喜歡自己裝的朋友,特別對於那些不僅以購買市上半成品套件而滿足的自己裝迷,多多少少都會遇到製作線路板的問題。而當前電子元件中的又是無孔不入,只要你是玩家,在不同的場合,遲早總會與它碰面,那麼對自己繪製線路板來說又增加了若干程度的困難。往往一個自己看中意的線路,由於電路板的製作不良,而裝出不符自己理想的機子。甚至弄得虎頭蛇尾意興怏然不了了之也是常有的事。固然優良的線路有其絕對的重要性,但是可別忘了,諸如線路板是執行其功能的實體之一。而電子工藝是一個整體性的東西,唯有通過整體的表現,才是我們最終的評價。
在本刊16期中刊出了伍清祥先生「細談網版製作與印刷」一文,相信對於許多讀者來說,必可解決了不少線路版的製作問題。也由於該文引發了我也來談談另一種印刷電路版的製作法。與之網版比較起來各有優劣。有心的讀者,不妨拿來作為參考。
在電子工業中製作印刷線路板的主要方法有二。其一是網版印刷法。其二就是本文所要談的,利用感光抗蝕劑(Photo Resist)直接塗在線路板上,透過光化學作用產生抗蝕膜的方法。其實感光抗蝕劑亦可撐之為感光腐阻或感光液。雖然與製作網版的感光膠對之於光都能產生化學變化。但是感光抗蝕劑還俱有耐酸或耐鹼的特性。特別對於製作印刷電路板來說,我們所使用的腐蝕液是氯化鐵,而使用耐酸性感光抗蝕劑在電路版所形成的抗蝕膜,正可對氯化鐵產生抗蝕作用。於是我們就利用它的抗蝕作用以及對光的化學變化來達到製作線路版的目的。所以在這裡我個人覺得將它稱之為感光抗蝕劑,更貼切些。
目前一般製作印刷線路板都是以網版印刷法為主,它的好處是只要把製作好的網版放在電路板上,利用防蝕油墨及橡皮刮刀,就可輕易地印出大量的相同電路圖案,實不失為高效率的製作法。而使用感光抗蝕劑製作,雖免除了製作網版的層層手續,且俱高精密度的優點。但是在生產的過程中不似網版那麼輕輕一刷,而是要經過晒像、顯影等手續,在單位時間中的產量可能只及網版的10與1之比。同時專業的生產,為了品質劃一,提高效率,所要投入的設備費用也是相當高昂的。因之通常它只是被用於製作高精密度需求的印刷電路板上。在本刊第五期介紹Studer-Revox的一文中,圖片10似乎就是該公司使用感光抗蝕劑製作電路板的部份設備,由此可見一斑。
在前面談到了網版是一種快速的製作法,不過是指一定的數量而言。如果業餘者只是為了製作少量的電路板,可就顯得有點大刀闊斧了。因為製作網版也不是三二下的事,而等到印刷的時候,印個十塊八塊的板就要洗個網。這樣一算可能救既不經濟又不省時省力了。所以我覺得,如果製作少量的印刷線路板,對於業餘者來說,利用感光抗蝕劑不失為較為理想的方法。同時在技術上也比較穩定,容易掌握,而使用過後,所要保管的僅是一張電路圖案的底片而已,隨時都可拿出來再用,俱有保管上的優點。如果能將相同的電路圖案拼接起來,亦可同時製作出較多數量的電路板,以增加產量。
感光抗蝕劑使用的範圍很廣,諸如極體電路,彩色電視機中的遮光屏,紡織業的輪轉印花滾筒以至鐘錶工業中的精密小齒輪的製造等,都可使用到它。而國內是近二年才有現貨供應,目前據我所知僅有富士及東經應化二種產品有現貨,其他像是Agfa Koakd等公司亦有此類產品。富士及東京應化的產品我都使用過。大致上來說這二種產品的性能差不多,極合宜來製作印刷電路板,在這裡我就以東京應化產品中的T.P.R. 201型感光抗蝕劑為標準,針對一般業餘者,來談談實際的製作過程。
