第11章-PCB手工制作

11.1PCB手工制作工艺传统的PCB手工制作有雕刻法、手工描绘法、油印法、使用预涂布感光覆铜板法、热熔塑膜制版法、贴图法、热转印法等多种。11.1.1雕刻法•用雕刻法制作PCB是一种最简单、最直接的方法，只适用于一些小电路实验板的制作。将设计好的线路图形用复写纸复写到覆铜板铜箔面，使用钢锯片磨制的特殊雕刻刀具，直接在覆铜板上沿着铜箔图形的边缘用力刻画，尽量切割到深处，然后再撕去图形以外不需要的铜箔，再用手电钻打孔就可以了。此法的关键是：刻画的力度要够；撕去多余铜箔要从板的边缘开始，如果操作的好，可以成片的逐步撕去，一般使用小的尖嘴钳来完成这个步骤。11.1.2手工描绘法•手工描绘法就是用笔直接将印刷图形画在覆铜板上，然后再进行化学腐蚀等步骤。使用鸭嘴笔勾画，具体方法如下：•将漆片一份，溶于三份无水酒精中，并适当搅拌，待其全部溶解后，滴上几滴医用紫药水（龙胆紫），使其呈现一定的颜色，搅拌均匀后，即可作为后续蚀刻的保护漆用来描绘电路板。•先用细砂纸把覆铜板铜箔面打磨光亮，然后采用绘图仪器中的鸭嘴笔，进行描绘，鸭嘴笔上有调整笔划粗细的螺母，笔划粗细可调，并可借用直尺、三角尺描绘出很细的直线，且描绘出的线条光滑、均匀，无边缘锯齿，给人以顺畅、流利的感觉；同时，还可以在电路板的空闲处写上汉字或符号。描绘时若笔道向周围浸润，则是浓度太小，可以加一点漆片；若是拖不开笔，则是溶液太稠了，需滴上几滴无水酒精予以稀释。11.1.3油印法•把蜡纸放在钢板上，用铁笔将电路图按1:1的比例刻在蜡纸上，并把刻在蜡纸上的电路图按电路板尺寸剪下，剪下的蜡纸放在待印的敷铜板上，取少量油漆与滑石粉调成稀稠合适的印料，用毛刷蘸取印料，均匀地涂到蜡纸上，反复几遍，印制图形即可印上覆铜板。这种刻板可反复使用，适于小批量制作。利用光电誊印机，可以按照设计图纸自动刻制成1：1尺寸的蜡纸。但由于目前很少有人刻写蜡纸，相关工具已难以找到。11.1.4热转印法•热转印法制作PCB的原理：用protel或其他绘图软件，设计、绘制PCB图，将PCB图形用激光打印机打印至热转印纸上，然后将热转印纸贴在覆铜板上，加温，使碳粉融化粘到覆铜板上，完成后将热转印纸除去，在这个过程中尽可能多的将墨留在PCB板上而不是随着纸撕掉；将转印后的覆铜板用三氯化铁（FeCl3）溶液进行腐蚀，由于需要保留的铜箔有墨迹覆盖，不会被腐蚀掉，所以当旁边的铜被腐蚀之后，所需要的线路就显露出来了，然后钻孔，将墨层洗掉，打磨，涂上酒精松香水，一块PCB就制作完成了。•在这种方法中，需要使用以下设备和耗材：•1）一台用于产生高精度线路图形的打印输出设备，即一台激光打印机或者一台复印机，如果使用复印机，需要有复印原稿，原稿可以用激光打印机或喷墨打印机打印出来。•2）一台热转印机，如图4-1所示。条件不允许时也可以用一个电熨斗替代。•3）覆铜板、热转印纸、三氯化铁（FeCl3）。•4）用于钻通孔的小型视频钻床，如图4-2所示。此设备也可以用手电钻替代。激光打印机热转印机机图11-2小型视频钻床11.1.5预涂布感光覆铜板法•使用一种专用的覆铜板，其铜箔层表面预先涂布了一层感光材料，故称为“预涂布感光覆铜板”，简称“感光板”。制作方法如下：•将电路图1:1打印在比较透明（薄）的、最少有一面是比较光滑平整的纸上，要镜象打印在平整的那一面。•再将纸的光滑面紧贴感光电路板（用玻璃夹紧），放到太阳下照射2～8min，时间长短跟太阳强弱有关，阴天可以照射20min左右。•注意：以上是透明胶片的参考时间，用白纸的时间根据纸的透光度将时间再延长。此过程一定不要移动纸和电路板的相对位置，并且要贴紧。•然后将曝光后的电路板放到显影药水中显影（洗掉不需要的感光剂），留下的感光剂（曝光时发生反映的部分）会阻止其下面的铜箔跟下一步骤中的蚀刻液FeCl3反应。此过程一般需要1～3min。显影时间跟曝光程度成反比，如果曝光过度，显影时间就会很短，曝光不足的话，显影时间就会很长，甚至长到10min以上，另外，还跟显影水的浓度有关。