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La Fotoincisione

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 Cos'è la fotoincisione?

Per dare un aspetto professionale ai propri circuiti elettronici e per non impazzire con collegamenti volanti l'unico sistema è quello di usare la fotoincisione. Sarà così possibile realizzare più esemplari del proprio circuito stampato, raggiungendo uno spessore minimo delle piste di 10 mils cioè 0,25 mm. La fotoincisione è un procedimento fotografico e quindi, tanto più definita sarà la pellicola master, tanto più saranno definite le piste, che potranno essere quindi più sottili, come gli altri disegni serigrafici (ad esempio l'indicazione "1" vicino al pin di un chip), riducendo le dimensioni finali del circuito stampato. La fotoincisione permette di raggiungere degli ottimi risultati, anche se molto dipende dalla qualità dei materiali usati e da tanti altri parametri. A livello amatoriale è sempre difficile raggiungere (con poca spesa) dei buoni risultati, ma dopo una prima fase di prove per ottimizzare diversi fattori, la qualità dei circuiti stampati sarà eccellente. Il procedimento di fotoincisione spiegato vale per un circuito monofaccia, ma può essere facilmente esteso ad un circuito stampato a doppia faccia. E' uno dei tanti metodi usati dagli hobbisti, per questo troverete persone che raggiungono i miei stessi risultati con un procedimento diverso... in fondo ognuno ha il suo sistema, l'importante è che funzioni!


 Precauzioni
Per eseguire una fotoincisione si devono maneggiare due particolari composti chimici: soda caustica (NaOH) e percloruro ferrico (FeCl3). Sono elementi chimici da trattare con cura e per maneggiarli con sicurezza sono necessarie alcune piccole precauzioni: usate guanti di plastica usa e getta dall'inizio alla fine del procedimento. Usate occhiali protettivi per evitare schizzi dei prodotti e state lontano dalle vaschette con gli occhi e le altre parti del corpo. Lavorate in un ambiente sufficientemente aerato per disperdere eventuali vapori di acido cloridrico (HCl) che si formano durante l'incisione, nonchè di trielina e di spray protettivo per circuito stampato. Non fumate, non lasciate fiamme libere, non provocate scintille, non lasciate saldatori o simili accesi. Le soluzioni di soda caustica e percloruro ferrico vengono utilizzate diluite. Non fate strani tentativi da alchimisti per avere una maggiore resa: potreste veder sciogliersi le vaschette, tutto il photoresist o il rame, nonchè provocare fumi e vapori nocivi. La soda caustica è un elemento causticante, in grado di "bruciare" l'acqua contenuta nei composti con i quali viene a contatto. Evitate quindi di toccarla con le mani nude, se non volete ustionarvi. Il percloruro ferrico erode simpaticamente i metalli non nobili e non cromati, nonchè tessuti, plastica porosa, legno ed altro ancora. Nel caso si venga a contatto con questi poco amichevoli composti è bene sciacquare abbondantemente con acqua ed eventualmente consultare un medico, soprattutto nel caso di contatto degli occhi con soda caustica. Non guardate la luce emessa dai tubi del bromografo, che deve essere ovviamente chiuso durante l'esposizione. I tubi a raggi ultravioletti emettono infatti radiazioni UVA, UVB, UVC, pericolose per gli occhi e per la pelle. E' pericolosa soprattutto l'esposizione alla luce UVC, usata come germicida, che provoca alterazioni molecolari. La trielina e lo spray protettivo sono composti a base di solvente, e come tali sono facilmente infiammabili, nonchè tossici. Bene ora che siete sufficientemente spaventati, e quindi sono sicuro che non farete cose azzardate, siete pronti per iniziare.


Il Materiale

Tutti i composti chimici sono facilmente reperibili nei negozi di elettronica, già pronti in buste predosate. Di solito la soda caustica viene venduta in bustine da 3-7 grammi da diluire in un litro d'acqua. Il percloruro è venduto in palline da sciogliere sempre in un litro d'acqua, oppure già pronto in taniche. Entrambe le soluzioni devono essere conservate in bottiglie di plastica, per evitare che cadute accidentali ne disperdano il contenuto ovunque. Ricordatevi di agitare le soluzioni prima di impiegarle, poichè tendono a depositarsi. Per le vaschette di sviluppo, incisione ed acqua potete utilizzare quelle di vetro o plastica che si usano per conservare i cibi in frigorifero. Solo per la trielina dovrà essere usata una vaschetta di vetro, altrimenti si scioglierà. Lo spray protettivo per circuiti stampati si trova facilmente nei negozi di elettronica, senza confonderlo con i vari spray per pulire i contatti elettrici! Per prelevare le piastre dalla vaschette usate diverse pinzette di plastica e non di metallo, altrimenti verranno corrose dalla soluzione di incisione, o potrebbero graffiare il photoresist.



