vorteil des Transferpapiers besteht darin, dass es glänzend ist, sodass das Bild nicht verformt wird, und dass es sich leicht ablösen lässt und den Toner auf dem Kupfer zurücklässt. Der Rest ist Bequemlichkeit.

Schließlich spielt die Wahl des Ätzmittels keine Rolle. Ich verwende mit Sauerstoff aufgefrischtes Kupferchlorid in Säure, weil es praktisch unbegrenzt wiederverwertbar ist und ich den Aufwand hasse, giftige Chemikalien zu entsorgen. Menschen verwenden Eisenchlorid oder Ammoniumpersulfat. Andere Leute verwenden Essig und Salz oder Drachenspucke und Buchhaltertränen. Manche Menschen rühren Flüssigkeiten in einem Tank um, andere sprühen und wieder andere schwämmen. Was auch immer funktioniert.

Diese Dinge sind natürlich alle absolut unerlässlich für die Herstellung einer guten Tonerübertragungs-Leiterplatte, aber keines davon ist eindeutig unersetzlich.

Andererseits sind drei grundlegende Faktoren für die Haftung des Toners auf Kupfer von Bedeutung und hängen von der Physik ab: Zeit, Temperatur und Druck. Es ist ein großer Schritt in Richtung Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit, diese drei auf eins zu reduzieren, und das ist unser erster Schritt.

Was den Druck angeht, ist mehr fast immer besser. Tatsächlich gibt es einige Laserkopierer, die ganz ohne beheizte Walzen auskommen. Sie zerquetschen die Kunststoff-Tonerpartikel so stark, dass sie bei Raumtemperatur oder etwa bei Raumtemperatur am Papier haften bleiben. Wir werden nicht in der Lage sein, so viel Druck auszuüben, aber wir werden die Druckvariable auf „so viel wie möglich“ festlegen.

Ich lege die Platine auf mein umgedrehtes Bügeleisen und drücke sie mit meinem ganzen Gewicht auf ein Nudelholz. Der resultierende Druck ist ziemlich hoch, weil das Nudelholz nur eine kleine Kontaktfläche mit dem Brett hat, und er ist ziemlich konstant, weil ich nur so viel wiege.

Ich habe mich von dieser Methode inspirieren lassen, die im Grunde das Gleiche auf den Kopf stellt. Ich habe die Erfahrung gemacht, dass das Brett bei diesem Verfahren nie gleichmäßig über den Dübel rollt, aber ich kann verstehen, wenn Sie den freiliegenden elektrischen Horror, den ich aufgebaut habe, nicht in Ihrem Haus haben möchten. Jede stark heiße Oberfläche sollte funktionieren, und ein verbesserter Aufbau würde eine bessere Temperaturkontrolle ermöglichen. Wenn Sie einen modifizierten Laminator haben, der ausreichend Druck ausübt, ist das wahrscheinlich sogar noch besser. Ich habe ein gebrauchtes Bügeleisen.

Im Gegensatz zum Druck, bei dem mehr besser ist, lässt der Effekt längerer Verweilzeiten schnell nach. Bei Laserdruckern, bei denen die Anzahl der Seiten pro Minute ein entscheidendes Verkaufsargument ist, versucht man, diese Verweilzeit auf ein Minimum zu reduzieren. Wenn Sie zu schnell über das Brett rollen, kann die Haftung ungleichmäßig sein. Die Lösung besteht also darin, einfach langsam vor und zurück zu rollen. Sie können die Zeit aus der Gleichung herausnehmen, indem Sie einfach so langsam rollen, dass sich durch eine Verringerung der Rollgeschwindigkeit nichts Wesentliches ändert. Ein oder zwei Minuten sollten genügen.

Das alles ist natürlich relativ. Sie verwenden nicht den gleichen Toner wie ich, wiegen nicht das gleiche wie ich und haben auch nicht die gleiche Vorstellung von „langsam“ wie ich. Aber solange Sie Ihre eigene Praxis konsistent halten, haben diese Variablen keinen großen Einfluss auf das Ergebnis, und es steht uns frei, die Variable anzugehen, die dies tun wird: Die Temperatur ist das Geheimnis. Hier kommt die Wissenschaft!

