Doublesided PCB through Hole DIY plating, rivets

Har nu provat att göra egna genompläterade hål i dubbelsidigt 1.6mm tjocka FR4 glasfiberepoxy kretskort

Experiment & Resultat

Allt skrivet nedan är experimenterande information - allt kan ändras och resultatet kan variera kraftigt.
Men  - med denna info har genompläterade dubbelsidiga kretskort tillverkats hemma på köksbänken inom 5 timmar från CAD utskrift, etsning och hålplätering. Utskrift och etsning tar runt 30minuter med hantering, hålpläteringen tar 3-4 timmar i nuvarande variant.

Avsikten här var inte att kunna massproducera kretskort med hålplätering, avsikten var snarare att prova om det går att göra en liten mängd hål på valda delar av ett kretskort. I detta första steg så är det enbart fokus på om det går att få hål att fungera som genompläteringar.

Resultaten så här långt -  är vad man kan kalla för sub-standard 8) MEN - i tester har jag lyckats få ett ledande skikt i borrhål som senare har kunnat kopparpläteras. Dessa kopparpläterade hål har sen fyllts med lödpasta och lödning med varmluft. Dessa vior är nu tillräckligt bra och kan återproduceras i mindre områden runt speciella mikrovågskretslösningar. 

Komplext ämneområde

Ju mer man petar i ämnet kretskortstillverkning desto längre blir listan på saker att fundera på.
Så detta inlägg blev alldeles för långt - mycket längre än tänkt ;)

Kemi - syrafri elektrolys

Att plätera utan att köpa syra, t.ex batterisyra, är ett bra alternativ då batterisyra inte längre säljs till privatpersoner ens i små förpackningar. Man måste köpa via ombud för påfyllning av ett bil/mc batteri. Batterisyran är till för att öka konduktiviteten i elektrolysen, en egenskap som är viktig i industriella processer där det ska gå fort.

Man kan plätera koppar med elektrolys utan svavelsyra/batterisyra.

Ta t.ex ättiksprit 12%, den har lågt ph och fungerar som bas för elektrolysen och innehåller det destillerade vatten man behöver.

Blanda i kopparsulfat i ättikspriten. Kopparsulfat är lätt tillgängligt som granulat/pulver och man blandar den i ättikspriten till vätskan är klar, kanske även med lite värme.

Badet blandas på värmehäll och omrörning igång

För att underlätta kopparvandringen under elektropläteringen kan man addera en liten mängd polyetylenglykol, som även den är lätt tillgänglig i form av laxermedel och går under namnet Makrogol 4000.

Nu har man ett enkelt sammansatt kopparpläteringsbad med ett additiv.

Kretskort och hål

Använde 0.8mm kretskortsborr för alla hål.

I mitt test så borrade jag 0.8mm för hand med lågvarvig borrmaskin och kretskortsborr

1.0mm hålen borrades med vanliga metallborr och lågvarvig borrmaskin.

1.0 och 0.8mm hål samt alla borrkanter är nedtagna

Borrhål och preparering med ledande bläck

Efter håltagning så tar man ned alla borrkanter och jämnar ut kretskortsytan genom slipning och rengör efteråt med iospropanol fuktad trasa och blåser luft igenom hålen.

Varje borrhål är nu i behov av ett elektriskt ledande skikt som i sin tur kan beläggas med ett tunt kopparskikt.

En enkel metod är att använda en elektriskt ledande färg. Graftipulver, batterivatten, isopropanol, bläck  finns lätt tillgängligt.

Det finns bläck för t.ex kaligrafi som innehåller kol, den kan man använda som bas, kol är elektriskt ledande.

I bläcket adderar man grafitpulver blandat i batterivatten som även det blir elektriskt ledande. Addera ett medium som t.ex isopropanol,  dels få bläcket att flyta bra och dels för att hjälpa vätskeavdunstning efter applicering av bläck i hål. 

Ingredienser för elektriskt ledande bläck

När bläcket är fortfarande flytande så måste överskottsbläcket ut ur borrhålen. Man kan använda luft på burk eller undertryck i slang, typ dammsugare för att rensa ut hålen.

Sen ska kvarvarande bläck på väggarna i borrhålen torka ordentligt, man kan värma upp kretskortet så torkar det fortare.

Värmeplatta under en tid, bläck torkar

Nu har man ett elektriskt ledande skikt för elektropläteringen.

Borrhål och preparering med silverlösning

Ett alternativ att prova istället för ledande bläckvarianten.

