Realizzare un PCB (Printed-Circuit-Board)

Quando le molte connessioni o la complessità dello schema si “fanno sentire” è necessario trovare un metodo efficace per sviluppare la circuitazione. In questo primo tutorial vedremo come realizzare uno stampato, così da poter dare ordine e pulizia al circuito.

IL PCB - dettagli

Il PCB non è altro che una basetta su cui “viaggeranno” le piste che dovranno effettuare i collegamenti elettrici tra i componenti. I materiali di cui è composto sono sostanzialmente due: bachelite o vetronite. La bachelite, di colore marroncino, è comoda poichè più “duttile” (segare, tagliare, forare) ma presenta minor prestazioni ad alta frequenza. La vetronite, invece, di colore verdone traslucido, mostra delle caratteristiche elettriche migliori ma è più difficile da lavorare meccanicamente (dato il contenuto del legante vetro) ed è più costosa.
Originariamente il PCB si presenta come un sandwich di bachelite o vetronite, appunto, ricoperto interamente di materiale conduttore: quello che dovremo fare, in poche parole, sarà eliminare tutto il rame che non occorre, lasciando solamente quello di cui abbiamo bisogno per le connessioni dei componenti.
Ma prima di tutto, andiamo a vedere come possiamo fare per trasferire lo schema elettrico dalla carta alla basetta per analizzare poi l’incisione vera e propria, dove opereremo la “sottrazione” di materiale dal PCB interamente ricoperto per ottenere le nostre piste.

IL TRASFERIMENTO DIRETTO

Se dobbiamo realizzare un circuito “una tantum” e molto semplice, questo metodo può essere un buon inizio, anche perchè non necessita di particolari tecnologie. Ciò di cui abbiamo bisogno è un semplice “pennarello magico” capace di disegnare le piste e di proteggere il rame una volta che effettueremo la famosa “sottrazione” di prima. Una sorta di impermeabile, quindi, che eviterà al materiale sottostante di venir intaccato dalla successiva corrosione che dovremo operare. Si può acquistare presso un qualsiasi negozio di elettronica, ad un costo non eccessivo.

- Puliamo bene la basetta, non devono esserci residui di grasso, sporco o ditate. La superficie deve risultare dal colore brillante e omogeneo. Una carta vetro dalla grana molto fine può essere d’aiuto (ma ricordiamoci di operare con estrema delicatezza). Sciacquiamo e lasciamo asciugare in un ambiente il più “asettico” possibile (quindi non in garage mentre, aspettando, vi date alla carteggiatura di un fiachetto in resina…).

- Passiamo quindi alla tracciatura delle piste con il pennarello. Ricordiamoci che ciò che stiamo disegnando è il lato inferiore, non quello superiore. Non stiamo lavorando sulla faccia dei componenti, ma su quella delle saldature. Stiamo attenti quindi, o ci ritroveremo lo stampato specchiato… E’ importante non “coprire” troppo nè troppo poco: coprendo troppo l’accumulo di vernice “magica” può creare fastidiose crepe durante l’evaporazione del solvente; coprendo poco ed in maniera poco omogenea, non proteggeremo correttamente il rame sottostante, che verrà attaccato dall’acido pregiudicando la qualità della pista di connessione. Ricordiamo anche che il rame si ossida in fretta, non lasciamo quindi nel dimenticatoio la basetta appena pulita o rischieremo di aver buttato del tempo, passiamo quindi subito al disegno delle piste. Vedremo poi come effettuare l’incisione vera e propria.

LA FOTOINCISIONE

Un secondo metodo per “passare” lo schema dalla carta alla basetta è la fotoincisione. E’ una tecnica che prevede vari passaggi, ma se dobbiamo realizzare circuiti più complessi o semplicemente più circuiti, in questo modo ci è dato sviluppare un “master” da poter utilizzare tante volte, con il risultato di ottenere stampati sempre identici e di qualità superiore: piste e piazzole di contatto eventualmente più piccole e più precise, nonchè la possibilità di disegnare lo schema da PC.

