Haga que sus PCB pasen de ser buenos a excelentes: transferencia de tóner

Muchos de nosotros fabricamos placas de circuito en casa. Considero que es una habilidad útil tenerla 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 combine con otras herramientas de desarrollo, por ejemplo, no hay nada como poder crear algo que se conecte perfectamente. Hacerlo rápidamente y continuar con el resto del proyecto en lugar de realizar un pedido y esperar. para la entrega, me ayuda a mantenerme en el flujo.

La transferencia de tóner es, con diferencia, la forma más rápida de hacer una placa de circuito en casa: simplemente imprima el circuito en una impresora láser, planchelo sobre el cobre y grabe. Cuando funciona, es fantástico. Cuando no es así, puede resultar complicado descubrir cuáles de los innumerables factores están desalineados.

Desde hace mucho tiempo utilizo un método que es muy fiable y repetible. Recientemente, he estado modificando un poco el rendimiento del sistema y pensé en compartir lo que tengo. Por el momento, puedo producir de manera muy confiable tableros con trazas de 6 mil (0,15 mm) y espacios de 8 mil (0,20 mm). Con un poco de cuidado en la posproducción, 4 mil/6 mil es totalmente plausible.

Eso es suficiente para la mayoría de mis necesidades de creación de prototipos, ya que cubre piezas TSSOP con un paso de clavija de hasta 0,65 mm y me permite alimentar dos pistas a través de una resistencia o condensador de montaje en superficie 0805. Está a la par de las casas de fabricación profesionales más baratas, pero puedo darle la vuelta a una tabla en unos quince minutos. En mi opinión, es mucho mejor que ordenar y esperar. Cuando necesito lujos como serigrafía y revestimiento de orificios pasantes, existen soluciones, pero en general escatimaré en ellas hasta que esté hecha la versión final.

¿El secreto? ¡Ciencia! O al menos tomar lo que puede ser una cantidad abrumadora de variables y técnicas secretas, reducirlas a experimentos que cambian una variable a la vez y luego optimizar en esa dimensión. Existe una vertiginosa variedad de técnicas, y un buen número de ellas sólo funcionan cuando se tiene exactamente la marca correcta de tóner, el papel correcto o el toque correcto al 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 se cancelan. Aquí, presentaré un método reproducible y le mostraré cómo calibrarlo.

Muchas guías de transferencia de tóner de Internet se centran en detalles que realmente no importan, como el tipo de papel utilizado como medio de transferencia o el método de limpieza del cobre antes de planchar. Eso no quiere decir que no necesites limpiar el cobre primero (absolutamente es necesario), sino que realmente no importa cómo lo hagas. He usado papel de lija de grano fino, fregadores de ollas verdes y actualmente uso algunas esponjas que compré en la ferretería para abrillantar las uniones de las tuberías antes de soldarlas. Sigo con un paño 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 páginas brillantes de revistas (The Economist es mi favorita en este momento) y los papeles de respaldo recubiertos de plástico con pegatinas despegables. Estas dos superficies funcionan de manera completamente diferente; el papel adhesivo se despega directamente, mientras que el papel de revista se disuelve en agua fría al frotarlo con el pulgar. Hay cosas más elegantes por ahí. El objetivo del papel de transferencia es que sea brillante para que no deforme la imagen y se suelte fácilmente dejando el tóner sobre el cobre. El resto es comodidad.

Por último, la elección del grabador no importa. Utilizo cloruro de cobre refrescado 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 contable. Algunas personas agitan líquidos en un tanque, otras rocían y otras esponjan. Lo que sea que funcione.

Todas estas cosas son absolutamente vitales para fabricar una buena PCB de transferencia de tóner, por supuesto, pero ninguna de ellas es excepcionalmente irreemplazable.

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

En lo que respecta a la presión, más casi siempre es mejor. De hecho, hay algunas fotocopiadoras láser que funcionan sin ningún rodillo calentado. Aplastan las partículas de tóner de plástico con tanta fuerza que se adhieren al papel a temperatura ambiente aproximadamente. 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 sobre 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 mi peso es limitado.

Me inspiré en este método que hace esencialmente lo mismo al revés. Mi experiencia es que la tabla nunca rueda uniformemente sobre la clavija usando este procedimiento, pero puedo entenderlo si no quieres exponer el horror eléctrico que es mi configuración en tu casa. Cualquier superficie fuerte y caliente debería funcionar y una configuración mejorada tendría un mejor control de la temperatura. Si tiene una laminadora modificada que ejerce suficiente presión, probablemente sea incluso mejor. Tengo una plancha de ropa de desecho.