Man gör en koncentrerad lösning av silverlödtenn och saltsyra, man filtrerar ut tennresterna, sen späds denna lösning ut med silverputs innehållande thiourea/saltsyra och kanske även med batterivatten. Lösningen ska vara mer utspädd än när man försilvrar kopparbanorna efter kretskortsetsning, man vill ha ett tunt tunt lager med silver.

Preparering och elektroplätering

Kretskortets ytor rengörs från bläck,  avfettas med isopropanol eller aceton på fuktad trasa eller papper.

Plätering görs med variabelt nätaggregat där två anoder (+) är av ren koppar och katoden (-) är kretskortet.

Med variabelt nätaggregat menas att det finns en strömbegränsning och amperemätare.

Man måste använda små strömmar, vilket hjälper fyllnaden av de borrade hålen.

I mina tester användes 50mA och 100mA under ett par timmar, mellan 0.6 och 1 Volt.

Två anoder med kopparfolie
och kretskortet som agerar katod

Här ser man efter processen att koppar har
tagits från anoderna och lagts på katoden

 

Efterbehandling av kretskort

Efter kopparpläteringen har kretskortet en  matt, något grov och sträv yta. Den ytan tar man ned med fint slipppapper eller stålull tills den blir lite mindre matt.

Besiktigar man hålen med lupp kommer man se att det finns en genompläterad ljus kopparyta i varje hål, kanske hittar man små punkter med defekter i några hål där glasfiber eller bläck lyser igenom.

Testbit direkt ur badet

0.8mm hål har ett skikt koppar inuti
På kanterna av kretskortet ser man koppartillväxten i form av en taggig kant

En till 0.8mm bild

1.0mm hål har ett skikt koppar inuti

Lödning av hål

Även om man nu har ett pläterat hål är kopparskiktet mycket tunt och man kan tänka sig att dessa pläteringar inte heller klarar en värmeexpansion vid lödmontering av komponenterna.

Ett sätt att ytterligare få varje pläterat hål att klara mer ström och ha en lägre resistans är att fylla varje hål med lödpasta och sen värma kretskortet enligt anvisning. Tennet flyter ut i hålet och runt hålets kanter på kretskortet  - och förbinder varje sida av kretskortet på ett bra sätt.

Slutresultatet med förtenning av 0.8mm hål genom lödpasta

Nu har man genompläterade hål med ett tjockare skikt av förtennade ytor.

Om kretskortet är för ytmonterade komponenter och lödpasta används kan man göra detta i ett moment, dvs. fylla borrhål med lödpasta, sen montera SMD komponenterna i lödpastapunkterna och göra värmecykeln för lödpastan.

Lödning går kanska snabbt med lödpasta
och man följer tempkurvan med en IR termometer och värmehäll

Resultatet - blev det användbara hål?

Inspektion med lupp och mikroskop visar att:

1.0mm hålen har alla en kopparpläterad insida men alla hålen har också fläckar där koppar inte lagt sig,

0.8mm hålen har alla en kopparpläterad insida och även här finns små fläckar där koppar inte lagt sig.

Försöker man förtenna ytorna med lödpasta och varmluft så lägger sig tennet i hålen och täcker över de mindre fläckarna.

Lägger man ytterligare på mer lödtenn så kan man fylla upp hål helt och få mer hållbara hål

Så - ja metoden fungerar, man kan skapa vior och även leda bort komponentgenererad värme till ett jordplan för värmeavledning

Men - det finns små saker man kan prova redan nu i förhoppningen om ett bättre resultat...

Göra fler tester med elektroplätering av hål ?

Trixet är att göra hålen ledande så plätering blir komplett.

Problem finns med den katalysator jag använt i form av ledande bläck, de elektriskt ledande partiklarna är kolpulver och grafitpulver och är kanske inte så små som dom borde vara, bläck som medium är kanske avstötande eller innehåller nån typ av fett

Silverbaserad lösning verkar den mest kostnadseffektiva katalysatorn och enkel då den är en "electroless" metod att prova och har mindre partiklar än bläckvarianten.

Egentligen borde man prova tre varianter av preparerade borrhål och se vad skillnaden blir:

ett set med hål som har ledande bläck, ett set med hål med enbart silver, ett set med hål som har både bläck och silver.

Egentligen är detta två helt olika metoder att preparera borrade kretskortshål, ledande lager färg och deposition av silver, som kanske inte är avsedda att användas i ett och samma hål samtidigt.

