Prototipazione rapida pcb casalinga

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Categoria: Elettronica
Data pubblicazione
Scritto da Criptomentone Visite: 16833

Ovvero come realizzare un pcb in casa con una stampante laser una plastificatrice e dei fogli patinati.


 

Premessa

 
Chi si diletta nella realizzazione di circuiti elettronici spesso si trova nelle condizioni di realizzare prototipi sui quali effettuare test e successive modifiche.
Allo scopo possono essere utilizzate con successo le breadboard o le basette millefori  che tuttavia richiedono tempi di realizzazione non rapidissimi e con l'aggravante di dover lavorare con fili volanti e inevitabili collegamenti laschi ecc.
Da qui è nata l'idea di elaborare un metodo che permettesse di ottenere pcb di buona qualità in tempi brevi e costi contenuti.
Quello di seguito descritto è una rielaborazione del noto metodo "stira e ammira" che a mio avviso non offre uno standard qualitativo costante e che ho cercato di migliorare con l'ausilio di materiale facilmente reperibile e a basso costo.
La soluzione adottata permette il trasferimento del toner di una stampante laser da un foglio di carta patinata alla basetta ramata.
Volendo si possono realizzare pcb sia a singola che a doppia faccia.
 

Materiale occorrente:
stampante laser BN o fotocopiatrice
basette rampate pcb singola o doppia faccia
laminatrice o plastificatrice
spugnetta abrasiva
vim (detersivo)
acetone

 

Pulizia della basetta

 
Prima di procedere alla pulizia della basetta occorre tagliarla delle dimensioni del circuito che si reralizzera' avvalendosi di un seghetto o di una taglierina o di
forbicioni da lamiera.
La basetta di rame deve essere priva di eventuali pellicole protettive e disossidata, quest'ultima operazione puo' essere effettuata attraverso
l'ausilio di una spugnetta abrasiva.
Personalmente evito l'uso della spugnetta perche' tende a lasciare traccia delle varie passate sul rame che esteticamente conferiscono un aspetto poco profesionale.
In alternativa preferisco il vim in polvere inumidito e passato con uno straccio e parecchio olio di gomito, il potere abrasivo del vim rimuove i residui di ossido
ed  evita il problema descritto in precedenza.
Ultimata l'operazione di pulizia con il vim risciacquo abbondantemente e asciugo con un canovaccio, la lastra ramata che si ottiene deve avere un colore uniforme,
ben lucido e privo di eventuali ditate o impurita'.  
L'aspetto pulizia non è da sottovalutare in quanto a seconda del prodotto utilizzato cambia il risultato finale, con il sidol ad esempio ottenevo superfici
particolarmente lucide e pulite ma sulle quali il toner non attaccava neppure dopo abbondante risciacquo sotto il rubinetto.
Altro prodotto che non ho provato ma che potrebbe dare buoni risultati è il cillit bang cha ha un moderato potere corrosivo e che quindi è in grado di rimuovere l'ossidazione.
 

Preparazione del master

  Il master puo' essere realizzato attraverso uno dei tanti cad disponibili in rete, alcuni sono free e permettono ottime realizzazioni, tra questi cito gli arcinoti Kicad e il Fidocad per i quali rimando la trattazione per l'approfondimento ai relativi siti di riferimento.
E' importante notare come da questi cad sia possibile ottenere progetti multi layer dotati di silk e mask nonche' di file drill utili per la foratura tramite cnc.
Il master ottenuto dovra' essere stampato al contrario (sulla carta le scritte si dovranno leggere rovesciate) attraverso una stampante laser.
Per la realizzazione dei nostri pcb occorreranno le stampe del master e delle relative serigrafie.
La carta da utilizzare potra' essere del tipo patinata vedi ad esempio quella dei volantini con le pubblicita' dei supermercati o delle riviste.
Attenzione perche' non sono tutte uguali, alcune troppo sottili non passano nei rulli delle stampanti che si inceppano, se sono troppo spesse richiedono una maggiore temperatura di laminazione o piu' passate.

La carta da preferire è quella che immersa dentro all'acqua dopo qualche minuto tende a macerarei.
Personalmente ho ottenuto ottimi risultati con il catalogo Darty e alcuni di Poste.
La qualita' del toner è altrettanto importante e influisce anch'essa sul risultato finale, gran parte delle prove che ho effettuato riguardavano proprio le varie tipologie di stampante che avevo a disposizione.
Il toner ha proprieta' chimiche e temperatura di fusione che cambiano a seconda del produttore e che di conseguenza determinano risultati differenti.
Ogni stampante utilizza una propria miscela e non e' possibile sostituirla con quella di altri marchi a meno che non siano dichiarate compatibili.
In genere fonde tra i 140 e i 170 gradi e si attacca abbastanza bene sulla carta da fotocopia ma non sempre avviene altrettanto sul rame.
Ho sperimentato con successo stampanti bn lexmark, olivetti, ricoh e nashua, mentre qualche problema l'ho avuto con le hp.
Non ho avuto a possibilità di effettuare test con stampanti laser a colori ma dalle informazioni ottenute in rete pare non vadano bene.

Prima di stampare il master occorre settare correttamente le impostazioni del driver della stampante in modo da ottenere un risultato privo di retinatura e con una buona qualità dell'immagine rispettandone le dimensioni reali.
Purtroppo ogni driver ha un set di istruzioni personalizzato ed occorre effettuare alcune prove prima di trovare la soluzione ottimale.  
Ottenuto il master si passa alla laminazione.

