PCB を良好な状態から良好な状態に変える: トナー転写

Jun 25, 2023

私たちの多くは自宅で回路基板を作成しています。 完成したバージョンが PCB 工場に送られる場合でも、完成したプロジェクトに至る途中のステップで、このスキルを覚えておくと便利なスキルだと思います。 たとえば、他の開発ツールと連携するブレークアウト ボードが必要な場合、すぐに接続できるものを作成できることほど素晴らしいことはありません。注文して待つのではなく、すぐに実行してプロジェクトの残りの作業に取りかかることができます。配達の際には、流れに乗るのに役立ちます。

トナー転写は、家庭で回路基板を作成する最も早い方法です。レーザー プリンタで回路を印刷し、銅板にアイロンをかけてエッチングするだけです。 それがうまくいくと、それは素晴らしいことです。 そうでない場合、無数の要因のうちどれがずれているかを特定するのは大変な作業になる可能性があります。

私は長い間、非常に信頼性が高く再現性のある方法を使用してきました。 最近、システムのパフォーマンスを少し調整したので、その成果を共有したいと思いました。 現時点では、6 ミル (0.15 mm) のトレースと 8 ミル (0.20 mm) の間隔を持つ基板を非常に確実に生産できます。 ポストプロダクションで少し注意すれば、4 ミル / 6 ミルは十分に妥当です。

私のプロトタイプ作成のほとんどのニーズにはこれで十分です。TSSOP 部品を 0.65 mm ピン ピッチまでカバーし、0805 表面実装抵抗またはコンデンサを介して 2 つのトレースに給電することができます。 最も安価なプロの製造会社と同等ですが、ボードを 15 分ほどで回転させることができます。 私の考えによれば、注文して待つのは本当に楽です。 シルクスクリーンやスルーホールメッキなどの贅沢が必要な場合は回避策がありますが、ほとんどの場合、最終バージョンが作成されるまではそれらを省略します。

秘密？ 科学！ あるいは少なくとも、圧倒的な数になる可能性のある変数と秘密のテクニックを取り入れて、それらを一度に 1 つの変数を変更する実験に落とし込み、その 1 つの次元に沿って最適化します。 世の中には目まぐるしいほどのテクニックが存在しますが、その多くは、適切なブランドのトナー、適切な紙、または熱いアイロンを適切に扱うときにのみ機能します。 要するに、再現性がないのです。 自分のセットアップが他の人のセットアップと正確に一致しない場合、すべてが失敗します。 ここでは、再現可能な方法を示し、それを調整する方法を示します。

インターネットのトナー転写ガイドの多くは、転写媒体に使用される紙の種類や、アイロンをかける前に銅を洗浄する方法など、あまり重要ではない詳細に焦点を当てています。 それは、最初に銅をきれいにする必要がないということではなく、絶対にそうする必要がありますが、それをどのように行うかは実際には重要ではないというだけです。 私は目の細かいサンドペーパーや緑色のポットたわしを使ってきましたが、最近では、ろう付け前にパイプの接合部を磨くためにホームセンターで買ったスポンジを使っています。 続いてアセトンで拭き取ります。 ポイントは表面の酸化物や油分を取り除くことです。 どうでもいいです。

同様に、転写紙の選択もかなり自由です。 私は光沢のある雑誌のページ（現時点ではエコノミストがお気に入りです）と、剥がせるステッカーが貼られるプラスチックでコーティングされた裏紙を交互に使用しています。 これら 2 つのサーフェスはまったく異なる動作をします。 ステッカーの裏紙は直接剥がれますが、雑誌の紙は親指でこすると冷水に溶けて剥がれます。 もっと派手なものがあります。 転写紙のポイントは、画像を変形させないように光沢があり、銅の上にトナーを残して簡単に剥離できることです。 残りは利便性です。

最後に、エッチング液の選択は重要ではありません。 私は酸で酸素を再生した塩化銅を使用しています。それは、本質的に無限にリサイクル可能であり、有毒な化学物質を処分するのが面倒だからです。 人々は塩化第二鉄または過硫酸アンモニウムを使用します。 酢と塩、あるいは龍の唾と会計士の涙を使う人もいます。 タンク内の液体をかき混ぜる人もいれば、スプレーする人もいますし、スポンジを使う人もいます。 何でも機能します。

