Lleve sus PCB de buenas a excelentes: transferencia de tóner

Jun 25, 2023

Muchos de nosotros fabricamos placas de circuitos en casa. Considero que es una habilidad útil tener en mi bolsa de trucos para los pasos intermedios en el camino hacia un proyecto terminado, incluso si la versión terminada se enviará a una fábrica de PCB. Cuando necesito una placa de conexión que se combine con otras herramientas de desarrollo, por ejemplo, no hay nada como poder crear algo que se conecte de inmediato. Hacerlo rápidamente y continuar con el resto del proyecto en lugar de hacer un pedido y esperar. para la entrega, me ayuda a mantenerme en el flujo.

La transferencia de tóner es, con mucho, la forma más rápida de hacer una placa de circuito en casa: simplemente imprima el circuito en una impresora láser, plánchelo sobre el cobre y grabe. Cuando funciona, es increíble. Cuando no es así, puede ser un ejercicio complicado averiguar cuál de los innumerables factores están desalineados.

Durante mucho tiempo, he estado usando un método que es muy confiable y repetible. Recientemente, estuve ajustando un poco el rendimiento del sistema y pensé en compartir lo que tengo. Por el momento, puedo producir tableros de manera muy confiable con trazos de 6 mil (0,15 mm) y espaciado de 8 mil (0,20 mm). Con un poco de cuidado en la posproducción, 4 mil / 6 mil es completamente plausible.

Eso es lo suficientemente bueno para la mayoría de mis necesidades de creación de prototipos, cubriendo piezas TSSOP con un paso de pin de hasta 0,65 mm y permitiéndome alimentar dos pistas a través de una resistencia o capacitor de montaje en superficie 0805. Está a la par con las casas de fabricación profesional más baratas, pero puedo darle la vuelta a una tabla en unos quince minutos. Es mejor que ordenar y esperar, en mi libro. Cuando necesito lujos como la serigrafía y el enchapado con orificios pasantes, hay soluciones alternativas, pero la mayoría de las veces las escatimo hasta que se hace la versión final.

¿El secreto? ¡Ciencia! O al menos tomando lo que puede ser una cantidad abrumadora de variables y técnicas secretas, reduciéndolas a experimentos que cambian una variable a la vez y luego optimizando a lo largo de esa dimensión. Existe una variedad vertiginosa de técnicas, y muchas de ellas solo funcionan cuando tiene exactamente la marca correcta de tóner, el papel correcto o el toque correcto para manejar una plancha de ropa caliente. En resumen, no son reproducibles. Cuando su configuración no coincide exactamente con la de otra persona, todas las apuestas están canceladas. Aquí, presentaré un método reproducible y le mostraré cómo calibrarlo.

Muchas guías de transferencia de tóner de Internet se enfocan en detalles que realmente no importan, como el tipo de papel utilizado para el medio de transferencia o el método de limpieza del cobre antes de planchar. Eso no quiere decir que no necesites limpiar el cobre primero, es absolutamente necesario, pero en realidad no importa cómo lo hagas. He usado papel de lija de grano fino, limpiadores de ollas verdes, y en estos días uso algunas esponjas que compré en la ferretería para abrillantar las juntas de las tuberías antes de soldarlas. Sigo con una limpieza de acetona. La cuestión es que elimines la oxidación y la grasa de la superficie. No me importa cómo.

Del mismo modo, la elección del papel de transferencia es bastante abierta. Alterno entre las páginas de revistas brillantes (The Economist es mi favorito en este momento) y los papeles de respaldo recubiertos de plástico que vienen en las etiquetas autoadhesivas. Estas dos superficies funcionan de manera completamente diferente; el papel trasero de la pegatina se despega directamente, mientras que el papel de la revista se disuelve en agua fría cuando se frota con el pulgar. Hay cosas más elegantes por ahí. El punto del papel transfer es que sea brillante para que no deforme la imagen, y que se desprenda fácilmente dejando el tóner sobre el cobre. El resto es conveniencia.

Finalmente, la elección del grabador no importa. Uso cloruro de cobre renovado con oxígeno en ácido porque es esencialmente infinitamente reciclable y odio la molestia de desechar productos químicos tóxicos. La gente usa cloruro férrico o persulfato de amonio. Otras personas usan vinagre y sal, o saliva de dragón y lágrimas de contador. Algunas personas agitan líquidos en un tanque, otras rocían y otras esponjan. Lo que sea que funcione.

Todas estas cosas son absolutamente vitales para conseguir una buena PCB de transferencia de tóner, por supuesto, pero ninguna de ellas es únicamente irremplazable.