Wenn Toner erhitzt wird, durchläuft er einige verschiedene Phasen. Zuerst handelt es sich um einen harten Kunststoff, dann wird er beim Durchlaufen des Glasübergangs klebrig und leicht formbar, um dann bei noch weiter steigender Temperatur zu schmelzen und flüssig zu werden.

Ich habe keine Ahnung, wie es zu dem Gerücht im Internet kam, man solle sein Bügeleisen „so heiß wie möglich“ aufdrehen. Aber ich weiß, was dabei herauskommt – schmierige Transfers, die extrem empfindlich auf den ausgeübten Druck reagieren. Das ist genau das Gegenteil von dem, was wir hier suchen. Stattdessen besteht das Ziel darin, den Toner im Glasübergang zu halten und die Temperatur so niedrig wie möglich zu halten, damit er bei unserem ungefähr konstanten Maximaldruck mit dem Kupfer verschmilzt.

Der erste Schritt zur Kalibrierung des Verfahrens besteht also darin, eine Reihe von Übertragungen bei steigender Temperatur durchzuführen. Ihre Temperaturen werden nicht die gleichen sein wie meine, aber das ist in Ordnung, weil Sie nicht meinen Toner verwenden oder bei mir zu Hause keine Leiterplatten herstellen. Der Trick besteht darin, konsequent zu sein.

Die vier Beispiele hier wurden bei 98 °C, 125 °C, 142 °C und 166 °C übertragen. Die erste haftet offensichtlich überhaupt nicht gut, und tatsächlich ist keine der Spuren außer der 16-mil-Spur nach dem Ätzen tatsächlich durchgehend. Die Platine mit der höchsten Temperatur weist überall Kurzschlüsse auf, obwohl beim Bodenguss ein Abstand von 20 mil vorhanden ist. Überraschenderweise funktionierte der TSSOP-Footprint grundsätzlich einwandfrei, obwohl die beiden Leiterbahnen im Abstand von 6 mil kurzgeschlossen sind.

Das Problem mit den extremen Temperaturen wird auch beim Blick auf die Transferfolien deutlich. Bei der Niedertemperaturplatte verbleibt viel Toner auf dem Papier. Es haftet einfach nicht gut genug am Kupfer. Die Hochtemperaturfolie riss beim Abziehen, wahrscheinlich weil ihre Kunststoffschicht mit dem Toner verschmolzen war.

Die beiden mittleren Bretter sehen ziemlich gut aus, aber der Schein kann täuschen, daher lohnt es sich wahrscheinlich, sie zu ätzen. Es gibt tatsächlich einen kleinen Defekt in der 125 °C-Platine – die 6-mil-Leiterbahnprobe ist genau an der Unterseite gebrochen, wo sie mit dem Pad verbunden ist. Auf der 142 °C-Platine sind die beiden engen Leiterbahnen, die durch den 0805-Teil verlaufen, kurzgeschlossen, obwohl alle anderen Leiterbahnen durchgehend sind. Eine Temperatur irgendwo zwischen diesen beiden Werten wird wahrscheinlich der optimale Bereich sein.

Ich habe diese Testplatte noch einmal bei 132 °C getestet und auf Zeitschriftenpapier gedruckt, und das Ergebnis war perfekt. Abgesehen von dem kleinen Aufwand, den Zeitschriftenvorrat auszuschneiden und ihn auf ein Blatt Normalpapier zu kleben, damit er richtig durch den Drucker geführt werden kann, ist Zeitschriftenpapier wahrscheinlich das ideale Substrat. Wenn es sich in Wasser auflöst, wird der Toner nur sehr wenig beansprucht und das Risiko, dass sich hier oder da eine Stelle ablöst, ist deutlich geringer.

Nicht zufällig verwende ich eine Temperatur um die 130 °C, seit ich diese Kalibrierung das letzte Mal selbst nach dem Kauf meines aktuellen Laserdruckers durchgeführt habe. Ein konsistentes Verfahren mit einer eingestellten Temperatur ist weit mehr als die halbe Miete.

An diesem Punkt, an dem der Tonerübertragungsprozess selbst weitgehend in Gang gesetzt ist, wird der begrenzende Faktor dafür, wie zuverlässig und mit welcher Auflösung Sie drucken können, der Drucker selbst und die Software sein, die ihn antreibt. Ich habe überraschend große Unterschiede zwischen verschiedenen Druckertreibern (PCL und Postscript) sowie zwischen verschiedenen Dateiformaten, die zum Speichern der Grafiken verwendet werden, und den Programmen, die sie lesen, festgestellt.

