Лампа для засветки фоторезиста своими руками
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 18.09.2024
Актуальность темы или когда нужна УФ-матрица на светодиодах
При изготовлении печатных плат с использованием фоторезистивной технологии необходимым элементом является источник ультрафиолетового света для засветки фоторезиста через фотошаблон и его последующей фотоиндуцированной полимеризации.
При изготовлении печатных плат большого размера (которые в длину больше 20 см) существенную роль начинает играть равномерность засветки фоторезиста при сохранении небольших значений угла боковой засветки. Это сложно обеспечить при использовании Blacklight-ламп, поскольку при этом необходимо размещать лампу на значительном удалении от поверхности платы, что приведет к существенному снижению интенсивности облучения и увеличению времени экспонирования.
УФ-матрица - преимущества
Перспективным решением проблемы является использование матрицы ультрафиолетовых светодиодов (UV-LED). Спектр излучения наиболее распространенных УФ-светодиодов лежит в пределах 390-400 нм, а их энергетический КПД составляет 10-20 %. Для обеспечения максимального контраста и достижения минимальной ширины дорожек целесообразно использовать светодиоды с малыми значениями угла обзора (20° и менее).
Рисунок 1. Внешний вид экспонирующей системы на УФ-светодиодах
Преимуществами этого решения являются:
- высокая скорость выполнения экспонирования (30 сек.- 120 сек.);
- возможность достижения малых значений (0,1-0,15 мм) ширины дорожек за счет малой боковой засветки;
- масштабируемость, поскольку можно изготовить светодиодную матрицу практически любых размеров.
Конструкция УФ-системы для экспонирования
При построении представленной УФ-системы для экспонирования прожектора использовались 5мм ультрафиолетовые светодиоды типа ARL-5213VC-200 mcd. Спектр излучения данных светодиодов лежит в пределах 395-400 нм, угол обзора – 20°, номинальный ток - 20 мА, падение напряжения 3,0 - 3,5 В, максимальная яркость при номинальном токе - 200 мКд.
Для создания светодиодных матриц были использованы 3-и макетные платы (с двухсторонней металлизацией) типоразмером 50х90 отверстий со стандартным расстоянием между отверстиями 2,54 мм (общий размер платы - 130х230 см). Каждая матрица содержит по 120 светодиодов, расстояние между светодиодами выбрано равным 12,7 мм (5 отверстий). Выбор расстояния обусловлен условием равномерности засветки фоторезиста: необходимо, чтобы достаточно сфокусированные лучи от светодиодов (а угол их расхождения достаточно мал - 15-20%) перекрывались на поверхности фоторезиста при условии отнесения матрицы на разумное расстояние – 15-20 см. При более плотном расположении светодиодов возрастает стоимость и трудоемкость монтажа всей системы. Электрическая схема светодиодных матриц представлена на рисунке 1. Матрица представляла собой параллельное соединение множества светодиодных линеек. Каждая линейка состояла из четырех последовательно соединенных светодиодов ARL-5213VC и токовыравнивающего резистора сопротивлением 560 Ом и максимальной рассеиваемой мощностью 0,5 Вт. Условием обеспечения равномерного потока на стыках матриц является расположение крайних светодиодов разных матриц на том же расстояние друг от друга, что и внутри матрицы. Для этого светодиоды в матрицах расположены не идентично друг другу, а с некоторым сдвигом (см. фото). Матрицы подключаются к источнику постоянного напряжения 24 В параллельно (рисунок 2).
Светодиодные матрицы закреплены на деревянном щите-основании по углам которого смонтированы стойки длиной 180 мм. Эти стойки задают расстояние от светодиодной матрицы до платы с фоторезистом. В качестве стоек использованы болты D8х180 (см. рисунок 1).
