PCB home etching

Nel 2013 iniziai i primi timidi passi nel DIY per la realizzazione dei circuiti stampati 'casalinghi', stimolato da alcuni interessanti progetti in ambito astronomico amatoriale trovati sul web e seguito ed incoraggiato dall'amico Giuseppe Napolione. Da allora ho realizzato diversi circuiti stampati, come potete vedere nei link qui a fianco, che mi hanno permesso di completare piccoli (ma grandi, sotto certi aspetti) sistemi di controllo per Timelapse, Goto astronomico e poco altro. Devo premettere che non sono assolutamente un esperto ne in elettronica ne negli campi applicativi che ho citato prima, anzi, mi considero un eterno 'newbie', come dicono gli americani, a lungo termine ma a tempo stesso un inguaribile sperimentatore dotato di discreta abilità manuale. Diciamo un artigiano autodidatta, appassionato di bricolage e ammalato di 'autocostrutite' ...

Come dicevo ho avuto modo di sperimentare ed affinare sufficientemente bene la tecnica dell'incisione dei circuiti stampati casalinga con il metodo dell'etching a base di Cloruro Ferrico. Ho deciso quindi di scrivere questo piccolo tutorial perchè potesse eventualmente essere di aiuto a chi, come è stato per me, ha voglia di provare ma è inizialmente frenato dal timore di non riuscire, per vari motivi, dal fatto ad esempio che si opera con sostanze chimiche potenzialmente dannose, o che occorre forse una particolare abilità per la realizzazione della maschera di stampa. Il web è certamente un mare sconfinato di informazioni e documentazione su tutto e tutti ed anche rispetto al PCB etching si trova veramente di tutto, ma prevalentemente in inglese. Chissà che questo italianissimo tutorial non possa davvero servire a qualcuno. Ad ogni modo, questo è quanto ho voluto trasmettere per quella che è stata la mia esperienza. Mi sono appassionato cammin facendo e spero possa essere utile.

Allora cominciamo con la 'partlist', la lista dell'occorrente ...
  • stampante laser (anche solo b/n)
  • fogli di carta ricavati da depliant o riviste di tipo pubblicitario (carta leggera, non troppo colorata e non plastificata)
  • piastra ramata ad una sola faccia per circuiti stampati
  • ferro da stiro
  • Cloruro Ferrico al 40% (reperibile nei negozi di elettronica)
  • trielina o 'smacchiatore' di simili caratteristiche
  • bacinelle plastiche di varie dimensioni
  • guanti in lattice
  • un luogo adatto per operare (bagno o cucina), un pò di tempo a disposizione e tanta, tanta pazienza ... mai darsi fretta

Si parte con la realizzazione del disegno della maschera di stampa del circuito che vogliamo realizzare. Personalmente uso con soddisfazione ed efficienza il programma Fritzing, libero e disponibile sul web. Per questa parte spero di realizzare al più presto un tutorial dedicato. Il programma è davvero facile da usare ed alla portata di chi vuole iniziare.
Con Fritzing possiamo esportare il disegno del circuito da stampare sottoforma 'immagine' di grafica vettoriale in formato SVG. Non si tratta di un formato immagine come classicamente si intendono i file jpeg o tiff, ma di un formato editabile con programmi appositi che permettono, nel nostro caso, di eventualmente perfezionare o correggere da possibili errori i file .svg esportati da Fritzing. Io uso e consiglio Inkscape per l'editing dei nostri .svg (anch'esso gratuito). Da Inkscape possiamo stampare direttamente la nostra maschera di stampa sulla nostra stampante laser di casa.

