Realizare PCB prin metoda transferului termic al tonerului

Transferul termic al tonerului este o metodă prin care se pot realiza PCB-uri în condiții de amator. Nu numai trasee, dar și silkscreen.

Procedura transferului termic de toner este o metodă rapidă și ieftină de a realiza cablaje imprimate (PCB-uri) acasă. Proiectul unui PCB va fi imprimat folosind o imprimantă laser pe hârtie specială. Hârtia este așezată cu fața printată pe fața cu cupru a plăcii și apoi este încălzită cu ajutorul unui laminator. Însă majoritatea amatorilor folosesc cu succes un simplu fier de călcat. Când este încălzit, tonerul devine lichid și aderă de suprafețe. În acest caz, trebuie să adere la foița de cupru. După încălzire, placa cu hârtia imprimată vor fi scufundate în apă. Hârtia ar trebui să se desprindă ușor de foița de cupru. Dacă transferul a reușit, tonerul va fi dispus numai pe cupru, nu și pe hârtie. Acum, placa poate fi corodată prin metodele obișnuite (de exemplu: clorura ferică).

PCB cu silkscreen făcut acasă

Pentru început vei avea nevoie de un design al unui PCB. Acestea pot fi proiectate în aplicații CAD cum ar fi KiCad, Autodesk EAGLE, ExpressPCB etc. Exemplul dat în acest articol este realizat cu KiCad, deoarece este o suită completă de aplicații (desenare schemă, proiectare PCB) și este gratuit. În toate aplicațiile pe care le-am folosit, straturile inferioare (layers, bottom) sunt proiectate în oglindă, deoarece vizualizarea prezentată de aplicație arată o placă transparentă văzută de deasupra componentelor. Așadar, la imprimare vei ține cont de următoarele:

• straturile inferioare se imprimă așa cum le oferă software-ul CAD. Stratul de trasee de cupru este un strat inferior în toate proiectele cu trasee pe o singură față ce folosesc componente cu terminale trecute prin orificii și lipite pe fața opusă (through hole devices, THD);
• straturile superioare se imprimă în oglindă (opțiunea mirror). Este vorba aici de stratul care conține contururile și valorile/referințele componentelor (așa-numitul silkscreen), dar și un eventual al doilea strat de trasee. Componente montate pe suprafața stratului de cupru (surface mount devices, SMD) sunt de obicei poziționate pe stratul superior de cupru. În această situație, și silkscreen-ul este tot pe stratul superior. Deci, ambele vor fi imprimate în oglindă.

Pentru a te convinge de acest comportament al aplicațiilor CAD, scrie un text pe stratul de cupru inferior și alt text pe stratul superior de cupru. Sau pe stratul silkscreen. Printează straturile individuale pe hârtie normală. Dacă textul este în oglindă, setările de imprimare sunt potrivite pentru transferul termic.

Textul verde se află pe un strat inferior, iar cel roșu pe stratul superior

Un alt aspect de care trebuie ținut cont este legat de dimensiunile plăcii. Trebuie să te asiguri că imprimanta nu mărește sau micșorează proiectul. Dacă nu ești sigur, adaugă câteva linii în proiect, la o distanță cunoscută (toate aplicațiile de proiectare CAD au o grilă - Grid - care se poate seta în unități metrice). Printează design-ul pe hârtie normală și măsoară distanța dintre liniile desenate, pe hârtie. Dacă nu corespunde cu distanța raportată de software, va trebui să folosești un factor de scalare la imprimare (unele aplicații oferă această opțiune). Această problemă nu ar trebui totuși să apară dacă alegi la opțiunile de imprimare To Scale, 1:1 sau 100%.

Când printezi, este important să selectezi straturi individuale. O suprapunere de mai multe straturi distincte este total inutilă. Personal, prefer să nu îmi apară pe imprimare orificiile pentru terminalele componentelor. Este inutilă corodarea unei suprafețe care se suprapune unui orificiu. De aceea, aleg în KiCad opțiunea Small Drills la Drill Marks. Astfel, în locul fiecărui orificiu, va fi o arie mult mai mică neacoperită de toner, al cărei singur scop este să-mi arate unde voi plasa vârful burghiului. Acest lucru are și un avantaj practic. După corodarea micului „punct” aferent unui orificiu, se creează o depresiune înconjurată de marginile foiței de cupru. Această depresiune permite poziționarea mai ușoară a vârfului burghiului în locul exact. Trebuie doar să ai afișată sau printată o copie a proiectului cu orificii de dimensiuni reale, astfel încât să știi ce burghie vei folosi. Dacă deții un dispozitiv computerizat pentru găurirea orificiilor (CNC), nici nu este nevoie ca acestea să fie marcate prin corodare (se va printa fără marcaje de orificii - No drill marks).

Este necesar să folosești o imprimantă laser. Dacă proiectul conține arii mari de cupru ce trebuie acoperite de toner, este recomandat să setezi imprimanta să folosească mai mult toner (densitate maximă).

Setare densitate toner

Nu poate fi folosită hârtie obișnuită. Eu am folosit cu succes hârtie specială de pe Banggood*. Este mult mai ieftină decât opțiunile locale și pare să dea rezultate bune. Se imprimă pe fața lucioasă, care nu absoarbe tonerul. Se pot încerca și alte tipuri de hârtie lucioasă. De exemplu, hârtia suport de la etichete sau tapet autoadeziv poate fi utilizată cu succes. Dacă nu este în format standard (A4, A5), prinde-o pe o coală cu bandă adezivă pentru a o putea introduce în tava de hârtie a imprimantei.