もちろん、これらはすべて、優れたトナー転写 PCB を製造するために絶対に不可欠ですが、どれもかけがえのないものではありません。

一方、銅へのトナーの付着には 3 つの基本的な要素が重要であり、それは時間、温度、圧力という物理学に依存します。 これら 3 つを 1 つに減らすことは、信頼性と再現性への大きな一歩であり、それが私たちの最初のステップです。

プレッシャーに関しては、ほとんどの場合、多ければ多いほど良いのです。 実際、加熱ローラーをまったく使用せずに動作するレーザー コピー機もあります。 これらはプラスチックのトナー粒子を非常に強く押しつぶすので、室温またはその付近で紙に付着します。 そこまで大きな圧力をかけることはできませんが、圧力変数を「可能な限り」に固定します。

逆さまにしたアイロンの上に PCB を置き、麺棒に全体重をかけて押し込みます。 麺棒とボードとの接触面が小さいため、結果として生じる圧力はかなり高くなりますが、体重がそれほど多くないため、圧力はほぼ一定です。

私は、本質的に同じことを逆さまに行うこのメソッドからインスピレーションを得ました。 私の経験では、この手順ではボードがダボの上で均等に転がることはありませんが、私のセットアップである露出した電気ホラーをあなたの家に置きたくない場合は理解できます。 強力な高温の表面であれば機能するはずです。セットアップを改善すると、温度制御が向上します。 十分な圧力を加えることができる改良型ラミネーターをお持ちであれば、おそらくそれがさらに良いでしょう。 アイロンのスクラップを持っています。

多ければ多いほど良いという圧力とは異なり、滞留時間が長くなると効果は急速に低下します。 レーザー プリンタでは、1 分あたりのページ数が重要なセールス ポイントであるため、この滞留時間を最小限に抑えようとします。 ボード上であまりに速く転がすと接着が不均一になる可能性があるため、解決策はゆっくりと前後に転がすことです。 回転速度が低下しても実質的には何も変わらないように、単に非常にゆっくりと回転させるだけで、方程式から時間を取り除くことができます。 1 ～ 2 分で十分です。

もちろん、これらはすべて相対的なものです。 あなたは私と同じトナーを使っているわけではないし、体重も私と同じではないし、「遅い」ということについて私と同じ考えを持っているわけでもありません。 しかし、自分自身の練習に一貫性を保っている限り、これらの変数は結果に大きな影響を与えることはなく、結果に影響を与える変数に自由に取り組むことができます。つまり、温度が秘密のソースです。 科学の登場です！

トナーが加熱されると、いくつかの異なる段階を経ます。 最初は硬いプラスチックですが、ガラス転移を通過するにつれて粘着性があり、わずかに展性があり、さらに温度が上昇すると溶けて液体になります。

アイロンは「できるだけ熱く」するべきだというインターネットの噂がどのようにして出てきたのか、私にはわかりません。 しかし、私はそうすることによって何が起こるか知っています - 加えられた圧力の量に非常に敏感な汚れた転写です。 それは私たちがここで求めているものとは正反対です。 その代わり、目標は、トナーをできるだけ低い温度でガラス転移状態に保ち、ほぼ一定の最大圧力で銅と融合させることです。

したがって、手順を校正する最初のステップは、温度を上げながら一連の転送を実行することです。 あなたの温度は私の温度と同じではありませんが、私のトナーを使用したり、私の家でPCBを作り直したりするわけではないので、それは問題ありません。 コツは一貫性を保つことです。

ここでの 4 つの例は、98 °C、125 °C、142 °C、および 166 °C で転写されました。 最初のものは明らかにまったくうまく付着しておらず、実際、16 ミルのトレースを除くどのトレースもエッチング後に実際には連続していません。 最高温度の基板では、グランド注入時に 20 ミルのクリアランスを使用しているにもかかわらず、全面的に短絡が発生しています。 驚いたことに、6 ミル間隔の 2 つのトレースが短くなっていたにもかかわらず、TSSOP フットプリントは基本的に正常に動作しました。

極端な温度の問題は、転写シートを見れば明らかです。 低温盤の場合、用紙上にトナーが多く残っています。 単に銅に十分に密着していないだけです。 おそらくプラスチック層がトナーに溶けたため、高温のシートを引きはがすときに破れました。

中央の 2 つのボードはかなり良く見えますが、見た目に騙される可能性があるため、おそらくエッチングする価値があります。 実際、125 °C のボードには小さな欠陥があります。6 ミルのトレース サンプルは、パッドに接続されている底部で破損しています。 142 °C のボードでは、0805 部品を通過する 2 つの近接した配線が短絡されていますが、他の配線はすべて連続しています。 おそらくこの 2 つの温度の間の温度がスイート スポットになります。