Stampa laser

Il metodo qui descritto si basa sulla tecnica di deposizione (o meglio trasferimento) del toner presente sul foglio di carta appena stampato, sulla piastra ramata. La piastra così preparata verrà trattata, come vedremo più avanti, con il Cloruro Ferrico. Questa soluzione chimica è stata prodotta appositamente per l'incisione dei circuiti stampati, essa infatti scioglierà il rame con cui verrà a contatto ma lascierà intatto il rame che sta al di sotto del toner, trasferito dalla carta alla piastra stessa, e rappresenterà il nostro circuito elettrico. Abbiate l'accortezza di impostare il driver della vostra stampante in modo che la stampa avvenga con il massimo contrasto possibile (cioè massima deposizione di toner, quindi niente 'toner saver' o 'econoy mode' o cose simili insomma ...), perchè abbiamo bisogno di quanto più toner possibile depositato sulla carta, e possibilmente con alta definizione (DPI).
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Qui a destra un'immagine della stampa laser su carta 'da rivista', già ritagliata a misura e pronta per il trasferimento termico.

Dopo vari tentativi con diversi tipi di depliant pubblicitari, riviste e pubblicazioni, ho trovato decisamente molto adatta allo scopo la carta di un catalogo pubblicitario (di apparecchiature elettroniche) che avevo in casa da tempo. Qui anche voi dovete provare, sperimentare e vagliare, con un pò di esperienza e pazienza capirete quale tipo di carta è la iù adatta al nostro scopo. Deve sicuramente essere leggera (sottile), non plastificata e non troppo colorata, che si macera facilmente in acqua. Cercate di far coincidere la stampa del vostro circuito con una parte del foglio di rivista che sia con meno testo possibile (soprattutto se colorato). Il lato del circuito stampato, così come lo vedete uscire dalla stampante, deve essere lo stesso rispetto al quale avente disegnato/progettato il circuito stesso con Fritzing (o qualsivoglia programma di PCB design). Cioè deve coincidere con quello che vedete sul lato componenti, come se guardaste la vostra scheda finita 'dall'alto'. Questa maschera di stampa infatti 'lavorerà' la piastra ramata sul lato 'copper', cioè 'sul retro' della scheda finale. Io conosco Fritzing e questo esporta gli svg già predisposti per questo tipo di lavorazione, quindi non avete bisogno di fare nulla riguardo il 'flipping' o inversione speculare dell'immagine. Stampate tranquilli così come vi viene proposto dall'svg. Anche per le dimensioni in scala reale non ci sono problemi di sorta, Fritzing creerà il file svg correttamente dimensionato. E' buona norma comunque, almeno le prime volte, fare una stampa di prova su carta comune A4 per verificare le dimensioni del nostro circuito e la sua correttezza di scala.
Trattate con cura il foglietto appena stampato e cercate di non toccarlo con i polpastrelli, in modo da evitare di depositare particelle di grasso sul toner.
Deponete ora il vostro prezioso foglietto in luogo sicuro e procedete.

Preparazione della piastra ramata

Personalmente preferisco tagliare a misura la piastra ramata preventivamente rispetto all'incisione, altri lo fanno dopo.
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Una volta tagliata a misura la scheda con un piccolo seghetto da metallo ed aver smussato per bene i bordi, si procede con la preparazione della superficie ramata, su cui applicheremo in seguito il disegno del nostro circuito. L'ideale, per quanto riguarda la pulizia della superficie ramata, è detergere con un tessuto imbevuto di trielina o sgrassatori liquidi, prima del successivo trattamento superficiale. Personalmente ho verificato che questo passaggio, a meno che la piastra sia effettivamente e visibilmente 'sporca' e/o ingrassata ovviamente, si possa anche saltare. La 'lavorazione' invece che risulta essenziale, ed è anche uno dei momenti più importanti per la riuscita del lavoro, è quella della 'opacizzazione' della superficie ramata della piastra. Perchè il toner aderisca bene (e venga quindi trasferito completamente) alla superficie di rame occorre che questa superficie sia resa ruvida ed al tempo stesso ne venga eliminata ogni traccia di lacca o lucido protettivo che viene depositato sulla stessa in fase di produzione industriale. L'utensile più semplice ma al tempo stesso estremamente efficace a questo scopo è la classica spugnetta abrasiva giallo/verde da cucina. Purchè abbia la parte abrasiva verde adeguatamente dura ed efficace (insomma, meglio che sia 'di marca')
Trattate piuttosto energicamente la superficie ramata raschiando con movimenti circolari e spostandovi in modo da rendere uniforme e completa la 'raschiatura'. Non abbiate paura di esagerare nell'abradere, l'importante e che la superficie appaia, a fine lavorazione, opalina, con leggeri solchi (certo non va incisa come i solchi di un vinile ...), insomma, graffiata in modo uniforme. E attenzione agli angoli, che risultano spesso quelli meno abrasi.
Pulite con panno asciutto e non toccate il rame con i polpastrelli!