Рисунок 2. Принципиальная электрическая схема УФ-системы, включающая три модуля
Таймер для регулировки времени экспонирования
Для регулирования времени экспонирования и автоматического отключения УФ-системы использован простой таймер. Принципиальная электрическая схема таймера представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Принципиальная электрическая схема таймера для регулировки времени экспонирования
Длительность включенного состояния задается цепочкой R1C1. Коммутация нагрузки из светодиодных матриц осуществляется MOSFET-транзистором T1. Резистор R3 выполняет с одной стороны функцию токограничивающего элемента, с другой совместно с R2 – функцию резисторного делителя, ограничивающего максимальное напряжение на затворе MOSFET-транзистора.
Нижнее положение ключа
При переключении трехпозиционного тумблера в нижнее положение происходит заряд конденсатора С1, при этом через эмиттерную цепь p-n-p транзистора Q1 протекает некоторый ток и транзистор переходит в открытое состояние. На затвор MOSFET-транзистора поступает высокий уровень напряжения и он также открывается, коммутируя светодиодные матрицы к источнику питания.
Среднее положение ключа
При переводе ключа из нижнего положения в среднее в эмиттерной цепи транзистора Q1 продолжает протекать ток поддерживаемый зарядом, запасенным в С1. Пока ток не снизится ниже определенного уровня транзисторы Q1 и T1 будут оставаться открытыми пропуская ток через светодиоды. Время включенного состояния определяется цепочкой R1C1.
Верхнее положение ключа
Таким образом, в нижнем положении ключа светодиодная матрица все время светится, при переводе в среднее – продолжает светиться заданное цепочкой R1C1 время, при переводе в верхнее – выключается.
Расчет времени экспонирования
Для полной засветки фоторезиста нужна определенная энергия эта энергия (называемая дозой или чувствительностью) указывается фирмой изготовителем в справочных листках на фоторезист и измеряется в мДж/см2. Чувствительность фоторезиста численно равна количеству энергии поглощенной фоторезистом на единицу его площади. Это базовый параметр для расчета времени засветки. Так для пленочного фоторезиста ALPHA 340 чувствительность равна 50 мДж/см2.
Определим плотность мощности излучаемой УФ – светодиодной системой. Для этого нам понадобится четыре параметра:
• Среднее падение напряжения на светодиодах ARL-5213VC-200 mcd - составляет 3,2 В;
• Ток через светодиоды, задаваемый внешними резисторами – 20 мА.;
• КПД УФ-светодиодов положим равной 10% (точное значение КПД установить сложно, поэтом у будем использовать примерное);
• Количество светодиодов – 3*72 шт. – 216 шт.
• Суммарная освещаемая площадь УФ-системы – (3*130)х230 = 89700 мм2 = 897 см2.
Таким образом, средняя излучаемая мощность составляет :
3,2В * 0,02 А * 10 % * 216 шт. = 1,3824 Вт
И на единицу площади:
1,3824 Вт / 897 см2 = 0,001541 Вт/см2
То есть на единицу площади в 1 секунду попадает 1,541 мДж энергии.
Для того чтобы фоторезиста ALPHA 340 с чувствительностью в 50 мДж/см2 набрал свою дозу, необходимо время засветки:
50 мДж/см2 / 1,541 мДж = 32,4 сек.
Сборка экспонирующей УФ-системы
1. Для сборки светодиодной матрицы используем:
- УФ- светодиоды ARL-5213VC-200 mcd – 360 штук. Реально необходимо около 400 штук с учетом отбраковки, обусловленной сильной неравномерностью (линзовостью) засветки отдельных экземпляров;
- резисторы 0,5 Вт, 560 Ом – 90 штук;
- макетные платы размером 130х230 см с двусторонней металлизацией – 3 шт.
2. Запаиваем светодиоды в платы. Пайку светодиодов в платы проводим не идентично друг другу, а с некоторым сдвигом, для того чтобы крайние светодиоды разных макетных плат были расположены на том же расстояние друг от друга, что и внутри матрицы (см. фото).
3. Соединяем светодиоды между собой, оставляя крайний плюсовой вывод линейки (см. фото).
4. Подгибаем оставшиеся плюсовые выводы и обкусываем их до нужной длины (см. фото).
