Ultimo aggiornamento: 05/09/2007
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In questa pagina cerchero' di spiegare in modo semplice e pratico come realizzare in casa dei circuiti stampati.
Per iniziare, vediamo cosa occorre.
Schede PCB
Schede ramate di vario tipo (C.I.F.)
La base di tutto e' la scheda ramata su cui verranno incise le piste. Si tratta nella maggior parte dei casi di supporti in vetronite o
bachelite di vario spessore (come standard potete trovare 0.8/1/1.6 mm) con depositato un sottile strato di rame (generalmente 35 o 70
micron).
Per creare le piste su questo rame occorre asportere la parte non necessaria. Questo si ottiene coprendo il rame "buono" con una sostanza
non attaccabile dagli acidi usati per la corrosione del rame. La sostanza in questione puo' essere un trasferibile, un inchiostro
apposito oppure del fotoresist.
Non ci soffermeremo sui primi due metodi, che sono alquanto marginali.
Il fotoresist e' una sostanza polimerica che reagisce alla luce ultravioletta. Per utilizzarlo, occorre prima di tutto porsi in un
ambiente buio, tipo camera oscura fotografica. Quindi, dopo aver provveduto a stenderne uno strato sul rame, si puo' svilupparlo proprio
come con una pellicola fotografica. Tramite uno strumento chiamato "bromografo", di cui parleremo in seguito, si espone il circuito alla
luce. Quindi si provvede a rimuovere il fotoresist polimerizzato mediante un breve bagno in soda caustica. A questo punto, il circuito
presentera' il rame da eliminare scoperto, mentre quello da conservare sara' ricoperto dal fotoresist.
Il fotoresist puo' essere di
tipo "positivo" o "negativo". Nel primo caso, sara' rimossa dalla soda la parte esposta alla luce, mentre nel secondo caso avviene il
contrario. Occorre tenere conto di questo particolare durante la stampa degli acetati per l'esposizione.
Ovviamente in commercio si trovano sia schede con rame "nudo" che schede gia' presensibilizzate, sia in positivo che in negativo. Occorre
comunque tenere presente che, essendo il fotoresist una sostanza organica deperibile, le schede dovrebbero essere usate entro un anno
dall'acquisto, altrimenti la qualita' dell'incisione potrebbe risentirne.
Soluzioni per sviluppo e incisione
Cloruro ferrico in grani per soluzione (RS components)
Per sviluppare e incidere un circuito occorrono due soluzioni. La prima, composta da soda caustica e acqua, serve per rimuovere il
fotoresist dalle zone in cui il rame deve essere corroso. La seconda, generalmente cloruro ferrico, attacca il rame non protetto da
fotoresist, inchiostro o trasferibili.
In commercio si trovano molti tipi di confezione, sia di prodotto in polvere da dosare nella giusta quantita' che in bustine o recipienti
adatti per 500ml o un litro di soluzione con acqua.
Bisogna considerare che, mentre il cloruro ferrico puo' essere riutilizzato, la soda deve essere smaltita dopo l'uso. Sconsiglio di gettare
i residui direttamente nello scarico del lavandino per 2 motivi:
si tratta di sostanze decisamente inquinanti, soprattutto il cloruro ferrico.
tanto la soda che il cloruro hanno la poco gradevole capacita' di aggredire e corrodere i tubi di casa.
Bromografo
Il mio bromografo
Il bromografo e' l'apparecchiatura che serve per fotoincidere il disegno del PCB sul fotoresist.
Su internet si trovano vari progetti, tra cui alguni ingegnosamente ricavati da vecchi scanner. Nel mio caso, avendo una custodia per la
consolle "Super NES", ho utilizzato quella. Quale che sia l'alloggiamento, il bromografo deve contenere uno o piu' tubi al neon
(il fatto che siano o meno ultravioletti incide solo sul tempo di sviluppo) con relativi trasformatori e starter, e permettere di
mantenere in pressione il PCB durante il tempo di esposizione.