Applicazione della maschera di stampa

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Ora potete posare il foglietto della vostra stampa laser (ovviamente con il lato stampato rivolto alla superficie ramata ...) sulla piastra appena preparata. Occorre impedire che, durante la prossima fase di trasferimento temico, il foglio si muova rispetto alla piastra. A tal fine è più che opportuno fermare il foglietto alla piastra mediante quattro piccoli pezzetti di nastro adesivo (di carta!).
Ora siamo pronti per il trasferimento termico vero e proprio. Già, ho dimentica di dirvi che sarebbe stato meglio accendere il ferro da stiro prima ... giusto per guadagnare un pò di tempo, ma si tratta di poco comunque ...




Trasferimento termico della maschera

E' ora di far entrare in azione il nostro ferro da stiro. Il ferro dovrebbe essere possibilmente a piastra riscaldante 'piena', intendo senza i fori con relativi incavi tipici dei ferri a vapore, per garantire la massima omogeneità della temperatura su tutta la superficie della basetta ramata. Va bene lo stesso un comune ferro a vapore (ovviamente faremo attenzione a non azionare mai il pulsante relativo ...). Io ho avuto la fortuna di trovare nello sgabuzzino di casa un vecchio ferro da stiro di tipo 'portatile', come si usava ai tempi dei nostri genitori (che non potevano fare a meno di stirarsi le camicie anche in viaggio o in vacanza ...).
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Il ferro va fatto riscaldare al massimo della temperatura (quella per la lana, per intenderci) e va usato, come ora vedremo, in due fasi distinte anche se consecutive. Posate la basetta da trattare sopra un tavolo robusto ma non direttamente, interponete uno spessore resistente alla temperatura e sufficiente a proteggere il tavolo dal calore che si trasmetterà inevitabilmente dalla piastra. Io uso un tagliere in legno da cucina, un libretto spessotto per compensare le non uniformità del tagliere ed infine una tavoletta di faesite (come quelle che fanno da base per i quadretti a giorno). Il tavolo deve essere robusto perchè applicheremo una certa forza di compressione sopra il ferro per farlo aderire bene alla basetta da lavorare.
Non poseremo la piastra rovente del ferro da stiro direttamente sulla basetta di rame coperta dalla nostra maschera di carta! Rischiamo di bruciarla. Io interpongo tra piastra del ferro e basetta un pezzo di vecchio tessuto in cotone (fodera di cuscino) piegato in due. Si può vedere la mia condizione 'operativa' nell'immagine qui a sinistra.
Dicevamo di due fasi distinte ma assolutamente consecutive per riscaldare la basetta:
              1. la prima consiste nel premere energicamente il ferro sulla nostra basetta stando rigorosamente fermi e curando di porre il ferro in modo da coprire completamente la superficie della basetta, il che è possibile ovviamente solo se la superficie della piastra del ferro è uguale o superiore alla superficie della basetta ... e si tratta della maggior parte dei casi. Se avete a che fare con basette più grandi allora considerate di duplicare la fase successiva
              2. la seconda, immediatamente consecutiva e senza staccare il ferro dalla basetta, consiste nell'allegerire la pressione sul ferro ed operare dei movimenti circolari, tipici dello stiraggio, del ferro in modo da distribuire quanto più possibile uniformemente il calore del ferro su tutta la basetta.
I tempi di queste due operazioni variano a seconda delle dimensioni della basetta, del tipo di tessuto che avete interposto tra ferro e basetta e della quantità di tracce da trasferire rispetto alle zone vuote. In linea di massima, per una basetta di circa 10x5 cm mediamente 'annerita' si parla di 1.30' per fase (più o meno 30"), per un totale di 3'. Anche qui occorre provare e riprovare ma una volta capito l'effetto si farà in fretta a modificare i tempi nelle diverse situazioni. In linea di massima è meglio esagerare un pò piuttosto che scarseggiare.
Se i tempi di trasferimento del toner saranno troppo brevi avremo una basetta che molto probabilmente perderà alcuni tratti di tracce perchè il toner non avrà aderito bene sulla superficie ramata. Se i tempi saranno troppo lunghi sarà probabile che il toner si 'dilati' occupando anche parti che volevamo lasciare libere per l'incisione (sbavature).
Con tempi corretti otterremo la perfetta adesione del toner (che non è altro che 'plastica in polvere' aderente alla carta di stampa) sulla basetta di rame, 'incollato' per riscaldamento.
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A questo punto togliamo ferro e tessuto interposto e lasciamo raffreddare la basetta fino a che raggiunge indicativamente la temperatura ambiente (alcuni la mettono in frigo per fare prima ...). Ora immergiamola in una bacinella piena d'acqua intiepidita e lasciamola a bagno per almeno mezz'ora. Più è lungo il tempo di immersione in acqua e più ci faciliteremo il successivo lavoro di 'sfogliamento'. L'immersione prolungata in acqua ammorbidirà il substrato cartaceo che dovrà essere rimosso nella fase successiva.