T.P.R. 201型抗蝕劑是呈藍色的,那是由於它已加入了染色劑的緣故。抗蝕劑的本色應像是無色透明的薄膠水。不過透明的抗蝕劑塗在電路板的銅箔面上,極易使人產生沒有塗上的錯覺,而要等到顯影後,再倒上指定的染色劑才能看出製作的結果。所以使用了加入染色劑的抗蝕劑,由於可用肉眼觀察製作整個過程,增加方便不少,T.P.R. 201的感色性是在近紫外線光域具有良好的感光性,所以必須使用富於紫外線的光源。同時由於它對於鎢絲燈炮不具感光作用,因此我們可在鎢絲燈源下操作。對於光的化學作用性質來說,它是屬於光硬化型,也就是說遇到富於紫外線的光源它就會起硬化作用,而不溶於顯影劑,而未曝光部份則於顯影時溶去。此外亦有光溶解型的抗蝕劑,其光化學則恰呈相反。對於化學藥品它具有耐酸的特性,而對強鹼則抵抗力薄弱,此外對於溫度失度具有良好的穩定性,所以操作的場所,無需特殊的溫度濕度的控制。其實不僅是具有這些特性,其他廠牌抗蝕劑根據使用的目的的不同,大都具有這些基本的特性。在明瞭了這些之後,我們就可運用它來製作印刷電路板了。
製作的過程並不難,當然初次試作也許因為經驗不足而顯得手忙腳亂。不過經過若干次的實作之後也就熟能生巧了。在製作過程中所提到的一些設備,您不一定要如法炮製,由於對於業餘玩家來說,每個人的環境條件不同,只要能達到目的,大膽的去設計一套屬於你自己的製作方式。現在下面就對每一製作過程作一解說,同時請您按序參考製作流程圖片,以彌補解說之不足。
電路圖案的繪製
我們首先要匯至一張良好的原圖,而這張原圖的精確每關與否,將會直接展現在我們製作好的印刷電路板上。繪製這張原圖最好使用無伸縮性的透明膠片來製作。如果所繪的電路圖案無需特別精確的話,亦可退而求其次使用其他透明或透光性良好的紙張。我所繪製的原圖是使用一種稱之為合成紙具有不伸性的紙張,它的吸墨很好,可惜是某公司由國外帶回來的樣品,一共二十幾張全給買下了,而不知為什麼一直不再進口。繪圖的材料可使用墨汁或繪圖專用的墨水,紅黑二色皆可,但是要濃度均勻不透光為原則。在透明膠片上繪圖,可用痱子粉、白鞋粉或滑石粉等類的細粉,用棉花沾上一點,在膠片上擦拭一遍,以去除油污手汗,增近墨水的附著力。不過要繪出一張濃度均勻不透光的黑白原圖,可也需要一些經驗與技巧,這一點就留待你自己去摸索了。總之,繪好之後放在燈光下照射一遍,如發現有不均勻或透光的地方就須得補筆。當然用膠點帶來製作原圖最省事不過。無論從美觀、精確、濃度各個角度來看都是最理想的。但是還是鈔票的問題。
底片的製作
T.P.R.是光硬化型的抗蝕劑,所以我們要把原圖用重疊法翻晒為負片來使用。由於我們是用疊晒翻印出負片,這也就是為什麼繪製原圖要濃度均勻而不透光的原因。如果翻晒出來的負片又瑕疵的話,那就得用墨或刮刀捕修。當然用製版照相機來翻拍,就不會為原圖的濃度而煩惱了。甚至相當精細難以手繪的電路圖案,我們尚可繪出二倍或以上的原圖,然後再翻拍縮對而得到所需的尺寸,以增進精密度減輕繪製的困難。
製作複片所使用的軟片,我用的是照像版專業用的軟片,這是一種黑白對比高的所謂硬調軟片。它的照相膜是製作在不伸縮底基上。幾乎是每家大的照像材料製造商都有出售,目前我手頭上用的是富士產品的Vo與Ro二種軟片,Ro型價格較低,製作電路板就很適合了。她的顯影劑是二劑型,分別稱之為AB劑。泡好之後分別要把它們儲存在二隻密封不透光的容器中,並放置在陰涼處所存放。使用時按一比一的比率混合使用,混合後使用壽命不長,不宜久放。曝光光源可用一般家用燈泡,使用20W的燈泡,在距離一米的地方約曝光一秒鐘。曝光距離至少要保持在被曝光底片對角線的長度以上,以確保整個底片曝光的均勻度。而如果你製作的底片很大的話,這一點是很重要的。
翻晒原圖最好是使用真空曝光機或類如照相館的翻片箱。軟片與原圖的密接是一件很重要的工作,密接不好翻晒出來的負片將會產生擴張或縮小的情況,套句玩音響朋友說的話,失真度大。可能導致不能用的結果。專業用的真空曝光機並不便宜,它的結構功用是這樣的,在一玻璃框架中放入軟片及原圖,利用真空幫浦將框中的空氣抽除,而使得軟片與原圖(或文後所將要使用到的電路板)貼在一起。自製真空曝光機並不難,(真空幫浦雙連一帶售舊貨的店裡就找得到),除了操作上不方便之外,可也差不到哪裡去。由於要解說如何製作一台真空曝光機並非三言二語交代得清楚的。