Механизм и технология химического оловянирования

Что такое токоведущие шины?

Токоведущие шины и шины заземления — чрезвычайно важные элементы современной электротехнической промышленности. Любой силовой агрегат содержит их в своем составе. Токоведущие шины, в основном, изготавливаются из меди и алюминия. Медь обладает наименьшим (из недрагоценных материалов) удельным сопротивлением, однако имеет и достаточно высокую цену. Алюминий является компромиссным вариантом по цене/качеству.

При использовании меди можно столкнуться с рядом проблем, таких как коррозионная устойчивость токоведущей (заземляющей) шины и допустимость контактов с другими материалами.

Так, например, контакт меди и алюминия недопустим по ряду причин:

• Алюминий больше склонен к окислению на воздухе, чем медь и его оксидная пленка хуже проводит электричество. В результате место контакта будет иметь значительное сопротивление. проходящий в цепи электрический ток еще больше ускоряет окисление алюминия.
• Место контакта меди и алюминия начинает сильно греться.
• Электропроводность при нагревании падает, при остывании — увеличивается. Появляется нестабильность электрического тока.
• Кроме этого, соединение меди и алюминия является коррозионно-активным очагом в присутствии влаги, т.к. алюминий — очень электроотрицательный металл, а медь — электроположительный. В результате при их контакте появляется коррозионная гальванопара, что укоряет окисление и разрушение контактов.

Все это может привести к чрезвычайным ситуациям и несчастным случаям при эксплуатации электрооборудования с незащищенными медными контактами и шинами, особенно при их сопряжении с алюминием.

Входом из данной ситуации является использование оловянного или никелевого покрытия на шинах и электрических контактах (лужение или никелирование). Рассмотрим в данной статье оловянирование и никелирование медных шин и преимущества покрытой шины перед непокрытой.

Изготовление печатных плат ЛУТ’ом от А до Я

Доброго времени суток! Среди моих знакомых бытует мнение, что самостоятельно изготавливать печатные платы (ПП) бесполезно. Учитывая, что современные компоненты далеко ушли от DIP корпусов, то кустарно травить платы под них даже и не стоит пытаться. Тем не менее необходимость в быстрой оценке того или иного компонента всегда есть, и ждать несколько суток заказанной платы времени нет. И это учитывая, что заказ за «несколько суток» дорог, для одноразовой задачи. В данной статье я хочу изложить порядок действий, которые позволят быстро изготавливать ПП под компоненты в корпусах подобных TQFP-100, то есть с ногами 0,2мм и таким же зазором, и при этом сводить брак к минимуму.

Конечно это способ изготовления плат только для прототипов, но он снижает риски ошибиться при создании конечного устройства.

В сети много статей и роликов с подобными советами, но как правило там не охвачены все нюансы тех или иных действий. Здесь же хочу показать весь процесс, который в домашних условиях позволит за час-полтора изготовить приемлемый экземпляр ПП.

Под катом подробности и трафик. Минимальный набор материалов:

1. Правильная бумага (ниже остановлюсь на понятии «правильная»)
2. Персульфат аммония
3. Ёмкость для травления
4. Шкурка «нулевка»
5. Кисточка (натуральная или из стекловолокна)
6. Зубочистка

И, конечно, лазерный принтер и утюг.
Весть процесс покажу на изготовлении ПП под оценочную плату микросхемы ATxmega128A1U-AU (оценка заявленного аппаратного крипто модуля, EBI и вообще), и платы для подключения 7 дюймового дисплея к STM32F407VE

Для оценочных плат стараюсь делать разводку только на одной стороне, там где пересечений не избежать, ставлю резистор с сопротивлением=0 и корпусе 0805, пропуская дорогу под ним. Если пересечений много и точно нужно два слоя, то травлю каждый слой на отдельном текстолите (соединяю потом по VIA).

Первый этап

Подготовка текстолита.
Односторонний текстолит с толщиной меди 17-35мкм отмывается от грязи средством для посуды под теплой водой, потом капля моечного средства наносится на шкурку с зерном P800 или меньше и будущая плата шлифуется до образования шероховатостей по всей площади. Момент со шкуркой обязателен! Таким способом медь до дыр не затрем, но обеспечим хорошее прилипание тонера. После шлифовки поверхность промывается чистой водой, вытирается насухо и откладывается досыхать.

К моменту переноса макета, текстолит должен быть сухой, без окислов, жирных пятен и заметными шероховатостями.

В одной из статей видел рекомендацию, что медный слой надо подержать на солнце, до появления сизой оксидной пленки, в нашем случае это не нужно.

Второй этап

Подготовка макета.
Для ATxmega128 сделал такую вот разводку:

если нужно, то есть PDF.