Rimozione dello strato cartaceo

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Con la carta ben impregnata d'acqua, quasi macerata, sarà relativamente facile rimuovere i vari strati di cellulosa del foglio stesso ma bisogna fare attenzione per evitare di rimuovere le tracce di toner incollate al rame. Questa eventualità, se abbiamo eseguito un buon 'incollaggio' termico, è alquanto remota perchè il toner, riscaldato adeguatamente va ad aderire sulla superficie ruvida ramata in modo veramente tenace. Ad ogni modo dobbiamo usare solo i polpastrelli, con movimenti circolari e delicati, per rimuovere gli strati di cellulosa, passando più volte fino a scoprire completamente le tracce nere. Insistete nei tratti intermedi tra le tracce e non lasciate possibilmente nessun residuo di carta. Anche il più piccolo filamento lasciato dove non deve esserci (nei solchi di rame che dovrebbero essere a questo punto completamente scoperti) potrebbe lasciare dell tracce di contatto che provocherebbero corto circuiti e collegamenti (ponti) non voluti. Specialmente le scritte ed il testo che comparivano sulla pagina della rivista su cui abbiamo stampato la maschera, sono le parti che eventualmente tentano di permanere a contatto del rame (d'altronde è inchiostro plastico anche quello), insistete sfregando delicatamente ma insistentemente con il polpalstrello del pollice.
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Come vi mostrerò tra poco, non è poi così difficile lasciarsi scappare qualche 'ponticello' quasi invisibile ma tuttavia fastidioso, magari a causa di una eccessiva fretta nell'incisione del rame. Una volta completato lo 'spellamento' della cellulosa abbiamo ottenuto la scheda con le nostre tracce del circuito saldamente incollate alla superficie ramata. Verificate ancora una volta (magari con l'aiuto di una lente di ingrandimento) che non ci siano filamenti di cellulosa sopra ai solchi di rame scoperto. Può accadere naturalmente anche il contrario e cioè che parti delle tracce e coperture nere di toner non abbia aderito efficacemente e sia saltato via insieme alla carta durante il 'piling'. Soprattutto le tracce devono essere complete e continue, senza interruzioni. A me è accaduto diverse volte di dover decidere se correggere queste lacune di toner o decisamente rifare tutto il procedimento. Se le parti mancanti sono sufficientemente piccole si può rimediare con un pennarello nero di inchiostro indelebile e permanente, a punta molto fine. Questo copre efficacemente e protegge allo stesso modo del toner sul resto della piastra.
Nel caso avessimo decisamente sbagliato qualcosa nelle fasi finora viste (e all'inizio capita spesso ma non vi perdete d'animo) e le zone di non aderenza del toner sul rame fossero davvero eccessive, allora non ci resta che ripetere tutto il procedimento dall'inizio, asportando prima tutto il toner dalla piastra (con un solvente, come vedremo dopo) e ripetendo poi le fasi di pulitura e preparazione della basetta ramata. Nessun problema, si può rifare riutilizzando la stessa basetta.
Come dicevo prima, se individuate dei filamenti o tratti di cellulosa sopra i solchi di rame, rimuoveteli con l'aiuto della punta di una piccola forbice da unghie ben appuntita (almeno così faccio io) ma facendo attenzione a non far saltare via il toner delle tracce.

