В прошлый раз мы подробно обсудили все нюансы использования ультрафиолета в технологии фототравления, а теперь пришло время вспомнить школьные уроки химии и освоить работу с щёлочными и травильными растворами.
Заметим, что между экспонированием и проявкой не предполагается никакой паузы – оба этапа осуществляются один за другим. Это в теоретическом описании мы можем разделить две смежные процедуры, отнеся их к разным разделам. На практике такое разделение приведёт к порче заготовки.
Итак, обработка в химических растворах – ключевой этап технологического процесса фототравления. Здесь любая небрежность может привести к браку, а значит вся проделанная нами работа пойдёт насмарку. Поэтому каждое действие на этом этапе должно быть предельно осмысленным и совершаться с максимальной осторожностью.
В этой статье мы подробно обсудим, как правильно провести проявку фоторезиста в щёлочном растворе, какие реагенты и оборудование использовать для травления, как организовать эту ответственную процедуру и успешно довести её до конца.
Техника безопасности
Но, прежде чем приступить к работе с химикатами, необходимо принять все необходимые меры для защиты организма от неблагоприятных воздействий. Так как работать мы будем с щёлочью и ядовитыми соединениями – вроде медного купороса и хлорного железа – настоятельно рекомендуем проводить свои химические опыты в полном комплекте химзащиты, включающем в себя:
- Защитный полиэтиленовый фартук
- Резиновые или латексные перчатки
- Химические защитные очки
- Респираторную маску
Последнюю мы будем использовать на этапе травления, чтобы защитить организм от ядовитых испарений.
Конечно, бывшие радиолюбители, привыкшие травить печатные платы, в буквальном смысле, голыми руками, без каких-либо средств защиты, могут отнестись к нашим рекомендациям скептически. Но пренебрежение к собственному здоровью – отнюдь не повод для гордости. Большинство реактивов, с которыми мы будем работать, токсичны. И, если пара циклов травления вряд ли нанесут организму серьёзный ущерб (хотя, это зависит от состава травильного раствора), то в долгой перспективе негативный эффект от использования токсичных соединений будет гораздо заметней и может существенно повредить вашему здоровью.
Даже если вышесказанное не убедило вас в необходимости использовать респиратор и защитные очки, фартук и перчатки совершенно необходимы, при работе с щёлочью. К тому же они позволяют защитить кожу рук и одежду от грязевых пятен, появление которых практически неизбежно при работе с некоторыми компонентами, вроде раствора хлорного железа.
Учитывая, что вся работа будет проводится в домашних условиях, необходимо использовать в качестве химической лаборатории хорошо проветриваемое помещение. Также необходимо исключить контакт с растворами и реактивами домашних животных и маленьких детей.
Помните, пренебрежение правилами безопасности создаёт угрозу как вашему здоровью, так и здоровью ваших близких. А здоровье, как говорится, не купишь ни за какие деньги.
Проявитель
Для того, чтобы удалить разрушенный полимер с засвеченных под УФ лампой областей заготовки, нам понадобится раствор едкой щёлочи – предпочтительно гидроксида натрия (NaOH).
Это вещество также называют каустической содой, каустиком или едким натром. Выпускается оно в виде белого порошка или непрозрачных гранул. Купить его можно как в специализированных магазинах, торгующих химреактивами, так и в любом хозяйственном магазине – в виде популярного сантехнического средства «КРОТ».
В нём гидроксид натрия выступает основным действующим компонентом. Также в «КРОТе» присутствует гидроксид калия (KOH), который является хорошей альтернативой NaOH.
На основе каустической соды мы приготовим раствор в пропорции 7 г вещества на 1 литр воды. Этого количества нам хватит для обработки нескольких (от 7 до 10) заготовок. Хранить раствор можно достаточно долго – для этого подойдёт любая стеклянная или пластиковая тара.
Обратите внимание, что работать со щёлочью нужно в водонепроницаемых перчатках и защитных очках. Попадание раствора на кожу или слизистые оболочки глаз чревато химическими ожогами, особенно если концентрация вещества окажется выше рекомендованной.
В качестве ёмкости для раствора лучше всего подойдёт обычная фотокювета.
Благодаря её рельефному дну, площадь контакта растовора с заготовкой будет максимальной. Впрочем, при отсутствии такой кюветы, подойдёт любая пластиковая, стеклянная или керамическая посуда соответствующего формата.