Por otro lado, hay tres factores fundamentales que importan para la adhesión del tóner al cobre, y depende de la física: el tiempo, la temperatura y la presión. Reducir estos tres a uno es un gran paso hacia la confiabilidad y la repetibilidad, y ese es nuestro primer paso.

En cuanto a la presión, más es casi siempre mejor. De hecho, hay algunas fotocopiadoras láser que funcionan sin rodillos calientes. Aplastan las partículas de tóner de plástico con tanta fuerza que se adhieren al papel a temperatura ambiente más o menos. No vamos a poder aplicar tanta presión, pero vamos a fijar la variable de presión en "tanto como sea posible".

Coloco la PCB en mi plancha invertida y presiono con todo mi peso un rodillo. La presión resultante es bastante alta porque el rodillo tiene una pequeña zona de contacto con la tabla, y es bastante constante porque no peso mucho.

Me inspiré en este método que hace esencialmente lo mismo al revés. Mi experiencia es que la placa nunca rueda uniformemente a través de la espiga usando este procedimiento, pero puedo entender si no quieres el horror eléctrico expuesto que es mi configuración en tu casa. Cualquier superficie caliente fuerte debería funcionar, y una configuración mejorada tendría un mejor control de temperatura. Si tiene un laminador modificado que ejerce suficiente presión, probablemente sea aún mejor. Tengo una plancha de ropa chatarra.

A diferencia de la presión, donde más es mejor, el efecto de los tiempos de permanencia más prolongados disminuye rápidamente. En las impresoras láser, donde el número de páginas por minuto es un punto crítico de venta, intentan reducir al mínimo este tiempo de permanencia. Si rueda demasiado rápido sobre el tablero, la adherencia puede ser desigual, por lo que la solución es simplemente ir despacio y rodar hacia adelante y hacia atrás. Puede eliminar el tiempo de la ecuación simplemente rodando tan despacio que cualquier disminución en la velocidad de rodado no cambie sustancialmente nada. Uno o dos minutos deberían ser suficientes.

Todo esto es relativo, por supuesto. No usas el mismo tóner que yo, no pesas lo mismo que yo, ni siquiera tienes la misma idea de "lento" que yo. Pero siempre que mantenga su propia práctica consistente, estas variables no afectarán mucho el resultado, y somos libres de abordar la variable que sí lo hará: la temperatura es la salsa secreta. ¡Aquí viene la ciencia!

Cuando el tóner se calienta, pasa por varias fases distintas. Al principio es un plástico duro, luego se vuelve pegajoso y ligeramente maleable a medida que pasa a través de la transición vítrea, y luego, a medida que la temperatura aumenta aún más, se derrite y se convierte en líquido.

No tengo idea de cómo surgió el rumor de Internet de que deberías subir tu plancha "lo más caliente posible". Pero sé cuál es el resultado de hacerlo: transferencias difusas que son extremadamente sensibles a la cantidad de presión aplicada. Eso es exactamente lo contrario de lo que estamos buscando aquí. En cambio, el objetivo es mantener el tóner en la transición vítrea, con la temperatura lo más baja posible para que se fusione con el cobre a nuestra presión máxima aproximadamente constante.

Entonces, el primer paso para calibrar el procedimiento es ejecutar una serie de transferencias a temperatura creciente. Tus temperaturas no serán las mismas que las mías, pero está bien porque no estás usando mi tóner ni haciendo PCB en mi casa. El truco es ser constante.

Los cuatro ejemplos aquí se transfirieron a 98 °C, 125 °C, 142 °C y 166 °C. El primero claramente no se adhiere bien en absoluto y, de hecho, ninguno de los trazos, excepto el trazo de 16 mil, son realmente continuos después del grabado. El tablero de temperatura más alta tiene cortocircuitos por todas partes, a pesar de usar un espacio libre de 20 mil en el vertido en el suelo. Sorprendentemente, la huella TSSOP funcionó básicamente bien, a pesar de que las dos pistas con un espacio de 6 mil están en cortocircuito.

El problema con las temperaturas extremas también es evidente al mirar las hojas de transferencia. En el caso de la placa de baja temperatura, queda mucho tóner en el papel. Simplemente no se ha adherido lo suficientemente bien al cobre. La hoja de alta temperatura se rasgó al sacarla, probablemente porque su capa de plástico se derritió en el tóner.

Las dos tablas intermedias se ven bastante bien, pero las apariencias engañan, por lo que probablemente valga la pena grabarlas. De hecho, hay un defecto menor en la placa de 125 °C: la muestra de trazas de 6 mil está rota justo en la parte inferior donde se conecta a la plataforma. En el tablero de 142 °C, las dos trazas cercanas que pasan por la parte 0805 están en cortocircuito, aunque todas las demás trazas son continuas. Una temperatura en algún lugar entre estos dos probablemente será el punto ideal.

