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La fotoincisione

come realizzare da soli i propri circuiti stampati

cos'è la fotoincisione?

Per dare un aspetto professionale ai propri circuiti elettronici e per non impazzire con collegamenti volanti l'unico sistema hobbistico valido è la fotoincisione . Questo sistema permette di ottenere piste con una larghezza minima anche inferiore ai 10 mils (10 millesimi di pollice) ovvero 0,25 mm.

La fotoincisione, come dice il termine, è un procedimento fotografico, quindi, tanto più sarà definita la pellicola master, di cui parleremo più avanti, tanto più lo saranno le piste e gli altri elementi serigrafici che verranno realizzate sul rame del circuito stampato (PCB).

La qualità di un processo di fotoincisione dipende, in gran parte, dalla qualità dei materiali usati. Dopo una prima fase di prove per ottimizzare i diversi fattori del procedimento, riuscirete ad ottenere sicuramente dei PCB di ottima qualità.


PERICOLO CHIMICO !


La fotoincisione è un procedimento chimico-fotografico che vi porterà a fare la conoscenza di due sostanze chimiche (soda causticae percloruro ferrico) poco simpatiche.

Quindi, vi raccomando sempre l'uso di guanti, occhiali ed indumenti protettivi, la ventilazione dei locali e la necessità di mantenere lontani agenti innescanti la combustione, come fiamme libere, scintille, fonti di alimentazione non adeguatamente protette. Infine, vi raccomando di utilizzare contenitori e strumenti resistenti agli agenti impiegati.

Attenzione!

piccole grandi precauzioni

Come anticipato, per eseguire una fotoincisione dovrete 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 ed 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 i vapori di cloro che si formano durante l'incisione, in quantità proporzionale alla temperatura a cui viene mantenuto il percloruro ferrico.

Le soluzioni di soda caustica e percloruro ferrico vengono utilizzate diluite. Non fate strani tentativi per avere una maggiore resa poiché potreste veder sciogliersi le vaschette, il photoresist o il rame nonchè provocare vapori nocivi ed ustionarvi o irritarvi le mani e gli occhi.

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, infatti, a seconda del tipo emettono radiazioni UVA, UVB, UVC, pericolose per gli occhi e per la pelle, soprattutto le radiazioni ultraviolette UVC, utilizzate come germicida.

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. Ricordate di mettere il contenuto della bustina nell'acqua e non il contrario, altrimenti si potrebbe sviluppare una reazione chimica con grande sviluppo di calore.

Il percloruro, invece, viene venduto in palline di agglomerato 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.

Ricordate di agitare le soluzioni prima di impiegarle, poiché tendono a depositarsi. Per le vaschette di sviluppo, incisione ed acqua potete utilizzare quelle di plastica che si usano per conservare i cibi in frigorifero.

Solo per la trielina, che utilizzerete dopo la saldatura dei componenti per eliminare i residui di flussante, dovrete usare una vaschetta di vetro, altrimenti si scioglierà. Lo spray protettivo per circuiti stampati si trova facilmente nei negozi di elettronica, ma fate attenzione a non confonderlo con gli spray per pulire i contatti elettrici.

Per prelevare le piastre dalla vaschette usate diverse pinzette di plastica e non di metallo, altrimenti saranno corrose dalla soluzione di incisione o potrebbero graffiare il photoresist.

le attrezzature

Le uniche attrezzature particolari di cui avrete bisogno sono un bromografo ed una vaschetta per incisione ad aria. Il bromografo è una apparecchiatura costituita da un contenitore al cui interno sono posti due, quattro o più tubi al neon a raggi ultravioletti UVA o UVB o UVC, la cui luce filtra da una lastra di vetro spessa 4-8 mm.


Bromografo professionale

Vasca per incisione

Entrambi possono essere acquistati a caro prezzo presso i fornitori di componenti per elettronica oppure autocostruiti, ad esempio, il bromografo può essere realizzato a partire da un vecchio scanner al cui interno porre i tubi al neon.

