Какая существует основная проблема при изготовлении печатных плат, в том числе, кустарно? Проблема (с которой все свыклись и считают её данностью) заключается в том, что неотъемлемой частью процесса является наличие потребности в маскировке (не всегда, об этом ниже), защищающей те участки печатной платы, которые не должны подвергнуться травлению. 

Но подумаем, а можем ли мы избавиться от этого фундаментального ограничения?!

Дальше будет описание одной интересной идеи, которая пришла мне совсем недавно, в ходе размышления над этим вопросом. 

Предлагаю вам присоединиться к рассуждениям на эту тему, и поразмыслить совместно!

Итак, фундаментальное ограничение: все мы знаем, что одним из наиболее распространённых и простых способов изготовления печатных плат, в том числе на дому, является нанесение на поверхность фольгированного текстолита разнообразных «масок» — специальных слоёв, защищающих отдельные участки медной фольги от вытравливания. 

Для нанесения таких масок может использоваться целый ряд подходов:

• Фоторезисты;

• Технология ЛУТ;

• Ручное рисование маркером/или рисование ЧПУ-станком (тем же самым маркером).

Есть и некоторые способы избавления от этой потребности:

• Лазерное испарение меди, с помощью волоконно-оптических лазеров;

• Прорезание дорожек с использованием фрез и чпу станков (например, разнообразных итераций широко известного бытового станка 3018);

• Прямое осаждение/травление меди на базе раствора медного купороса.
  Вкратце: головка, сделанная даже из обычного шприца и установленная на XY-манипулятор, ездит на небольшом расстоянии от поверхности, где, в зависимости от полярности (один контакт находится прямо внутри шприца, а второй подключен к поверхности, из иглы шприца свисает маленькая капля, которая соединяет как мостик — иглу и поверхность), можно добиться двух разных эффектов:

  • Селективного травления фольгированного текстолита;

  • Селективного нанесения меди (электролитическое осаждение), только в тех местах, где необходимо.

Однако основная проблема в том, что всё это «припарки и надстройки», без попыток устранить основную проблему: прямого травления платы, только в тех местах, где необходимо, без предварительного нанесения каких-либо масок! 

Размышляя над всем этим, я случайно наткнулся на интересный эффект, суть которого заключается в том, что можно вызвать спонтанную поляризацию токопроводящего объекта, если его разместить также в токопроводящей жидкости, между двумя электродами, где при этом, особо интересно то, что к самому объекту даже не требуется подключать никаких электродов — он спонтанно поляризуется под воздействием электрического поля, вследствие чего, заряды на его поверхности распределятся таким образом, что противоположные по знаку заряды концентрируются, будучи направлены в сторону соответствующего электрода, в результате чего, на одной стороне этого объекта будут наблюдаться окислительные реакции (т.е. например, растворение металла), а на другой восстановительные (т.е. нанесение металла, если мы говорим, например, о растворе медного купороса — конкретно этот раствор я назвал просто для наглядности рассуждений):

Таким образом, очевидно, что данный эффект мог бы быть использован и в наших целях…

Если попытаться, некоторым образом, формализовать полезный эффект, отделить его от эксперимента, показанного выше, а также пройти несколько дальше в своих рассуждениях, то, по большому счёту, можно говорить о полезном использовании «конденсаторного эффекта» (если его можно так назвать) — то есть, обыкновенного конденсатора!

Однако, сам эффект как таковой, несмотря на его примечательность, не столь интересен, так как нас, по сути, интересует «спонтанное селективное травление» — то есть, спонтанное появление рисунка дорожек печатной платы, только в тех местах, где необходимо! 

Другими словами, необходимо, некоторым образом, добиться пространственного распределения электрических зарядов таким образом, чтобы они сформировали невидимый рисунок, который и будет травиться! *

*На этом месте, некоторые, наверняка сказали себе «ну-ка, ну-ка, что-то это мне всё напоминает…» ;-)

И, к счастью, такой способ существует, и всем нам хорошо известен — «сухое письмо», то есть, ксерография или электрография! То есть, принцип, используемый в копировальных аппаратах и лазерных принтерах, где:

• Фотобарабан сначала заряжается от коротрона, в результате чего, вся его поверхность оказывается покрыта и отрицательными зарядами;

• Далее поверхность освещается источником света, из-за чего происходит нейтрализация зарядов на освещённых участках — то есть, происходит формирование невидимого рисунка, состоящего только из зарядов;

• Затем на поверхность барабана наносится тонер, имеющий положительный заряд, и, так как разные по знаку заряды притягиваются, прилипающий только к тем участкам фотобарабана, которые не были освещены — то есть, происходит проявление невидимого рисунка из зарядов;

• Далее фотобарабан с проявленным изображением прокатывается по бумаге, имеющей больший отрицательный заряд, благодаря чему, тонер переносится на неё;

• Затем тонер приплавляется к бумаге, с помощью нагретого барабана:

Однако, то, что хорошо работает для бумаги (то есть, диэлектрика), в теории, не должно работать для проводника, — которым является фольгированная поверхность текстолита! 

