Realizzazione artigianale di circuiti stampati

Importante! Nel caso non abbiate ancora letto la pagina riguardante le istruzioni sulla corretta comprensione del materiale pubblicato o non l'abbiate compresa, vi consiglio caldamente di (ri)leggerla!

La realizzazione di circuiti stampati (p.c.b. = printed circuit board) in modo artigianale è un processo generalmente lungo e complesso. Richiede pazienza, precisione, tempo ed un po' di attrezzatura. In questa pagina cerco di spiegare dettagliatamente il mio modo di procedere per realizzarli, ottenendo qualitativamente ottimi risultati se consideriamo che il processo è, come detto, artigianale.

A titolo d'esempio riporto le foto del circuito stampato della mia demoboard:

Per semplicità ho suddiviso il processo nelle sezioni:

• disegno dello schema;
• autocostruzione di un bromografo a basso costo;
• sviluppo della basetta;
• realizzazione dei fori;
• saldatura dei componenti;

Disegno dello schema

Per il disegno del master attualmente utilizzo FidoCAD, un software che io trovo molto valido ed affidabile. È completamente gratuito, di facile installazione e di utilizzo intuitivo, non occupa molte risorse (solo 6÷10Mb di Ram) e non crea danni ai registri di sistema. Inoltre è molto semplice creare delle proprie librerie e stampare direttamente in scala 1:1 in modalità invertita o no. Sono messi a disposizione vari layer per il disegno, cosa molto comoda per dividere le varie facce dello stampato, per le serigrafie ed altro. È un programma che gira in ambiente Windows, dalla versione 95 in poi.

Riporto qui il link (http://www.enetsystems.com/~lorenzo/fidocad_win.asp) alla pagina dell'autore Lorenzo Lutti, dove è possibile scaricarlo gratuitamente e senza doversi iscrivere. Per coloro i quali non avessero Windows come sistema operativo esiste una versione Java di FidoCAD sviluppata da Davide Bucci, la quale è completamente multipiattaforma e quindi può essere utilizzata sia da Linux che da Mac (oltre che da Windows).

Personalmente ho realizzato una mia libreria componenti (aggiornata il 06/07/2009), sia per facilitarmi il lavoro, sia perchè quella fornita con il software mi è scomoda soprattutto per quanto riguarda le dimensioni dei fori dei componenti. Perché FidoCAD la riconosca, la dovete inserire all'interno della cartella "libs" nella cartella di installazione di FidoCAD (nel mio caso, con Windows XP Pro, la cartella delle librerie è "C:\Program Files\FidoCAD\libs").

Ultimamente sto usando anche Eagle (http://www.cadsoft.de/) per il disegno degli schemi elettrici. Lo trovo interessante soprattutto perché dispone di un'ampia libreria di componenti e funziona su ambienti Linux, Windows e Mac.

Autocostruzione di un bromografo a basso costo

Un bromografo è uno strumento indispensabile per la realizzazione di circuiti stampati con la tecnica della foto-incisione. Si tratta essenzialmente di un contenitore all'interno del quale si trovano delle lampade che emettono raggi UV. Tali radiazioni servono a trasferire, tramite un processo che verrà illustrato in seguito, il disegno del circuito sulla basetta ramata presensibilizzata.

Passo ora a spiegare come ho realizzato io il mio bromografo, dato che credo possa essere utile a molti uno strumento del genere realizzato spendendo pochissimo. Per prima cosa sono necessari:

• 2 tubi al neon emittenti raggi UV;
• 1 reattore per tubi al neon;
• 2 starter per tubi al neon;
• 4 torrette per tubi al neon;
• 2 porta-starter;
• 1 interruttore;
• 1 spina;
• 1 fusibile (250mA);
• 1 porta-fusibile;
• un po' di filo e cavo per l'alimentazione;
• 1 scatola sufficientemente grande;
• un po' di carta d'alluminio.

Operativamente dovrete prendere la scatola ed incollarci sul fondo un foglio di carta d'alluminio, in modo da aumentare la quantità di radiazione che effettivamente colpisce la basetta da incidere. Quindi si procede al fissaggio delle torrette per i tubi al neon, dei porta-starter, del reattore e dell'interruttore, collegandoli secondo lo schema indicato sul reattore (praticamente il reattore va posto in serie alla serie dei due neon, ciascuno dei quali ha in parallelo il proprio starter).