- I supporti per la tracciatura dello schema possono essere due: la carta semi-trasparente che si usa in disegno tecnico (tracing paper) per cui è necessaria una doppia stampa sovrapposta, o volendo si può tentare anche con la carta comune. Quello che ci interessa è un materiale che dove stampato sia il più nero possibile (al massimo cercate un tipolitografo con un photoplotter Gerber, magari) ma che dove non stampato sia il più trasparente possibile. Trasparente e opaco inteso in relazione ai raggi UV, sia chiaro, non alla luce normale. La carta comune, in verità, non è propriamente trasparente e perciò necessiterà di una maggiore esposizione ai raggi. L’importante è poter disegnare tratti mantenendo un’elevata precisione e contrasto in stampa.

- Il master dovrà presentare un tratto coprente assolutamente preciso ma sopratutto opaco ai raggi ultravioletti del bromografo. Possiamo controllarlo in contro-luce, come si fa con le lastre.

Ciù is megl che uan, ma più di ciù non is megl…

- La basetta non può più essere però quella di prima: occorre un supporto pre-trattato con uno speciale polimero che si “smuova” sotto i raggi UV di modo da poter essere facilmente rimosso. Presso un negozio di elettronica (lo stesso dove avevate visto il pennarello, eventualmente) potrete procurarvi questa basetta “speciale” trattata, si dice, con vernice fotosensibile.

- Tolta la pellicola protettiva è necessario “sbrigarsi”, evitare l’esposizione diretta ai raggi del sole, ai neon e alle alogene.

- Per illuminare la basetta presensibilizzata si usa normalmente il bromografo. Questo strumento, piuttosto costoso, sopratutto se con caratteristiche professionali, è in grado di “stampare sullo stampato” tutta la superficie non protetta dal master.

bromografo

In sostanza, il disegno precedentemente tracciato funzionerà semplicemente come schermo protettivo per la vernice fotosensibile, creando un’ombra che non verrà trapassata dagli UV. E’ possibile autocostruirne uno con materiali più economici e reperibili, cercate in internet. In alternativa una lampada per abbronzatura e una lastra di vetro possono comunque fare al caso nostro. E’ importante che il master aderisca bene al PCB: si può utilizzare appunto una lastra di vetro (non troppo spessa) e, se avete scelto il foglio lucido, stamparlo precedentemente a specchio e rovesciarlo con la parte disegnata a contatto della vernice fotosensibile. Questo poichè il foglio di lucido, essendo più spesso di quello di carta comune, potrebbe “sfuocare” la fotoincisione, pregiudicandone la precisione. Inserendo invece il foglio capovolto, ricondandoci appunto di stamparlo sul cartaceo già specchiato, la luce passerà prima attraverso il foglio e solo dopo troverà il disegno, direttamente a contatto con la basetta.

- Purtroppo spesso è difficile notare ad occhio nudo se la fotoincisione è avvenuta correttamente, la vernice sembra non abbia cambiato colore, dopo l’esposizione. Dobbiamo però prevedere in anticipo la durata del trattamento per non rischiare che tempi troppo lunghi o troppo brevi pregiudichino la qualità del risultato finale. Per far questo dovremo effettuare qualche prova con una basetta nuova da sfruttare come cavia. In funzione del tipo di strumentazione che utilizzerete, potrete trovare nei forum o in qualche testo di elettronica “pratica” un’indicazione a grandi linee delle tempistiche più adatte. Se utilizzate invece un bromografo commerciale vero, troverete tutto nel libretto di istruzioni. Esiste eventualmente un’ultima soluzione: preparare un primo master che non abbia nulla a chè vedere con il vostro circuito, ma che presenti solamente delle piste di diverso spessore. Una volta ottenuto il PCB finito, fotoinciso e trattato con “l’acido” potremo valutare la qualità delle piste finite in funzione del tempo che abbiamo dedicato all’esposizione vera e propria; sullo stampato definitivo potremo così modificare i parametri a seconda.

