Come realizzare i circuiti stampati in casa

Un circuito stampato (cs) è un supporto di materiale isolante dove da un lato ci sono i componenti e dall'altro ci sono i collegamenti fra un componente e l'altro. I piedini dei componenti passano da una parte a l'altra della piastra attraverso dei fori. In origine la piastra per realizzare un CS (circuito stampato) è costituita dal supporto di materiale isolante (pertinax o vetronite) e da un sottile strato di rame (generalmente 0.035 mm) incollato su una o entrambe le facce, per tutta la superficie della piastra.

Per ottenere le varie piste che collegano un componente all'altro è necessario rimuovere il rame della piastra dove non serve. Si utilizza un acido (cloruro ferrico) che è corrosivo per i metalli, quindi noi non faremo altro che proteggere il rame dove deve rimanere disegnando le piste con un pennarello indelebile, e poi immergeremo questa piastra nel cloruro ferrico in modo da asportare il rame dove è rimasto non protetto dal pennarello.

Se si tratta di cs complessi è impensabile di dover ricopiare ogni volta il disegno sulla piastra ramata... quindi bisogna trovare il modo di stamparci sopra il disegno del master (master=disegno delle piste) in una maniera più precisa.

Per fare questo esistono principalmente due tecniche: trasferimento diretto o bromografo.

Disegno a mano:
In ogni caso occorrerà sbrogliare il circuito, cioè passare dallo schema elettrico al disegno delle piste, studiando la posizione dei componenti in modo da evitare di dover fare ponticelli.

Ci si disegna il circuito a mano su un foglio a quadretti, immaginando che un quadretto sia la distanza fra un piedino e un'altro. Io di solito lo disegno guardando il lato componenti da sopra, poi per riportarlo nella piastra ramata lo guardo da dietro fissandolo al vetro della finestra. Poi si fora la piastra ramata usando una millefori come dima, in modo da rispettare la distanza fra i piedini. Con un normale pennarello indelebile Staedtler M si disegnano le piazzole e le piste che uniscono le piazzole. In caso di errore si può cancellare l'errore grattando via la traccia del pennarello con una lametta o un cacciavite. Dopo l'incisione si può rimuovere il pennarello che copre il rame con dell'alcool. Il risultato non è dei migliori perchè il pennarello non protegge a sufficienza il rame dal cloruro ferrico. Esistono anche pennarelli specifici, ma non ne ho mai trovato in negozio.
 

Incisione:

Il cloruro ferrico non è pericoloso ma macchia molto, quindi è bene usare i guanti in lattice e abiti da lavoro. Lo vendono in grani da sciogliere in acqua o in bottiglie con la soluzione pronta.
Come vasca di incisione io uso una vaschetta di gelato "carte d'or" poggiata fra due pezzi di legno con sotto una lampadina ad incandescenza da 100 W per scaldarlo. Il tempo di incisione dipende molto dalla temperatura del cloruro ferrico e da quanto è stato usato per incidere altri circuiti stampati. Quando diventa troppo sporco e denso, i tempi di incisione aumentano. Lo si può ravvivare aggiungendo un pò di acido muriatico. Non buttare il vecchio cloruro ferrico nel lavandino perchè corrode i metalli! Meglio versarlo in un terreno arido. Con una temperatura di 40-50° il tempo di incisione è di circa 10 minuti, a temperatura ambiente 30 minuti. Inoltre il risultato finale è migliore se la corrosione avviene in poco tempo. Per diminuire i tempi è bene anche muovere la piastra tenendola dall'esterno con un pezzetto di filo telefonico legato a un lato della piastra.

Sbroglio delle piste:

Ci sono dei programmi che dato lo schema elettrico e la piedinatura dei componenti (footprint) riescono a passare automaticamente al disegno delle piste del circuito stampato (autoroute), ma solitamente il risultato è esteticamente pessimo e comunque rimane sempre da fare a mano la parte che il pc non è riuscito a sbrogliare. Quando i circuiti sono molto complessi si utilizza un cs doppia faccia. Nelle schede madri dei pc si raggiungono 5-7 strati di piste, collegate fra loro in verticale dai fori metallizzati (vias).
Io preferisco sbrogliare tutto a mano, si riesce a posizionare i componenti nella maniera ottimale mentre si studia il percorso delle piste. Per disegnare il CS con il pc uso Circad, di cui trovate il corso qua.

Trasferimento diretto:

Per il trasferimento diretto occorre stampare il master su un foglio particolare con una stampante laser, è importante selezionare l'opzione "mirror" in fase di stampa in modo che sul foglio le scritte del master siano al rovescio. Poi si poggia la piastra ramata sull'asse da stiro, si sovrappone il master (col toner verso il rame) e un panno di cotone.  Si stira il tutto con il ferro da stiro alla temperatura massima facendo attenzione a "stirare" il master in modo uniforme. Di solito conviene partire appoggiando il ferro sopra, così che il toner si fonda e incolli subito il foglio alla piastra ramata. Il calore del ferro da stiro fonderà il toner che rimarrà attaccato sul rame. Adesso bisogna lasciar sfreddare e staccare il foglio sperando che tutte le piste rimangano sul rame. Il foglio deve essere "opportuno", perchè con un foglio normale il toner rimane attaccato sia sul rame che sul foglio di carta. Esistono dei fogli fatti a posta, i fogli blu, oppure c'è chi usa carte fotografiche per stampanti laser o le pagine dell'espresso.