Le Attrezzature

Avete bisogno di un bromografo e di una vaschetta per incisione, meglio se ad aria. Entrambi possono essere acquistati a caro prezzo presso i negozi di elettronica, oppure autocostruiti. Il bromografo è una scatola contenente due, quattro o più tubi al neon (a raggi ultravioletti UVA o UVB o UVC) posti sotto una lastra di vetro spessa 4-10 mm. La scatola deve avere un coperchio a chiusura pressante (è per questo che il vetro non deve essere troppo sottile), sotto il quale si applicherà un pannello di gomma. Si può aggiungere anche un timer, ma visto il costo ed i brevi tempi di esposizione, forse è meglio usare (ecco a cosa serve) il cronometro dell'orologio! Il mio bromografo impiega 4 tubi UVC da 8 Watt ciascuno, posti ad un centimetro dalla lastra di vetro. I tubi UVC riescono a polimerizzare il photoresist come quelli UVA, ma hanno il vantaggio di costare meno e di essere meno ingombranti. Potete trovarli nei negozi di elettricità (li produce Philips), insieme ai reattori ed agli starter necessari per pilotarli.


Schema Elettrico pilotaggio 2 Tubi UVC per Circad (2 Kb)
Schema Elettrico pilotaggio 2 Tubi UVC formato .gif (9 Kb)

Attenzione il bromografo funziona a 220 Volt, quindi è bene controllare che tutta la struttura sia bene isolata dalla tensione di rete. Se avete abbastanza spazio inserite un piccolo neon bianco da usare per l'allineamento dei master. Per avere un riferimento durante la posa della piastra da esporre piazzate sulla lastra di vetro (con del biadesivo) due piccoli segmenti perpendicolari di plastica.
La vaschetta per incisione ad aria è una semplice vaschetta nella quale è stata inserita una trama di tubicini, terminanti in microdiffusori nei quali scorre aria soffiata da una piccola pompa per acquario (dalle 10.000 alle 30.000 lire). Si può inserire un secondo rubinetto per far defluire il percloruro direttamente nella bottiglia senza rischiare pericolosi travasi. I microdiffusori, i tubicini, i giunti ed i rubinetti, si trovano nei centri fai da te (area Giardinaggio). Questo sistema aumenta la qualità della piastra finita e la velocità di incisione.

 

Preparazione del Master

Anche senza computer si può ottenere il master per un circuito stampato. Per farlo si possono usare i trasferibili della serie R41, da applicare su un foglio di acetato. Così facendo il master avrà la migliore qualità possibile.

Non usate i pennarelli per circuito stampato sui fogli di acetato poichè l'inchiosto, se non viene steso in maniera molto corposa e compatta, risulta trasparente ai raggi ultravioletti. Lo svantaggio dei trasferibili è che ogni modifica sostanziale del circuito stampato significa dover ricreare da zero il master su acetato. Usare il personal computer vuol dire avere disponibile un nuovo master in pochi minuti. Per avere un buon master è indispensabile che il programma utilizzato permetta di stampare il layout del nostro circuito esattamente in scala 1:1, con una risoluzione di almeno 300 dpi. Importante è poi avere una buona stampante a getto d'inchiostro o meglio ancora laser. Industrialmente vengono utilizzati i photoplotter Gerber (più nero non si può), ma noi poveri hobbisti possiamo accontentarci di molto meno. Per ottenere un ottimo risultato è bene che la parte nera del master, cioè pin, pad, piste, eccetera, sia il più impenetrabile possibile alla luce (ultravioletta), mentre la parte trasparente lo sia il più possibile. Una buona stampante a getto riesce a stampare un master ad elevato contrasto, spesso paragonabile ai master prodotti dalla stampanti laser.
La stampa deve essere eseguita non su carta comune, ma si deve utilizzare la tracing paper di colore grigio/verde semitrasparente, comunissima, usata ad esempio per disegnare a china i disegni tecnici, dal costo irrisorio. Per ogni realizzazione si devono stampare due esemplari del tracciato del PCB, utilizzando questo tipo di carta. Attenzione, utilizzando una stampante a getto è necessario circa un minuto affinchè la carta assorba completamente l'inchiostro.
Se possedete una stampante a getto abbastanza recente, in grado di stampare su lucido, utilizzate i lucidi per presentazioni (ad esempio "ILFOJET - Transparency Film " di ILFORD) per stampare i due esemplari del tracciato del PCB. Prestate attenzione, in fase di caricamento dei fogli, al lato ruvido su cui deve essere effettuata la stampa del tracciato PCB. Il contrasto e la qualità di stampa delle "pellicole" così ottenute sono ottimi. L'unico inconveniente del supporto lucido è la relativa delicatezza con cui deve essere trattato. Infatti la superficie stampata, se graffiata leggermente, può scoprire aree più o meno estese di inchiostro.