不过，尽量曝光不要过度，宁可显影时间长些，这样不会出现失误，可以保证100%成功。最后经过FeCl3腐蚀，一般需要10～40min左右。•由于以上过程是光直接决定铜箔的去留，所以精度可以做到很高。操作熟练者一般可以30min内做出高精度的电路板，热转印纸也可以打印后用来曝光，不需要加热转印过程，效果要好一些。这种方法从原理上说是最简单、实用的方法，但市售的“预涂布感光覆铜板”价格稍高，且不易买到。11.2实训1热转印法手工制作PCB•1.实训目的•通过手工制作PCB，了解PCB制作的工艺原理，体验PCB制作工艺过程，掌握热转印法手工制作PCB的操作方法。•2.实训器材及场地要求•1）激光打印机(全班共用)•2）热转印机(小组或全班共用)•3）蚀刻槽(小组或全班共用)•4）小型视频台钻或手电钻及钻头(小组或全班共用)•5）裁板机(小组或全班共用)•6）覆铜板、热转印纸、细砂纸1套/人•7）元件盘、镊子、油性记号笔1套/人•场地应设有上、下水及清洗水槽。•3.实训内容及步骤•实训内容及步骤按图11-3所示的工艺流程图进行。•任务1：设计PCB•用portelDXP2004或其他制图软件设计绘制PCB图形。也可以直接使用如图4-4所示的图形，图形应满足以下要求并检查：•1）焊盘尺寸应大于75×75mil，线宽不小于15mil，线距定在10mil以上；如果有贴片元件，建议阻容件封装采用0805，二极管类封装为3216，三极管类封装为SOT-23，集成芯片类封装为SO-14。•2）孔位及尺寸是否准确。•3）图形是否完整，有无短、断缺陷。PCB图•任务2:打印及热转印图形•1）用激光打印机打印设计图形。将设计好的PCB图用激光打印机打印到热转印纸上，打印前确认热转印纸的正反面，打印时用纯色，色调深一些，注意打印比例一定要1:1，如果是利用portel布线设计的双层板，那么顶层一定要镜像打印，否则转印出来就反了。•注意：转印纸为一次性用纸，也不可用一般纸替代。•2）裁板与处理。•①用裁板机剪裁大小合适的覆铜板，尺寸最好比图纸大一些，如果没有裁板机也可以用钢锯根据PCB规划设计时的尺寸对覆铜板进行下料。•②用挫刀将四周边缘毛刺去掉。•③用细砂纸将敷铜面打磨光滑，再用洗衣粉或洗涤灵溶液洗净并用清水漂洗后晾干，清洗后的覆铜板铜面要保持清洁，不要直接用手拿也不要接触其他物品。•注意:此道工序关系到转印效果，一定不能省略或马虎从事。•3）将热转印纸贴到覆铜板上。•①将热转印纸平铺于桌面，有图案的一面朝上。•②将单面板置于热转印纸上，有覆铜的一面朝下。•③将覆铜板的边缘与热转印纸上的印制图的边缘对齐。•④将热转印纸按左右和上下弯折180°，然后在交接处用透明胶带粘接。•4）PCB图的转印。•①将热转印机放置平稳，接通电源，轻触电源启动键两秒，电机和加热器将同时进入工作状态。•②按下[温度]键，同时再按下“上”或“下”键，将温度设定在150℃～180℃之间。•③按下[转速]键，同时再按下“上”或“下”键，设定电机转速比，可采用默认值。•④当显示器上的温度显示在接近设定温度时，将贴有热转印纸的覆铜板放进热转印机中进行热转印。•⑤转印完毕，按下[加热]键，工作状态显示为闪动的“C”，待胶辊温度降至100％以下时，机器将自动关闭电源；胶辊温度显示在100℃以内时，按下[加热]键，电源将立即关闭。•5）转印PCB图的处理。转印后，待其冷却后将转印纸轻轻掀起一角进行观察，此时转印纸上的图形应完全被转印在覆铜板上。如果有较大缺陷，应将转印纸按原位置贴好，送入转印机再转印一次。如果只有较小缺陷，可以用油性记号笔进行修补。图11-5转印后的效果•任务3：蚀刻•1）三氯化铁（FeCl3）溶液的配制。•①戴好乳胶手套，按3:5的比例混合好三氯化铁溶液。•②将配制的溶液进行过滤。•③将过滤后的腐蚀液倒入快速腐蚀机中，以不超过腐蚀平台为宜。•④准备一块抹布，以防止三氯化铁溶液溅出。