La Realizzazione dei Circuiti Stampati

Un circuito stampato è un insieme di piste di rame disegnate su un supporto isolante che servono a collegare tra loro i componenti che costituiscono il circuito elettronico.

Il circuito stampato è detto a singola faccia se il rame sta da una parte (dove vanno eseguite le saldature) e i componenti dall’altra, le connessioni sono realizzate mediante fori passanti.

Vi sono poi circuiti a doppia faccia, con le piste sui due lati, e circuiti con piste e componenti dallo stesso lato (componenti SMD o SMT). La realizzazione di circuiti stampati richiede in successione una serie di operazioni alcune delle quali è possibile svolgere in modi diversi, vediamole:



Progetto delle tracce

Partendo dallo schema elettrico del circuito che si vuole realizzare si deve decidere come collocare i componenti necessari e la disposizione delle tracce per poter effettuare le connessioni fra di essi. E’ evidente che tale processo non è univoco ed ognuno potrà effettuare come meglio crede lo “sbroglio” del circuito a seconda delle circostanze e dell’esperienza personale.
Una volta ottenuta la disposizione delle tracce bisognerà trasferirla sulla basetta, si possono utilizzare due metodi:

Trasferimento diretto

E’ il metodo più semplice ma permette di realizzare solo circuiti poco complessi e in singolo esemplare. Il materiale occorrente è una basetta ramata delle dimensioni appropriate e un pennarello di inchiostro resistente all’acido.

Questi pennarelli sono venduti nei negozi di componenti elettronici ma si possono utilizzare anche inchiostro di china o pennarelli indelebili e resistenti all’acqua. In alternativa sono disponibili appositi trasferibili, con le dimensioni e le piedinature più diffuse, da riportare sul rame.

La basetta deve essere pulita accuratamente in modo da eliminare lo strato di rame ossidato e le impronte, si possono utilizzare una normale spugnetta o paglietta per la cucina e detersivi per superfici ruvide. Al termine lavare bene con acqua corrente e far asciugare evitando di toccare il rame e di farvi depositare polvere. La pulizia deve avvenire poco prima di usare la basetta, il rame infatti si ossiderebbe di nuovo in poco tempo.

Si riporta quindi, disegnandolo direttamente sul rame, il percorso delle piste. Con un punteruolo si possono praticare dei segni in corrispondenza dei fori in modo da avere dei riferimenti durante la fase di disegno. Lo strato di vernice deve essere perfettamente coprente e compatto. In caso di errori questi possono essere corretti utilizzando una lametta per portare via la parte di inchiostro in eccesso. Prima di andare avanti attendere la perfetta asciugatura della vernice.

Trasferimento con la fotoincisione

Tale metodo permette di ottenere circuiti anche complessi e di farne in piccola serie, ottenendone di migliore qualità rispetto al metodo precedente, tuttavia il procedimento è più difficile e i materiali necessari più costosi.

Esso è una procedura non molto diversa da quelle usate per sviluppare le foto: una basetta ramata viene ricoperta da un sottile strato di materiale sensibile ai raggi ultravioletti (il photoresist).

Appoggiando sulla basetta un “negativo” opportunamente opacizzato nei punti giusti (il master) ed esponendo il tutto ai raggi ultravioletti, lo strato fotosensibile si “impressionerà” nei punti non coperti dalle parti opache del master. Immergendo poi la basetta così ottenuta in una particolare soluzione di sviluppo, le parti impressionate verranno rimosse e rimarrà impressa soltanto la traccia del circuito stampato. E

sistono due diverse tecniche di fotoincisione, che si avvalgono di due tipi diversi di photoresist: quello positivo e quello negativo. Il photoresist positivo si impressiona quando è esposto ai raggi ultravioletti, mentre quello negativo è già impressionato normalmente e si “deimpressiona” quando è esposto agli ultravioletti.