5. Осуществляем формовку выводов резисторов – загибаем их и обкусываем как показано на фото.
6. Припаиваем резисторы к плюсовым выводам светодиодов (см. фото).
7. Зачищаем медный провод, лудим его. Оставляем небольшой заизолированный хвостик. Делаем три таких провода (см. фото).
8. Припаиваем провод к выводам резисторов (см. фото).
9. Проверяем работоспособность каждой их плат с использованием стабилизированного источника напряжения (см. фото).
10. Проверяем равномерность засветки. Если мы не будем проводить предварительную отбраковку светодиодов то результат, как правило, будет неудовлетворительный (см. фото). Операцию проверки равномерности засветки проводим для оставшихся плат.
11. Если обнаружена неравномерность засветки, то маркируем неподходящие светодиоды липкими стикерами (см. фото). И выпаиваем их, заменяя на заранее отобранные качественные светодиоды.
12. Проверяем еще раз неравномерность засветки (см. фото). Если все в порядке, то переходим к следующему шагу.
13. Изготавливаем из мебельного щита основание 30х48 см для монтажа плат со светодиодами. В качестве стоек основания используем болты D8х180 (с шайбами и гайками) закрепляемые по углам основания. Для крепления плат используем шурупы 2,5х25 мм. Для того чтобы обеспечить зазор между платами и деревянным основанием используем гайки М4, по три штуки на шуруп. Для фиксации электрических выводов и электрических соединений используется клеммная колодка.
15. Соединяем платы между собой с помощью электрических проводников.
16. Монтируем платы на деревянном основании. Электрические выводы подключены на клеммник, также закрепленный на основании.
17. . Проверяем работоспособность системы. Если все работает, приступаем к изготовлению таймера.
18. . Проверяем работоспособность системы. Если все работает, приступаем к изготовлению таймера.
- MOSFET транзистор IRF540;
- биполярный p-n-p транзистор КТ3107В (или BC556В);
- трехпозиционный S-O-S тумблер;
- переменный резистор номиналом 100 кОм;
- электролитический конденсатор 470 мкФ, 25 В;
- постоянный резистор 4,7 кОм (0,125 Вт);
- постоянный резистор 10 кОм (0,125 Вт).
Электрическая схема их соединения представлена выше.
19. Используем для крепления тумблера и переменного резистора пластину текстолита 7х2 см.
20. Навесным монтажом припаиваем к выводам тумблера и резистора остальные элементы схемы.
21. Изготавливаем стойки, напримери зи металлических анкеров.
22. Крепим блок таймера к основанию с помощью саморезов. Также монтируем клеммник и соединяем со светодиодной матрицей с помощью проводников.
23. Используем стабилизированный импульсный блок питания с выходным напряжением 24 В, выходным током – до 3,6 А
Паяем таймер и матрицу из УФ-светодиодов для быстрой засветки фоторезиста
19 февраля 2018
Важно! Смотреть на ультрафиолет не полезно для глаз. Не советую делать это слишком долго, а в идеале рекомендую использовать соответствующие защитные очки.
Почему бы просто не взять готовое?
Дмитрий описал свой проект в небольшой статье и выложил все исходники на GitHub. Однако Дмитрий разводил плату в Sprint Layout, который стоит денег. Меня не сильно прельщала перспектива покупки и изучения данного ПО, особенно учитывая, что оно не поддерживает используемый мной на десктопе Linux. Кроме того, не похоже, чтобы Sprint Layot чем-то превосходил кроссплатформенный и открытый KiCad.
Плюс к этому мне лично не сильно понравился внешний вид устройства Дмитрия. Впаивать Arduino Nano, использовать громоздкий экранчик 1602 и строить сэндвич из нескольких плат разного размера мне не хотелось. Уж если и делать какое-то устройство в домашних условиях, почему бы не сделать его таким, как нравится именно тебе, верно?