Eventualmente si aggiustano i difetti con un pennarello, e si procede all'incisione con il cloruro ferrico.

Bromografo:
Un'altra tecnica è quella di utilizzare un bromografo: si stampa il master disegnato con Circad su un foglio di carta bianca da fotocopie con una stampante laser, e poi si utilizza una tecnica fotografica per riportare lo stesso disegno sulla basetta ramata. E' importante che il master sia stampato con ottima qualità. Guardandolo in trasparenza non ci devono essere striature nella parte nera delle piste.

Si utilizzano delle basette che sopra il rame hanno una vernice fotosensibile (photoresist), e una pellicola che la protegge dalla luce. Bisogna staccare la pellicola protettiva e poggiare il master a faccia in giù sulla piastra, in modo che il toner sia a contatto con il photoresist. Poggiamo sopra il tutto un vetro in modo da comprimere un pò il tutto. Se il toner fosse sul lato superiore del foglio, il photoresist verrebbe protetto dall'ombra del toner, e si otterrebbero i bordi delle piste meno nitidi.

Adesso occorre illuminare il nostro sandwich con delle lampade a raggi UV. Dove il photoresist non è protetto dal toner del master viene colpito dalla luce UV la quale degrada il photoresist a tal punto da renderlo solubile nella soda. Con il mo bromografo ho sperimentato (usando dei piccoli pezzi di piastra fotosensibile) che l'esposizione ottimale è di 15 minuti.

E' vero, il foglio non sembra trasparente, ma con 15 minuti di esposizione si supera questo ostacolo. Si potrebbe anche usare un master di acetato e un tempo di esposizione di 150 secondi ma stampare bene un master simile è più difficile. 

Sviluppo:

Mentre il bromografo fa il suo dovere si comincia a preparare la soluzione di sviluppo sciogliendo 7-8 grammi di soda caustica in 1 litro d'acqua. Ci vuole un pò di tempo affinché vada in soluzione. Questa soluzione non va toccata con le mani perchè è corrosiva per i tessuti organici, in caso di contatto sciacquare subito con acqua corrente.  Infiliamoci i guanti, apriamo il bromografo e immergiamo la basetta nella soluzione di sviluppo tenendola orizzontale per i bordi, le piste compariranno nel giro di 1-2 secondi. Non aspettare di più e lava la piastra sotto il rubinetto! Anche in questo momento vedrai della sostanza scura abbandonare la piastra lasciando ben visibili le piste.

Controllare minuziosamente per essere sicuri che non sia rimasto un sottile velo di photoresist dove non deve esserci (impedirebbe all'acido di corrodere il rame), se c'è, ritornare nella vaschetta di soda per pochi secondi, e sciacquare dall'acido prima di guardarla, perché mentre la guardi l'acido continuerebbe ad agire.

Finito lo sviluppo si può passare alla classica incisione con cloruro ferrico.

Se il CS non è venuto bene:

- Esposizione sbagliata: si manifesta nei bordi delle piste, se spariscono quelle sottili hai esagerato con l'esposizione, se invece il rame rimane dove non dovrebbe occorre aumentare il tempo di esposizione.

- Sviluppo sbagliato: in una parte intera della piastra svaniscono le piste. Lo sviluppo è durato troppo (angolo destro della foto di destra). Considerare che il 20-25 secondi di sviluppo si perde tutto comunque.

- Piste dentellate o sforacchiate tutte nella stessa direzione: il master non è perfettamente opaco. Succede sempre quando la matrice di stampa della stampante laser è vecchia. (parte destra foto di sinistra). Cliccare sulle immagini per ingrandirle.

CS doppia faccia:

Bisogna stampare i due master (bottom e top) in fogli separati. Bisogna allinearli guardando in trasparenza sul vetro di una finestra e pinzare con una cucitrice tre bordi. Il toner deve stare sulle facce interne di questa "busta".

Si inserisce la piastra presensibilizzata ramata su due facce dentro la "busta" e dentro un bromografo a doppia faccia.

Con il bromografo a singola faccia bisogna esporre due volte, ma bisogna assolutamente evitare di perdere la posizione relativa fra la piastra e i master, per esempio facendo sporgere la piastra dal master e mettendoci un pezzo di nastro adesivo. Io consiglio di fare solo i CS a singola faccia e sbrogliarli a mano.

Prezzi indicativi dei materiali:

Piastra ramata 10x16 cm: 0.5 - 2 €

Piastra fotosensibile 10x16 cm: 2.5 - 5 €

Piastra fotosensibile 16*24 cm in offerta 2 €.

Master: un foglio normale per fotocopie e una stampante laser.

Barattolo di soda caustica da 1 kg: 2 € al discount
Bromografo 100 € autocostruito con il mio progetto