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简单的小型快速印制电路板制作系统

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发表于 2014-8-11 12:18:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
印制电路板的制作,往往是电子爱好者比较头痛的一件事,许多电子爱好者为了制作一块印制电路板,往往采用油漆描板、刀刻、不干胶粘贴等业余制作方法,速度较慢,而且很难制作出高质量的印制电路板。印制电路板的制作甚至成为许多初学者步入电子殿堂的“拦路虎”。
在计算机日益普及的今天,计算机辅助设计已成为电子业内人士的热门话题,利用计算机设计印制板,虽然设计上具有图形规范、尺寸精确、容易修改、便于保存等优点,但制作印制板的工艺仍较为复杂,要通过光绘、照相制版等化学工艺流程,消耗材料较多,周期较长,费用较高。在正常情况下,发E-mail给印制电路板厂,工厂以最快速度制版,并以特快专递寄回也需一周时间、一百元左右费用。而一款成熟的电路板,往往需要几次试制才可能成功。

针对这些问题,我们经过长时间的探索研究,终于研制出一种价格低廉、使用简单的小型快速印制电路板制作系统。该系统由一台快速微电脑数控热转移式制版机和一台快速腐蚀机组成。其中热转移式制版机的灵感来源于对激光打印机的研究,我们的研究人员发现,我们熟知的激光打印机的“碳粉”,并非是无机物的碳粉,而是含磁性物质的黑色塑料微粒。它受激光打印机的硒鼓静电吸引,在硒鼓上排列出精度极高的图形及文字,在消除静电后,转移于打印纸,并经高温熔化热压固定,形成一件激光打印机作品。我们的研究人员在这一发现的昭示下,研制出具有耐高温不粘连特性的热转印纸,快速微电脑数控热转移式制版机和快速腐蚀机。利用这一系统,可以非常快速地小批量生产印制电路板,该系统同以往传统的照相制版方式制作电路板工艺相比具有以下显著的优点:
1、版精度高:能达到激光打印机分辨率的制版精度,除能制作精细的电路图形外,还可以制作出高分辨率的图像。利用它不仅可以制作出精细的印制电路板,甚至可以制作出精美的金属标牌、金属工艺画等。
2、制版成本低廉:制作一块电路板的制版费仅相当于一张热转印纸的成本。
3、制版速度快:快速热转移式制版机能够将激光打印机打印在热转印纸上的印制电路图形迅速转移到电路板上,形成抗腐蚀层,制作一块200mm×300mm的印制电路板,仅仅需要10~20分钟。非常适合于工厂、研究所、学校、电子商场快速制作电路板样板使用。
4、多用途:可同时一次制作出双面板,带字符的单面板,也可分两次制作出带字符的双面板。
5、自动化程度高、操作极简单:快速热转移式制版机,采用89C2051为主控芯片。制版机对胶辊温度的测量及设置;电路板进入,退出;电源的开启,以及关机时为避免胶辊过温而设的电动机延时停机功能均为轻触开关全自动控制。
6、设备性价比高:用这种热转移式快速制版系统取代传统的印制板制作工艺,设备价格低廉,性价比极高,一般当月投资购买设备进行快速制作印制电路板生产经营,当月即可收回全部投资。

制版机的操作及工作原理
将用电脑制作好的印制电路板图形,通过激光打印机打印在经过特殊处理的专用热转印纸上,再将转印纸覆盖在敷铜板上送入制版机制版。制版机的工作原理主要采用了热转移的原理,其结构同激光打印机相似,有两组4只特制耐高温的硅胶圆柱辊组成传动机构。利用2只红外线石英加热管把其中的一组两只硅胶圆柱辊均匀地加温到180.5℃,同时每组两只硅胶圆柱辊又是两只压力辊,它的表面最高耐温可达到300℃,这两组胶辊通过传动系统由同步电机驱动,按每分钟两转的恒速旋转。当热转印纸与敷铜板通过这组温度较高且压力较大的硅胶圆柱辊之间的夹缝时,热转印纸上吸附的墨粉将会融化。由于热转印纸是经过特殊处理的,通过高分子技术在它的表面覆盖了数层特殊材料的涂层,使热转印纸具有耐高温不粘连的特性。当温度达到180.5℃时,热转印纸对融化的墨粉吸附力急剧下降,在压力的作用下,使融化的墨粉完全吸附在敷铜板上,敷铜板冷却后,形成紧固的印制图形,完成整个热转移过程。同样原理,如需在印制板的另一面转印上元件排布图,也可在制版的同时进行,使印制板达到更加专业级的水平。
在这里需要说明的是:整个热转移过程对温度的要求特别高,温度的控制显得非常重要。例如:墨粉的融化温度最佳点一般在180.5℃,温度过高时,过度融化的墨粉会扩散到原有线条的四周,造成图形模糊、精度变差,严重时还会将纸张烤焦。温度过低或温度不均匀时,又会出现转印效果差,甚至不能转印。在实际使用中,由于空气温度、湿度、纸张和电路板的厚度等因素对转印效果有一定的影响,因此温度的控制对转印效果的好坏显得非常重要。为此热转移式制版机温控传感器均采用进口PT-l000型的薄膜铂电阻,使控温精度能达到0.1℃,满足了制版对温度的较高要求。当图形转移到敷铜板上后,也就是说打印机的墨粉在敷铜板面上形成了一个有图形的保护层。由于激光打印机的墨粉是由含有树脂的高分子材料制成的,对腐蚀液(FeCl3溶液)具有良好的抗腐蚀性,所以经过FeCl3溶液腐蚀后即可形成做工精美的印制电路板。

为了使腐蚀电路板更加快捷方便,还需要一台腐蚀机对电路板进行快速腐蚀,以节省时间,减少FeCl3溶液的浪费,提高效率。快速腐蚀机将FeCl3溶液快速加温到60℃以上,再利用抗腐蚀小型循环潜水泵使FeCl3溶液通过专用喷头均匀地喷洒向印制板。一般在加热至80℃的情况下,用浓度较高的FeCl3溶液腐蚀,5~6分钟即可腐蚀完毕。由于采取快速腐蚀工艺,可以降低侧蚀,使印刷电路板的精细之处更加完美可靠。通过加热使FeCl3溶液的氧化还原反应加速,从而将敷铜板表面的铜加速氧化成CU2+;同时利用水流的冲击带走沉积在敷铜板表面及附近的Cu2+,使化学反应更快更充分地进行,本机特别适用于面积较大的印制版制作。整个腐蚀过程在半封闭的情况下进行,具有干净卫生、减少腐蚀液蒸发的优点,因此非常适合于实验室、研究所、工厂小批量制作印制电路板。印制电路板腐蚀好后,利用专用钻头对电路板进行钻孔,这种专用钻头上镶有一个圆柱体,它在高速钻孔完成的同时还可以磨掉钻孔附近的墨粉,形成一个非常干净的焊盘。而覆盖在铜箔上的其它墨粉形成良好的阻焊层。利用这套系统还可制作出金属标牌、金属工艺画,同样也非常精美,层次特别分明,而且成本极低,加上它快速制版的优点,相信在不久的将来在这些行业里能够得到更加广泛的应用。这套系统制作出的印制电路板精度虽然可以达到非常高的专业级水平,但也存在一些缺陷:由于激光打印机不同,天气湿度过大,热转印纸局部缺陷等原因,会出现墨粉在热转印纸上局部附着不好等现象。另外本系统还未配备数控钻床,制做双面板时还不能进行金属孔化,因而还需进一步完善。
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