Incisione della basetta di rame con Cloruro Ferrico

Finalmente possiamo fare uso del nostro prodotto chimico, appena acquistato. E' essenziale e doveroso avvertire che questo prodotto è alquanto nocivo e va trattato con le dovute cautele. Niente di grave ma può essere pericoloso per gli occhi, per indumenti e suppellettili con cui può venire inavvertitamente a contatto. Soprattutto è estremamente colorante, una goccia su indumenti e non solo può macchiare in maniera definitiva. Operate quindi con guanti in lattice, possibilmente occhiali per proteggere gli occhi e dove possibile proteggete i ripiani su cui lavorate con vecchi giornali. In caso di necessità lavate immediatamente ed abbondantemente con acqua. Anche i vapori prodotti dalla lavorazione e dalla soluzione stessa possono risultare dannosi se inalati a lungo quindi operate in luogo ventilato.
Utilizzate bacinelle rigorosamente in materiale plastico evitando qualunque cosa metallica, perchè il Cloruro Ferrico corrode appunto i metalli. Anche per lo smaltimento dovrete porre particolare attenzione.
Scegliete un contenitore di dimensioni appropriate rispetto alla basetta che state realizzando, per non esagerare con la quantità di soluzione. La soluzione di Cloruro, se venduta al 40% di diluizione, è già pronta all'uso così come la trovate nella bottiglia. Ponete la basetta nel contenitore e versate direttamente la soluzione fino a ricoprire completamente la piastra (1cm circa di profondità è più che sufficiente). A questo punto controllate il vostro orologio. A seconda se la soluzione è nuova o la state riutilizzando (il che può essere fatto più volte, fino ad evidente esaurimento dell'efficacia di scioglimento del rame) ci vorranno mediamente tra i 15' ed 25-30' perchè il Cloruro disciolga completamente lo strato di rame lasciato esposto durante il trasferimento del toner. Il tempo necessario diminuisce considerevolmente se scaldiamo la soluzione prima di immergerci la basetta. La qual cosa non è affatto semplice. Escludendo l'opzione di un riscaldamento diretto, l'unica possibilità è immergere il contenitore della soluzione in un ulteriore bacinella più grande riempita con acqua molto calda (a bagnomaria). Ho provato un paio di volte ed effettivamente i tempi si riducono di circa la metà ma, a meno di avere particolare fretta, è consigliabile operare a temperatura ambiente. Oltretutto sarà possibile un maggior controllo della fase di incisione/discioglimento.
Il rame da arancio diventerà rossiccio ed incomincerà a sciogliersi e distaccarsi dal supporto di fibra di vetro della piastra. Fondamentale, stavo dimenticando, è l'agitazione del liquido durante tutto il periodo di incisione. Si riducono così i tempi della reazione chimica e si permette anche una maggiore uniformità di azione su tutta la superficie della piastra. Per fare questo 'dondolate' il contenitore. La piastra non va manipolata, se non per verificare, periodicamente (come si vede in figura) l'evolversi dello scioglimento ...
Verificate con attenzione che ogni traccia di rame si sia dissolta e non rimanga alcun 'collegamento' tra le tracce, non desiderato. Potete controllare con calma anche la piastra estratta completamente dalla soluzione, in trasparenza su di una forte fonte luminosa. E' sempre possibile immeregerla nuovamente per riattivare la reazione chimica, se necessario.