Dopo aver stampato i due master, tagliamoli lasciando una cornice di circa un centimetro. Per non sprecare carta si possono stampare più esemplari del master per ogni foglio. Potremo così scartare gli esemplari stampati male.Per sapere se il nostro master passerà la prova raggi ultravioletti, occorre verificare che sia il più possibile contrastato, cioè il nero deve essere nero-nero, mentre le aree semitrasparenti devono lasciar passare più luce possibile. Per fare questo prendiamo due dei master appena stampati e cercando di farli coincidere esattamente, puntiamoli a qualche centimetro da una normale lampada (o meglio un piccolo neon), magari aiutandoci con un piccolo vetro, controllando la qualità del master: se vi sono aree nere più chiare di altre, oppure il nero risulta essere un pò sbiadito, sicuramente è il caso di ristampare i master, altrimenti la fotoincisione darà pessimi risultati. Non serve sovrapporre più di due master. Così facendo, infatti, anche le parti semitrasparenti si comportano da barriera per i raggi ultravioletti, dando così l'impressione di aver sbagliato i tempi di esposizione durante la fase di sviluppo. Se è bene controllare che le aree nere lo siano il più possibile, è anche utile controllare che i fori dei vari pad siano visibili: dopo l'incisione del circuito stampato sarà così molto più facile forarlo. Se lavorate in Smd... fate finta di non aver sentito.


 Esposizione

Una volta ottenuti i due esemplari del master, occorre posizionarli correttamente sul bromografo. Innanzitutto pulite con un pò d'alcool il vetro del bromografo, togliendo eventuali impronte digitali, pezzi di panino ed avanzi di Nutella. Chi è particolarmente peloso ricordi che anche una ciglia può rovinare un lavoro certosino: è infatti una barriera per i raggi ultravioletti e può creare una piccola pista fantasma, fonte di simpatici cortocircuiti.

Senza considerare se il layout del circuito stampato è stato ottenuto lavorando dal "lato componenti" o dal "lato rame", un metodo semplice per non sbagliare nel posizionare i master è fare in modo che la zoccolatura di un chip del circuito sia visibile come a lato. In pratica il pin 1 deve essere sempre nell'angolo più a sinistra del rettangolo dei pin del chip.
Ora posizionate il primo master e stendendolo bene, applicate quattro pezzetti di scotch 3M (quello per i disegni tecnici) sui bordi. Attivate la luce bianca di servizio del bromografo o usare qualche altro sitema (luce riflessa, lampada puntata sopra il bromografo), in modo da poter sovrapporre al primo master il secondo, facendolo coincidere perfettamente con il primo. Fissate il secondo master come il primo. Migliore sarà la sovrapposizione e più definite saranno le piste. Se usate una stampante a getto d'inchiostro è possibile che i due master non siano esattamente uguali, ma differiscano per qualche decimo di millimetro. Questo può essere dovuto alla carta raggrinzita dall'inchiostro assorbito, oppure da un avanzamento non perfetto della carta durante la stampa. E' indispensabile che i due master siano esattamente coincidenti ed esattamente in scala 1:1, altrimenti potrete avere seri problemi durante la fase di posizionamento e saldatura dei componenti, soprattutto riguardo chip, zoccoli e led. Ad esempio, nel disegno a lato si vedono delle aree rosse: significano che il master rosso è leggermente più piccolo (verticalmente) e più largo (orizzontalmente) di quello verde ed è meglio rifarlo per non avere problemi durante l'incisione. Infatti, tutte le aree rosse andranno a coprire spazi che invece dovrebbero essere liberi, creando cortocircuiti ed altri danni. Un buon riferimento per il posizionamento sono i pad più esterni degli angoli del master: se sono allineati il resto dovrebbe essere a posto. Controllate inoltre che siano visibili i fori dei pad.
Bene, ora che il master è posizionato, prendiamo la piastra presensibilizzata già dimensionata (con seghetto, fresa, ecc.), stacchiamo la pellicola nera protettiva e velocemente posizioniamola sul bromografo usando le tacche di riferimento. Chiudiamo sempre velocemente il bromografo ed attiviamolo per 3 minuti esatti. Le piastre per fotoincisione sono sensibili ai raggi ultravioletti, ed è quindi meglio non lavorare in un ambiente molto luminoso per non compromettere la qualità del photoresist ancor prima di esporlo nel bromografo. Il tempo di esposizione è molto variabile (da 10 secondi a qualche minuto) e dipende dalla potenza dei tubi e dalla qualità del photoresist. Per trovare il giusto tempo di esposizione usate piccoli quadratini di piastra sensibilizzata ed esponeneteli per un tempo variabile, usando sempre i due master sovrapposti prima posizionati. Ricordate che il tempo varia a seconda della marca della piastra, quindi fate diverse prove per ottenere il giusto tempo di esposizione per ognuna.

