Eksperyment z laminowaniem płytek miedzią [teoretyzowanie]

[H1M4W4R1]

UWAGA

Niniejszy wpis opisuje niebezpieczne procesy. Nie próbuj wykonywać tych czynności, jeżeli nie jesteś w stanie zadbać odpowiednio o swoje bezpieczeństwo. 

Na wstępie...

Sporo osób pewnie wykonywało płytki w domu czy to termotransferem czy inną metodą i miało problem z przelotkami. Oczywiście można je wykonywać z drutu, ale wtedy ich średnica to ok. 1.2mm. Istnieją też nity do przelotek, ale najmniejsze jakie znalazłem to 0.6mm (0.4mm wewnętrznej średnicy). Czy istnieje lepsze rozwiązanie?

Otóż tak... Laminowanie miedzią.

Ale czy to nie jest elektroliza?

No laminat nie przewodzi prądu... Ale za to jest podatny na działanie odczynników chemicznych. W związku z tym można wykorzystać tzw. "electro-less" plating. Zamiast elektrod używane są odpowiednie związki chemiczne.

Ale to jest drogie?

Otóż tak, proces stosowany przez firmy produkujące PCB wykorzystuje Chlorek Palladu, który kosztuje zaledwie 250zł/ 1 GRAM... Ale jednak istnieje też inne rozwiązanie...

Stosowane przez producentów płytek.

Producenci płytek (szczególnie europejscy) stosują długi proces przygotowywania. Na początku czyszczą płytkę (laminat) w roztworze mydła i wodorotlenku potasu (i po każdym etapie to czyszczenie powtarzają). Następnie na 5 minut zanurzają laminat w roztworze SnCl2 z wodą (4%). Potem po czyszczeniu płytka ląduje na kolejne 5 minut w roztworze PdCl2 z wodą (2%). Oczywiście też PH roztworów jest regulowane. Następnie stosują roztwór do laminowania - siarczan miedzi 5-hydrat, EDTA, formalina (10%) i wodorotlenek sodu. Na szczęście sama mieszanina laminująca jest dość tania, a roztwór palladu starcza na długi czas 😉 

Ale jednak jest to dość długi i skomplikowany proces. Można to zrobić prościej (aczkolwiek mniej bezpiecznie).

Alternatywna metoda - hydrazyna.

Stosowanie hydrazyny usuwa konieczność wykonywania "preparacji" płytki w roztworze SnCl2 i PbCl2, jednakowoż hydrazyna jest dość...

niebezpieczna delikatnie mówiąc... A dosadnie: W **** NIEBEZPIECZNA. Minimalne wymagania do pracy z nią (minimum absolutne) to maska przeciwchemiczna dla substancji nieorganicznych. Do tego okulary i rękawice ochronne. Praca wyłącznie na świeżym powietrzu lub w bardzo dobrze wentylowanym pomieszczeniu z odciągiem bezpośrednim. Zalecana wersja to pełny kombinezon przeciwchemiczny odporny na działanie tej substancji. NIE PRÓBUJ TEGO ROBIĆ W DOMU.

Notatka: substancja ta mocno paruje na powietrzu, więc możecie sobie to dodać do powyższej listy - nieszczęście gwarantowane.

Skład mieszaniny do laminowania (pallad)

Przygotowawcza:

• roztwór KOH z mydłem (czyszczenie)
• roztwór SnCl2 z wodą destylowaną (4%) [5 minut] PH 1.25 [approx. 20g/0.5l wody]
• roztwór KOH z mydłem (czyszczenie)
• roztwór PdCl2 z wodą destylowana (0.2%) [5 minut] PH 4.0 [approx. 1g/0.5l wody]

Laminowanie:

Notatka: po dodaniu każdej z substancji czekamy aż się rozpuści jednocześnie mieszając.

• 50ml wody destylowanej
• 0.66g siarczanu miedzi
• 0.9g EDTA
• 0.75g NaOH
• 5ml formaliny (10%)
• podgrzej miksturę do 35-40*C

Wkładamy płytkę i patrzymy na efekt 😉 

Skład mieszaniny do laminowania (hydrazyna) NIE ROBIĆ W DOMU

Przygotowawcza:

• 13ml wody destylowanej
• 0.375g siarczanu miedzi
• 37ml amoniaku (25%)
• 0.1ml hydrazyny (80%)

Dodajemy w powyższej kolejności. Przed dodaniem hydrazyny podnosimy temperaturę do 65*C i wkładamy płytkę do laminowania.
Płytka powinna znajdować się w mieszaninie przez 20 minut.