esposizione corretta

esposizione eccessiva

esposizione insufficiente

- La dimensione delle piste andrà progettata in funzione dello spessore di rame della basetta (a cui non possiamo prescindere) e della corrente che dovrà circolare. Per essere sicuri, a riguardo della sovratemperatura, si potrebbe utilizzare il metodo in uso nei crossover “di serie” che ci vengono solitamente forniti: se notate, infatti, non vediamo realmente le piste di conduzione vere e proprie, le quali appaiono come grosse aree intervallate tra loro. In quei casi, infatti, il master viene disegnato al negativo, ovvero tutto coperto tranne le separazioni isolanti. Il trattamento di fotoincisione in realtà non incide le piste, ma lascia tutto il PCB intatto tranne che per i soli spazi che fungeranno da isolante. Viene utilizzato questo metodo poichè la casa costruttrice non può immaginare quanta potenza applicherete al sistema di diffusione e non può quindi calcolare a priori la larghezza dei tratti. Sfruttando tutta la superficie della basetta, quindi, può ragionevolmente conferire elevati dimensionamento e sicurezza al circuito. Vi è un contro, però: sappiamo bene che per la seconda legge di Ohm, la pista deve essere anche il più corta possibile. La larghezza non è un problema, anzi, aumenta la sezione e fa diminuire la resistenza, ma la lunghezza opera nell’esatto contrario. Fate gli opportuni calcoli, prima, considerando una via di mezzo tra una pista da 1 mm di larghezza ed una piazzola da magari 9 cmq…! Diciamo che per un generico filtro a due vie, gli assorbimenti sono tali per cui una pista larga 5 mm e relativamente breve (5 centimetri) su una basetta da 35 micron, rende un risultato adeguatamente dimensionato: sovra-temperatura di circa 10°C con assorbimenti nell’ordine dei 7 Arms, per una resistenza a 25°C, di:

ovvero 4,8 mΩ.

A voi i dovuti calcoli. Come ulteriore esempio vi voglio ricordare che un connettore di un qualsiasi componente, dell’ordine del mezzo millimetro di diametro circa (ad esempio un condensatore “economico” per tutti i giorni), ha una sezione di 0,197 mmq (0,25 mm x 0,25 mm x 3,14), facciamo 0,2 mmq per abbondare.

Quanto dovrebbe essere larga, la pista, per avere una medesima sezione di 0,2 mmq, considerando che l’altezza è fissa a 35 micron?

ovvero 5,7 mm.

Siamo comunque abbondantemente nei limiti, considerando che il connettore deve resistere a correnti che possano anche provocare la distruzione completa del componente…

In conclusione, piste larghe 5 mm su basetta da 35 micron, mostrano una sovratemperatura esigua di 10°C con addirittura 7 Arms di corrente ed una resistenza molto bassa di 4,8 mΩ. Più le allargherete e più diminuiranno sia la sovratemperatura che la resistenza (oltre 10 Arms che diventano 20 con un’ancora largamente accettabile sovratemperatura di 30°C e 2,4 mΩ, la metà, per 1 cm di larghezza).

- Ma torniamo a noi. Abbiamo disegnato il master e ne abbiamo fotoinciso alcune aree dopo aver effettuato una prova su un’altra basetta per capire i tempi di esposizione necessari. Ora non ci resta che eliminare la vernice su dette zone per poter poi passare il tutto nell’ultima soluzione che eroderà finalmente il rame “vivo” rimasto, non più protetto.