На плате сама xmega, преобразователь интерфейса ft232 и стабилизатор lp2985, а так же мелочёвка- разъем PDI, USB, светодиодики на весь порт «B». Рисунок платы несколько отличается от того, что буду травить. Перед печатью добавил надписей и мелочей для усложнения.

Все дороги на верхнем слое (TOP), поэтому печатаем макет в отзеркаленном виде.

Наличие в принтере «неэкономного» режима для жирной печати необязательно. Я печатал на разных принтерах с печатью «по дефолту» и проблем не было, за исключением одного момента: Принтеры Brother (а конкретно HL-l2340 и HL-l2250) очень непочтительно относятся к переводу DPI в реальный размер, поэтому рисунок может поплыть по размерам, а это критично, когда на 1мм две дороги должны уместиться.

Теперь бумага.

Никаких глянцевых журналов и подложек от самоклейки!

И даже от китайской бумаги для ЛУТа я тоже отказался (слишком тонкая и мнется при печати) Бумага должна быть плотной — минимум 150гр на квадратный сантиметр, должна быстро прилипать при нагревании и не ёрзать под утюгом, хорошо набухать в воде.

Лучший вариант- глянцевая фотобумага, не слишком хорошего качества. Не «слишком хорошего качества» это значит не премиум и не LOMOND. То есть дешевая глянцевая фотобумага. На фото выше, одна из таких и показана, есть еще «Фотобумага глянцевая», выпускаемая под брендом крупного магазина компьютерной техники, это клон той, что на фото (складывается впечатление, что они с одного завода, но в разных упаковках).

Данная бумага сразу прилипает к меди под утюгом и не сдвигается при проглаживании (матовая бумага не содержит глянцевого слоя и поэтому не липнет, а горячий тонер легко смазать), она легко отходит в теплой воде (в отличии от LOMOND и бумаги с приставкой «премиум»).

Итак пора печатать. Печатаем макет, потом, не касаясь лицевой стороны пальцами, обрезаем края. и готовим утюг.

Третий этап

Перевод макета.
Необходимо сначала подготовить емкость с водой, в которой будет замачиваться плата. У меня роль этой емкость выполняет обычный тазик. Наливается горячая вода ( градусов 50, то есть чтобы рука уже не терпела), литров пять, и в ней растворяется немного моющего средства (немного, это столовая ложка).

И идем к утюгу.

Подготовленный текстолит кладем на ровную поверхность и накрываем распечатанным макетом, утюгом прогретым до максимальной температуры проглаживаем по центральной линии, а потом от центра к бокам. При первом проглаживании распечатку лучше придерживать, чтобы не сдвинулась. После первого проглаживания лист фотобумаги прилипает к меди и сдвинуть его утюгом уже можно не бояться. Теперь можно носиком утюга пройтись по всем краям и местам, где на вид бумага отходит. Потом секунд тридцать просто прогреваем по всему объему.

Не смог удержаться чтобы в статье про ЛУТ не показать главное действующее лицо:

После проглаживания, не остужая кидаем плату воду. То есть не удаляя бумагу, подхватываем горячую пинцетом и кладем в подготовленную емкость с водой. 10 минут перерыв на отмачивание.

Четвертый этап

Очистка от бумаги.
По истечении 10 минут достаем плату из воды и удаляем бумагу. Как бы долго плата не лежала в воде, вся бумага не отстанет. Точнее сама то бумага без проблем, а вот глянцевый слой, который нам обеспечивал хорошее прилипание останется в узких местах.

как-то так:

Вообще тонер держится очень надежно, тереть можно пальцами, ластиком или губкой для мытья посуды, но между дорожками вытащить глянец сложно, достаточно дать плате высохнуть, как такие места будут видны.

Есть три пути.

1. Замочить плату в спирте еще на 10-15 минут, глянцевый слой набухнет и смоется мягкой тряпочкой. Это не наш способ, в виду его кощунственности.
2. Замочить плату в растворителе «анти-силикон», который продается в строительных магазинах. Не знаю что там в качестве активного вещества (на бутылке не написано), но глянцевый слой тоже разбухает и удаляется, тонер при этом остается. Это способ на любителя, средство довольно вонючее.
3. И третий способ — удалить механически, что не очень долго.

Для этого надо обратно намочить плату и острым предметом удалить лишнее. Лучше всего использовать острую зубочистку. Мокрый глянец удаляется без проблем, а дерево зубочистки не сносит тонер. Особо замечу, что нельзя использовать иголки! Не потому, что можно снять тонер (он то прилеплен хорошо), а потому, что железо оставляет на меди следы. Да! сам в шоке, знаю что медь мягче железа, тем более нержавейки. Но факт имеет место быть. Там где водил иглой медь травится очень медленно.
Пример из практики:

После удаления остатков глянцевого слоя, промываем плату с моющим средством, удаляя «пальчики». Оставляем высыхать.