•2）PCB板的腐蚀。•①将装有三氯化铁溶液的腐蚀机放置平稳。•②带好乳胶手套，以防腐蚀液侵蚀皮肤。•③将“橡胶吸盘”吸在工作台上，再将经转印得到的线路板卡在橡胶吸盘上，使线路板与工作台成一夹角。•④接通电源，观察水流是否覆盖整个电路板。如不能覆盖整个线路板，在切断电源后，调整橡胶吸盘在工作台上的位置，以求水流覆盖整个电路板。•⑤盖上腐蚀机的盖子，接通电源进行腐蚀，待线路板上裸露铜箔被完全腐蚀掉后，断开电源。•如果没有腐蚀机，可以用其他大小合适的器皿盛装腐蚀液。将转印有印刷图形的覆铜板放入器皿中，用镊子夹住覆铜板轻轻晃动，待敷铜板上裸露铜箔被完全腐蚀掉后捞出。•注意：在此过程中不要离开，以免腐蚀过度，导致走线变细或断裂。•3）取出被腐蚀的电路板，用清水反复清洗后擦干。•4）用洗板水洗掉墨粉，或用细砂纸轻轻打磨掉。•任务4：PCB板钻孔•1）将带有定位锥的专用钻头装在视频钻床(或微型电钻)上，一般使用0.8mm钻头。•2）对准电路板上的焊盘中心进行钻孔。如果墨粉没有洗掉，定位锥可以磨掉钻孔附近的墨粉，形成一个非常干净的焊盘。•注意：使用手电钻时，钻头要垂直对准板面，手不要颤抖。•最后，配制酒精松香助焊剂，对焊盘涂盖助焊剂进行保护。11.3实训2贴片元件手工焊接•1.实训目的•通过手工焊接贴片元器件，体验SMT工艺过程，掌握利用电烙铁焊接贴片0805、0603电阻，SOP-23晶体管，SO-14封装及LQFP44封装集成芯片的焊接方法。会使用热风枪拆焊与焊接集成芯片。•2.实训器材•3.实训内容及步骤•1）利用电烙铁在焊接练习板上进行手工贴片元器件焊接。•2）利用热风枪在废旧计算机主板（或其他PCBA）上进行返修练习（集成芯片拆焊与焊接）。•4.实训所需器材、工具的要求•1）焊接练习板。练习板上应具备0805、0603电阻、0805电容、0805排阻、3216二极管、SOT-23晶体管、SO-14集成块、LQFP44集成块焊盘，并设计测试孔。图11-7焊接练习板模板•2）电烙铁和镊子。电烙铁和镊子是手工焊接贴片元器件的基本工具，有条件时尽量使用恒温焊台或恒温电烙铁，使用I形烙铁头，顶端要足够细。焊接温度一般控制在300～350℃之间。尖嘴镊子最好是防静电的。任务1：电烙铁手工焊接贴片元器件•1）清洁和固定PCB。在焊接前应对要焊的PCB进行检查，确保其干净，对其表面的油性手印以及氧化物之类的要进行清除，避免影响上锡。如果条件允许，可以用焊台之类的器具固定好PCB，从而方便焊接，一般情况下用手固定即可。•2）固定贴片元件。贴片元件的固定是非常重要的。根据贴片元件的管脚多少，其固定方法大体上可以分为两种——单脚固定法和多脚固定法。对于管脚数目少（一般为2～5个）的贴片元件如电阻、电容、二极管、晶体管等，一般采用单脚固定法。即先在板上对其中的一个焊盘上锡，然后左手拿镊子夹持元件放到安装位置并轻抵住电路板，右手拿烙铁靠近已镀锡焊盘熔化焊锡将该引脚焊好。图11-9固定元件•3）焊接剩余的管脚。元件固定好之后，继续对剩余的管脚进行焊接。对于管脚少的元件，可左手拿焊锡，右手拿烙铁，依次点焊即可。•对于管脚多而且密集的芯片，除了点焊外，可以采取拖焊，具体做法是：用毛刷将适量的松香焊剂涂于引脚或焊盘上，适当倾斜线路板；在芯片引脚未固定那边，用电烙铁拉动焊锡球沿芯片的引脚从上到下慢慢滚下，滚到头的时候将电烙铁提起，不让焊锡球粘到周围的焊盘上，如图11-10所示。由于熔化的焊锡可以流动，因此有时也可以将板子合适的倾斜，从而将多余的焊锡弄掉。图11-10集成芯片引脚的拖焊•4）清除多余焊锡。在焊接时所造成的管脚短路现象，可以拿吸锡带将多余的焊锡吸掉。吸锡带的使用方法很简单，向吸锡带上加入适量助焊剂（如松香）然后紧贴焊盘，用干净的烙铁头放在吸锡带上，待吸锡带被加热到使要吸附焊盘上的焊锡融化后，慢慢的从焊盘的一端向另一端轻压拖拉，焊锡即被吸入带中。•吸锡结束后，应将烙铁头与吸上了锡的吸锡带同时撤离焊盘。此时如果吸锡