Per completezza riporto di seguito lo schema di collegamento dei neon (ballast = reattore).

Attenzione: ricordate che i raggi ultravioletti sono pericolosi! Non guardate i tubi dei neon UV quando sono accesi!

Test per valutare il tempo di esposizione ottimale

Un semplice test per valutare il tempo di esposizione ottimale può essere fatto provando a sviluppare un master del tipo indicato in questa figura:

Il procedimento da seguire è semplice, ovvero si fa tutto come se si dovesse sviluppare un master normale, con la differenza che questo master avrà delle zone esposte per tempi differenti, in modo tale da far sì che sia possibile trovare quello più adatto. Per fare ciò, ci si dovrà procurare un foglio completamente nero, opaco ai raggi UV (anche un foglio di carta d'alluminio dovrebbe andare bene). Prima di iniziare l'esposizione si dovrà coprire con il foglio opaco tutto il foglio del master, tranne la zona contrassegnata dalla durata maggiore. Quindi si accenderà il bromografo per la differenza tra i tempi di esposizione tra due zone adiacenti, poi si spegnerà il bromografo, si sistemerà il foglio opaco in modo da far sì che rimangano scoperte le due zone con tempo di esposizione maggiore e si accenderà nuovamente il bromografo per la differenza dei tempi tra le zone. Si continuerà così fino a quando si sarà scoperto tutto il master. A questo punto si dovrà accendere il bromografo per il tempo segnato sulla zona a minore esposizione. Ora si potrà spegnere il bromografo e passare all'immersione della basetta nella soluzione di soda caustica per lo sviluppo.

Il tempo ottimale di esposizione è quello corrispondente alla zona dove la traccia risulta essere meglio definita. Naturalmente i tempi di esposizione dipendono molto dal tipo di carta usato, dal tipo di lampade, dalla disposizione spaziale delle stesse rispetto la basetta (distanza dalla basetta e fra le lampade stesse), dal fotoresist della basetta eccetera. Partecipando a dei forum ho notato che, indicativamente, possono andare da un minimo di 1 minuto e mezzo ad massimo di una quindicina di minuti circa, dunque probabilmente dovrete adattare il test ad un range di tempi più esteso di quello che ho usato io.

Sviluppo della basetta

Lo sviluppo della basetta è una fase molto importante e complessa nella realizzazione di un buon circuito. Le tecniche sono molte e la qualità del risultato varia in base alla tecnica scelta ed al grado di esperienza maturata nell'implementazione di tale tecnica. Io stesso, in base a quello che devo ottenere, scelgo l'una o l'altra tecnica, ma, in questa sezione, ritengo interessante spiegare quella che offre i migliori risultati. Mi riferisco alla tecnica della foto-incisione.

Per applicare la tecnica della foto-incisione, personalmente scelgo di utilizzare delle basette presensibilizzate, ovvero delle normali basette ramate sulle quali è stato posto un sottile film di un materiale foto-sensibile. Questo materiale, con l'esposizione alla luce (quella ultravioletta in particolare), cambia le sue proprietà chimiche, ovvero cambia la sua reattività a determinati reagenti chimici. Il trucco sta nell'esporre a raggi ultravioletti solo certe zone del circuito, andando così a realizzare il "disegno" desiderato.

In breve, quello che si fa è stampare il disegno del master del circuito, appoggiarlo sulla basetta presensibilizzata dopo aver tolto la pellicola che la protegge dalla luce, quindi esporre la basetta alla radiazione ultravioletta per un certo tempo. Fatto ciò si toglie il disegno e si immerge la basetta in un reagente chimico capace di "attaccare" le zone di pellicola fotosensibile che sono state esposte alla luce. In questo modo avremo trasferito il disegno sulla basetta e sarà possibile procedere alla rimozione del rame tramite immersione in un liquido capace di corroderlo.

Vorrei far notare che sto facendo riferimento a basette presensibilizzate di tipo "positivo", ovvero quelle per le quali il film fotosensibile reagisce con il reagente chimico solo se esposto a radiazione, mentre quello non esposto rimane inerte. Ne esistono infatti anche di "negative", per le quali il processo avviene al contrario.