Nella foto sottostante un esempio di master (Guitar preamp di Francolok) 

    

Laminazione del master

  Per attuare il trasferimento del toner sul rame mi sono avvalso dell'utilizzo di una plastificatrice United acquistata presso  Lidl al prezzo di circa 25 euro alla quale, verificate le proprieta' del toner, non è stato nemmeno necessario apportare modifiche.
Le basette ramate passano perfettamente nei rulli e vi è anche la possibilita' di modificarne la velocità.
Preriscaldo la piastra ramata senza master con 5 passate,  successivamente applico il master con il toner rivolto verso il rame  fissandolo ai bordi con del nastro di carta da carrozziere, poi ripasso il pcb con il master per altre 15 volte nella plastificatrice.
A caldo la carta patinata e il toner si attaccano completamente al rame, quando il rame tende a raffreddarsi è possibile che si formino delle bolle in corrispondeza dei punti dove non e' presente il toner.
A questo punto immergo la basetta in acqua saponata tiepida(uso una minima quantita' di detersivo dei piatti) e la lascio macerare per un minuto circa.
In questa fase la carta tende a diventare quasi trasparente lasciando intravedere le piste sottostanti.
Agitando moderatamente la piastra in acqua si provoca il distaccamento della carta, se questa tende a macerare si puo' favorire il processo sfregandoci sopra i polastrelli,  rimuovendo quindi gli eventuali eccessi.
Il toner a questo punto rimarra' attaccato al rame definendo cosi' le areole e le piste del nostro pcb.
Dopo aver asciugato tamponando delicatamente il pcb con panno carta si notera'  le piste  di colore nero opaco, quasi grigiastro invece che del tipico colore nero del toner.
Questo succede a causa del residuo di carta che rimane attaccata al toner ed e' buon segno perche' significa che tutto il toner e' stato trasferito.

Dopo aver controllato con una lente d'ingrandimento che il pcb sia privo di difetti si puo' immergere la basetta nell'acido.
Qualora si evidenzino piccole imperfezioni è possibile effettuare correzioni con un pennarello indelebile oppure se siete alla ricerca della perfezione assoluta potete  ripetere il processo di laminazione rimuovendo il lavoro fin qui svolto con panno e acetone.
Nelle figure sotto il master e il relativo toner completamente trasferito sul rame, da notare il foglio della prima immagine nel quale sono rimaste le tracce delle piste  bianche sulla carta dove in precedenza c'era il toner.

     

Immersione nell'acido

  In questo caso l'acido puo' essere il comune percloruro ferrico oppure una miscela di acido muriatico al 30% e acqua ossigenata a 130 volumi da miscelare nelle seguenti proporzioni 20 parti di acido e 5 di acqua ossigenata.
Se l'azione è troppo rapida si puo' diluire con un po' di acqua.
La miscela cosi' ottenuta tende a sprigionatre  calore e fumi che non sono salutari per l'uomo, qualora si optasse per questa soluzione consiglio vivamente di adottare tutti quegli accorgimenti che permettono di proteggersi adeguatamente operando in ambienti ben areati.

Ultimata la corrosione del rame estraggo il pcb e lo riasciaquo abbondantemente poi provvedo alla rimozione del toner con uno straccio e acetone e risciacquo nuovamente.
Si puo' a questo punto passare alla foratura manuale o tramite cnc.
Nelle foto il risultato finale e un dettaglio ingrandito.

   

Protezione del pcb

 
Se il pcb non viene utilizzato subito occorre proteggere il pcb lato rame dall'ossidazione che tende a scurirlo rendendo difficoltose le saldature.
Una prima soluzione è quella di non rimuovere il toner.
In alternativa è possibile utilizzare della normalissima lacca per capelli che attraverso la gommina in essa contenuta svolge una azione protettiva.
Oppure si puo' provvedere attraverso del solvente alla nitro nel quale è stato preventivamente sciolto del polistirolo, il liquido cosi' ottenuto puo' esere pennellato lato rame.

Una volta evaporato il solvente rimane una patina protettiva isolante di stirene che evita l'ossidazione.
In caso di necessita' lo strato di stirene che si forma puo' essere eliminato sempre attraverso l'uso di solvente alla nitro.
Mischiando al solvente alla nitro della pece greca invece che con il polistirolo si ottiene un discreto flussante, anche questo puo' essere pennellato lato rame in alternativa alla soluzione precedente.

Tutti i residui che si formano durante le saldature possono essere rimossi sempre con solvente alla nitro.

 

Serigrafie

 
Serigrafie di ottima qualita' si ottengono sempre con lo stesso metodo ovvero laminando il toner sul lato opposto al rame sempre con le stesse modalità.
Il risultato finale è quello visibile nella foto sottostante nella quale si nota la realizzazione che e' servita per effettuare i test.

   

 PCB doppia faccia

 
Per i pcb a doppia faccia le cose si complicano un po', in pratica si tratta di elaborare un lato per volta del pcb ripetendo quindi due volte il processo di laminazione descritto precedentemente.
In ognuna delle due lavorazioni si provvedera' a proteggere il lato opposto della basetta con del nastro da pacco.
Dopo aver realizzato il primo lato occorre effettuare dei fori di riferimento che verranno utilizzati per posizionare il master sul lato opposto e che serviranno quindi per il perfetto allineamento delle due facce.
Il contatto elettrico tra due piazzole corrispondenti e opposte potra' essere effettuato saldando il reoforo del componente da entrambi i lati oppure utilizzando appositi rivetti, in commercio ne esistono di varie misure che possono essere fissati attraverso apposito punzone.
Il prezzo in genere è piuttosto economico........ buon pcb a tutti.

 

 
 

 

 
 
 
 
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