Come superficie trasparente, mentre il vetro comune e' una soluzione ottimale, sconsiglio il cristallo, in quanto tende a filtrare gli
ultravioletti.
Un bromografo puo' essere a singola faccia, come nel mio caso, oppure a doppia faccia, in caso si volessero sviluppare circuiti di questo
tipo. In ogno caso, ottenere in casa un circuito doppia faccia, seppure possibile, e' decisamente piu' difficile di un circuito a faccia
singola, dato che basta una minuscola imperfezione di allineamento dei due lati per rendere inutilizzabile il tutto.
A livello professionale, un buon sistema per mantenere in posizione il PCB e le pellicole con il disegno e' quella di inserire il tutto
in un supporto plastico trasparente a tenuta, in cui creare il vuoto. Ovviamente, questa soluzione e' di difficile realizzazione per un
hobbista, e anche inutilmente costosa.
Recipiente per sviluppo e incisione
Bacinella con soluzione di soda
Per eseguire lo sviluppo e l'incisione si possono utilizzare delle apparecchiature apposite, che emulsionando la soluzione e facendola
scorrere di continuo sulla superficie del PCB, riducono i tempi di realizzazione.
Se non volete spendere diverse centinaia di euro per acquistarne una, potete ripiegare, come fa il sottoscritto, su di una bacinella di
plastica di dimensioni adeguate e un buon paio di guanti adatti a lavorare con agenti chimici corrosivi.
In questo caso, ponendo la bacinella in bagno di acqua calda e mantenendola lievemente agitata, si ottiene un'accelerazione dei tempi
di incisione del rame notevole.
Lo sviluppo in soda deve avvenire sempre in acqua fredda, ed e' gia' abbastanza veloce. Se si cerca di accelerarlo si corre il rischio
di rimuovere o rovinare il fotoresist delle zone in cui il rame dovrebbe rimanere coperto.
Consiglio, alla fine di tutto, di risciacquare per bene i guanti, dato che il cloruro ferrico, se lasciato sulla gomma, la fa seccare e
sbriciolare nel giro di qualche settimana.
CAD Elettronico
Rendering 3D di un circuito (Kicad)
Per disegnare un circuito stampato e' possibile utilizzare della semplice carta millimetrata. Per circuiti semplici, e' anche possibile
disegnare direttamente le piste sul rame. In questo caso si possono utilizzare dei trasferibili o dei pennarelli appositi.
In questo modo si salta la fase abbastanza critica della fotoincisione, ma si puo' andare incontro a diversi problemi. Ad esempio, i
trasferibili hanno la brutta tendenza a staccarsi dal rame proprio durante la fase della corrosione chimica, rovinando cosi' tutto
il PCB. Inoltre, tanto coi trasferibili che col pennarello, ci sono dei limiti alla precisione e alle dimensioni delle piste che si vuole
riprodurre. Infine, se occorre produrre piu' di un circuito, bisognera' ripetere tutto da capo.
Per questi motivi, ma anche per una maggiore comodita' di progettazione, il consiglio e' quello di utilizzare un software apposito,
generalmente chiamato CAD elettronico o EDA (Electronic Design Automation).
Con questi software si puo' partire dallo schema elettrico e arrivare fino al PCB pronto da sviluppare (sia in casa che presso una ditta
specializzata, in caso di produzione in volumi).
Esistono molti software EDA, sia commerciali che open-source.
Per quanto riguarda il software commerciale, tranne qualche raro caso (ad esempio
Eagle CAD, che costa poche centinaia di euro), si tratta di programmi molto costosi, nell'ordine
delle migliaia di euro, o anche decine di migliaia. Per citarne alcuni:
PADS, OrCAD,
Cadstar, ecc...