Il contenitore del bromografo deve avere un coperchio, sotto il quale è consigliabile applicare un sottile pannello in gomma, in grado di premere con decisione il circuito stampato contro la pellicola master, a contatto con il vetro da cui filtra la luce ultravioletta dei neon. Per questo motivo, il vetro non deve essere troppo sottile (almeno 4mm).

E' possibile prevedere un timer per l'accensione dei tubi, ma visto il costo ed i brevi tempi di esposizione, forse è meglio usare il cronometro dell'orologio o del telefonino. 

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 elettronica, insieme ai reattori ed agli starter necessari per pilotarli.

Attenzione! Il bromografo funziona a 230 Volt, quindi è bene controllare che tutta la struttura sia bene isolata dalla tensione di rete. Se avete abbastanza spazio, inserite dentro il bromografo un piccolo neon bianco da attivare solo durante l'allineamento dei master sulla lastra di vetro.

Come ho già anticipato, potete realizzare il vostro bromografo in mille modi diversi. Di seguito trovate alcune fotografie del bromografo che ho realizzato e che utilizzo da più di dieci anni. Lo schema elettrico è relativo solo a due tubi, ma potete mettere in cascata anche più di 2 neon utilizzando un trasformatore con una potenza almeno pari a quella richiesta dalla somma delle potenze dei singoli neon.

Per posizionare correttamente la piastra di rame sul vetro del bromografo, piazzate sulla lastra di vetro (con del biadesivo) due piccoli segmenti perpendicolari di plastica.


Bromografo chiuso

Bromografo aperto



Fissaggio del doppio vetro da 4mm

Particolare di uno dei riferimenti plastici,
fissato con biadesivo, da usare
per posizionare la piastra correttamente



Ganci di chiusura del coperchio aperti

Coperchio chiuso e bloccato.
La posizione va regolata in modo
da mantenere una pressione
non eccessiva sul piano in vetro

La vaschetta per incisione è una vaschetta di plastica di adeguate dimensioni, nella quale viene inserita una trama di tubicini, terminanti in microdiffusori nei quali scorre aria, la cui quantità è regolata da un rubinetto, soffiata da una piccola pompa per acquario. Al posto della trama di tubicini, alcuni utilizzano una pietra di diffusione per acquari, ma vi sconsiglio questo sistema poiché, con il tempo, la pietra si ostruisce e l'aria non esce più in modo uniforme.

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. Infatti, utilizzando il sistema di incisione ad aria e disponendo i microdiffusori in modo da avere una buona ossigenazione di tutta la soluzione, si favorisce l'incisione, che deve essere effettuata posizionando la piastra con il lato rame da incidere verso il basso (in modo che il rame eroso cada, per gravità, sul fondo della soluzione e non ristagni) a contatto con la soluzione di percloruro ferrico.

Di seguito trovate alcune fotografie relative alla vaschetta che utilizzo. Durante l'incisione ricordate di coprire la piastra con alcuni fogli di carta assorbente, appoggiandovi sopra il coperchio, in modo da evitare che gli schizzi di percloruro escano dalla vasca.


Vasca per incisione. Notare i fori
sui bordi dove far passare i fili
per mantenere in sospensione
la piastra, posizionata a faccia in giù
durante l'incisione

Metodo di fissaggio con
colla "a caldo"
dei tubi per ll'aria



Dettaglio di un microdiffusore integro

Microdiffusore danneggiato
da residui di percloruro ferrico

Per aumentare la velocità d'incisione si può utilizzare un riscaldatore per acquari, impostato ad una temperatura di 50°C circa, in modo da accelerare ulteriormente il processo del 20-30%. Per esperienza personale, sconsiglio questa soluzione perché il riscaldamento della soluzione di percloruro ferrico genera una, seppur modesta, quantità di vapori di cloro che, soprattutto negli ambienti chiusi, irrita facilmente gli occhi e la gola.

realizzare la pellicola master

Il master è la riproduzione delle varie tracce del circuito stampato, realizzate su un supporto trasparente che verrà utilizzato, durante la fase di esposizione, come maschera da interporre tra la luce ultravioletta del bromografo e la piastra di rame presensibilizzato.

E' possibile ottenere il master anche senza computer, usando i trasferibili della serie R41, da applicare su un foglio di acetato. Così facendo il master avrà la migliore qualità possibile anche se questo processo è consigliabile solo per circuiti molto semplici.

Non usate i pennarelli per circuito stampato sui fogli di acetato poiché l'inchiostro, se non viene steso in maniera molto corposa e compatta, risulta trasparente ai raggi ultravioletti.


Particolare di una pellicola master

Per ottenere un master in scala 1:1 e con un' ottima definizione, vi consiglio di usare un buon programma per realizzare circuiti stampati, come ad esempio CIRCAD, magari tenendo ricordando alcune problematiche (documento in inglese) che dovrebbero essere considerate per progettare in maniera perfetta un circuito stampato.

Per ottenere un ottimo master è bene che pin, pad, piste, eccetera, siano 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 che, nel complesso, risultano i migliori come qualità possibile.

Per ogni master occorre stampare due esemplari del tracciato del circuito stampato, magari utilizzando lo stesso foglio di carta lucida per presentazioni. Per non sprecare carta si possono stampare più esemplari del master per ogni foglio, scartando così gli esemplari stampati male. Un inconveniente del supporto lucido è la delicatezza con cui deve essere trattato, infatti la superficie stampata, se graffiata anche leggermente, può scoprire aree più o meno estese di photoresist.

Può accadere che i due master non siano perfettamente identici, ma differiscano per qualche decimo di millimetro. Questo può essere dovuto a diversi fattori, come un avanzamento non perfetto del foglio lucido durante la stampa.

E' indispensabile che i due master siano identici ed esattamente in scala 1:1, altrimenti potreste avere seri problemi durante il posizionamento e la saldatura dei componenti, soprattutto per quanto riguarda i chip ad alta densità.

Attenzione! La stampa deve essere eseguita in modo che il lato stampato dei fogli lucidi debba poi essere rivolto verso il lato rame presensibilizzato del circuito stampato. Questo perché il foglio lucido ha uno spessore non del tutto trascurabile, soprattutto per i raggi ultravioletti e, seppure la fotoincisione dia ottimi risultati anche non utilizzando questa precauzione, in certi casi (es. lampade ultraviolette molto potenti) la fotoincisione delle piste più sottili potrebbe risentirne.

Dopo aver stampato i due master, tagliateli lasciando una cornice di circa un centimetro.  Per sapere se il nostro master passerà la prova raggi ultravioletti, occorre verificare che le zone nere lascino passare meno luce visibile possibile.

Quindi, 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), controllando la qualità dei due master sovrapposti: se le aree stampate non sono uniformi oppure il nero risulta essere un po' sbiadito o ancora i fori dei pad non sono chiaramente visibili, sicuramente è il caso di ristampare i master, altrimenti la fotoincisione darà pessimi risultati.

Di solito non occorre sovrapporre più di due master, ma potete eventualmente tentare se non riuscite ad ottenere un contrasto sufficiente, ricordando comunque che sovrapporre più master significa un maggiore spessore della pellicola finale, con tutti gli svantaggi che ho già evidenziato.

la fase di esposizione

Una volta ottenuti i due esemplari del master, occorre posizionarli correttamente sul bromografo. Innanzitutto pulite accuratamente il vetro del bromografo, ricordando che anche una ciglia può diventare una barriera per i raggi ultravioletti e creare una piccola pista fantasma, fonte di simpatici cortocircuiti.

Ora posizionate il primo master e stendendolo bene, fissatelo (per i bordi) sul vetro del bromografo con un po' di scotch rimovibile 3M (quello per i disegni tecnici). Attivate la luce bianca di servizio del bromografo o usate un altro metodo (luce riflessa, lampada puntata sopra il bromografo), per poter sovrapporre perfettamente il secondo master al primo, fissandolo sempre per i bordi. Una perfetta sovrapposizione dei master è una delle condizioni necessarie per ottenere una perfetta fotoincisione.  Controllate inoltre che siano visibili i fori dei pad.

A questo punto, prendete la piastra presensibilizzata già dimensionata (con seghetto, fresa, ecc.), staccate la pellicola nera protettiva e posizionatela velocemente sul bromografo usando le tacche di riferimento. 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.

Chiudete il coperchio del bromografo ed attivatelo per un tempo che, solitamente, va da alcuni secondi ad alcuni minuti a seconda della potenza delle lampade, dalla loro distanza dal vetro e dalla qualità del photoresist. Di solito, usando 4 tubi da 8 Watt il tempo di esposizione è tra 2 e 3 minuti.

Per trovare il giusto tempo di esposizione potete fare alcune prove, usando piccoli quadratini di piastra sensibilizzata ed esponendoli per un tempo variabile, usando sempre i due master sovrapposti prima posizionati, passando poi alla fase di sviluppo per verificare la qualità del photoresist dopo il bagno in soda caustica.

la fase di sviluppo

Terminata l'esposizione, con le dovute precauzioni, mettiamo la piastra di vetronite nella vaschetta con la soluzione di soda caustica diluita. Dopo alcuni secondi, anche a seconda della concentrazione e della qualità della soda caustica, inizieremo a vedere il layout del circuito stampato.

Agitate la vaschetta per velocizzare lo sviluppo e non appena il layout è ben visibile e tutte le aree esposte sono state dissolte, usate una pinzetta di plastica ed un batuffolo di cotone per rimuovere i residui di photoresist.

Cercate di non toccare, graffiandolo, il layout del circuito stampato, poiché le zone graffiate, non più protette dal photoresist, verranno rimosse durante l'incisione. Non abbiate paura nello strofinare le aree protette (senza esagerare), questo infatti serve a testare la consistenza del photoresist protettivo. Nelle foto seguenti potete vedere il risultato di un'eccessiva o insufficiente esposizione della piastra agli UVC.


Esposizione insufficiente

Esposizione corretta

Esposizione eccessiva

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 mantenete il circuito stampato in soda caustica per troppo tempo dopo che il layout delle tracce è apparso, altrimenti correrete il rischio che la soluzione intacchi anche il photoresist non esposto. Dopo che la piastra è stata sviluppata, ponetela in una vaschetta d'acqua per rimuovere i residui di soda e di photoresist. Utilizzate una pinzetta di plastica per eseguire lo spostamento e fate attenzione a non toccare la soda con le mani.

Togliete la piastra dall'acqua ed asciugatela con un foglio di carta assorbente, controllando la qualità del photoresist che deve essere definito e consistente. In caso contrario, non resisterà all'attacco acido del percloruro ferrico durante l'incisione.

Il circuito stampato è ora pronto per essere inciso. Questa fase può avvenire anche diversi giorni dopo quelle precedenti, ma nel frattempo è indispensabile conservare la piastra chiusa in una busta di plastica, per evitare l'ossidazione del rame e lontana da fonti di luce o calore per evitare l'alterazione del photoresist protettivo.

Potrebbe accadere che dopo lo sviluppo alcune piste sottili e molto vicine risultino cortocircuitate dal photoresist protettivo. Per aggirare l'inconveniente, prima dell'incisione rimuovete il cortocircuito con un taglierino od un piccolo punteruolo, graffiando via il resist indesiderato.

la fase di incisione

Il sistema più semplice per incidere la piastra sviluppata è adagiarla in una vaschetta di percloruro ferrico per un tempo variabile in funzione della temperatura e dalla saturazione del percloruro.

Con questo sistema, però, i tempi di incisione si allungano a dismisura perché vengono a mancare alcuni fattori indispensabili, come l'agitazione della piastra per rimuovere meccanicamente i residui di rame erosi e l'ossigenazione della soluzione per garantire un'incisione efficace. Inoltre, tempi di incisione troppo lunghi provocano rilevanti effetti di sottoincisione delle tracce. In pratica le tracce, alla fine dell'incisione, risultano più sottili dell'area coperta dal photoresist.

Per questo, vi consiglio di utilizzare una vaschetta come quella che appare nella sezione attrezzature, metendo la piastra con la faccia di rame verso il basso ed utilizzando una pompa ad aria per ossigenare la soluzione d'incisione. In questo modo, i tempi di incisione per una piastra eurocard (160x100mm) si aggirano sui 30-50 minuti. 

Per tenere sollevata la piastra dal fondo della vaschetta appoggiatela 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.

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 aumentare la temperatura di lavoro della soluzione di incisione  e diminuire, quindi, i tempi d'incisione, è possibile utilizzare un riscaldatore per acquario, ma come già spiegato, svilupperebbero vapori di cloro, con tutti gli svantaggi che ciò comporta.

Posizionate la piastra nel percloruro, attivate la pompetta ad aria e regolate il flusso delle bollicine, coprite la vaschetta, senza chiuderla ermeticamente, con più fogli di carta assorbente ed aspettate circa 15 minuti prima di controllare l'incisione.

Ripete il controllo ogni 5-10 minuti fino a quando l'incisione non sarà completata. Sarà necessario spostare la piastra di qualche millimetro per fare in modo che sia incisa anche nelle zone coperte dai fili di cotone. Una volta terminata l'incisione mettiamo la piastra nella vaschetta d'acqua per togliere i residui di percloruro, asciughiamola e controlliamola.

E' possibile che qualche pista sia svanita nel nulla, qualcun'altra sia interrotta o assottigliata. Questo dipende da almeno uno dei fattori di cui abbiamo parlato, come la temperatura di lavoro, i tempi di esposizione, sviluppo, incisione, la qualità del master, del photoresist, del percloruro, eccetera. Solo con la pratica e l'esperienza riuscirete ad ottenere ottimi risultati.


Risultati di un'incisione

Nella foto sopra potete vedere il risultato di un tentativo d'incisione. Solo la zona verde è stata incisa correttamente, mentre nella zona blu è svanita una parte delle piste e nella zona gialla il percloruro non è riuscito ad rimuovere tutto il rame.

Queste situazioni possono dipendere da una scarsa qualità del photoresist, dalla saturazione del percloruro, da una mancato ricambio della soluzione d'incisione (che ristagna) o dalla temperatura di lavoro troppo bassa. 

le operazioni finali

Dopo aver ottenuto il circuito stampato è necessario rimuovere il photoresist protettivo, ormai inutile. Quindi, togliete i master dal bromografo, esponete nuovamente la piastra per alcuni minuti e, dopo l'esposizione, ponetela di nuovo nella vaschetta di soda caustica per rimuovere tutto il photoresist. Passatela nella vaschetta d'acqua, asciugatela e controllatene la qualità.

Forate la piastra e spruzzate il lato rame con uno spray protettivo per circuiti stampati. In questo modo sarà più facile saldare i componenti e si eviterà che il rame, ossidandosi, diventi scuro. Il protettivo ha bisogno di qualche minuto per asciugarsi, quindi non siate impazienti.

Dopo aver saldato i componenti, per rimuovere i residui del disossidante contenuto nello stagno, pennellate la piastra con un po' di trielina, ponendola verticalmente in una vaschetta di vetro, altrimenti la vedreste sciogliersi all'istante (la trielina è un solvente). 

Attenzione! Pennellate la piastra solo prima di inserire i chip negli zoccoli ed evitate questa operazione se il circuito contiene elementi sensibili alle cariche elettrostatiche come Mosfet ed Igbt poiché potreste danneggiarli.

La soda caustica diluita ed il percloruro possono essere impiegati decine di volte prima di esaurirsi, cioè prima di non essere più in grado di svolgere la propria azione in quanto la soluzione in cui sono contenuti è satura.

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 non sarà più limpida come quella iniziale poiché funzionerà bene ugualmente per molte fotoincisioni.

Ricordatevi di sciacquare ed asciugare bene le vaschette prima di riporle. Quella per l'incisione dovrà essere riempita con acqua, attivando la pompa ad aria per rimuovere i residui di percloruro nei tubicini, nel rubinetto e nei diffusori. Questo è indispensabile perché il percloruro, essiccandosi, tende a solidificarsi e ad agglomerarsi, spesso rompendo i rubinetti ed i diffusori d'aria.

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