Har funderat och troligen blir det denna metod att prova nästa gång:

• borra alla jordvior runt de kritiska rf komponenternas positioner och ta bort borrkanter - rengör kretskort & borr noga först med aceton
• lägg i ledande bläck i vissa av borrhålen, ta ur överskottsbläck, torka av överskott, låt bläcket torka i hålen på värmehäll
• lägg på tush med tushpenna på båda sidor där kopparplätering inte ska ske - pläteringstiden blir kortare nu
• doppa kretskortet en kort stund i en utspädd silverlösning på värmehäll med omörning - förhoppningen är att lite silverjoner lägger sig på det ledande bläcket. Silver/Tennkloridlösningen är ny, man förbereder lösningen nån dag innan med saltsyra och silverlödtenn (utan flux), späder ut med batterivatten och några ml silverputs som innehåller thiourea som är en reagent som kemiskt leder till lite bättre resultat
• kopparplätera långsamt, denna gången med en mer utspädd elektrolys med mindre kopparsulfatinnehåll- förhoppningen är att koppar vandrar in i hålet på ett bättre sätt
• inspektera hål igen
• fyll hål med lödpasta och gör en lödvärmecykel

Istället för två steg (ledande färg + elektroplätering/polyetylenglykol) 

Så blir det nu en process i tre steg (ledande färg + silver/tennklorid + elektroplätering/polyetylenglykol).

Istället för ett additiv (polyetylenglykol) blir det två additiv (polyetylenglykol/thiourea) - så på ett sätt har man lärt sig något litet mer om basic  kopparelektroplätering 8)

Varför göra ledande kretskortshål hemma i labbet - när man kan köpa kretskort?

Ja - det tar cirka en vecka att få hem en bunt färdiga dubbelsidiga kretskort från öst - med pläterade hål/vior, lack och lödmask och det kostar inte så mycket heller.  8) Men det är kul att prova göra enstaka kretskort med speciella behov och montera komponenter snabbt - nåt som kan mycket tid och är felbenäget att få ordning på i CAD om man ska beställa från öst, cykeln blir lång om korten blir fel och man ska göra om detta flera gånger. Att få till footprint på kretsen i CAD kan vara en lång process, exposed pad + lödpunkter runtom.

Det jag egentligen ville ha var genompläterade hål på vissa platser på ett kretskort. Typ bättre jordplan på och runt RF förstärkarkretsar. 

Ser ingen nytta med att elektroplätera hela kretskortet som detta test ledde till.

Man skulle tänka sig använda en mask där man fokuserar pläteringen vid hål på valda platser på kretskortet. Industriellt har man (grön) lack som lagts på med mask. 

Att göra en mask tar sin tid, så kanske är det enklare att lägga på ett lager tush med en tushpenna som skydd under pläteringen, precis som man kan göra vid etsning där tush skyddar kopparytorna.

Något att prova nästa gång. 

Kretskortsnitar

Genompläterade hål och kretskortsnitar har samma funktion så om man har ett begränsat antal hål kan det vara lika effektivt att nita hål istället. Kretskortsnitar och stans finns att köpa för 1.5-1.6mm tjocka kretskort ofta med diametrar  från 0.4 till 1.2mm.

Man behöver ett mothåll och en liten handstans för att forma ena änden av niten, jag har provat med 0.8mm OD 0.6mm ID kretskortsnitar och tillverkat en handstans.

Tyska kretskortsnitar, 0.8mm borrhål, 0.6mm inner diameter, 2.2mm långa, hemsvarvad handstans
Funkar på både glasfiber och ptfe kretskort 1.5-1.6mm tjockt
För tunnare kretskort 0.3-0.7mm tjocka är nitarna för långa och försöker man nita ändå blir niten sned och hålet blir deformerat - men kanske spelar det inte så stor roll i små mängder så länge inga exposed pad komponenter ska monteras ovanpå nitarna.
Att hitta nitar för tunnare kretskort i butik visade sig vara svårt, alla är 2.2mm långa.
Nitarna löds fast efter montering.

Nackdelen med nitar är att man får en ojämn yta och en nivåskillnad mellan den nitade exposed pad jordplanet under komponenten och lödanslutningarna på sidorna av komponenten utan nitar. Kanske klarar lödpastan att fylla ut gapet som uppstår vid lödanslutningarna eller så får man handlöda med tunn tenntråd. Problemet är att man måste löda rätt direkt eftersom man inte kan använda metoden att lägga på massor med tenn och sen plocka av tenn med lödfläta som man gör med komponenter med ben. En komponent utan ben och med lödytor på kanterna är har inte samma beteende när man lägger på en lödfläta.....
De komponenter jag tittar på har 0.2mm ledare och 0.2mm mellan ledarna så det finns stor risk för fel om man försöker använda metoder för benförsedda komponenter.