Nei due casi quindi occorre utilizzare dei master “opposti”: con il photoresist positivo occorrerà coprire le porzioni della basetta che si desidera restino (piste, piazzole e così via), mentre con il photoresist negativo si dovrà fare l’esatto contrario. Nella maggior parte dei casi si utilizza photoresist positivo.
Occorrono i seguenti passi:

Il master

Prima di realizzare la basetta vera e propria bisogna disporre di un master, ovvero di un disegno a grandezza naturale che riproduca fedelmente ciò che si vuole ottenere. Se non è disponibile già uno è necessario disegnarlo.

Volendo procedere con la fotoincisione il disegno dovrà essere realizzato con precisione utilizzando gli appositi trasferibili o meglio ancora un software per computer (Protel, Orcad, varianti shareware o CAD e programmi di disegno qualsiasi) (scarica software).

Il supporto da utilizzare è un foglio lucido, acetato o anche la normale carta per ufficio; la maggior parte delle stampanti a getto d’inchiostro e laser stampano bene direttamente sugli appositi lucidi, se questi vengono stampati chiari se ne possono sovrappore due o tre copie; stampando su carta normale si può fotocopiarla su lucido o utilizzarla direttamente come master.

Ricordatevi che tutto ciò che appare in trasparenza viene riportato fedelmente sul circuito, pertanto non devono esserci macchie e l’inchiostro deve essere coprente, comunque non tutto ciò che appare nero alla luce solare potrà esserlo agli UV.

Per evitare l’effetto ombra è meglio stampare il disegno in modo che una volta sistemato per la fotoincisione sulla basetta la parte con inchiostro poggi sul rame.

La basetta con vernice fotosensibile

E’ una normale basetta per circuito stampato su cui è steso il photoresist. Il modo più comodo per averle è comprarle già pronte (basette presensibilizzate), sono vendute con una pellicola adesiva protettiva o in buste sottovuoto, con il tempo tendono ad invecchiare bisogna quindi conservarle al fresco, al buio e per pochi anni.

Un’alternativa è quella di stendere da soli, su normali basette, la vernice, questa è venduta in bombolette spray ma è di difficile utilizzo poiché è necessario applicarla uniformemente facendola asciugare al riparo da polvere. In ogni caso anche le basette presensibilizzate a volte non presentano sui bordi uno strato uniforme di vernice, è consigliabile pertanto utilizzare supporti leggermente più grandi del circuito da realizzare. Una volta eliminata la pellicola protettiva non esporre per lungo tempo la basetta alla luce e come sempre non sporcare lo strato di rame.

L’esposizione

Il bromografo è lo strumento che permette di sensibilizzare attraverso i raggi UV il photoresist, stampando l’immagine del master sulla basetta. Illumina con la luce attraverso il master, passando dove esso è trasparente, la basetta, inducendo modificazioni chimiche. I bromografi normalmente in vendita sono costosi essendo dotati di timer, pompe a vuoto e altri accorgimenti, ma è possibile costruirsene uno utilizzando lampade apposite (neon Philips TLDA, lampadine Philips photolita, lampadine vapori di mercurio ecc.) o normali (lampadine a luce solare, lampade alogene senza filtro UV ecc.).

In ogni caso i tempi di esposizione variano di molto anche a seconda del supporto utilizzato per il master. Per un master di carta lucida o acetato sono necessari da meno di un minuto (lampade UV apposite) alle decine di minuti (lampade generiche), nel caso si utilizzi per il master la normale carta bianca i tempi salgono di molto. Il tempo di esposizione dipende anche dal photoresist e dal suo spessore e dalla distanza tra lampade e basetta.