Ovviamente, a meno che non siate dei masteristi (nel qual caso che ci fareste qui?), non vi conviene neanche prendere in considerazione
l'ipotesi di acquistare uno di questi programmi (a parte, forse, Eagle CAD) per usarlo a casa, ne vi suggerirei di craccarli, dal
momento che esistono diverse alternative valide a costo zero. Alcune di queste sono:
gEDA,
Electric,
Kicad, ecc...
Si tratta di software abbastanza completi. In particolare, Electric puo' essere usato addirittura per progettare circuiti integrati. Dopo
aver provato varie alternative (per lavoro utilizzo sia OrCAD che Cadstar, e ho provato anche Eagle, Protel, gEDA, ...), ho deciso di
utilizzare Kicad. Ne parlo in modo piu' dettagliato qui'.
Materiale per stampare il circuito
PCB stampato su acetato di cellulosa
Una volta progettato il PCB, occorre stamparlo su un supporto trasparente per poi trasferirlo sul fotoresist.
I piu' raffinati utilizzano dell'attrezzatura fotografica per riportare su pellicola la stampa da un foglio di carta comune.
Io invece mi accontento di stampare il tutto direttamente su un foglio di acetato di cellulosa adatto per stampe laser o inkjet, a seconda
del caso. Generalmente, la stampa laser presenta bordi piu' nitidi, mentre la stampa inkjet (se eseguita correttamente) permette di
ottenere un maggiore filtraggio della luce. Di conseguenza, tendo ad utilizzare la stampante inkjet per produrre PCB in cui ci siano
vaste aree di rame e poche piste sottili, mentre uso la laser per le altre produzioni.
Dopo aver visto il materiale e le attrezzature necessarie, passiamo alle fasi di lavorazione (tutte le fasi sono eseguite con fotoresist
di tipo "positivo".
Fase uno: fotoincisione del PCB
Fotoincisione in corso...
ATTENZIONE: questa fase deve essere eseguita in un locale buio o molto scuro per evitare di esporre il fotoresist alla luce.
Per prima cosa si deve stampare il PCB (su pellicola o su acetato) in modo che la faccia stampata sia quella a contatto con il fotoresist.
In questo modo si aumenta la precisione del procedimento, dato che lo spessore del trasparente puo', seppure in modo ridotto, deviare la
luce.
La pellicola deve quindi essere appoggiata al PCB (dopo aver rimosso da quest'ultimo l'eventuale pellicola protettiva) e fatto aderire
applicando una certa pressione. Quindi si accendono le lampade e si attende il tempo necessario.
Per dare un po' di cifre, con dei neon super-attinici bianchi (quelli che uso io) e l'acetato di cellulosa, i tempi di esposizione variano
tra i 7 e i 10 minuti. Con dei neon all'ultravioletto, l'esposizione si riduce a 2-3 minuti.
E' comunque preferibile, quando si utilizza per la prima volta un prodotto nuovo (basetta presensibilizzata o fotoresist), eseguire prima
dei provini su di una piccola porzione di circuito, arrivando fino alla rimozione del resist per individuare la tempistica corretta.
Alla fine dell'esposizione, si toglie la scheda dal bromografo e si procede alla fase due, possibilmente senza attendere troppo (la
polimerizzazione del fotoresist non si ferma subito, ma tende a continuare lentamente per un po', quindi aspettando troppo si puo'
rovinare il risultato.
Fase due: sviluppo del fotoresist
La scheda dopo lo sviluppo
ATTENZIONE: questa fase deve essere eseguita in un locale buio o molto scuro per evitare di esporre il fotoresist alla luce.
La soluzione di soda caustica e acqua (fredda) deve essere attorno al 3%. Valori inferiori prolungano eccessivamente il tempo di sviluppo,
mentre valori superiori attaccano anche il resist non polimerizzato. In entrambi i casi, il risultato e' da buttare.
