Circuiti Stampati

Introduzione

Articolo

Per prima cosa un po' di teoria.

Cos'è un circuito stampato?

Un circuito stampato è un circuito elettrico i cui collegamenti, realizzati in rame, sono stampati, impressi su di una piastra rigida di vetronite. Ecco qui un esempio

sul quale si può distinguere il fondo in vetronite e i collegamenti in rame tra un punto e l'altro del circuito. Questi collegamenti vengono chiamati in gergo tecnico, piste (al singolare: pista).

Come facciamo a realizzarlo?

Bisogna partire da questa situazione

cioè da una piastra la cui superficie è ricoperta interamente dal rame per poi ottenere il vero e proprio circuito stampato rimuovendo il rame in eccesso, cioè quel rame che non dovrà costituire le piste.

Come faccio a rimuovere il rame in eccesso?

Per realizzare i circuiti stampati ci avvaliamo fondamentalmente di 2 tecniche: Wet Etching e la Fotolitografia.

Wet etching è inglese e significa attacco umido. Infatti sta ad indicare una tecnica particolare che in un determinato ambiente umido, cioè in un liquido, permette di attaccare, rimuovere un materiale ben preciso. La utilizziamo per rimuovere il rame dalla basetta. La soluzione liquida utilizzata è cloruro ferrico liquido, sostanza corrosiva per i metalli, non pericolosa per la pelle ma macchia tantissimo. Quando la basetta viene immersa nel liquido, il rame, a contatto con l'acido si scioglie. I tempi di attacco variano a seconda delle dimensioni della piastra, del numero di piste e SOPRATTUTTO dalla temperatura dell'acido: più caldo è più velocemente otterrete l'attacco. Createvi dunque un riscaldatore da mettere al di sotto del contenitore dove verserete l'acido. Potete realizzarlo con dei pezzi di legno di notevole spessore da appoggiarli al di sotto dei bordi della vaschetta. Tra questi, in corrispondenza del centro della vaschetta inseriteci una lampadina ad incandescenza da 75 o 100 W.

Come faccio a lasciare le piste di rame se quando immergo tutta la basetta nell'acido il metallo si scioglie?

Devo proteggere, coprire le zone che dovrò lasciare. Infatti se il rame è ricoperto da uno strato protettivo di materiale plastico, che riproduce la geometria o pattern delle piste da lasciare, a contatto con l'acido non si scioglie.

Come faccio a realizzare lo strato protettivo?

Se abbiamo una piastra ricoperta da solo rame basta disegnare sul metallo le piste con un pennarello NERO indelebile. L'inchiostro indelebile sarà il nostro strato protettivo, nero perché è più resistente. Alla fine avremo una cosa tipo

molto poco professionale e ancor meno soddisfacente. Per ottenere un buon circuito dobbiamo utilizzare così la seconda tecnica, la Fotolitografia.

La Fotolitografia è un processo che permette di trasferire delle forme geometriche (nel nostro caso le piste) da una superficie chiamata maschera allo strato protettivo chiamato fotoresist mediante la luce. La maschera è un foglio trasparente su cui è stato stampato il pattern delle piste, pattern ottenuto con un programma di CAD elettronico. Ecco qui un esempio

Perché nero? Ci arriviamo subito. Il fotoresist è un polimero che esposto alla luce modifica il suo grado di solubilità nella soluzione di sviluppo, cioè diventa più solubile o meno solubile. Nel nostro caso usiamo un fotoresit che diventa più solubile se esposto ai raggi ultravioletti. Il nero serve a proteggere il fotoresist dai raggi UV. Non dobbiamo metterlo noi sulla basetta. Vendono già basette con il fotoresist già applicato. Si chiamano basette presensibilizzate. Una di queste è raffigurata in foto

vi chiederete dov'è il rame. È sotto il fotoresit quella patina di colore verde che si trova al di sotto del foglio protettivo. Il foglio serve per prima cosa a non esporre il fotoresist alla luce del sole (lo rovinerebbe, sarebbe come esporlo ai raggi UV, infatti in superficie è bianco, sotto è nero) e in secondo a proteggerlo da urti e graffi che ne causerebbero una piccola asportazione. Tolta questa protezione che ricopre il resist (possiamo abbreviare la parola fotoresist) mettiamo la maschera su questo ed inseriamo il tutto nel bromografo, una specie di valigetta contenete i neon che emettono raggi ultravioletti. La piastra va inserita con la faccia dov'è presente la maschera sul resist rivolta verso i neon