Проявка
Процедура удаления засвеченного фоторезиста отдалённо напоминает проявку фотографий – от неё она и получила своё название. Впрочем разница между ними весьма существенная.
Во-первых, здесь нет особых требований к освещению. Достаточно, чтобы оно было не слишком ярким и не включало в себя источников интенсивного УФ излучения (этот момент мы подробно обсудили в прошлой статье).
Во-вторых, перед погружением заготовки в раствор с фоторезиста, необходимо удалить защитную плёнку (с обеих сторон заготовки) – иначе никакого эффекта от контакта с щёлочью не будет.
В процессе проявки рекомендуется постоянно обрабатывать обе стороны заготовки мягкой кистью или ватным тампоном. Это поможет разрушенному полимеру отслоится от поверхности пластины.
Процесс проявки длится совсем недолго: 5-7 минут – в зависимости от концентрации раствора. Кстати, более слабый раствор в нашем случае предпочтительней, чем чрезмерно насыщенный. Высокая концентрация щёлочи может разрушить и незасвеченные фрагменты фоторезиста, сведя на нет всю нашу работу.
Проявка считается законченной, когда фоторезист на соответствующих участках полностью отслоился, а открытые фрагменты пластины приобрели зеленоватый или сиреневый – в зависимости от освещения – оттенок. Как только это произошло, нужно немедленно вынуть заготовку из раствора и тщательно прополоскать её в заранее приготовленной ёмкости с чистой водой или под краном.
Подготовка к травлению
Прежде, чем перейти к кульминации всего технологического процесса – травлению, следует определиться с химическим составом травильного раствора. Вариантов здесь не так уж и мало, и в каждом из них есть свои плюсы и минусы.
Травильные растворы
1. Хлорное железо
Самым популярным веществом для фототравления выступает хлорное железо (FeCl3). Радиолюбители с незапамятных времён используют его для травления печатных в домашних условиях. Ведь при приготовлении травильного раствора из этого вещества не требуется аптекарской точности – достаточно примерного соблюдения пропорций, указанных на упаковке. Также хлорное железо относительно доступно и умеренно токсично. Главное его преимущество – возможность использовать с разными металлами.
Впрочем, у хлорного железа есть ряд существенных недостатков. Во-первых, травление в нём рекомендуется осуществлять при температуре 43-50° C, что предполагает использование дополнительных средств разогрева. Во-вторых, скорость травления, в случае толстых заготовок, достаточно мала: так на пластину толщиной 1 мм придётся потратить от 40 минут до полутора часов. Кроме того, раствор хлорного железа сильно красится. Рыжие пятна, которые оно оставляет после себя, практически не отмываются. Поэтому при работе с хлорным железом следует быть очень аккуратным.
2. Медный купорос
Ещё один популярный вариант, хорошо известный из любительской радиоэлектроники, – раствор медного купороса с добавлением хлорида натрия (т.е. обычной столовой соли). В отличие от хлорного железа, такой раствор оставляет не рыжие пятна, а голубые, и они легко смываются уксусом. К тому же купить медный купорос будет гораздо проще – он продаётся на любом строительном рынке, а также в отделах садовых принадлежностей.
Недостатков у медного купороса тоже хватает. Во-первых, он чрезвычайно ядовит. Во-вторых, с его помощью можно травить только заготовки из меди. Для работы с латунью и другими металлами он не подойдёт. В-третьих, скорость травления в растворе медного купороса гораздо ниже, чем в растворе хлорного железа. Следовательно, этот вариант подойдёт только для травления медной фольги.
3. Перекись водорода + лимонная кислота
Желающие избежать контакта с ядовитыми веществами могут попробовать в качестве травильного раствора перекись водорода в присутствии лимонной кислоты и столовой соли. Хотя такой способ травления мало распространён, он имеет ряд преимуществ.
Во-первых, раствор не требует подогрева, и травление может проводиться в любом пластиковом или стеклянном резервуаре. Во-вторых, он не оставляет грязевых пятен и относительно безопасен для здоровья: при попадании жидкости на кожу ничего страшного не случится (несмотря на это, рекомендуем работать в перчатках). В-третьих, все компоненты для приготовления этого раствора стоят сущие копейки: пожалуй, из всех перечисленных способов, этот будет самым экономичным.