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Come si può verificare dalle immagini che seguono, nella lavorazione della(e) schede di questo tutorial, sono incappato anche io in un paio di questi dispettosissimi ponticelli di rame. Ovviamente a causa della fretta, quanto mai inopportuna in questa fase, di vedere realizato il prodotto finito.

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Sonoa volte pressocchè invisibili (quelli qui evidenziati si sono palesati solo durante il controllo della continuità con il multimetro che vedremo tra poco), ma ci sono, e provocano ovviamente corto circuiti.

Rimozione del toner

Il passo successivo è la rimozione del toner di stampa dalla piastra ormai indelebilmente incisa.
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Per far questo utilizzo la Trielina, fortunosamente ritrovata nello sgabuzzino e risalente a qualche annetto fa, dato che, purtroppo, è stata bandita dal commercio e non è più disponibile all'acquisto. Non so ancora indicarvi una valida alternativa perchè non ne ho provate. Quando avrò finito la bottiglietta di Trielina, vedremo. Credo comunque che un buon smacchiatore a base di solventi sintetici possa svolgere adeguatamente allo scopo (se qualcuno a dei consigli si faccia avanti ...). Vi accorgerete a questo punto della vera efficacia di questo metodo di trasferimento perchè occorrerà non solo la Trielina ma anche un bel pò di olio di gomito (!) per eliminare completamente tutto il toner dalla piastra ...

Verifica della continuità delle tracce e corto circuiti con Multimetro


Prendete il vostro Multimetro e controllate accuratamente che il grounding, tutte le tracce (piste) siano continue e corrispondano al disegno di partenza del progetto. Verificate altrettanto accuratamente che non vi siano corto circuiti.
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Infatti ... eccoli qua ... maledizione! Ma niente di grave. Riprendiamo le nostre forbicine appuntite (questa volta anche
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un taglierino affilato forse è meglio) e provvediamo a sezionarli per ricostituire il disegno originario, raschiando un pò in profondità. Riverifichiamo per bene subito dopo.

Qui sotto due ponticelli indesiderati opportunamente rimossi ...
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Il nostro circuito stampato è praticamente completato ... manca solo della foratura per il montaggio dei suoi componenti.

Andiamo quindi oltre la realizzazione della PCB e vediamo velocemente come realizzare i fori necessari per l'allestimento della scheda.

Foratura per montaggio componentistica

Basta un piccolo trapano, possibilmente montato su colonna, con punte da 0.8, 1.0, 2.5 e 3mm, per il montaggio della maggior parte dei componenti, di uso più comune.

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Praticate dei fori preventivi (da invito) da 0.8-1.0 anche per le sedi più grandi, come si vede qui sopra a destra, sarete più precisi.

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Rifilate se necessario (o separate le due schede,come nel mio caso) con un seghetto da metallo.
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Una volta completati i fori per la componentistica, passate un pezzo di carta vetrata sulla superficie lato componenti per eliminare tutti i bordi frastagliati dei fori.
E perchè no ... una bella spruzzata di vernice colorata a smalto (a me piace il bianco) come tocco finale, visto che anche l'occhio vuole la sua parte e quel grigio topo della scheda sinceramente ...