Io ho avuto la fortuna di trovarne uno rotto che ho riparato. Se non avrete la mia stessa fortuna (di solito sono sfortunato, qui però ho avuto una vera e propria botta di...) potete farvelo da soli. La rete è zeppa di pagine con schemi e spiegazioni per realizzarlo. Provate a cercare "bromografo giallo" o "bromografo verde"

Ritornando ai nostri circuiti, una volta esposto ai raggi, prendiamo la basetta e la immergiamo nella soluzione di sviluppo, ottenuta con acqua distillata e soda caustica (Idrossido di sodio), corrosivo per i materiali plastici e sopratutto per mani ed occhi. Fate attenzione. Bastano pochi secondi: il resist esposto si scioglierà mentre il resist protetto dai raggi UV dalla maschera non si scioglie lasciando così il disegno delle piste sul rame.

ATTENZIONE non toccare nè ripulire la piastra appena sviluppata!!! Se danneggiamo il resist che abbiamo lasciato sul rame, questo verrà attaccato dal cloruro ferrico e non avremo più il risultato desiderato!!!

Ora le zone di rame da destinare a piste sono protette. Facciamo il Wet Etching e avremo la nostra basetta! Solo ora con un po' di alcool possiamo, dobbiamo ripulire le piste dal resist perché questo impedisce allo stagno di attaccarsi al rame quando andremo a saldare i componenti.

BASTA TEORIA! PASSIAMO ALLA PRATICA!!!

Passo 1

Realizzazione maschera
Partiamo dal software CAD per l'elettronica con cui abbiamo disegnato il nostro circuito. Una volta creato il layout della scheda, non dimentichiamoci di inserire un testo dal lato delle piste, il bottom, testo che sarà "mirror" cioè invertito, in modo tale che si leggerà solo vedendolo dal lato delle piste. Questo faciliterà l'intero processo. Se il software ve lo permette, abilitate l'opzione di creare dei piccoli buchi in corrispondenza dei pad (piazzole, i cerchiolini dove nel mezzo ci saranno i pin dei componenti e lo stagno intorno): non vi faranno scivolare la punta del trapano quando andrete a forare(lo vedremo dopo). Fatto questo possiamo stampare il layout sul lucido senza fare il mirror dell'intera scheda. Quando si stampa state MOLTO attenti alla tipologia di foglio tra le opzioni della stampante. Inoltre sarebbe opportuno stampare senza margini, l'importante sarà centrare il circuito sul lucido.

CONSIGLIO creare una stampa di prova su di un foglio di carta, in modo tale da controllare effettivamente le corrette dimensioni. Come si fa a controllarle? Basta munirsi di uno zoccolo per integrato e usarlo come righello: tutti i componenti elettronici sono dimensionati prendendo come unità il "passo integrato" ovvero la distanza tra un pin e l'altro di un integrato. Questa misura è 100 mils in unità anglo-americane, corrispondente a 2.54 mm circa. Ma imparate a ragionare in multipli di mils. Ritornando al controllo delle dimensioni, basterà verificare se tutte le piazzole di un integrato o di una serie di morsetti combaciano con i pin dello zoccolo. Controllato che le misure SUL FOGLIO STAMPATO sono corrette: se è vero solo adesso potete procedere alla stampa su lucido. Abbiamo ottenuto così la maschera.

N.B.:quando stampate su foglio lucido fatelo con la massima qualità, risoluzione e a colori. Anche se dovrete ottenere il nero, qualche goccia di colore verrà comunque mischiata all'inchiostro nero. Questo vi migliorerà la copertura. Se non ottenete NERO con una copertura tale da non vedere il benchèminimo forellino, provate a cambiare tipo di foglio lucido o stampante (se avete la fortuna di averne più di una). Se poi infine non riuscite nemmeno in questo caso ad ottenere una buona maschera l'unica cosa è mettere sulla vostra penna usb il file contenete il layout della scheda e portatelo alla tipografia-grafica più vicina a casa vostra: con le loro stampanti laser (ricordatevi sempre di stampare a colori anche se è nero...) vi creeranno delle maschere perfette!