Passiamo ora alla pratica, spiegandovi come io opero per raggiungere secondo me buoni risultati. Innanzitutto sono necessarie due stampe del disegno del master del circuito in scala 1:1. Lo stampato del master deve essere specchiato, ovvero come se il lato rame fosse visto dal lato componenti e viceversa. Per questo motivo può essere comodo inserire una scritta nel disegno, in modo che vi ricordiate che sulla stampa la scritta deve venire al contrario (e poi, finito il processo, verrà dritta nell'incisione sul rame). La stampa deve essere effettuata con una stampante laser o una fotocopiatrice, perché il toner risulta opaco alla luce ultravioletta (personalmente non ho mai provato a vedere cosa succede con stampanti ink-jet, ma non credo il risultato sia buono). Inoltre io utilizzo della semplicissima carta per stampanti, non fogli di acetato come fanno altri. Non ho mai provato con i fogli di acetato, ma con la carta normale vi posso assicurare che si ottengono risultati ottimi (probabilmente l'unica comodità sta nel fatto che i fogli in acetato sono trasparenti e quindi è più facile posizionarli correttamente).

Ritagliate le due stampe, facendo in modo che su una il ritaglio della carta sia più grande delle dimensioni della basetta di almeno un centimetro per lato, mentre il secondo ritaglio deve essere più grande del primo. Ad esempio se la basetta misura 5×5cm, il ritaglio piccolo può essere di 8×8cm e quello grande di 10×10cm.

Ora si adagi su un tavolo il ritaglio più grande e ci si appoggi sopra l'altro in modo da far combaciare perfettamente i due disegni. Se vi è più comodo vi potete appoggiare sul vetro di una finestra, in modo da poter vedere in controluce se i due disegni coincidono. Fatto ciò bloccate con dello scotch i due fogli, facendo però attenzione a lasciare poco scotch nel ritaglio più piccolo, ovvero facendo in modo che poi lo scotch rimanga fuori dalle dimensioni della basetta.

Fatto ciò io uso una cornice per quadri, di quelle semplici, fatte col vetro, il piano di cartone e le graffette che tengono assieme il tutto. Per prima cosa smontate la cornice e pulite per bene il vetro, quindi appoggiate al centro del cartone la basetta rivolta col rame verso l'alto e, al buio, con solo una piccola luce accesa tanto per poterci vedere, togliete la pellicola di protezione. A questo punto appoggiateci sopra i due fogli, con il disegno a contatto con il rame della basetta (e quindi verso il basso), cercando di centrare il disegno rispetto la basetta ed ora, senza spostare le cose, metteteci sopra il vetro e chiudete la cornice.

Adesso mettete il tutto nel bromografo, accendetelo per il tempo necessario alla sensibilizzazione del materiale fotosensibile (con il mio bromografo il tempo di sensibilizzazione che uso è di 10 minuti esatti) e rispegnetelo. Sempre rimanendo al buio aprite la cornice, prendete la basetta e immergetela in una bacinella con della soda caustica diluita. Il tempo necessario allo sviluppo dipende molto dalla concentrazione della soda caustica. Personalmente io uso della soda caustica liquida che acquisto in un negozio di componentistica elettronica e la concentrazione che uso è una parte di soda caustica liquida comprata e una parte di acqua. Fate molta attenzione perchè la soda caustica ha la proprietà di attaccare chimicamente la carne e, in questo caso, quella umana; quindi vi consiglio di proteggere le mani con dei guanti usa e getta.

Siccome i tempi di sviluppo sono molto variabili, tenete sempre sott'occhio la basetta finché non avrete terminato il processo. Questa fase richiede un po' d'esperienza. Quello che vi consiglio è di non lasciarvi ingannare dalle apparenze, ovvero spesso potrebbe sembrare che il disegno non sia ancora ben visibile, mentre può capitare che in realtà si stia oltrepassando il tempo di esposizione e che inizi l'attacco anche delle zone non esposte. Per questo è preferibile togliere spesso la basetta dalla soda caustica e pulirla delicatamente con un tovagliolo o della carta igienica, in modo da controllare bene il risultato (eventualmente accendendo la luce per un breve istante). Viceversa non allarmatevi se per i primi minuti non si vede nessun cambiamento, perché, specie se la soluzione è poco concentrata, può capitare che per i primi 3-5 minuti non sia visibile nessun disegno. Vi ricordo inoltre che finchè non è terminato il processo dovrete operare in penombra, dopodichè potrete tranquillamente lavorare con la luce.