Почти специально оставил несколько мест, где глянец не удален (потом увидим, что не так все страшно).

Пятый этап

Травление.
Травлю персульфатом аммония, не скажу, что он лучше хлорного железа, просто от железа больше грязи (ну да, персульфат аммония это же отбеливатель, какая тут грязь) и хлорное железо труднее хранить — гигроскопичен и как следствие сплавляется в большие куски, которые надо дробить.

Травлю при температуре 40 градусов. На плату с медью 35мкм — 15 минут, С медью 17мкм — 5 тире 7 минут. Можно и при комнатной температуре 17мкм травится порядка 20 минут, 35мкм в теории 40 минут, но это уже и не помню.

В домашних условиях можно травить в любой емкости, для этой статьи специально травил в обычной пластиковой емкости, что накладывает определенные дополнительные действия от исполнителя. Но если ПП делаются часто, то можно заделать себе ванночку для травления:

главным дополнением которой — насос для перемешивания раствора, он освобождает от «определенных дополнительных действий». Насос нужен мембранный, с пластиковой мембраной. Тот что на рисунке, купил в интернет магазине для робокрафтеров.

Внутри емкости перегородки, для размещения нескольких ПП.

На фото травятся две стороны платы под STM32F407VE подключаемую к семи дюймовому дисплею. Под xmega вытравлю в открытой пластиковой.

Делаем раствор — пол литра воды плюс 100-150г персульфата аммония. Вообще рекомендуется 250 грамм на пол литра, но в кустарных условиях при остывании раствора и испарении воды, выпадают кристаллы и намертво прилепляются на медь, как итог непротравленные точки. Как писал выше — температура 40 градусов.

Кидаем в раствор плату и начинаем кисточкой перемешивать раствор, чтобы травление шло равномерно. Также кисточкой можно удалять с платы хлопья глянцевого покрытия, если при подготовке не все удалились.

У меня плата с медью 35мкм, через 10 минут уже видно текстолит:

Жду еще 5 минут и все готово.

Надо сказать, что в процессе травления лучше передержать плату, чем недодержать. И дополнительное время может быть довольно большим. Один раз я увидев недотравленный полигон закинул платку обратно и забыл про нее часа на три, когда вспомнил, думал что ее разъело насквозь. Однако ни одного подтравливания не заметил:

вот этот передержанец (уже облуженный):

Итак, вытащили нашу плату, помыли и посмотрели на свет:

Если нашли лишнюю медь, то можно кинуть обратно в раствор.

Если все хорошо, то ЛУТ окончен!

Смываем ацетоном тонер и облуживаем, если в ближайшее время облуживание не предусмотрено, то хранить плату можно не смывая тонер, он будет защитной оболочкой.

Итог:

Выше я помечал места на плате, где глянцевое покрытие осталось. Те места, которые глянец закрывал герметично (уголок на плате), там не протравилось, там где небольшие перекрытия между дорожками — все нормально, раствор туда пробрался. Если использовать емкость с насосом, то глянцевое покрытие можно вообще до конца не оттирать, просто время травления увеличивается в два раза.

Пара фраз о лужении. Поскольку ЛУТом делаются платы временные или для себя, то особо возиться с облуживанием не стоит (ИМХО), можно просто пройтись паяльником по тем местам где будет пайка, а потом все покрыть лаком.

Но если компоненты на плате будут перепаиваться или плата будет долгое время эксплуатироваться, то лучше залудить. Либо паяльником пройти по всей меди, либо если есть фен, то паяльной пастой.

Я мешаю пасту с флюсом примерно 1 часть пасты и 5 частей флюса, покрываю всю плату и прогреваю феном:

во время прогрева, текстолитовой кисточкой (известная как «вечная кисточка») сгоняю припой к краям платы, Лишнего припоя на дорожках при таком способе не остается, а там где его не хватает, можно пригнать с краев. Не воздушный нож, конечно, но тоже довольно аккуратно.

Главная проблема при использовании паяльной пасты, это лишние шарики, присохшие к плате. Вот на фото их хорошо видно:

Поэтому после лужения, плату надо хорошенько промыть и оттереть тряпочкой, смоченной в ацетоне.

Плату облудили, теперь точно все. Монтаж. Проверка:

Задача выполнена. На данную плату ушло не больше часа (с учетом фотографирования этапов).