Ricordo che la soda e' alquanto corrosiva. Evitate assolutamente il contatto con gli occhi, e, mentre preparate la soluzione, cercate di
non respirare la polvere di soda. La soluzione va preparata mescolando bene l'acqua appena versata la soda, in quanto la reazione e'
decisamente esotermica, e i grani di soda in fase di scliglimento possono fondere la plastica...
Se in questo momento vi siete resi conto che la cosa non fa per voi, posso capirvi. Io non ho mai detto che sia un procedimento facile o
sicuro.
Con la soluzione pronta, si deve immergere la scheda da sviluppare e sfregare con delicatezza il fotoresist. Se la quantita' di soda e'
corretta, in 10 secondi e' tutto finito. Non insistete troppo sui punti non perfetti, altrimenti rovinate tutto. Sciacquate subito con
abbondante acqua la scheda e asciugatela con un panno.
Da questo momento, la luce non crea piu' problemi, e potete approfittarne per rimuovere eventuali imperfezioni con un cutter appuntito, o
ricoprire qualche graffio sul resist con il pennarello apposito.
Fase tre: corrosione del rame
Corrosione del rame con cloruro ferrico
Per prima cosa consiglio di scaldare a bagno il cloruro ferrico fino a 45-60 gradi. Questo accelera molto la reazione e permette di non
perdere una giornata con le mani in ammollo nel cloruro.
Quando il cloruro e' caldo, immergervi completamente la scheda e mantenere in movimento il liquido. Per aiutare la corrosione dei punti
difficili, si puo' strofinare in modo leggero il circuito, sempre tenendolo immerso nella soluzione. Ovviamente e' bene usare i guanti.
Il cloruro non divora la carne come la soda, ma da fastidio e comunque lascia delle macchie color ruggine difficilissime da rimuovere.
Dopo circa 15-20 minuti la corrosione e' quasi completa. A questo punto occorre prestare molta attenzione a non insistere troppo a lungo
per rimuovere tutte le imperfezioni. Il cloruro puo' corrodere il rame anche lateralmente e infiltrarsi sotto al resist, se si
esagera.
Sgocciolare bene la scheda e quindi sciacquarla abbondantemente con acqua. Attenzione alle gocce di cloruro sul lavandino...
Il risultato finale e' quello illustrato qui sotto.
Scheda finita (cliccare per ingrandire)
Consiglio di lasciare il fotoresist sul rame fino all'ultimo momento prima della saldatura, dato che protegge il rame dall'ossidazione.
Fase quattro: lavorazioni meccaniche
La penultima fase consiste nel taglio della scheda, nella suddivisione dei circuiti (se sono piu' di uno) e nella foratura delle piazzole
PTH. Ovviamente se avete un circuito completamente SMD non dovete forare niente...
Fase cinque: assemblaggio dei componenti
Per rimuovere il fotoresist si puo' utilizzare della carta assorbente imbevuta di alcol etilico. Ho sottolineato "etilico", dato che
un amico ha utilizzato dell'alcol diverso, con risultati alquanto scarsi. In alternativa, si puo' utilizzare della soda in concentrazioni
superiori a quella usata per lo sviluppo, ma lo sconsiglio. E' uno spreco di soda e in piu' si rischia di rovinare il rame (questa soda e'
proprio una rompiscatole...).
Tanto per mostrare il grado di precisione a cui si puo' arrivare, le foto di questa guida sono relative all'esecuzione di un piccolo
circuito completamente SMD che e' servito come campionatura funzionale per un cliente dell'azienda in cui lavoro.
Qui sotto potete vedere la scheda finita, con una moneta da un euro come riferimento per le dimensioni. Tutte le saldature sono state
eseguite a mano da me e da un mio collega, e abbiamo assemblato una dozzina di campioni.
Circuito assemblato (cliccare per ingrandire)
Gli autori non si assumono alcuna responsabilita' per eventuali danni di ogni tipo che possano essere causati dall'utilizzo del materiale qui' presente.
Impaginazione by KCS'81