Ora avete ottenuto la basetta con sopra il disegno che vorrete ottenere (noterete che il disegno è corretto e le eventuali scritte si leggono dritte) e non rimane che rimuovere il rame in eccesso. Per far questo dovrete comperare al solito negozio di componentistica elettronica del cloruro ferrico. Questo è un liquido che corrode tutti i metalli, non solo il rame, e macchia molto, quindi toglietevi bracialetti, anelli eccetera e indossate vestiti che non utilizzate più.

In una bacinella di plastica, e sottolineo plastica (tipo quelle del gelato sono le mie preferite), metteteci cloruro ferrico e acqua in uguali quantità. Immergete la basetta e aspettate che il rame si corroda, controllando periodicamente. Anche qui i tempi variano in funzione della concentrazione del cloruro ferrico e della temperatura del liquido. Se riuscite a scaldarlo un po' la reazione avverrà più velocemente.

Alla fine risciacquate la basetta in acqua. Evitate di sciacquare la basetta in lavandini di porcellana perché, come detto in precedenza, il cloruro ferrico macchia parecchio (io la sciacquo in giardino). Quindi potete passare alla foratura e alla saldatura dei componenti.

Note per lo sviluppo di basette in doppia faccia

La realizzazione di basette in doppia faccia è un po' più complessa della realizzazione di basette in singola faccia, per il semplice fatto che le due faccie devono corrispondere. Per questo innanzitutto dovete avere sotto mano le doppie stampe di entrambe le facce del circuito, unite con lo scotch come spiegato in precedenza. Inoltre è preferibile disporre di due cornici o due vetri della stessa misura e di quattro graffette in grado di tenerli uniti.

Per le basette in doppia faccia è consigliabile disenare nei due master i fori per il fissaggio e stampare una copia in più del master oppure una copia delle serigrafie dove siano indicati anche i fori di fissaggio. Appoggiate tale stampa correttamente alla basetta e forate con una punta sottile (ad esempio con diametro 0.8 o 1mm) esattamente in corrispondenza dei fori di fissaggio. Con una puntina da disegno realizzate gli stessi fori sulle stampe dei due master. Fatto ciò, in penombra appoggiate la basetta su uno dei due vetri, rimuovete la pellicola dalla faccia superiore della basetta e appoggiatevi il master relativo. Con uno stuzzicadenti allineate i fori sul foglio con quelli sulla basetta, togliete gli stuzzicadenti e senza muovere niente appoggiate sopra l'altro vetro e chiudete il tutto con le graffette. Controllate in controluce che i fori del foglio corrispondano effettivamente con quelli sulla basetta, quindi inserite il "sandwich" nel bromografo ed esponete la basetta.

Terminata la prima esposizione e rimanendo in penombra aprite il sandwich, togliete il master della prima faccia e attaccate con dello scotch su quella faccia della basetta un foglio nero, sul quale avrete avuto cura di realizzare preventivamente dei buchi in corrispondenza dei fori di fissaggio della basetta. Questo foglio serve per proteggere dalla seconda esposizione la faccia già esposta. Ora girate la basetta e appoggiatela al centro del vetro come prima, togliete l'altra pellicola protettiva e, come prima, appoggiate il secondo master sulla basetta, allineatelo, chiudete il tutto ed esponete la seconda faccia.

Lo sviluppo funziona allo stesso modo illustrato per i circuiti a singola faccia, con l'accortezza di tenere la basetta sospesa rispetto al fondo della bacinella, in modo che anche la faccia sottostante possa essere attaccata dal liquido di sviluppo. Inoltre è conveniente girare periodicamente le due facce, perché in generale il tempo di sviluppo della faccia che sta sopra è diverso dal tempo di sviluppo di quella che stà sotto. Per farlo io semplicemente attacco dello scotch ai lati della basetta e la tengo sospesa tenendo lo scotch con le mani (Naturalmente per questo avrete preventivamente tagliato la basetta un po' più grande dell'effettiva dimensione del circuito, in modo da avere lo spazio sufficente per attaccarci lo scotch).

Per la rimozione del rame vale lo stesso discorso, ovvero tenete sospesa la basetta e giratela periodicamente. Se tutto sarà andato per il verso giusto avrete ottenuto una basetta perfettamente allineata sulle due facce, pronta per la foratura e la saldatura dei componenti.

Realizzazione dei fori

Sezione in costruzione...
...verrà completata appena possibile.
Scusate per il disagio.

Saldatura dei componenti

Sezione in costruzione...
...verrà completata appena possibile.
Scusate per il disagio.