Volví a hacer una tirada de esta placa de prueba a 132 °C, la imprimí en papel de revista y salió perfectamente. Excepto por la pequeña molestia de cortar el papel de la revista y pegarlo con cinta adhesiva a una hoja de papel normal para que pueda pasar correctamente por la impresora, el papel de la revista es probablemente el sustrato ideal. Cuando se disuelve en agua, hay muy poca tensión en el tóner y un riesgo mucho menor de que se levante una mancha aquí o allá.

No es casualidad que haya estado usando una temperatura de alrededor de 130 °C desde la última vez que hice esta calibración después de comprar mi impresora láser actual. Obtener un procedimiento consistente con una temperatura marcada es mucho más que la mitad de la batalla.

En este punto, con el proceso de transferencia de tóner en sí mismo prácticamente marcado, el factor limitante en la confiabilidad y la resolución con la que puede imprimir será la impresora en sí y el software que la controla. Encontré diferencias sorprendentemente grandes entre los diferentes controladores de impresora (PCL y Postscript), así como entre los diferentes formatos de archivo utilizados para guardar las ilustraciones y los programas que las leen.

En particular, ambos controladores en mi sistema parecen estar interpretando la salida Postscript y PDF de KiCad como archivos de color y aplicando difuminado al resultado. Con el controlador Postscript, esto da como resultado bordes irregulares, un efecto que otras personas han notado antes. Con la transferencia funcionando bien, estos dientes dentados terminan en el cobre de la PCB.

Con el controlador PCL que había estado usando, parece estar aplicando un algoritmo de tramado de resolución mucho más alta, con el resultado de que las líneas parecen más delgadas hasta el punto de tener discontinuidades. Resulta que los problemas que estaba teniendo con la impresión de líneas finas eran causados ​​por el controlador.

Finalmente, cuando guardo el archivo como un gráfico SVG y lo imprimo desde Inkscape, todos los artefactos de tramado de color desaparecen, pero el resultado son trazos oscuros agradables y suaves que son un poco demasiado gruesos una vez transferidos. ¿Quizás con estos rastros mejorados puedo bajar un poco la temperatura? También hay algo de polvo en la transferencia en el papel adhesivo que no ocurre con el papel de revista, por lo que tal vez el tipo de papel sí importe un poco después de todo.

Es importante tener en cuenta que realmente no puede diagnosticar detalles finos como estos hasta que haya controlado las principales variables de temperatura y presión. Pero una vez que lo hace, y las fallas más pequeñas que surgen de la etapa de software de la cadena son visibles y reproducibles, tiene un nuevo factor limitante y es hora de ajustar el software.

Desafortunadamente, todos tienen un software y una configuración de impresora diferentes, y no todos los ajustes que funcionan para mí funcionarán para usted. En este punto, estás solo. Solo sepa que la resolución de la impresora, las opciones de configuración de la impresora e incluso los controladores y los tipos de archivo pueden ser importantes. Eso es mucho para experimentar, así que tómelos una variable a la vez.

Entonces todo interactúa: temperatura, presión, tipo de papel e incluso el formato de archivo y los controladores de la impresora. Dejé de experimentar por hoy porque estoy contento con trazas confiables de 6/8, y cuando necesite impulsarlo aún más para algún proyecto, probablemente comenzaré disminuyendo aún más la temperatura para ver si eso resuelve las líneas de espesamiento. Si realmente necesito holguras de 6 mil, verificaré dos veces esas ubicaciones antes de grabar y las limpiaré con una hoja de bisturí, o experimentaré con anchos de trazo de 4 mil. Después de todo, con la salida SVG e Inkscape haciendo la impresión, no he tenido ni un solo rastro discontinuo en 6 mil.

Una cosa que absolutamente no cambiaré, sin embargo, es la técnica básica. Empecé aplicando una presión máxima constante a través de un rodillo y ajustando la temperatura hace unos diez años, y desde entonces ha sido un método muy confiable para hacer PCB. Esta búsqueda reciente de la máxima resolución ha sido una distracción divertida y estoy feliz de saber que puedo hacer pequeñas funciones cuando lo necesito, y me entristece que los caminos hacia una mayor mejora parecen conducir a través de ajustes de software y controladores porque solo hay tantas opciones

En algún momento, se vuelve más fácil dejar que los profesionales hagan el trabajo por usted. Pero para mí, la transferencia de tóner funciona para casi todas las etapas iniciales de creación de prototipos, y con plazos de entrega absolutamente insuperables.