E’ quindi necessario determinare con una prova sperimentale la durata dell’esposizione una volta per tutte. Per fare questo si può approntare un circuito di prova sul quale volendo sono tracciate piste di diverso spessore e distanza. La basetta presensibilizzata deve essere divisa in sezioni ognuna delle quali verrà esposta per un tempo differente, proteggendole con cartoncino scuro e scoprendole man mano, in modo da determinare, al termine, visivamente il tempo di esposizione necessario con il bromografo in uso; le diverse sezioni saranno intervallate di tempi che possono andare da alcuni secondi ad alcuni minuti al variare delle lampade e del supporto utilizzato per il master. Il giusto tempo è quello corrispondente alla sezione dove, una volta sviluppata e incisa la basetta, le piste appariranno nitide e gli spazi vuoti fra di esse saranno completamente sgombri da residui di rame.

Per una buona riuscita del processo ricordarsi di far aderire bene il master alla basetta. Per questo si ricorre ad una lastra di vetro non troppo spessa che tiene premuto il master e fa in modo che non si muova, i bromografi commerciali sono a volte dotati di un sistema con pompa a vuoto. Come già detto prima, avendo il foglio del master uno spessore, per rendere nitida l’ombra proiettata è bene poggiarlo con l’inchiostro del disegno a diretto contatto con la basetta, stampare quindi il master al rovescio.

Attenzione: i raggi UV non sono visibili ma possono provocare danni alla pelle e agli occhi (soprattutto UVB e UVC) pertanto è necessario tenere le lampade in funzione in una scatola chiusa e comunque evitare di esporsi direttamente e di guardarli per lungo tempo durante il funzionamento, se usate lampade normali le precauzioni naturalmente saranno minori.

Lo sviluppo

Al termine dell’esposizione sul photoresist, normalmente di colore blu – verde, sono già leggermente visibili le piste riportate sulla basetta, lo sviluppo porta via la parte di vernice che è stata esposta agli UV, lasciando intatta quella rimasta in ombra. Il prodotto chimico utilizzato è normale soda caustica (NaOH) venduta appositamente nei negozi di elettronica ma acquistabile anche in drogheria o ferramenta e presente nei disgorganti per impianti idraulici venduti ai supermercati. La soluzione basica va preparata scogliendo indicativamente dai 5 ai 20g di NaOH in un litro di acqua tiepida, se questa è molto calcarea è consigliabile usare quella distillata. Questa soluzione può essere conservata per lungo tempo ed utilizzata fin quando rimane limpida e priva di depositi (tende a precipitare). Quando è ancora in grani è igroscopica tende quindi ad assorbire l’umidità divenendo una poltiglia inutilizzabile.
Attenzione: la soda caustica ad elevate concentrazioni corrode molte sostanze ed è pericolosa per gli occhi, conservarla in recipienti chiusi segnalandone il contenuto.
La basetta si immerge nella soluzione in una bacinella di plastica, dopo pochi secondi si nota l’inizio della reazione: il photoresist diventa scuro e si scioglie nella soluzione formando così un liquido nerastro. Continuando ad agitare dopo poco rimarranno sulle basetta solo le piste ricoperte da uno strato scuro di vernice, tutto intorno il rame sarà scoperto. Dopo essersi accertati visivamente che tutta la vernice sensibilizza sia stata asportata, tenendo conto che il rame a volte può sembrare pulito ma in realtà è ricoperto da una patina trasparente la cui presenza può essere riscontrata graffiando leggermente la superficie, lo sviluppo ha termine. La temperatura della soluzione è sufficiente sia quella ambiente. Lavare quindi accuratamente la basetta senza asciugarla e graffiarla in modo da evitare che lo strato protettivo in corrispondenza delle piste si rovini, passare quindi immediatamente alla fase successiva.
Dopo l’incisione la vernice può essere eliminata prima della saldatura dei componenti con una spugnetta abrasiva, ma può anche essere lasciata come protezione all’ossidazione del rame eliminandola solo in corrispondenza dei punti di saldatura.