このテストボードを 132 °C で雑誌用紙に印刷して再度実行したところ、完璧な結果が得られました。 雑誌のストックを切り取って、プリンターに正しく供給できるように普通紙にテープで貼り付けるというちょっとした手間を除けば、雑誌の用紙はおそらく理想的な素材です。 水に溶けると、トナーにかかるストレスがほとんどなくなり、あちこちにシミができてしまうリスクが大幅に低くなります。

偶然ではありませんが、現在のレーザー プリンタを購入した後、最後にこのキャリブレーションを自分で行って以来、約 130 °C の温度を使用しています。 ダイヤルインした温度で一貫した手順を実行することは、戦いの半分以上をはるかに超えています。

現時点では、トナー転写プロセス自体がほぼ組み込まれているため、印刷の信頼性と解像度を制限する要因は、プリンタ自体とそれを駆動するソフトウェアになります。 さまざまなプリンター ドライバー (PCL と Postscript) の間、またアートワークの保存に使用されるさまざまなファイル形式とそれらを読み取るプログラムの間には、驚くほど大きな違いがあることがわかりました。

特に、私のシステム上の両方のドライバが、KiCad の Postscript および PDF 出力をカラー ファイルとして解釈し、その結果にディザリングを適用しているようです。 Postscript ドライバーを使用すると、エッジがぎざぎざになり、他の人が以前に気づいた効果になります。 転写がうまく機能していれば、これらのギザギザは最終的に PCB の銅部分に残ります。

私が使用していた PCL ドライバーでは、はるかに高解像度のディザリング アルゴリズムが適用されているようで、その結果、線が不連続になるほど細く見えます。 細い線の印刷で発生していた問題はドライバーが原因であることがわかりました。

最後に、ファイルを SVG グラフィックとして保存し、Inkscape 内から印刷すると、カラー ディザリングによるアーティファクトはすべて消えますが、結果は、転送すると少し太すぎる、滑らかで暗いトレースになります。 おそらく、これらの改良されたトレースを使用して、温度を少し下げることができるでしょうか? また、雑誌用紙では発生しない、粘着付きの紙の転写に多少のゴミが発生するため、結局のところ、紙の種類が少し重要になる可能性があります。

温度と圧力の主な変数を制御するまでは、このような細かい詳細を実際に診断することはできないことに注意することが重要です。 しかし、一度実行して、一連のソフトウェア段階から生じる最小の不具合が目に見えて再現可能になると、新たな制限要因が発生し、ソフトウェアを調整する時期が来ます。

残念ながら、ソフトウェアやプリンターの設定は人それぞれ異なるため、私にとってうまくいく調整がすべてあなたにもうまくいくとは限りません。 この時点では、あなたは一人です。 プリンターの解像度、プリンター構成オプション、さらにはドライバーやファイルの種類さえも重要になる可能性があることを知っておいてください。 実験するのは大変なので、一度に 1 つの変数を取り上げてください。

したがって、温度、圧力、用紙の種類、さらにはファイル形式やプリンタードライバーなど、すべてが相互作用します。 信頼性の高い 6/8 トレースに満足しているため、今日の実験はあきらめました。プロジェクトでさらにそれを進める必要がある場合は、おそらく温度をさらに下げて、線の太さが解決されるかどうかを確認することから始めます。 本当に 6 ミルのクリアランスが必要な場合は、エッチングする前にその位置を再確認してメスの刃できれいにするか、4 ミルのトレース幅で実験します。 結局のところ、SVG 出力と Inkscape による印刷では、6 ミルで不連続なトレースが 1 つも発生しませんでした。

ただ、絶対に変えられないのが、基本的なテクニックです。 私は約 10 年前にローラーを通して一定の最大圧力を加え、温度を微調整することを初めて始めました。それ以来、これは PCB を製造する非常に信頼性の高い方法となっています。 最近の最大解像度の探求は楽しい気晴らしになっており、必要なときに小さな機能を実行できることを知ってうれしく思うと同時に、ソフトウェアとドライバーを調整することでさらなる改善への道が開かれているように見えることを悲しく思います。とてもたくさんのオプションがあります。

ある時点で、プロに仕事を任せることが容易になります。 しかし私にとって、トナー転写はプロトタイピングの初期段階のほぼすべてで機能し、納期は絶対に勝てません。