В общем, я прикинул, что это достаточно прикольный и не сложный проект, который мне проще повторить с нуля. И действительно, на изготовление устройства у меня ушла лишь пара вечеров.
Матрица из ультрафиолетовых светодиодов 10 x 10
Ультрафиолетовые светодиоды довольно просто найти на eBay. Лично я покупал здесь. Пакетик с сотней светодиодов вместе с доставкой обошелся мне в 220 рублей (3.90$).
Светодиоды я решил расположить в виде матрицы 10 на 10, рассчитанной на питание от 5 В. Плата была без труда разведена в KiCad. В каждом из рядов был использован один резистор для ограничения тока и 10 светодиодов, соединенных параллельно. Сопротивление резистора было подобрано так, чтобы светодиоды светили достаточно ярко, а резистор при этом не перегревался. Я остановился на сопротивлении 27 Ом.
Вот что у меня получилось в итоге:
Плата имеет размер 10 x 15 см. В обозримом будущем я вряд ли буду делать платы большего размера, а значит такая матрица сможет равномерно засветить любую из моих поделок. Углы у платы пришлось немного подрезать, так как иначе она не помещалось в моей ультразвуковой отмывочной ванне. Да и то, плату пришлось класть в ванну ребром, отмывая ее сначала с одной стороны, затем со второй. Так что, да, сейчас для меня 10 x 15 см — это предел.
Fun fact! Я использую ванну VGT-800 с отмывочной жидкостью Solins US. Это намного удобнее и быстрее, чем отмывать спиртом с зубной щеткой. Просто кидаешь плату в ванну, жмешь кнопку, ждешь пару минут, промываешь, и все!
Таймер на базе ATmega328
Матрица светодиодов создает интенсивное УФ-излучение. При ее использовании фоторезист легко по ошибке засветить сильнее, чем нужно. В этом случае его придется снимать и все переделывать заново. Поэтому нам нужен таймер, который включает матрицу ровно на заданный интервал времени.
На момент написания этих строк я умел работать с микроконтроллерами AVR и STM32. Использовать STM32 для простого таймера мне показалось оверкилом, поэтому я использовал восьмибитный микроконтроллер ATmega328. Сказать по правде, 32 Кб flash-памяти для этого проекта тоже оверкил, вполне хватило бы и ATmega48. Но у меня был некоторый запас микроконтроллеров ATmega328, а покупать микроконтроллер специально под этот проект мне не хотелось. Так что, я остановился на ATmega328.
Вот что у меня получилось:
Также я заказал пять аналогичных плат у JLCPCB на будущее. Заказ обошелся мне в 22$ вместе с доставкой. На момент написания этих строк платы мне еще не доехали, но выглядеть они будут примерно так:
На области для прототипирования я впаял МОП-транзистор с N-каналом IRF3205 для защиты от переполюсовки. Для включения и выключения светодиодной матрицы было использовано обычное реле (модель RT424005). Также я использовал сглаживающий конденсатор на 100 мкФ, чтобы микроконтроллер не вырубало при включении матрицы.
Прошивка для устройства была написана на языке C, без библиотек от Arduino. В прошивке мало нового для нас с вами. Работа с использованным здесь индикатором ранее рассматривалась в заметке Как я делал электронные часы на базе FPGA. Программирование под AVR на языке C нам знакомо по заметке Как я спаял электронные игральные кости на базе ATtiny85. Из того, что не рассматривалось ранее, в прошивке есть разве что работа с EEPROM. Работать с ним не сложно:
int8_t saved_timeout [ 4 ] EEMEM = < 0 , 2 , 0 , 0 >; // 20 seconds
void setup ( ) <
// load timeout from the EEPROM
eeprom_read_block ( timeout , saved_timeout , sizeof ( timeout ) ) ;
Решил продолжить тему создания установки для экспонирования фоторезиста но уже вместо ламп применить УФ светодиоды, причина: срок жизни ламп мал, засветка по всей длине лампы не одинаковая, для светодиодов не нужен разогрев, время экспонирования меньше с светодиодами чем с лампами по крайней мере с моими.