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

Todo esto es relativo, por supuesto. No usas el mismo tóner que yo, ni pesas lo mismo que yo, ni tienes la misma idea de “lento” que yo. Pero siempre y cuando mantengas tu propia práctica constante, 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 algunas 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 en Internet de que debes calentar la plancha “lo más caliente posible”. Pero sí sé cuál es el resultado de hacerlo: transferencias borrosas 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 fabricando PCB en mi casa. El truco está en ser consistente.

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 rastros, excepto el de 16 mil, es realmente continuo después del grabado. El tablero de temperatura más alta tiene cortocircuitos por todas partes, a pesar de tener un espacio libre de 20 mil en el suelo. Sorprendentemente, la huella del TSSOP funcionó básicamente bien, a pesar de que las dos pistas con un espaciado de 6 mil están en cortocircuito.

El problema de las temperaturas extremas también resulta evidente al observar las hojas de transferencia. En el caso del cartón de baja temperatura, queda mucho tóner en el papel. Simplemente no se ha pegado lo suficientemente bien al cobre. La hoja de alta temperatura se rasgó al quitarla, probablemente porque su capa de plástico se derritió en el tóner.

Los dos tableros del medio se ven bastante bien, pero las apariencias engañan, por lo que probablemente valga la pena grabarlos. En realidad, hay un defecto menor en la placa de 125 °C: la muestra de 6 mil está rota justo en la parte inferior, donde se conecta a la almohadilla. 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 entre estas dos probablemente será el punto óptimo.

Volví a probar esta placa de prueba a 132 °C, la imprimí en papel de revista y salió perfecta. Excepto por la pequeña molestia de cortar el material 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 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 levanten una mancha aquí o allá.

No es coincidencia 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 ajustada es mucho más de la mitad de la batalla.

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

En particular, ambos controladores de mi sistema parecen interpretar la salida Postscript y PDF de KiCad como archivos de color y aplicar interpolación al resultado. Con el controlador Postscript, esto produce bordes irregulares, un efecto que otras personas han notado antes. Si la transferencia funciona bien, estos dientes 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 tenía con la impresión de líneas finas fueron causados ​​por el controlador.

Finalmente, cuando guardo el archivo como un gráfico SVG y lo imprimo desde Inkscape, todos los artefactos de difuminado de color desaparecen, pero el resultado son trazos oscuros, suaves y agradables que son un poco demasiado gruesos una vez transferidos. ¿Quizás con estas trazas mejoradas pueda bajar un poquito la temperatura? También hay algo de polvo en la transferencia al 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 se pueden diagnosticar detalles finos como estos hasta que haya controlado las principales variables de temperatura y presión. Pero una vez que lo haces, y los fallos más pequeños que surgen de la etapa de software de la cadena son visibles y reproducibles, tienes un nuevo factor limitante y es hora de ajustar el software.

Desafortunadamente, cada uno tiene 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 tipos de archivos pueden ser importantes. Hay mucho con lo que experimentar, así que tómelos una variable a la vez.

Entonces todo interactúa: temperatura, presión, tipo de papel e incluso el formato del archivo y los controladores de la impresora. Dejé de experimentar por hoy porque estoy contento con trazas confiables de 6/8, y cuando necesite llevarlo aún más lejos para algún proyecto, probablemente comenzaré disminuyendo aún más la temperatura para ver si eso resuelve las líneas engrosadas. Si realmente necesito espacios libres 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 y Inkscape haciendo la impresión, no he tenido ni un solo rastro discontinuo a 6 mil.

Sin embargo, una cosa que no cambiaré en absoluto es la técnica básica. Comencé a aplicar una presión máxima constante a través de un rodillo y a ajustar la temperatura hace unos diez años, y desde entonces ha sido un método muy confiable para fabricar PCB. Esta reciente búsqueda de la máxima resolución ha sido una diversión divertida y me alegra saber que puedo realizar pequeñas funciones cuando lo necesito, y me entristece que los caminos hacia una mayor mejora parezcan pasar por ajustes de software y controladores, porque simplemente hay tantas opciones.

En algún momento, resulta 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 la creación de prototipos y con tiempos de respuesta absolutamente inmejorables.