К недостаткам можно причислить ту же ориентированность на медь – другие металлы травить этим способом не получится. Из-за высокой скорости травления есть вероятность испортить заготовку, немного передержав её в растворе. К тому же, при травлении в перекиси водорода с лимонной кислотой на поверхности заготовки образуется осадок, который затем придётся удалять механическими средствами.
Впрочем, желающие поэкспериментировать могут приготовить такой раствор, смешав 100 мл 30% перекиси водорода и 30 г лимонной кислоты. Также следует добавить 1-2 ложки поваренной соли, которая играет роль катализатора.
Ёмкость для травления
Если вы выбрали в качестве травильного раствора перекись водорода и лимонную кислоту, то проблема ёмкости для травления для вас снимается. Так как в этом случае не нужно обеспечивать постоянный подогрев жидкости, то можно воспользоваться обычной горизонтальной пластиковой кюветой. Для обеспечения равномерного травления подойдёт обычная молярная кисть с мягким ворсом.
Тем, кто желает придерживаться классических методов и нацелен на работу с хлорным железом и медным купоросом, понадобится вертикальная кювета со встроенными компрессором и термостатом. При желании, такое устройство можно собрать самостоятельно, воспользовавшись аквариумным компрессором и аквариумным же терморегулятором.
Но предпочтительней всё-таки приобрести специальную ёмкость для травления. Это недешёвая покупка (в среднем, подобные ёмкости стоят в районе 5 тыс. руб.), но она сэкономит массу сил и времени, обеспечив при этом оптимальные условия.
Травление
Итак, мы выходим на финишную прямую. Заготовка обработана в едком натре и тщательно промыта, в ёмкость для травления залит раствор хлорного железа или медного купороса. Осталось прогреть жидкость до рабочей температуры (38-43° С) и укрепить заготовку на специальных подвесах.
К заводским кюветам для травления печатных плат обычно прилагаются штатные подвесы с пластиковыми лапками. В случае использования самодельного резервуара, по четырём углам заготовки сверлятся маленькие отверстия, которые цепляются за тонкий провод в плотной изоляции. Убедитесь, чтобы изоляция была толстой и сплошной – травильный раствор не должен добраться до металлической жилы.
После полного погружения заготовки в раствор включаем компрессор. Он нужен, чтобы ускорить процесс травления. Теперь садимся возле резервуара и внимательно следим за состоянием пластины. Заранее озаботьтесь, чтобы рабочее место было хорошо освещено.
Ваша основная задача на этом этапе заключается в поддержании равномерного травления по всей площади заготовки. Как правило, в разных частях пластины процесс идёт по-разному: в то время, как в одних местах уже появляются первые протравы, в других поверхность остаётся относительно гладкой. Поэтому, при первых признаках появления сквозных отверстий, заготовку следует вынуть из ёмкости для травления и, прополоскав её в кювете с чистой водой, окунуть в раствор той частью, которая прогрессирует меньше всего.
Основная цель этого «ручного травления» – равномерное раскрытие протрав на всей площади заготовки. Процедура требует некоторой сноровки, и не беда, если в первые разы что-то будет получаться не идеально. Аккуратность, как известно, приходит с опытом.
Что касается времени травления, то оно зависит от химического состава и свежести раствора, его температуры, а также типа металла и толщины заготовки. В случае тонкой медной фольги и только что приготовленного раствора, время составит считанные минуты. Травление толстых пластин займёт гораздо больше времени. В некоторых случаях оно может занимать до 3 часов.
В любом случае, степень готовности определяется визуально: как только все участки с фоном растворились, нужно немедленно вынимать заготовку из раствора, пока химический процесс не разрушил сами детали.
*****
Вот, собственно, и всё. Осталось только прополоскать заготовку в воде и удалить остатки фоторезиста. Это нетрудно сделать при помощи ацетона. После обработки шкуркой и тщательной шлифовки, травлёнка приобретёт вид заводской и будет готова к использованию.
Как видите, фототравление в домашних условиях вполне реально. Конечно, придётся учесть массу мелких нюансов и потратить некоторое количество сил и времени на освоение отдельных этапов. Но, опытных моделистов эти трудности вряд ли испугают. Особенно, когда наградой за приложенные старания будут десятки идентичных, уникальных и высококачественных деталей.
Удачной вам практики, друзья! И до новых встреч!
Автор: Андрей Гасилин