Для это задачи задумался какой мощности светового потока нужны светодиоды, не долго думая сошелся на 2000mcd цена устроила, купил их на ebay 500 штук 20$ c доставкой в Москву.
Прислали в таком антистатическом пакетике.
Решил использовать площадь матрицы светодиодов = 180х260мм.
Светодиоды расположены на расстоянии друг от друга 1см. общие количество 450штук.
Питание светодиодов будет линейным, матрица светодиодов разбита будет на 156 линеек, каждая линейка состоит из 3х светодиодов с токоограничительным резистором, общие питание матрицы 12Вольт, блок питания использоваться будет на 35W, модель PS35-12 от компании MEAN WELL.
Изготовил держатель плат из дюралюминия с отверстиями под светодиоды 5,2мм.
Вставляю светодиоды в платы, муторное дело
Кусаю ноги, припаиваю и проверяю
Светят ярко, в бок, как на фото синие свечение, а вверх, угол(20 ~ 25°)ультрафиолетовое излучение (390—395 нм)
Управлять матрицей светодиодов буду, как обычно таймером, его пришлось создать.
Приветствую вас дорогие друзья! Вы находитесь на блоге Владимира Васильева а за окном раннее утро! Это все потому, что я встал пораньше чтобы написать для вас полезный пост, так что поехали…
В прошлой статье я писал о том, что качество плат получаемых ЛУТ-м перестало меня удовлетворять поэтому я собираюсь отойти от всенародной технологии ЛУТ и перейти на фоторезистивную. Для этого я закупил инструменты и материалы в том числе пленочный фоторезист. Кстати вполне возможно что на моем блоге в скором времени появится статья о том как правильно изготавливать печатные платы фоторезистивным методом. Но это будет потом а сейчас я хочу вам рассказать свой опыт применения фоторезиста, в частности получения нужного времени засветки.
В применении фоторезиста есть одна тонкость. Качество сформированного рисунка на фоторезисте очень сильно зависит от правильности выбранного времени экспонирования (засветки) . Эту тонкость я ощутил на себе.
Далее было выбрано гипотетическое время засветки этого бутерброда — 2 минуты. На 2 минуты я включил ультрафиолетовую лампу и стал с трепетом ждать результата. Эти 2 минуты прошли быстро… Первое мое разочарование заключалось в том, что хотя фоторезист у меня индикаторный но почему-то фиолетовое очертание рисунка было чрезвычайно блеклым.
Чтож, далее эту красоту ожидало погружение в кальцинированную соду. Раствор представлял собой чайная ложка кальцинированной соды на литр воды. После омывания в растворе последовало второе разочарование — если рисунок вначале промывки еще имел место быть то к концу промывки (2-3 мин.) он окончательно смылся. Пришло время раздумий…
После анализа своих действий я пришел к выводу, что самым слабым местом в цепочке моих действий было именно время засветки фоторезиста и это время было недостаточным…
Время засветки не может быть каким-то универсальным потому, что здесь появляется несколько плавающих факторов, среди которых и качество фотошаблона, мощность УФ лампы и ее характеристики, материал прижимного стекла. Все это может очень сильно отличаться и не мудрено, что при выборе одного универсального времени засветки также сильно будет отличаться и результат!
Исходя из полученного опыта я перечитал очень много информации и нашел очень интересный прием с помощью которого можно достаточно точно определить требуемое время засветки. Хочу отметить, что этот прием будет работать только в том случае когда все эти факторы (УФ лампа, качество фотошаблона, прижимное стекло) низменны.
Для того, чтобы провести этот опыт и выяснить сколько времени нужно освещать фоторезист, предлагаю скачать файл калибровочного фотошаблона. Этот файл я нашел на одном из радиолюбительских форумов.
На изображении лишь фрагмент рисунка, если скачаете pdf файл то там будет 2 ряда по десять изображений.