- La soluzione in grado di sciogliere la vernice fotosensibile illuminata dai raggi UV del bromografo è la stessa che si usa per sturare i lavandini… Andate in cucina, aprite le antine sotto i lavelli e troverete sicuramente il mitico NIAGARA, a base di soda caustica. Se volete fare i raffinati potreste anche acquistare la soluzione “originale” nello stesso negozio di prima, ma dato che non vogliamo spendere troppi soldi ci va benissimo la “sottomarca”. Qualche accortezza: è scontato ricordare che la soda caustica sia corrosiva se molto concentrata, quindi attenzione; la soluzione non deve presentare grumi o granuli, dobbiamo sciogliere bene 2/3 di cucchiaini in un litro d’acqua in un bacinella abbastanza larga, tipo quelle dei fotografi, di modo da poter immergere la basetta (con la superficie di rame verso l’alto) senza che questa risulti “affogata”. Le dosi possono variare, se il processo è troppo lento, però, non estraete lo stampato per aggiungere altra soda, o peggio aggiungerne mescolando ma lasciandolo dentro; preparatevi a parte una soluzione più concentrata già ben disciolta e versatela poco alla volta lontano dal nostro PCB. In circa mezzo minuto dovreste ottenere il risultato voluto: la superficie cambia colore, generando una patina che è bene smuovere con un pennello agitando la soluzione delicatamente di modo da poter intravedere le piste finite. Una vernice di qualità ed un’ottima esposizione vi consentiranno di lasciar dentro il supporto nella soluzione quanto volete, ad essere certi che la reazione abbia fatto effetto e non vi siano tracce rimaste sul rame pulito (quello che poi dovremo eliminare). Questa operazione va eseguita al “caldo”, o comunque non in giardino al 31 dicembre… 20/25°C vanno più che bene.

L’INCISIONE CHIMICA

Che abbiate utilizzato un metodo o l’altro, ora ci ritroviamo una basetta con disegnate/fotoincise le piste che ci servono e dobbiamo eliminare tutto il rame vivo in eccesso. Per questa operazione si utilizza un prodotto chimico più pericoloso ancora della soda caustica di prima: il percloruro di ferro (FeCl3). Lo trovate sempre nel solito negozio (mi raccomando, non mischiatelo al Niagara dell’altra bacinella nè versatelo in contenitori metallici - solo plastica o vetro)… Occhiali di protezione, guanti di quelli seri, tuta da meccanico e via all’aperto (più fa freddo è più l’operazione risulterà lenta). Non facciamo passare troppo tempo dalla fotoincisione, il rame comincerebbe ad ossidarsi e la vernice fotosensibile a degradarsi sotto la luce del sole o delle lampade di casa vostra. E’ buona norma immergere lo stampato questa volta con la superficie ramata verso il basso ma non a contatto con il fondo della bacinella. Potete tenerlo rialzato con delle staffe verticali che lo fissino ai lati (tipo una grossa H) o con dei fili di cotone che attraversando il contenitore di traverso fungano da appoggio. Sbizzarritevi, sta di fatto che se potrete controllare il procedimento fino ad un risultato visivamente corretto sarà nettamente meglio. Ricordiamoci anche che in funzione della qualità dello strato fotosensibile, tempi troppo lunghi possono comunque attaccarlo iniziando una vera e propria erosione, così come può accadere che i lati delle piste piccole vengano compromessi (a causa dei 35 micron di spessore di prima).

Errori di incisione

La zona verde è stata incisa correttamente, la zona blu troppo e quella gialla troppo poco. Problemi relativi principalmente a temperatura troppo bassa, scarsa pulizia dello stampato, ossidazione del rame, percloruro poco efficace o troppo vecchio o soluzione sbagliata.

Finalmente abbiamo terminato e possiamo cominciare a saldare i componenti sul nostro nuovissimo e fiammante PCB. Un’ultima considerazione: alcune vernici fotosensibili posso essere stagnate senza problemi, altre no. E’ bene controllare prima, dato che in casi particolari potrebbero crearsi addirittura fumi nocivi. Male che vada, se vedete che fate fatica a saldare, passate la superficie con una carta vetro a grana molto fine e con delicatezza per togliere la patina rimasta. Ma se riuscite a trovare un photoresist “saldabile” sarete sicuri che le piste non si ossideranno con facilità.

Buon lavoro!!!