Insbesondere scheinen beide Treiber auf meinem System die Postscript- und PDF-Ausgabe von KiCad als Farbdateien zu interpretieren und Dithering auf das Ergebnis anzuwenden. Beim Postscript-Treiber führt dies zu gezackten Kanten, ein Effekt, der auch schon anderen Leuten aufgefallen ist. Wenn die Übertragung gut funktioniert, landen diese Zacken im Kupfer der Leiterplatte.

Mit dem PCL-Treiber, den ich verwendet habe, scheint er einen Dithering-Algorithmus mit viel höherer Auflösung anzuwenden, mit dem Ergebnis, dass die Linien so dünn erscheinen, dass sie Diskontinuitäten aufweisen. Es stellte sich heraus, dass die Probleme, die ich beim Drucken dünner Linien hatte, vom Treiber verursacht wurden.

Wenn ich die Datei schließlich als SVG-Grafik speichere und sie in Inkscape ausdrucke, verschwinden alle Farbdithering-Artefakte, aber das Ergebnis sind schöne, glatte, dunkle Spuren, die nach der Übertragung etwas zu dick sind. Vielleicht kann ich mit diesen verbesserten Spuren die Temperatur etwas senken? Außerdem gibt es bei der Übertragung auf dem selbstklebenden Papier etwas Staub, der bei Zeitschriftenpapier nicht vorkommt, also spielt die Papiersorte vielleicht doch eine kleine Rolle.

Es ist wichtig zu beachten, dass Sie solche feinen Details erst wirklich diagnostizieren können, wenn Sie die Hauptvariablen Temperatur und Druck unter Kontrolle haben. Aber sobald Sie dies tun und die kleinsten Störungen, die in der Softwarephase der Kette entstehen, sichtbar und reproduzierbar sind, haben Sie einen neuen begrenzenden Faktor und es ist Zeit, die Software zu optimieren.

Leider hat jeder eine andere Software- und Druckereinrichtung, und nicht alle Optimierungen, die für mich funktionieren, funktionieren auch für Sie. An diesem Punkt sind Sie auf sich allein gestellt. Beachten Sie jedoch, dass die Auflösung des Druckers, die Druckerkonfigurationsoptionen und sogar die Treiber und Dateitypen von Bedeutung sein können. Da gibt es viel zu experimentieren, nehmen Sie also jeweils eine Variable nach der anderen.

Es interagiert also alles: Temperatur, Druck, Papiertyp und sogar das Dateiformat und die Druckertreiber. Ich habe das Experimentieren für heute aufgegeben, weil ich mit zuverlässigen 6/8-Spuren zufrieden bin, und wenn ich es für ein Projekt noch weiter vorantreiben muss, werde ich wahrscheinlich damit beginnen, die Temperatur weiter zu senken, um zu sehen, ob dadurch die Verdickungslinien gelöst werden. Wenn ich wirklich Abstände von 6 mil benötige, überprüfe ich diese Stellen entweder noch einmal vor dem Ätzen und reinige sie mit einer Skalpellklinge, oder ich experimentiere mit Leiterbahnbreiten von 4 mil. Schließlich hatte ich mit der SVG-Ausgabe und dem Drucken von Inkscape keine einzige unterbrochene Spur bei 6 mil.

Eine Sache, die ich jedoch auf keinen Fall ändern werde, ist die grundlegende Technik. Ich habe vor etwa zehn Jahren damit begonnen, mit einer Walze einen konstanten maximalen Druck auszuüben und die Temperatur anzupassen, und seitdem ist es eine sehr zuverlässige Methode zur Herstellung von Leiterplatten. Dieses kürzliche Streben nach maximaler Auflösung war eine unterhaltsame Abwechslung und ich bin sowohl froh zu wissen, dass ich bei Bedarf kleine Funktionen ausführen kann, als auch traurig darüber, dass der Weg zu weiteren Verbesserungen über die Optimierung von Software und Treibern zu führen scheint, weil es einfach so ist so viele Möglichkeiten.

Irgendwann wird es einfacher, die Arbeit den Profis überlassen zu können. Aber für mich funktioniert die Tonerübertragung in fast allen Anfangsphasen des Prototypings, und das mit absolut unschlagbaren Durchlaufzeiten.