Nakładcza:

• podnosimy temperaturę do 83*C
• dodajemy <0.375g siarczanu miedzi
• dodajemy 0.3ml hydrazyny (80%)

Tutaj w zależności od oczekiwanych rezultatów zajmuje to nam od 1 do 20 minut.

Palladium-freeelectrolessdepositionofpurecopperfilmonglass.pdf - trochę lektury 😉 

Ciekawe czy znajdzie się ktoś kto ma dostęp do wyposażenia chemicznego by to przetestować.

Osobiście raczej skuszę się na wersję z palladem, bo może życie jest gówniane, ale jednak je lubię...

Appendix

Technicznie wszystkie substancje można dostać, więc możemy przerzucić się z Chin na domowy warsztat 😉 (o ile wystarczą nam dwie warstwy, chociaż więcej też nie powinno być problemem przy odpowiedniej technice (#poliuretan)

Edytowano Lipiec 12, 2021 przez H1M4W4R1

[H1M4W4R1]

Ciąg dalszy...

Posiedziałem chwilę nad zebraniem planu do całości.

Etapy produkcji amatorskiej płytki PCB:

1. Wywiercenie otworów pod komponenty przewlekane i przelotki - frezarka CNC
2. Laminowanie płytki miedzią korzystając z metody z palladem
3. [Opcjonalnie] Nanoszenie kolejnych warstw miedzi korzystając z elektrolizy
4. Laminowanie płytki niklem korzystając z metody chemicznej (chlorek glinu do przygotowania płytki) [ENI, opcjonalnie można dodać sole złota i osiągnąć laminat ENIG]
5. Naniesienie ścieżek i padów na płytkę - opcjonalnie metoda lakier + laser lub frezarka CNC (lasera nie mam, więc raczej ta druga).
6. [Opcjonalnie] Naniesienie soldermaski
7. [Opcjonalnie] Wycięcie soldermaski z padów
8. [Opcjonalnie] Naniesienie silkscreena
9. Profit.

Jedyny problem jest taki, że nie mam jeszcze skonfigurowanego softu pod frezarkę, bo jestem zbyt leniwy (frezy kupić można od ręki).

Koszty składników chemicznych (approx.)

• SnCl2 (chlorek cyny) - 32zł/100g - aktywacja powierzchni
• PdCl2 (chlorek palladu) - 205zł/1g - aktywacja powierzchni
• H2O (woda destylowana) - 20zł/20l - tworzenie roztworu
• CuSO4 (siarczan miedzi pięciowodny) - 20zł/1000g - miedziowanie
• EDTA (wersenian dwusodowy) - 35zł/500g - miedziowanie, kompleksator
• NaOH (wodorotlenek sodu) - 12zł/1000g - regulacja PH
• HCl (kwas solny, ~30%) - 7zł/0.5l - regulacja PH
• AlCl (chlorek glinu) - 15zł/50g - aktywacja powierzchni do niklowania
• Fe2Cl3 (chlorek żelaza) - 21zł/1l - alternatywa dla AlCl
• NiCl (chlorek niklu) -  20zł/100g - niklowanie
• Na3PO4 (ortofosforan trójsodowy) - 20zł/500g - niklowanie, kompleksator

Razem: ok. 400-430zł (nie licząc naczyń, środków bezpieczeństwa aka. rękawic lateksowych i laminatu).

Ta metoda wbrew (wcześniejszym) pozorom jest względnie tania patrząc, że ta ilość składników wystarczy prawdopodobnie na kilkadziesiąt/kilkaset płytek. W szczególności biorąc pod uwagę, że roztwory chlorku cyny i palladu służą wyłącznie do aktywacji powierzchni i zużywają się całkiem wolno, plus (OSOBNO!) mają dość długi termin przydatności. (Łącząc chlorek cyny i chlorek palladu w roztworze taka substancja ma stabilność rzędu kilku dni).

Teraz tylko zebrać to wszystko "do kupy" i zrobić zakupy pod koniec miesiąca 😉 

Appendix: porównanie kosztów

Płytki z Chin: 5$ / komplet (10 sztuk), 2 tygodnie oczekiwania, wysyłka: 20$
Płytki domowe: ?/komplet, 1-3 dni oczekiwania, wysyłka: darmowa 😉 

Dla pojedynczych prototypów ta metoda raczej jest znacznie bardziej opłacalna niż zamawianie u Chińczyka (o ile mamy komponenty w szufladzie).

Edytowano Lipiec 12, 2021 przez H1M4W4R1