L’incisione

L’incisione è l’operazione che permette di togliere chimicamente il rame in eccesso non protetto dalla vernice resistente alla corrosione che è stata precedentemente stesa attraverso il trasferimento diretto o con la fotoincisione. L’incisione avviene utilizzando cloruro ferrico (FeCl3), è un sale che corrode la maggior parte dei metalli, si compra nei negozi di elettronica sotto forma si scaglie di colore giallo-bruno o già pronto in soluzione. Questa va preparata sciogliendo, in 250ml di acqua calda, 250g di scaglie circa, aumentando o diminuendo tale valore a seconda della concentrazione che si vuole ottenere, maggiore è, minore sarà il tempo necessario alla incisione. Si ottiene un liquido limpido di colore marrone, man mano che si usa diventa più scuro e opaco e si forma sul fondo un deposito di rame disciolto, la sua capacità corrosiva diminuisce e i tempi si fanno più lunghi. Una volta esausto dovrebbe essere smaltito come rifiuto tossico, sconsiglio di versarlo nel lavandino o, reso solido con l’aggiunta di gesso, di gettarlo con i normali rifiuti urbani.

Attenzione: Il cloruro ferrico è dannoso per la pelle e gli occhi, corrode i metalli, emette vapori tossici, macchia le superfici porose e soprattutto i vestiti. Lavorare quindi in locali areati adottando opportune misure di protezione e conservarlo in recipienti di plastica o vetro segnalando il contenuto.

Immergere la basetta in una bacinella di plastica utilizzando delle pinze di plastica o, dopo aver praticato un foro, legandola ad un filo. Il tempo di incisione è influenzato da vari parametri. Il cloruro ferrico è più attivo a temperature intorno ai 40-50°C, aumenta tuttavia l’emissione di vapori e si può rovinare lo strato protettivo, il riscaldamento può essere ottenuto scaldando il contenitore o utilizzando un termostato per acquari. Una maggiore velocità si ottiene agitando la basetta o immettendo bolle d’aria, queste possono ad esempio essere ottenute con un ossigenatore per acquari, in ogni caso tenere la basetta con il rame rivolto verso il basso (senza appoggiarla però sul fondo della bacinella) in modo che il rame disciolto vada a depositarsi. I problemi principali sono la maggiore erosione dei bordi dello stampato rispetto alle parte centrale, la difficoltà a rimuovere il rame dalle grandi aree e le bolle d’aria che si possono formare durante l’immersione lasciando una zona della basetta non raggiunta dall’acido. Durante l’immersione controllare periodicamente il circuito che sarà pronto quando tutto il rame in eccesso è stato asportato, attenzione perché per tempi molto lunghi anche lo strato protettivo comincia a rovinarsi soprattutto sui bordi delle piste. Il tempo di incisione in genere è di alcuni minuti, aumenta con l’esaurirsi della soluzione, quando diventa troppo lungo è arrivato il momento di sostituirla. Al termine del processo lavare abbondandemente la basetta con acqua corrente e procedere (dopo l’eventuale rimozione della vernice) alle lavorazioni successive.
Si ricorda di lavare anche tutti gli strumenti utilizzati nei vari processi chimici ed utilizzarli unicamente per tali scopi.

La foratura

La foratura delle piazzole si effettua con trapano e punte.
Preferibilmente utilizzare un piccolo trapano adatto ai lavori di precisione reperibile nei negozi di elettronica e modellismo, l’ideale sarebbe anche avere una colonna per trapano (di costo elevato). In mancanza di strumenti specifici ci si può arrangiare con un trapano a mano o, con un pò di difficoltà, con quello per uso domestico.
Le punte da utilizzare sono da 0.7 – 0.8mm per la maggior parte dei fori (integrati, transistor, resistori, ecc.), allargare poi quelli di componenti di grandi dimensioni a 1mm o più. I fori destinati ad accogliere viti di fissaggio sono normalmente di 3mm.
La foratura risulta facilitata se le piazzole di rame sono state incise in modo da presentare al centro un piccolo foro che aiuta a centrare la punta e a non farla scivolare quando si comincia a bucare.
Ora si possono saldare i componenti sulla basetta e terminare finalmente la realizzazione.

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