Proiectul imprimat pe hârtie specială

Această hârtie este foarte subțire, și, o dată ce a trecut prin imprimantă, are tendința să se ruleze și cu greu mai poate fi pusă încă o dată în tava de hârtie pentru o nouă imprimare în alt loc. Recomand ruperea în foi A5 (pentru proiecte mici) și printarea simultană a tuturor straturilor necesare. Dacă folosești KiCad, se poate face un Plot în format SVG. Fișierele rezultate pot fi „trase” (importate) în Inkscape pe un document A4 sau A5 și așezate unul lângă altul. Din Inkscape poți imprima direct. Nu se pierde nici calitatea (formatul SVG este vectorial), nici nu se modifică dimensiunea reală.

După cum spuneam, hârtia este foarte subțire. După ce am introdus-o în tava de hârtie a imprimantei, aceasta a recunoscut-o ca „vellum paper” (hârtie velină). Evită să atingi fața lucioasă a hârtiei atât înainte, cât și după imprimare.

Placa brută de circuit, tăiată în prealabil la dimensiuni cu câțiva milimetri mai mari decât proiectul, trebuie să fie curățată cu degresant (alcool izopropilic). În general, folosirea hârtiei abrazive nu este recomandată. Totuși, efectuarea de mișcări liniare în direcții perpendiculare cu hârtie abrazivă de granulație fină (> 500) va îmbunătăți considerabil aderența tonerului la cupru. Important este să nu subțiezi folia de cupru.

Șlefuiește marginile plăcii de circuit pe fața cu cupru. Prin tăiere, folia de cupru formează margini reliefate. Așează hârtia cu fața lucioasă, printată, peste foița de cupru și prinde-o de aceasta prin îndoire pe fața opusă și fixare cu hârtie adezivă. Cu un fier de călcat încălzit la temperatura de 150...180 grade Celsius, apasă ferm, dar nu foarte tare, efectuând mișcări circulare, de câteva ori pe hârtie. Aparent, hârtia aderă la foița de cupru (de fapt doar tonerul aderă). În cazul în care hârtia s-a deplasat în timpul mișcării tălpii fierului de călcat, sau dacă s-au format pliuri, renunță. Îndepărtează hârtia și tonerul aderat, curăță placa și încearcă din nou.

După câteva mișcări circulare cu fierul de călcat, pune placa cu hârtia lipită de ea în apă. Poți aștepta răcirea ei înainte de a pune în apă. Dacă apa este caldă și placa nu s-a răcit încă, tonerul se poate desprinde de pe foița de cupru, deci folosește apă rece. Apasă ușor pe hârtie cu degetul pentru a facilita îmbibarea ei cu apă. Pornind de la un colț, încearcă să desprinzi ușor hârtia. Dacă aceasta s-a lipit de placă, înseamnă că ai apăsat prea tare sau căldura a fost prea multă. Dacă se desprinde, dar tonerul a rămas pe hârtie, fierul de călcat nu a fost suficient de cald. În aceste situații, va trebui să o iei de la capăt. După un transfer complet, nu trebuie să mai existe toner pe hârtie.

Tonerul transferat pe foița de cupru

Acesta este rezultatul. Există câteva imperfecțiuni prin locurile în care tonerul nu a aderat la cupru, dar niciuna nu este importantă. Se poate folosi un marker special pentru acoperirea imperfecțiunilor. Acum, placa este gata de corodare. Am folosit clorură ferică 40%. Este important să utilizezi un vas de plastic pentru corodare. Pentru a grăbi procesul de corodare, se recomandă agitarea continuă a vasului. Încălzirea ușoară a soluției de clorură face corodarea mai rapidă dar apar vapori din substanța corozivă. Încălzirea se va face plasând recipientul cu clorură într-un vas cu apă caldă. Încălzirea excesivă afectează tonerul.

Verifică des progresul corodării. Aparent, începe foarte greu, dar o dată ce vezi suprafețe neacoperite de cupru, restul vor fi corodate foarte repede. Nu ține placa în clorură mai mult decât trebuie. Eventual, clorura va trece prin toner și va coroda tot stratul de cupru. Se pot folosi și alte soluții de corodare.

PCB-ul corodat, cu toner pe trasee

După scoaterea din clorură ferică, spală bine cu apă placa. O poți lăsa în apă (caldă) timp de câteva minute pentru a înlătura urmele de clorură ferică. Folosește un burete mai dur îmbibat în apă caldă-fierbinte pentru a curăța tonerul. Acetona dizolvă tonerul. Evită hârtia abrazivă, chiar dacă tonerul pare greu de curățat.

PCB-ul după curățarea toner-ului

Mai rămâne doar să dai găurile pentru componente. Metoda prezentată poate fi folosită și pentru imprimarea stratului cu contururile și valorile componentelor (silkscreen) - evident fără corodare. Rezultatul este placa din imaginea de sus. Fiindcă fața superioară este lucioasă, tonerul, aderența tonerului este redusă. Transferul are loc, dar rezistența este slabă. Poți aplica un strat de lac incolor (spray) pentru fixarea tonerului.

Pentru a preveni oxidarea traseelor de cupru, se poate prepara un amestec de colofoniu (sacâz) dizolvat în alcool izopropilic sau acetonă. Acesta se va aplica cu pensula pe fața cu trasee a plăcii. În plus, facilitează efectuarea lipiturilor. Dacă ai folosit acetonă la prepararea acestui amestec, evită atingerea tonerului de pe fața opusă, pentru a nu îl dizolva.

_____________

* Un pachet de 10 coli A4 de hârtie pentru transfer termic costă pe site-urile chinezești între 1,5 și 3 dolari (cu transport inclus). În România, o singură coală A4, ce-i drept albastră, costă aproximativ 10 lei. Deși ceva mai scump pe Banggood, pachetul este trimis în plic A4, față de Aliexpress, care îl trimit rulat.