För komponenter med exposed pad som jordplan och kylyta kan tush + plätering + lödpasta + hålfyllnad vara en bra lösning om man kan fylla hålet helt med tenn efteråt och skapa en termiskt ledande via till jord. Det är en manuell åtgärd efter att man färdigställt kretskortet och lött fast komponenterna.

I industriell process har man ett stort antal 0.2mm kopparvior/hål som sedan fylls med termisk ledande epoxy.

Termiskt ledande epoxy går att köpa på dispenser typ 15ml, priserna på dessa är mycket höga.

Fel i kopparpläterings metoden som man kan fundera på - men inte gräva sig  djupare ned i - de finns annat att pyssla med 8)

Problem i detta test

Det finns en del problem med en sån enkel process där plätering sker endast i tre steg: ledande bläck, elektropläterA, lödpasta lödning

Varför får man fläckar som inte har någon koppar alls i hålen efter plätering, det verkar som det elektriskt ledande skiktet inte är homogent, nån typ av förorening skapar en helt död zon.

Bläcket blandas med kol och grafit och tunnas ut med isopropanol.
Hålen borras med en metallborr - som kan ha någon förorening på sig.

Den man kan göra är att rengöra borr, kretskort, avfettning av båda innan borrning

Ström (mA) man använder under pläteringen får inte var för stor, annars bildas kopparklumpar runt borrhålskanterna som kan sätta igen hålen och blir svåra att löda. Det man vill ha är en långsam process så koppar från anoderna vandrar in i små områden som borrhål,

Det finns kalkylatorer som anger tid per cm2 eller likande vid plätering, ger lite info om tider.

ASF är ett inch mått som används, dock räknar man ofta på industriella processer med väldigt korta tider i varje steg i processen.

Hålen bör borras med en kretskortsborr på rekommenderat varvtal för att hålen ska blir jämna inuti och hjälpa till att få en ren yta i varje hål, är hålens insida grova bildas kopparklumpar under pläteringen.

Får man en väldigt grov kopparyta kan det bero på flera saker, dels hög ström men också för mycket kopparsulfat i elektrolysen, det är bättre att ha en svagare mix än en för stark mix och det är bättre att ha en lägre ström.

Processen fungerar på glasfiberepoxy kretskort.

Har inte provat på PTFE kretskort men det sägs vara mycket svårare och behandlingen av borrhålens innerväggar kräver en kemisk process s.k seed layer som fäster i PTFE materialet.

Kopparplätering görs med konstantström, den fungerar men industriellt används nån typ av reverserande switched polaritet med hundratals Hz under 20-40% av pläteringstiden - och det verkar göra hålen jämnt pläterade. Nån typ av tidsstyrt PWM nätaggregat  kanske?
Den reverserande strömmen är också lägre än den vanliga anod-katod strömmen, runt 10%.

Additiv som industrin har tillgång till - men svårare att få tag i till köksbänken - så glöm dessa

Additiv är nyckeln till bra s.k through hole plating"

Det finns många kemikalier som individuellt hjälper till eller förhindrar olika problem.

Det finns s.k brightening agents, accelerator agents, carrying agents, leveling agents, power agents - alla med syfte att förfina hålpläteringen, slätare skikt, nå längre in i hålen, öka koppartjockleken i hålen.

Dessa additiv tillsätts typiskt i små mängder, allt mellan 1 och 50gram per liter elektrolys.

Man kan leta efter buzzwords som:

MPS brightening agent

SPS

CI carrying agent

PEG microporing agent
PEG1000

PPG power agent

SH110

Leveler agent

Ethylene Thiourea

Istället för kol och grafit använder man guld, palladium, silver för att preparera väggarna i borrhålen plus en del kemi som gör att dessa metallerna fäster lite snabbare på glasfiber.

Lösningar innehållande dessa additiv och lösningar med rara metaller är svårt att få tag i eller så är priset mycket högt. 

Att hitta liknande kemi i andra produkter (som typ Laxermdel med polyetylenglykol i Makrogol 4000 eller Silverputs med Thiourea/saltsyra) är en utmaning som tar tid......