Passo 2

Preparazione dell'occorrente
Prima di iniziare a mettere le mani in acidi o sulle preziosissime maschere controllate se avete TUTTO il materiale a vostra disposizione: basterà una sola cosa che vi mancherà che rovinerete l'intero processo. Inoltre SIATE ORDINATI!!!. Prima di tutto infilatevi tuta, guanti e scarpe vecchie. Sistemate a portata di mano gli stracci (vi serviranno). Mettete lontano il bromografo dal luogo in cui sistemerete le vaschette contenenti le soluzioni. Sistemate le vaschette in questo ordine a partire da sinistra: quella di vetro, una di plastica, un'altra con un supporto riscaldante (una base d'appoggio con una lampadina da 75 o 100 W) messo al di sotto, un'altra ancora senza nulla, come la seconda. Nella prima (vetro) ci metterete la soluzione di acqua distillata e soda caustica (7-8 grammi per litro, basterà un cucchiaio da brodo non colmo per litro) per lo sviluppo, nella seconda (prima plastica, senza nulla) metterete della semplice acqua per poter fermare la reazione di sviluppo, nella terza (plastica con riscaldatore) verserete il cloruro ferrico e l'ultima vaschetta (plastica, senza nulla) la utilizzerete per contenere acqua e bicarbonato (un cucchiaio da brodo non colmo) per fermare la reazione di ethcing.

Passo 3

Fotolitografia
Per prima cosa tagliate la piastra a misura di circuito: EVITATE SPRECHI, guadagnerete in tempo (di etching) e in denaro (vi rimarrà un po di basetta per i prossimi esperimenti). La piastra dovrà essere tagliata con il seghetto, prendete le misure con squadro e pennarello, NON LEVATE LA PELLICOLA! Con la lima eliminate le bave di materiale ai bordi con un movimento che va solo dall'intero verso l'esterno. Se lascerete le bave, la maschera non aderirà perfettamente e otterrete solo DANNO.

Preparata la basetta su misura, levatene la pellicola protettiva e inseritela con il lato "verde" rivolto verso l'alto, ovvero rivolto verso i neon. Appoggiate la maschera con il lato stampato a diretto contatto con il fotoresist (il testo che avrete inserito a monte durante la fase di realizzazione del layout sarà leggibile): questo vi limiterà tutti quei problemi dovuti alla rifrazione della luce. Se all'interno del bromografo c'è una lastra di vetro, basetta+maschera dovranno essere inseriti al di sotto di questa lastra. Se non c'è procuratevene una, servirà a far aderire la maschera alla basetta. Chiudete il coperchio e accendete il neon (e la relativa pompa a vuoto se è prevista; la pompa migliora l'aderenza della maschera levando l'aria al di sotto della lastra di vetro). Con 4 neon a raggi ultravioletti da 8 W ciascuno, distanti circa 15 cm dalla base, basterà un'esposizione di 2 minuti e 10 secondi.

Esposta la basetta ai raggi UV toglietela dal bromografo e inseritela nella vaschetta di verto con acqua distillata e soda caustica. ATTENZIONE basteranno pochi secondi per fare lo sviluppo, cioè una volta immersa la basetta nella soda basteranno pochi secondi per far apparire il disegno delle piste. Appena avrete un disegno soddisfacentemente nitido immergete subito la piastra nella seconda vaschetta affinché possiate fermare la reazione di sviluppo. Non tardate in questa fase, basterà un secondo in più nella soda per rovinare la geometria delle piste! Comunque se vi siete resi conto che c'è qualche errorino potete correggerlo con il pennarello nero indelebile, cercate però di evitare questi errori.

Passo 4

Wet etching
Fermate la basetta nella pinza di plastica aiutandovi con qualche elastico ed immergetela nel cloruro ferrico già riscaldato precedentemente (accendete la lampadina subito dopo aver sistemato l'attrezzatura e prima di iniziare a tagliare la basetta: avrete tutto il tempo per avere un buon riscaldamento). Potete stare più rilassati in questa fase: i tempi vanno da una decina di minuti a una mezz'ora buona, tempo dipendente dalla temperatura del cloruro ferrico e dalle dimensioni del circuito. La pinza vi servirà per agitare ogni tanto la basetta nel liquido in modo tale da favorire l'asportazione del rame. Quando vi renderete conto che le piste sono state incise e il rame in eccesso è stato completamente rimosso, estraete la basetta dal cloruro ferrico e immergetela nell'acqua e bicarbonato. Ci sarà una reazione innocua che provocherà un po' di schiuma. Asciugate la basetta con uno straccio e poi ripulitela dal fotoresist rimasto con un poco d'alcool.

Passo 5

Foratura
Utilizzate un trapano a colonna o un minidriller con prolunga e punte da 0.8mm per i reofori più piccoli e quella da 1mm per quelli più grandi. Le punte le troverete in un negozio di materiale elettronico. Fate molta attenzione perché sono fragili (le punte).

Conclusioni

Se avrete seguito con attenzione questa guida doverete essere sicuramente in grado di produrvi i vostri circuiti. È molto lungo il procedimento ma i risultati compenseranno moltissimo i vostri sforzi!

Categoria: How-to