Потому что (в теории), именно из-за отсутствия проводимости, диэлектрики позволяют создание на своей поверхности пространственно-распределённого заряда, мгновенно не перераспределяющегося в равной степени по всему объёму объекта, что, по идее, и должно произойти с проводником — и что, в теории, должно помешать нам провернуть подобный фокус, касательно омеднённой поверхности текстолита…

Я тоже так изначально думал (против теории не попрёшь), однако, переменить своё мышление в этом направлении меня заставили размышления, когда мы с вами совсем недавно знакомились с катодной защитой от коррозии, где, согласно теории, ржавление (или, в широком смысле, оксидирование) металлов имеет своей основе электрохимический принцип — несмотря на то, что заряд по идее, должен быть равномерно распределён по всему проводнику, на практике получается так, что вся поверхность проводника оказывается покрытой зонами, различающимися по своим потенциалам, в результате, когда проводник оказывается в условиях воздействия любого электролита ( дождь, туман, брызги и т.д. И т.п.) — между этими участками начинает протекать локальный ток, где в условно положительной зоне будут наблюдаться реакции окисления (то есть растворения, ржавления) металла:

Полезный вывод для нас из этого такой, что сама электрохимическая теория ржавления (окисления) металлов говорит о том, что возможно создание на поверхности проводника локальных зон, с разным распределением зарядов — и даже мало того: это является неотъемлемым свойством металлов! 

Таким образом, мы выяснили, что, в теории, даже на поверхности металла, несмотря на то что он является проводником, можно попробовать создать невидимый рисунок из зарядов, который будет проявлен в ходе травления!

Причём, если не погружаться глубоко в теорию, мы видим, даже по схеме электрической фотопечати выше, что там также происходит перераспределение зарядов на металлическом барабане, которые индуцируются противоположного знака тем, которые есть на полупроводниковом слое.

То есть, использовать неотъемлемое свойство металлов, только создать на поверхности металла пространственно-распределённую картину зарядов, искусственно индуцировав её извне!  

Однако, рисунок сам собой не появится, его необходимо каким-то образом индуцировать, то есть, спонтанно вызвать. 

Если мы обратимся к самой первой картинке выше, то мы увидим, что наша задача, по сути, сводится к управлению отрицательным электродом и формированию на нём невидимого изображения, которое и будет индуцировано (в теории) на фольгированной поверхности текстолита, с достаточной точностью, если текстолит будет расположен на относительно небольшом расстоянии от отрицательного электрода. 

Каким образом можно было бы индуцировать подобное изображение? И тут (та-даам! :-) ) лайфхак: электронно-лучевая пушка! То есть, монитор старого ЭЛТ-типа, экран которого выступает отрицательным электродом, то есть, помещён внутрь ванны для травления, таким образом, чтобы выступать, по сути, в качестве левой стенки этой ванны:

Таким образом, по сути, рисуя строку за строкой, луч электронов формирует на поверхности экрана отрицательные заряды, пространственно-распределённые в форме рисунка!

Это сам принцип, над которым, наверняка ещё придётся поработать, чтобы оптимизировать ток, с целью ускорить процессы…

Возможно, даже может потребоваться изготовление кастомной электронно-лучевой трубки (и тут сразу в полный рост встают вопросы тормозного рентгеновского излучения, что опасно).  

Тем не менее, на мой взгляд довольно интересная концепция вырисовывается! ;-)

Чтобы не связываться с электронно-лучевой трубкой, можно пойти намного проще и элегантней: попробовать воплотить на практике тот же самый принцип, который реализуется в ксероксах и лазерных принтерах, только «вывернутый в нашу сторону». 

Давным-давно, когда я собирал свой собственный электро фотокопировальный аппарат (в качестве хобби, возможно, расскажу когда-нибудь), пришлось прокопать довольно большие пласты информации, из чего и как собирать компоненты устройства… 

Так вот, основной проблемой на тот момент было для меня раздобыть полупроводник, которым покрывается фотобарабан. 

Мне удалось тогда выяснить, что одним из наиболее доступных полупроводников является TiO₂ (оксид титана) — весьма распространённая штука и весьма дешёвая: бывает в зубных пастах, в белой краске, в детской гуаши (краска для рисования) и вообще много где…  

Но, у этого полупроводника есть одна проблема: из-за довольно большой запрещенной зоны, его нужно засвечивать ультрафиолетом, чтобы сформировать на нём невидимое изображение из зарядов.

Однако, с тех времён прошло много лет и сейчас ситуация кардинально поменялась — существует огромное количество доступных фотополимерных 3d принтеров, в которых есть и засвечивающая матрица и мощный источник ультрафиолета!

Таким образом, в теории, остаётся только построить весьма простую систему: источник ультрафиолета и матрица фотополимерного принтера постоянно засвечивают тонкий слой оксида титана, где одновременно с этим, тонкая проволока-коротрон, постоянно заряжает этот слой статическими зарядами. 

В результате такого совместного воздействия, достигается эффект постоянной подпитки и сохранения невидимого изображения на слое полупроводника, что, в свою очередь, индуцирует соответствующие заряды и на поверхности печатной платы — и идет травление:

Но можно сделать НАМНОГО мощнее — нужно всего лишь взять медную или титановую пластину и прокалить на огне. В результате получаем качественный, физически прочный проводник, с прочно интегрированным слоем полупроводника. Куда уж лучше:

В результате, заряды с верхней стороны пластины (которая касается электролита), будут постоянно стремиться нейтрализоваться, но им это сделать никто не даст, так как:

• Проволока-коротрон, с помощью коронного разряда будет постоянно пополнять заряд;

• А свет — перераспределять их в виде рисунка (например, дорожек платы), индуцируя аналогичный рисунок на поверхности фольгированного текстолита, не подключенного вообще ни к чему и не маскированного.

В итоге всего этого (в теории) можно получить маленький настольный инженерный шедевр. Кто знает… ;-)

По крайней мере, я такого никогда не видел и не слышал. Нечто новое и прорыв? :-)

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.