 

Sviluppo

Terminata l'esposizione con le dovute precauzioni mettiamo la piastra esposta nella vaschetta con la soluzione di soda caustica diluita. Dopo qualche secondo inizieremo a vedere il layout del circuito stampato. Agitando la vaschetta si velocizzerà lo sviluppo. Non appena il layout è quasi del tutto formato e tutte le aree esposte sono state dissolte, aiutiamoci con un batuffolo di cotone ed una pinzetta per smuovere i vari residui di photoresist. Cercate di non toccare, graffiandolo, il layout del circuito stampato, altrimenti scoprirete aree protette che verranno così rimosse durante l'incisione. Non abbiate paura nello strofinare le aree protette (senza esagerare), questo infatti serve a testare la consistenza del photoresist protettivo. Se è insufficiente verrà completamente asportato, rovinando il circuito stampato, durante l'incisione. Nelle foto qui sotto potete vedere il risultato provocato da un'eccessiva o insufficiente esposizione della piastra agli UVC.

Se il photoresist protettivo è inconsistente occorre diminuire il tempo di esposizione. Se invece non si riesce ad ottenere una completa rimozione del photoresist esposto, allora è il caso di aumentare il tempo di accensione del bromografo. Non superate i 20-25 secondi di sviluppo in soda caustica o correrete il rischio che questa intacchi anche il photoresist non esposto. Una volta che la piastra è stata sviluppata, preleviamola non con le mani e poniamola per 5-20 secondi in una vaschetta d'acqua. In questo modo verranno eliminati i residui di soda caustica e del photoresist asportato. Ora togliamo la piastra dall'acqua ed asciughiamola con un foglio di Scottex, controllando la qualità del photoresist. E' indispensabile che il photoresist protettivo sia uscito indenne dall'esposizione e dallo sviluppo, altrimenti verrà spazzato via senza pietà dal percloruro ferrico durante l'incisione. Ora il circuito stampato è pronto per essere inciso. Questa fase può avvenire anche diversi giorni dopo quelle precedenti. Nel frattempo, è indispensabile conservare la piastra in un sacchettino chiuso di plastica (per evitare l'ossidazione del rame), lontano da fonti di luce o calore (per evitare l'alterazione del photoresist protettivo). Potrebbe accadere che alcune piste sottili e molto vicine risultino cortocircuitate dal photoresist protettivo. Per aggirare l'inconveniente le soluzioni sono due: prima dell'incisione rimuoviamo il problema con un taglierino od un piccolo punteruolo, graffiando via il resist indesiderato. Volendo possiamo fare la stessa cosa dopo l'incisione, poichè non sempre tutto il photoresist protettivo rimasto riesce a fare da scudo contro la soluzione di incisione e molto spesso piccoli cortocircuiti vengono dissolti dal percloruro.