Параллельно у меня травилась вторая плата, точнее две стороны одной платы. И если первая платка была скорее для демонстрации (можно было и на DIP переходнике выполнить, а не подобие ардуины делать), то вторая нужна была для конкретной цели и плести косы проводов на переходнике не вариант (да еще не факт, что помех не нахватает при подключении через fsmc)

Две стороны:

Как видно, я не стал травить двухсторонний текстолит, проходя убийственную процедуру совмещения двух шаблонов на этапе работы утюгом. Лучше это сделать сейчас.

Сверлим отверстия на VIA у всех плат, берем ножки от резисторов и штук 5 припаиваем к одной стороне, потом нанизываем на них вторую сторону, пропаиваем с двух сторон. Все платы совмещены! Теперь можно пропаять все отверстия.

Как-то так:

Все готово!

Вы, должно быть заметили сильный брак на одной из сторон:

Бумага после принтера наэлектролизована и собирает на себя все подряд. Особенно волосы, особенно кошачьи! Так что я не досмотрел.

А вот и виновник:

Контролирует все выполняемые процессы.

После восстановления дорожки, ПП готова и устройство собралось:

Правда, это была плата как раз временная — проверить правильность подключений, чтобы потом развести по-человечески и заказать.

Вот и все. Удачи в ваших начинаниях!

Коррозионная стойкость оловянированной и никелированной медной шины.

Оловянное покрытие на медной токоведущей (заземляющей) шине является анодным (или протекторным) т.е. электрохимический потенциал олова отрицательнее, чем меди. Это означает, что в коррозионно-активной среде в первую очередь будет разрушаться олово и только после полного растворения олова на определенном участке будет повреждаться медь. Само по себе олово является достаточно стойким к коррозии металлом, поэтому применение оловянного покрытия на медной шине значительно увеличивает срок службы такой шины. Аналогию можно провести с оцинкованной сталью. В паре цинк-сталь цинк также является анодом и будет корродировать в первую очередь, защищая сталь.

Для увеличения коррозионной стойкости оловянного покрытия на медной шине покрытие осаждается из электролита с блескообразователями и легируется висмутом (т.е. осаждается сплав олово-висмут).

Коррозионная стойкость никелированной шины, безусловно, также высока, однако у нее есть недостаток. Оловянное покрытие (особенно блестящее) беспористое начиная с толщины 6 мкм, никелевое — с толщины 24 мкм. при средней требуемой толщине покрытия в 9-12 мкм олово будет иметь преимущество перед никелем. В то же время никелированная токоведущая шина все же лучше, чем шина вообще без покрытия.

Электропроводность оловянированной медной шины.

Несмотря на то, что покрытие олово-висмут хуже проводит электричество, чем чистая медь, но оно уверенно занимает второе место, если не считать покрытия драгоценными металлами. В совокупности с рядом других неоспоримых плюсов, покрытие оловом на токоведущих шинах предпочтительнее, чем, никелевое. Дело в том, что никелевое покрытие имеет прочную оксидную пленку на поверхности, что объясняет высокую коррозионную стойкость никеля. Однако, этот же факт является причиной сравнительно невысокой электропроводности никелевых покрытий, по сравнению с медью и оловом.

Правила безопасности труда при лужении

Основные правила безопасного проведения лужения металла:

1. К работам допускаются совершеннолетние лица, обученные и прошедшие инструктаж по безопасности.
2. В ходе работ могут возникнуть такие вредные и опасные факторы, как выделение паров, разбрызгивание флюсов и припоев, повышенная температура, может повыситься взрыво- и пожароопасность среды. Поэтому работники обеспечиваются респираторами, спецодеждой, защитными очками.
3. В помещениях необходима общеобменная и местная вентиляция. Освещенность должна соответствовать категории выполняемых работ.
4. Выполнение работ разрешается только при наличии исправного инструмента и оснастки, а также качественных материалов.

При лужении в домашних условиях обязательно выполнять такие требования:

1. Не вдыхать пары нашатыря и кислот. При возможности использовать респиратор.
2. Избегать попадания кислот на одежду и кожу.
3. Работать в защитных перчатках.
4. Для работы с нагретыми элементами пользоваться клещами.

Таким образом, лужение – доступный способ защитить металлические изделия от коррозии или подготовить их к пайке. Несмотря на затратность и трудоемкость, выполнение операций лужения доступно в домашних условиях.

Износостойкость оловянированной и никелированной медной шины.

Единственным серьезным недостатком оловянированной токоведущей (заземляющей) шины перед никелированной является низкая износостойкость. Однако, стоит заметить, что наличие хоть какого-то покрытия всегда увеличивает износостойкость изделия, в большей или меньшей степени. Использование же износостойких покрытий оправдано только в том случае, если на шине используются разъемные контакты, либо если покрытие наносится непосредственно на разъемный контакт. В данном аспекте никелевое покрытие — вне конкуренции.