所以有興趣的朋友只有到製造工廠或製版公司去參觀或發掘了,可別被曝光機上的錶頭給唬住了,那些設備一概可以不用。此外我在某家照相製版公司看到的,那是一隻自製的翻片夾寄簡單又不佔地方,它的構造就像掛在牆上的鏡框,但是背板是二層的,它第一層背板與玻璃的接觸面鋪上一層軟墊,軟硬度要適宜。同時在第一層背板與第二層背板的接觸面裝上二隻或二隻以上具有彈性的V型不銹鋼片,當最後一層(第二層)背板蓋上去時,就會將放在玻璃框中的軟片與原圖壓緊密貼在一起,這個晒像夾尚可用來晒製電路版。最後在這翻片夾的背面參照鏡框的方法,用小木塊釘上數個可旋動的固定扣就算完成了。製作簡單,存放方便,對於一般業餘者來說是很理想又省錢的辦法,全部製作所需就是這麼一個晒片夾就夠了。
翻片要在暗房中進行,在一般家庭的房間裡,利用晚間關上門窗熄了燈,紙要軟片不直接與門窗逸入的光相遇,大致也就可用來翻片了。在翻片夾中,將軟片「膜面」朝向我們曝光光源,然後放上原圖,就可翻片了。為了方便可裝一或數隻的紅色安全小燈泡,曝光之後隨後就可進行顯影,顯影以室溫20℃為標準大約一分半鐘左右。溫度高就會快些,多洗幾次你就可用眼睛來判定準確的時間。接著就是定影,新定影液約有一分鐘的定影時間就夠了,隨著定影液使用的程度,時間上就要延長些。定影時間過長了些也無關緊要。重要的是定影要充足。如有需要隨時可放在安全燈下檢視。
在製作底片部分談了很多,但是對於許多愛好攝影及暗房的朋友來說是沒有什麼問題的。詳細資料可參照廠商提供的說明書。在我們製作好一張具有電路圖案的負片後。就可暫時放在一旁,等著用來將電路圖案轉移到電路板上的工作了。
電路印刷版的表面處理
線路板的表面處理主要的目的是去掉附著於銅箔表面上的油脂氧化物以及塵埃,以便能均勻的塗上感光抗蝕劑,所以為了抗蝕劑與銅面的附著力良好,底處理是一件不可忽略的手續。在中華路買來的一些次品電路板,上面的銅垢很嚴重。在這種情形之下,最好用細砂紙先初步的磨一遍去除之。然後再用一塊用水潤濕過的棉花沾上一點冰醋酸以及食用細鹽加以擦拭,擦拭過的地方銅面會顯得光潔明亮之感。接著用水沖洗,沖洗乾淨之後,迅速用衛生紙擦乾,免得與空氣接觸又在銅面上產生了氧化膜。如能再用木精、酒精或其他揮發性溶劑擦上一道,更能加速水份的蒸發。也許這樣做顯得有點麻煩,而我個人有時候乾脆就用600號以上的矽質細砂紙將銅面各個角落仔細的磨乾淨,磨好之後不用水洗,就直接用溶劑擦乾淨。
塗佈感光抗蝕劑
在專業照相製版公司中是用迴轉塗佈,利用離心作用以塗佈,在本刊第六期我看到了有關面板的製作一文中,作者是用舊唱機旋轉來塗佈,讀者可如法炮製。塗佈感光液的方法很多,應視所使用的抗蝕劑黏度而定。不同的塗法所形成的抗蝕膜厚度各異,而厚度與解像力又有著密切的關係。不過在製作電路板上的要求並不高,而我指示用質第良好的油漆刷子,均勻地在銅面橫豎刷上二三道。銅板是平放著的,雖然初初看起來有細細的刷痕,但事由於T.P.R.黏度不高,所以漸漸地就因表面張力而顯得平滑起來,而厚度看起來還很標準呢。刷的時候地上要鋪張報紙,刷子上的感光液不可沾的太多,刷頭先在儲放的罐邊將多餘的感光液去除。總之舉起刷子不會有感光劑滴落,還有一點要注意的,不要在灰塵多的地方作,以免附著在感光抗蝕液上。如果發現有不勻的情形,那可能是你刷的時候過於用力了,只要你能確定薄的地方仍附有一層感光膜,那麼這塊板仍是可以用的。平時我將抗蝕劑儲放在一隻不鏽鋼罐中,而刷子也一倂放在罐中,儲放的抗蝕劑的液面剛好在刷子頭部三分之一的地方。這樣除了塗佈到電路板上的感光抗蝕劑之外,幾乎沒有什麼大的損耗。而抗蝕劑又是單位產量大的材料。只要你不浪費掉。雖然價格昂貴些,可是仔細算算,塗佈一塊電路板是所費無幾的。
乾 燥