 Incisione

Il sistema più semplice per incidere la piastra sviluppata è adagiarla in una vaschetta di percloruro ferrico per un tempo variabile dai 20 ai 50 minuti, tempo che dipende soprattutto dalla temperatura e dalla saturazione del percloruro. Un sistema migliore, che dà ottimi risultati, è fare in modo che nella vaschetta di percloruro vengano aggiunte delle bolle d'aria, mantenendo la piastra a faccia in giù durante l'incisione. Così facendo la durata di questa fase si assesta sotto i 30 minuti. Per tenere sollevata la piastra dal fondo della vaschetta appoggiamola su due o più fili di cotone, fatti scorrere tra alcuni fori laterali della vaschetta stessa. I fili di cotone vanno lasciati più lunghi del necessario: tirandoli permetteranno così di sollevare la piastra dal percloruro senza sporcarsi per controllarne l'incisione. "Ma i fili come li blocco?".. provate a farli passare sotto la vaschetta schiacciandoli..
La temperatura è un fattore molto importante ed influisce direttamente sul tempo di incisione: se si lavora attorno ai 15°C (inverno) il tempo aumenta, mentre se si lavora sui 30°C (estate) il tempo diminuisce. La piastra deve restare a bagno nel percloruro per il tempo strettamente necessario, infatti, tempi di incisione elevati fanno in modo che venga corroso anche lo strato di rame sotto il photoresist protettivo, danneggiando il circuito stampato. Per elevare la temperatura di lavoro della soluzione di incisione non è consigliabile scaldare il percloruro ferrico con metodi artigianali, lavorando in ambienti chiusi, poichè si svilupperebbero vapori di HCl (acido cloridrico) che, volatilizzandosi, degraderebbe la qualità del percloruro. Per ottenere un'incisione ottimale posizioniamo la piastra nel percloruro, attiviamo la pompetta ad aria, regoliamo il flusso delle bollicine, copriamo senza chiuderla la vaschetta con un foglio di carta assorbente od uno straccio ed aspettiamo circa 10-15 minuti, quindi controlliamo l'incisione. Così facciamo ogni 5-10 minuti fino a quando occorrerà. Sarà necessario spostare la piastra di qualche millimetro per evitare che sia incisa anche nelle zone coperte dai fili di cotone di sostegno. Una volta terminata l'incisione mettiamo la piastra nella vaschetta d'acqua per togliere i residui di percloruro, asciughiamola e controlliamola. Visto che è uno dei primi tentativi di fotoincisione sicuramente qualche pista sarà svanita nel nulla, qualcun'altra sarà interrotta o assottigliata, qualche pista diagonale non ci sarà più.. Tutto questo dipende da almeno uno dei vari fattori di cui ho parlato prima, come ad esempio la temperatura di lavoro, i tempi di esposizione, sviluppo, incisione, la qualità del master, del ptohoresist, del percloruro, eccetera.

Nella foto a lato potete vedere un pessimo risultato finale, anche se con tempi di esposizione corretti e photoresist perfettamente sviluppato. Solo la zona verde è stata incisa correttamente, mentre nella zona blu è svanita una parte delle piste. Invece, nella zona gialla il percloruro non è riuscito ad rimuovere tutto il rame. Questi problemi possono dipendere da una scarsa pulizia della piastra (che può essere ossidata), da una cattiva qualità del percloruro (che si sta saturando, cioè esaurendo), da una mancato ricambio della soluzione d'incisione (che ristagna) o dalla temperatura ambientale (troppo bassa).

Operazioni Finali

Una volta ottenuto il nostro bellissimo circuito stampato è necessario rimuovere il photoresist protettivo rimasto. Togliete quindi i master dal bromografo ed esponete nuovamente la piastra per alcuni minuti. Dopo l'esposizione ponetela nella vaschetta di soda caustica per rimuovere tutto il photoresist. Quindi passatela nella vaschetta d'acqua, asciugatela e controllatene la qualità. L'unica cosa che rimane da fare è forare il circuito stampato e spruzzarlo (dal lato rame!) con un velo (ho detto velo, non strato) di spray protettivo per circuiti stampati. In questo modo sarà più facile saldare i componenti e si eviterà che il rame, ossidandosi, diventi scuro (e brutto). Il protettivo ha bisogno di qualche minuto per asciugarsi, quindi non siate impazienti. Dopo aver saldato i componenti, se volete rimuovere i residui del disossidante contenuto nello stagno, pennellate la piastra con un pò di trielina, immergendola in una vaschetta di vetro, altrimenti la vedreste sciogliersi all'istante (la trielina è un solvente) e, ma non è indispensabile, spruzzate nuovamente la piastra con il protettivo. Attenzione pennellate la piastra solo prima di inserire i chip sugli zoccoli ed evitate questa operazione se il circuito contiene elementi sensibili come mosfet, igbt, ed altri gingilli sensibili alle scariche elettrostatiche, poichè potreste danneggiarli! La soda caustica diluita ed il percloruro possono essere impiegati decine di volte prima di "esaurirsi", prima cioè di non essere più in grado di svolgere la propria azione. Per questo dopo ogni realizzazione non bisogna gettarli (sono inquinanti!), ma occorre riversarli nelle rispettive bottiglie di plastica, riutilizzandoli così più volte. Non vi preoccupate se la soluzione così ottenuta non è più limpida come quella iniziale: funzionerà bene ugualmente. Ricordatevi di sciacquare ed asciugare bene le vaschette prima di riporle. La vaschetta per incisione dovrà essere riempita con acqua, attivando la pompa ad aria. Così facendo verranno rimossi tutti i residui di percloruro penetrati nei tubicini, nel rubinetto e nei diffusori

 

 



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