电子制作的基础是印刷电路板。从工艺上讲,这是业余制做中最艰难的一项。产品中的电路板广泛采用多层结构,金属化过孔。然而这样的工艺个人没有条件实现。在DIY中比较容易实现的电路板制作方案是做单面板和双面板,没有金属化过孔,打普通的通孔。这种电路板相对容易制作,基本可以采取3类工艺——刻制法、热转印和感光法。
先说刻制法。别小看这种纯手工方法。它最容易实现,一把刻刀,一支自动铅笔,就是全部条件。首先在白纸上设计出印板图,再把它描绘在覆铜板上,然后把不需要的铜箔刻掉,一张印板就完成了,造价低廉,简单方便。但是,如此制作的印板精度最低,集密程度较低,做到1mm的走线宽度已经是极限了,而且劳动强度很大,尽管如此,我的早期电子DIY几乎都是采用此法制作的印板。曾经有过一段时间,有人利用雕刻机来提高刻制法制作印板的精度。但是雕刻机的价格不菲,DIY的难度和投入都很高,结果制作出来的印板依然不理想,精度最多能提升到0.8mm左右,而且精度稳定性会随着刀具的快速磨损而变得越来越差,走线的边缘也比较粗糙,刀具的投入费用很高,同时,雕刻机的噪音和污染都会影响到环境和生活,根本就不是好的制作方案。
热转印法是一种比较容易实现的制作PCB的方法,所需要的设备有打印机(黑白激光机),热压机,蚀刻机和一些化学药品。这些设备的投资不算高,方法也比较简单。先用电脑设计出印板图,然后用打印机把图形打在透明胶片上,把透明胶面贴在覆铜板上,用热压机压紧转印图形,然后把覆铜板放在蚀刻机中腐蚀,再经过清洗晾干,上助焊剂就成了印板。工艺相对简单,劳动强度低,但是需要一台热压机和一台激光打印机。为了节省,有人用电熨斗来替代热压机,用一个玻璃盘替代蚀刻机,也一样能达到目的。但是,此法有个弊端,就是热转印质量难以保证。热压机很难把激光机的碳粉完美地转印到覆铜板上,一些局部走线有可能会脱落,因此还需要有个修板的工序,用油性记号笔修补那些脱落的线条。
比较适合个人采纳的方法还是感光法。这种工艺的投资较低,制作精度最高,可以做出0.5mm的走线,完全能够满足贴片IC类器件的集密走线,并且不需要修板工序。前期的设计印板图和热转印法一样,打印可以使用喷墨打印机,可以打印普通的透明胶片(但是,喷墨机容易堵头,特别是长时间搁置以后,有后顾之忧,但它不需要耐高温的透明胶片;激光机没有后顾之忧,适合长期搁置,打印的图形也更黑,但需要价格稍高的特殊耐热胶片)。购买一种感光蓝油,刷在覆铜板上,然后把透明胶片贴在覆铜板上,用曝光机进行曝光,然后就可以放在蚀刻机中显影、腐蚀、定影了。该方案省去了热压机,也不会出现走线脱落的问题,做出的电路板比较精细,是一种比较适合业余DIY的方案。
打印机我认为还是激光黑白机比较适合,可以选择单一打印功能的机型,价格较低。曝光机实际上就是紫外线灯管装在一个不透光的盒子里,加一个延时器就成了,非常容易DIY。蚀刻机可以利用一个玻璃方盘,做一个支架,把它放在上面,然后在盘中固定一块电热板,用一个带有偏心轮的微电机来摇动支架,再设计一个恒温电路,一个定时电路就行了,结构也不复杂,完全可以DIY。更多的人直接用热水来腐蚀电路板,用手摇动来加快腐蚀进程,用时钟来计时,也不是不行。
电路板经过腐蚀冲洗以后还要定影(洗去蓝油),进行冲洗,晾干以后就需要涂助焊剂和打孔操作了。最好的打孔设备当然是雕刻机,输入电脑数据进行全自动打孔。但是雕刻机的成本甚高,业余DIY并不需要,更简单的替代方案是DIY一台小台钻。直接购买也完全可以,但是需要选择精度高,功率余量大的产品。我还是选择了DIY方案。
早年也曾准备过自己制作一台雕刻机,于是购买了一些电机和设备,但经过深思我认为结果不理想,放弃了那个方案,剩下的主轴电机刚好用来DIY小台钻。早年我也曾购买过一个迷你魔的小台钻支架和一个角磨机支架,结果发现,这些支架的精度都不行,使用也不方便,根本不实用,如今把它们的零件拿来做小台钻还是可行方案。台钻的结构比较简单。一块底板,一根立柱,一个机头,机头上安装电机和主轴,带有垂直滑道和一个操作手柄。就是这些东西。但是,尽管结构简单,对活动部件的精度要求却是相当高的,同时也需要有很好的刚性,足够的扭转力矩。要达到这几个目的并不容易,成本也是足够高昂,而市面上的低价小台钻基本都不行。当加工直径较大的孔时,加工金属铜铝时,就需要足够的扭矩,因此,主轴的功率必须要充沛。
几乎所有的产品都使用一根圆柱来作立柱,如果立柱的直径不够粗,刚性就不能满足要求。更好的方案是采用截面积更大的方形立柱。因此我没有利用迷你魔的圆棒立柱,而是用了两段2040铝型材做了双立柱,让刚性更好。滑道一般的设计都是采用楔形铁来制作的,就像迷你魔的方案。但是该结构需要十分精密的加工工艺才有可能保证精度。可惜的是尽管迷你魔支架的价格不菲,精度却远远达不到需要,阻力不均,根本不能用。较好的方案还是直接选购高精度的滑轨滑块来做滑道,可以直接购买台湾的产品。我为了节省,利用了角磨机支架上的圆形滚珠滑套和从打印机中拆出来的d10高精度轴来制作滑道(原轴表面没有经过磨削加工,精度较低,也不能利用)。一般方案的机头自带滑道,可在立柱上滑动锁紧,操作时利用机头上的滑道实现加工进给。实际上就有两个滑动接触面,操作方便,结构复杂,精度较低。几乎所有的产品台钻都采用该方案。我设计的方案是增加一个背板,在背板上固定轴承座、轴、齿轮来控制机头上的齿条,滑轴和背板都固定在两根方形立柱上,背板可以上下移动调整,以此来调节主轴和底板之间的距离,背板固定以后就可以正常操作了。我的主轴是电机一体化的小型雕刻机主轴,功率400W,无刷电机,转速0-3500rpm,带有专用的驱动器,开关电源有48V500W,主轴带有ER16专业夹头。这一套组件的特点是精度极高,扭矩充沛,作台钻主轴有些奢侈了。夹芯主要使用d3.15规格,可以买到成套的3.15柄钻头。也可以选择d4柄夹芯,此类钻头的规格更多,仅价格较高。支架主体我利用了迷你魔的零件,自己DIY了两块铝板,用来安装电机,经过精密的垂直度校准,保证主轴精度。结果还是相当不错,使用效果也非常好,如果要购买一台这个等级的产品,一定需要大笔资金。
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