Для проведения этого эксперимента вам понадобятся следующие инструменты:
- Калибровочный рисунок
- Установка для экспонирования (или просто УФ лампа)
- Заслонка, непрозрачная для УФ лучей по размерам фотошаблона — это может быть полоска картона, непрозрачного пластика, даже кусок текстолита.
- Таймер — с ролью таймера великолепно справляется телефон
- Кальцинированная сода- продается в хозяйственных магазинах и стоит копейки
Суть эксперимента
Распечатываем наш калибровочный рисунок -это будет наш фотошаблон. Затем берем наш кусок фольгированного стеклотекстолита с уже накатанным фоторезистом (если еще не накатали то бегом накатывать) и кладем на стол фоторезистом вверх. Далее следует положить фотошаблон напечатанной стороной вниз, накрыть этот пакет стеклом и хорошенько прижать.
Для этих целей можно использовать утяжелители но я применяю канцелярские зажимы для бумаги. Следует заметить, что грузики или зажимы не должны препятствовать перемещению заслонки. Да, следующий слой нашего бутерброда это заслонка которая должна закрывать все элементы фотошаблона кроме крайнего (например 10-го). Один крайний элемент фотошаблона должен оставаться открытым.
Таким образом девять элементов будут находиться закрытыми заслонкой и следовательно УФ лучи от лампы на них попадать не будут.
Располагаем Ультрафиолетовую лампу над нашей композицией на расстоянии допустим 10 см (на данный момент это не так важно но этот момент может быть потом откорректирован по результатам эксперимента). Засекаем 5 минут и включаем УФ лампу.
Уже после окончания засветки становится понятно, элементы которые были недосвечены будут проявляться меньше всего. Элементы которые получили достаточную дозу ультрафиолета изменят свой цвет на ярко фиолетовый. В тоже время следует обратить внимание, что участки рисунка, закрытые фотошаблоном не должны менять свой цвет. Если это происходит то это означает что рисунок фотошаблона не достаточно плотный и ультрафиолетовые лучи все-таки попадают на фоторезист. Но даже если ваш фотошаблон не идеален не все потеряно, можно найти компромисс между недосвеченными и пересвеченными участками. Но окончательное решение будем принимать только после проявления фоторезиста.
Проявление фоторезиста
Пришел этап проявления фоторезиста. Для этого примерно чайную ложку кальцинированной соды разводим в литре воды и хорошенько размешиваем. И теперь кладем в эту ванну наш засвеченный бутерброт.
В процессе проявки следует периодически вытаскивать плату из раствора и промывать в холодной проточной воде. При этом ситуацию нужно держать под контролем. Нужно дождаться момента когда защищенные элементы (элементы которые были закрыты фотошаблоном ) окончательно растворятся в растворе но при этом засвеченные участки будут четкими и контрастными. Таким образом мы находим элемент который нас больше всего устраивает. А так как мы знаем сколько времени светился каждый элемент то без труда определяем требуемую дозу облучения.
Для чистоты эксперимента стоит эту процедуру повторить еще раз и убедиться в повторяемости результата.
После проведения всей этой процедуры я выяснил, что в моем случае время засветки должно составлять 4 минуты. Честно сказать были некоторые огрехи при наложении фотошаблона. Когда фотошаблон распечатал он оказался на удивление длинным (простирался по всей длине листа А4). Это я потом обнаружил что рисунок распечатался в масштабе 212%. При наложении пришлось ограничиться 5-ю элементами из линейки фотошаблона так как прижимное стекло не могло охватить всей прощади.
Хотя фото получилось не очень качественное но по изображению можно заметить, что элементы под номером 1 и 2 более блеклые чем элементы под номерами 3 и 4. Время засветки элементов 3 и 4 соответствует 4 и 5 минут соответственно. Да, как видите, я перемещал заслонку через каждую минуту, всему виной неправильный масштаб.
Чтож дорогие друзья а на этом у меня все, желаю вам успехов во всех своих начинаниях и будьте в позитиве! Обязательно подписывайтесь на обновления и до новых встреч!
Читайте также: