Il Mio Primo PCB – Prima Parte

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di Girolamo D’Orio

 

Una guida alla creazione del Circuito Stampato, che tratta le fasi principali del procedimento di auto costruzione di un PCB,utilizzando attrezzature non professionali reperibili ovunque.

 

Quale dei due preferite? Lo stesso progetto, provocatoriamente a confronto. In alto la versione prototipale, realizzata su breadboard.
In basso quella definitiva realizzata su stampato a singola faccia, con le dimensioni di un pacchetto di sigarette.

Missione PCB

Ho deciso di scrivere questa guida per permettere a chiunque, hobbista o maker, che non si fosse mai cimentato in proposito, di realizzare dei PCB(Printed Circuit Board, o Circuito Stampato) a livello domestico. La prima domanda che ci si deve porre è: Perché realizzare un PCB Home-Made? In questo articolo mi rivolgo a chi, ancora oggi, continua a simulare la creazione di circuiti stampati con vari “escamotage” che per molti aspetti, oltre ad essere poco pratici ed ingombranti, in alcuni casi rischiano di compromettere il buon funzionamento dei circuiti stessi e possono anche rappresentare una perdita di tempo. Scrivo soprattutto ai molti Maker che per raggiungere il proprio obbiettivo insistono, a forza di Shield uno sopra l’altro, nel costruire una specie di “tramezzino” sopra l’amata BreadBoard (qualunque sia…). Mi rivolgo anche a chi “svolazza” tra un modulo e un altro con i collegamenti in aria tramite fili, ponticelli e quant’altro, inserendo alimentatore, scheda, moduli et similia, finché la propria realizzazione diventa un groviglio inaudito, incomprensibile a chiunque, progettista compreso. Mi rivolgo anche a chi usa le basette mille-fori, dove le piste di collegamento vengono realizzate con lo stagno, sfidandolo ed invitandolo, in termini di tempo,ordine e pulizia, a realizzare un pcb vero e proprio! Oggi, tramite servizi disponibili su web, abbiamo la possibilità di inviare il disegno del nostro PCB ad aziende che con mezzi altamente professionali , con una spesa che generalmente si aggira intorno a 50 euro, in meno di un mese ci spediscono il circuito stampato realizzato, pronto all’uso, completo di foratura, soldermask etc. etc, perfetto e pronto da saldare ma…”cosi sono capaci tutti!”…

Entrando nel dettaglio: spendiamo circa 50 euro per farci arrivare n copie di un PCB entro un mese (mentre ce ne serve uno solo), quando con una cifra più o meno simile possiamo crearceli da soli, con delle attrezzature che nella maggior parte dei casi abbiamo già. Una volta sostenute queste prime spese, un PCB ci costerà un quinto! Cosa ci occorre quindi? Dove lo possiamo trovare, spendendo il meno possibile? Come realizziamo il tutto? Sarà facile? Difficile? Impossibile?

Certamente la fase di inizio facile non lo sarà, ma certamente non impossibile. Con questa guida vi prometto che sarete in grado di realizzare, complice un po’ d’esperienza, anche dei circuiti a doppia faccia che saranno in grado di ospitare componenti SMD con package ostici come i TQFP e DFN(parlo per esperienza personale. Sono un’Hobbista anch’io, non credete?

Ritenete impossibile saldare componentistica in smd con saldatore a stilo? Guardate qui.

https://www.youtube.com/watch?v=OFHDliaMT1Y

Ma andiamo per gradi.

Il Software

Per prima cosa, occorre disegnare un PCB; sul web ci sono molti software, professionali e non, con l’unica pecca della licenza onerosa…. In fondo siamo hobbisti e trovare qualcosa di gratuito, magari senza limitazioni, aiuterebbe. Su questo ci viene in soccorso il software messo a disposizione da RS. Il programma si chiama DesignSpark ed è scaricabile gratuitamente da qui

https://www.rs-online.com/designspark/pcb-download-and-installation

dopo una registrazione sicura. Il software è gratuito e non ha limitazioni di utilizzo, viene mantenuto continuamente aggiornato, le librerie sono piuttosto complete e, inserendo i codici d’ordine dei componenti, acquistabili sempre su RS, non avrete limiti nel suo utilizzo; in pochi secondi troverete la libreria del componente che intendete utilizzare. Vi pare poco? Per esperienza personale vi posso dire che è un aspetto da non sotto valutare. Il programma è semplice e intuitivo, offre numerose possibilità di costruzione, che nell’uso scoprirete e non ci metterete molto a muovere i primi passi tra le diverse voci dei menù. In che modo faremo uscire il nostro disegno dal PC per andare a realizzare il nostro primo PCB? La tecnica che vi propongo per realizzare PCB amatoriali, è quella della fotoincisione. In cosa consiste? Come si attua? Cosa occorre? La prima cosa importante è realizzare un master (il disegno del PCB) nel miglior modo possibile, con i mezzi che abbiamo a disposizione.

Il Master

Tutti certamente abbiamo almeno una stampante a getto di inchiostro, anche modesta. Far uscire da tale stampante un nero assoluto, che non permetta il passaggio di luce non è facile; a questo proposito sarebbe meglio utilizzare una stampante laser o altre stampanti specifiche. Per intenderci, dobbiamo arrivare ad un risultato di stampa che garantisca livelli di annerimento equivalenti a quelli riscontrabili sulle pellicole radiografiche o, meglio, su quelle fotomeccaniche usate in fotolitografia. Vediamo invece come ci si può avvicinare alla condizione di nero assoluto utilizzando una normalissima stampante a getto di inchiostro. I classici fogli bianchi formato A4 non vanno bene, ci occorrono fogli trasparenti gelatinati che siano idonei al tipo di stampante ink-jet utilizzata. Nel mio caso, per esempio, uso quelli rappresentati in Figura 2, che hanno un certo costo ma sono veramente di qualità elevata.

Figura 2: film utilizzato per la stampa ink-jet

Prima di tutto occorre impostare la stampante in modo che stampi con la massima qualità, in modo da erogare più inchiostro possibile. Non trascurate la velocità di stampa: selezionando la modalità più lenta avremo un risultato migliore. Tutti questi accorgimenti non sono comunque sufficienti, nonostante queste impostazioni, per avere un buon master per il nostro scopo. La mia tecnica è di stamparne tre copie e di sovrapporle con precisione assoluta. Inserisco sempre delle scritte nei miei master, come il mio nome e il titolo del progetto. Tali iscrizioni ci fanno comodo anche in questa fase di realizzazione: se stiamo commettendo un errore nell’atto di sovrapporre i tre master, le scritte lo evidenziano in modo particolarmente efficace. Riferendosi solo a piste e piazzole, è più difficile notare l’eventuale errore. Un paio di foto di esempio nelle Figure 3 e 4 saranno d’aiuto per meglio comprendere il concetto.

Figura 3: stampa del circuito riprodotta tre volte su unico foglio

In Figura 4 è illustrato il master creato con la sovrapposizione dei medesimi. Con l’aiuto di un normale nastro adesivo trasparente applicato ai lati  li sovrapponiamo.

Figura 4: il master realizzato mediante la sovrapposizione di tre repliche identiche dello stesso tracciato

Come vedete in questa foto, la pellicola trasparente non fa passare la luce dove è stata inchiostrata. Usando comunque un solo foglio, noterete sempre, nelle aree o sulle piste, piccoli difetti di omogeneità dell’inchiostro. Per il nostro scopo questo costituirebbe un vero problema.

Ora abbiamo un buon master, ma per proseguire ci occorreranno una basetta trattata con fotoresist positivo e un bromografo. Il fotoresist (positivo o negativo) è una vernice fotosensibile, solitamente agli ultravioletti. Più avanti, in questo articolo, vedremo in dettaglio come funziona.

Il Fotoresist

Trattare le basette con fotoresist spray non è una cosa banale come può sembrare. Potete essere bravi e precisi quanto vi pare, ma non riuscirete mai ad applicare ogni volta uno strato identico alle precedenti. Quindi, lo vedremo in seguito, la durate del tempo di esposizione non sarà mai la medesima. Perché?

Spruzzando manualmente con la bomboletta, non abbiamo mai la percezione esatta della quantità di fotoresist effettivamente applicata sulla lastra di rame. Per ovviare almeno a questo inconveniente, è sempre possibile ricorrere a basette pre-sensibilizzate industrialmente con fotoresist positivo, come quelle reperibili su web cliccando qui. Così facendo abbiamo uno standard a disposizione, ed una volta trovato il giusto tempo di esposizione non avremo nessun problema nel ripetere il procedimento con i medesimi parametri espositivi.

https://it.rs-online.com/web/p/schede-fotoresistive/1596057

Comunque, per chi volesse sperimentare anche la tecnica dello spray, tale prodotto è reperibile qui. Il vantaggio di utilizzare la versione a spruzzo è quello di poter acquistare basette non trattate, che costano meno e che, in caso di errore di sviluppo, si possono ritrattare con il medesimo spray, per poi riutilizzarle.

Consiglio sempre di prestare attenzione al suo utilizzo e di leggere attentamente la scheda di sicurezza

https://it.rs-online.com/web/p/prodotti-chimici/0173886/

Il Bromografo

Il bromografo: cos’è, come lo possiamo costruire? Per chi non fosse un amante del bricolage o del fai da te esiste sempre la possibilità di acquistarlo già costruito qui.

https://it.rs-online.com/web/p/unita-per-esposizione-uv/0555279/

Da veri Maker però, si può costruire facilmente; molti usano come contenitore un vecchio scanner. Nel mio caso, per esempio, ho realizzato un contenitore in legno. Dalle foto probabilmente non si vede, ma sopra i tubi è presente un vetro trasparente, distante pochi centimetri.

Figura 5: il bromografo in fase di costruzione, ricavato da una una scatola in legno

Perché ci serve il bromografo e da cosa è composto?

1) Una serie di tubi fluorescenti a luce ultravioletta

2) Un timer

Il bromografo serve per esporre la basetta alla luce ultravioletta, in modo da trasferire il disegno dello stampato sulla basetta stessa. Il fotoresist positivo è sensibile alla parte ultravioletta dello spettro luminoso: quando viene esposto a questa luce, diventa solubile e nella successiva fase di sviluppo potrà facilmente essere rimosso dall’apposita soluzione alcalina. Il master non fa altro che proteggere dalla luce le superfici di fotoresist positivo destinate a rimanere sulla lastra; è quindi facile comprendere come, dopo la fase di sviluppo, la parte coperta dalle parti in nero rimarrà disegnata dalla basetta, a protezione del rame.  Questa parte di fotoresist impedirà alla soluzione di incisione di attaccare e rimuovere il rame sottostante, lasciando le nostre preziose piste.

Precedentemente vi avevo citato il tempo di esposizione.  Anche se la parte nera del master copre il fotoresist destinato alla permanenza, utilizzare tempi troppo lunghi potrebbe compromettere l’integrità del tracciato, erodendolo. Viceversa, un periodo di esposizione troppo breve non permetterebbe alla soluzione di sviluppo di rimuovere il fotoresist tra una traccia e l’altra, rischiando di “incollare” le tracce e di creare corto circuiti non desiderati . Occorre trovare, appunto, il giusto compromesso. Dato che ci sono molti fattori che influenzano la durata dell’esposizione, come per esempio la distanza tra la basetta e i tubi, la potenza dei tubi stessi e etc. etc. occorrerà fare delle prove sacrificando una scheda. Il procedimento è semplice. Fate un master di prova, dove sono disegnate linee di diverso spessore. Come primo approccio lasciate perdere linee di 0,1 mm, sono un traguardo ambizioso per chi comincia, a tale risoluzione arriverete con l’esperienza. Con un cartoncino scuro coprite parti di questo master (chiaramente posizionato sulla basetta pre-sensibilizzata) e fate esposizioni di 1, 2, 3, 4 minuti, traslando il cartoncino di conseguenza.  Dopo averlo sviluppato e inciso con le due soluzioni, sarete in grado di valutare autonomamente il miglior tempo di esposizione. Avrete dei risultati da “linea di massima”e in seguito, stampando altri pcb, affinerete la tecnica andando a correggere lievemente questo tempo. La prima volta si può iniziare anche senza timer oppure con qualche congegno riciclato, ma se avete notato un particolare nel master nelle foto precedenti, nella prossima puntata ne realizzeremo uno:  un Timer  regolabile con display a 7 segmenti, con conto alla rovescia molto preciso! Il tempo di sviluppo che adotto è di circa 4m e 45s, un valore ricavato dopo innumerevoli prove, anche se tale durata potrebbe anche non essere ottimale nel vostro caso, potrebbe essere necessario addirittura dimezzarla o raddoppiarla poiché, come si diceva in precedenza, dipende tutto dall’intensità effettiva della sorgente luminosa e dal bromografo utilizzato. Dove possiamo reperire il materiale necessario? I tubi UV che vi consiglio sono da 8W e devono essere associati ai rispettivi reattori e starter, di potenza adeguata. Non utilizzate reattori non idonei, di potenza maggiore, in quanto ridurreste soltanto la vita utile dei tubi. Li potete trovare presso qualsiasi negozio che vende materiale elettrico per impianti, altrimenti qui:

tubi e starter

https://it.rs-online.com/web/p/tubi-di-ricambio-e-kit-per-unita-uv/0556250/

reattore elettronico

https://www.ebay.it/itm/REATTORE-ELETTRONICO-BALLAST-TUBO-FLUORESCENTE-T5-1X-8W-IN-230V-GEDI-GD-T5108H/272861699630?hash=item3f87d31e2e:g:aLAAAOSw3WZZyN4p

reattore tradizionale

https://www.ebay.it/itm/FRACARRO-111651-ALIMENTATORE-REATTORE-PER-LAMPADA-RAPID-4-6-8-W-220V/151968591200?hash=item236208ad60:g:wyEAAOSwzhVWrc0m

zoccoli tubi 8W

https://it.rs-online.com/web/p/tubi-di-ricambio-e-kit-per-unita-uv/1595666/

Il collegamento è semplice anche per i neofiti, come si vede in Figura 6.

Il passo successivo è il taglio. Potete procedere come preferite con quello che avete, un seghetto da ferro va benissimo. Io uso un seghetto alternativo elettrico, con lama da ferro. L’unica accortezza e quella di non tagliarlo a misura precisa del master, ovvero “a filo”. Perché? Vicino ai bordi, un po’ di luce  UV riesce quasi sempre a passare, quindi rischiereste di compromettere le piste che si avvicinano molto al bordo. Lasciate 2-3 mm di margine in più, sarete sempre in tempo a eliminarli dopo l’incisione.

Prendiamo la basetta pre-sensibilizzata e rimuoviamo delicatamente la pellicola protettiva che la ripara dalla luce. Una precisazione è d’obbligo: anche se non ci troviamo nella condizione di chi sta lavorando con  una pellicola fotografica, che richiederebbe la camera oscura, è bene non esporre per troppo tempo la basetta pre-sensibilizzata a fonti luminose, specie se naturali, per non rischiare di compromettere la qualità del lavoro. A questo punto applicare il master sul pcb, fissandolo alle estremità con il nastro trasparente. L’importante è che aderisca perfettamente alla basetta, dovrà essere steso come se si trattasse della pellicola protettiva di uno smartphone,  per intenderci.

Anche in questo caso le scritte ci saranno d’aiuto; disegnate precedentemente al PC a rovescio, adesso le dovremo leggere correttamente, altrimenti il tracciato risulterà capovolto! Cerchiamo di posizionare la scheda in modo simmetrico rispetto ai tubi, in modo che possa ricevere un’esposizione omogenea.

Attiviamo il timer che provvederà a spegnere le luci secondo le indicazioni assegnate dalla prova di esposizione. Se non possedete un timer o dubitate della sua precisione, cronometrate e gestite manualmente le luci.  Nella seconda parte dell’articolo, sul prossimo numero, ci occuperemo di tutte le fasi relative al “dopo esposizione.

Fine Prima Parte

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About The Author

Mi chiamo Girolamo D'Orio, 36 anni sposato, con una figlia e vivo nella provincia di Siena. Mi sono diplomato come perito elettrotecnico all'ITIS. Non ho potuto continuare gli studi per andare a lavorare nella azienda di famiglia. Sono un produttore di vino Chianti Classico. L'elettronica è stata sempre la mia passione fin da giovane. A 11 anni ho iniziato a stampare i pcb con i trasferibili, e replicavo gli articoli sulle riviste. Ho abbandonato dopo un paio di anni questo hobby per poi riprenderlo in mano nel 2013. Sono ripartito da zero come autodidatta, leggendo studiando e imparando qualcosa. Mi sono appassionato in seguito dei microcontrollori pic compilando il mikrobasic, per poi passare a Arduino. Normalmente realizzo pcb che mi fanno comodo a casa e in azienda. Amo farli da me, piano piano mi sono avvicinato agli smd che con l'attrezzatura hobbistica spesso sono ostici, ma ho comunque ottenuto risultati soddisfacenti. Stampare pcb, fare lo sbroglio che è la cosa che amo di più, è il modo per rilassarmi la sera quando torno da lavoro.

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