一般來說在攝氏70度左右的溫度下乾燥,是在安全的操作範圍內的溫度。乾燥可增加抗蝕膜的機械牢度。可用吹風機或瓦斯爐來烘。不過要注意的是電路基板可能承受不了太高的溫度。如何鑑別抗蝕劑是否完全乾燥了,可在電路板上預計不會使用到的邊緣部份,用指甲刮試,當然過於銳利的指甲會將抗蝕膜刮落,但是隨便一刮就會剝落,那麼不是表面處理不佳就是乾燥度不夠。乾燥後的電路板如一時不用,亦可保存留待日後來用。但可不要直接曝露在日光燈或陽光下過久,以免感光。
感 光
把製作好的負片與塗佈好感光抗蝕劑的電路板放在前面所說的翻片夾或真空曝光機中進行密著曝光。曝光的光原以富於紫外線光的碳弧燈氣燈或高壓水銀燈為佳。矣30A的碳弧燈來說約有一分半鐘就夠了。不過這些燈源不僅耗電量大、價格也昂貴,家庭用頗不適宜。而我用一支40W的紫外線日光燈,放置在12英吋的地方,約曝光15分鐘。除了時間上長了不少,但效果尚稱理想。紫外線日光燈國內各大日光燈廠都有出售稱之黑光管。購買時請注意,不要買了殺菌燈,雖然也是紫外線燈管,但是它是紫外線光域中波長比較短的一部份,對於眼睛有傷害之慮。
顯 影
可用一淺盤顯影,輕輕搖動盤中的顯影劑,就可漸次看到電路圖案出現了。感光抗蝕劑的顯影劑與沖洗負片的顯影液不同,這裡是指的抗蝕劑專用顯影劑,舊的顯影劑可再次使用,如發現顯影劑力量薄弱時就得更換了。使用舊的顯影劑最後一道要用新的顯影劑全面淋到一次。顯影時的抗蝕膜是膨鬆的,拿動時不要用手接觸到。顯影之後立刻用水加以沖洗,這時抗蝕膜就會顯得牢固多了。但未作進一步烘乾之前,還是避免用手接觸為宜。在顯影時如發現形成電路圖案的抗蝕膜有流落的現象,那麼多半是曝光時間不足,硬化不夠所致。
烘 乾
顯影之後的印刷電路板需要再次烘乾,將抗蝕膜內所留有的溶劑揮散,以強化抗蝕力。
修 整
顯影出來之後的抗蝕膜,如發現有短路或斷路的地方,在烘乾之後就可進行修整。短路的地方可用刀將抗蝕膜刮除。而斷路的地方用柏油、油漆等抗蝕性材料補上。
腐 蝕
腐蝕的過程與一般尋常腐蝕電路板的方法相同。如果能將置於容器中的氯化鐵放置在熱水中加溫,同時將氯化鐵的濃度調整在B'e35°左右,並且在腐蝕蝕不斷搖動輔蝕液。那麼你將會發現腐蝕時間大為縮短。一隻波美計大約在台幣三十元上下,後車站及儀表行有售。省了麻煩可以用肉眼概略的鑑別一下它的色澤就可以了。如果用肉眼可以大略看到盛裝氯化鐵的盆底,那麼該氯化鐵的濃度約在波美30至40之間。濃度過高的氯化鐵腐蝕貫穿力反而轉慢。
剝 膜
腐蝕後留在電路板上的抗蝕膜,此刻就可用剝離劑擦除了。而我個人都不是用專用剝離劑來去除,而僅利用舊的顯影劑擦拭。說來也許令人驚訝,專用剝離劑的售價雖較感光液低,但是如果真用來擦拭抗蝕膜,可能所費的價格倍於塗膜一塊同面積的電路板,當然在某些情況下,剝離劑也是有其需要的。
大致以上已儘可能把製作的實際過程作了一個介紹。在製作上對一般讀者來說比較困難的是材料的購置,譬如以軟片來說,那是專業用的,每次購買是以一卷為單位,它的長度是100英呎,寬度19至24英吋,此外感光抗蝕劑是以一升或五升為購買單位。對於一般讀者來說在量的方面來說真是太多了。如果能有十數位的同好者聯合起來購置,那麼每人分攤的費用就在數百元左右,也就足夠製作相當數量的電路板了。
最近以來我很想利用感光抗蝕劑來製作面板,但是我想做的是文字部份淺淺腐蝕一下,做出凹形具有立體感的文字,並在其中填充顏料,同時在面板需要沖孔的地方,就直接使用穿孔腐蝕的方法造成,實際上當然還有一點細節上的問題。就以腐蝕的孔來說,由於深度(面板厚度)有二、三厘米,所以腐蝕液流動的方向就會造成孔形的不規則,我們知道腐蝕除了向深度發展之外還會向橫的方向進行。許多地方還得實際去實作,才能知道確實的效果。有興趣的讀者不妨也來動動腦筋。
轉載音響技術第18期 JUN. 1977 漫談使用感光抗蝕劑製作印刷電路板/王嵩濾
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