Un metodo abbastanza semplice per metallizzare i fori di un circuito stampato, utilizzabili sino alle microonde, anche con substrati “difficili” come il teflon. A titolo di esempio verrà utilizzato un substrato doppia faccia in teflon da 0.5mm di spessore, rame da 35 micron (1oz/sqft), costante dielettrica 2.5, per realizzare un amplificatore @2300MHz, equipaggiato con un SHF589 che offre un guadagno di 10dB e una potenza d’uscita di 2W. In fig.1 si vede il circuitino disegnato con Sprint-Layout, uno dei tanti software disponibili. Fig. 1 Layout dell’amplificatore RF con un SHF589 Da questo disegno si ricava il file Excellon .DRL per la foratura del PCB mediante CNC. Le fasi: • Foratura • Grafitatura dei fori • Placcatura in rame • Stesura del fotoresist, Esposizione e Sviluppo • Attacco con l’acido Foratura Prima di tutto occorre forare il PCB vergine. I fori eseguiti verranno poi tutti metallizzati nel bagno galvanico di ramatura. Occorre forare con un’ottima punta (tungsteno, possibilmente) e ad un numero di giri molto elevato, il più elevato possibile. Così facendo si otterranno bordi d’ingresso e d’uscita molto netti e, dopo la deposizione del metallo, le pareti interne del foro lisce. Fig. 2 Il CNC al lavoro. Velocità di rotazione è di 11.000rpm Fig. 3 la PCB forata. Tutti i fori sono da 0.8mm Occorre passare entrambe le superfici con della paglietta per rimuovere ogni residuo meccanico della foratura e depositi di ossidi. Grafitatura Spruzzare su entrambi i lati del Graphit33 (grafite liquida della Kontakt Chemie) che, penetrando nei fori, realizzerà dei “ponti” conduttivi. Fig. 4 Graphit 33 La resistenza è piuttosto elevata, ma sufficiente per attivare la placcatura galvanica in rame. Si possono certamente usare anche altri prodotti disponibili sul mercato, ovviamente. Fig. 5 – la PCB grafitata su entrambi i lati Le due superfici vanno raschiate e addirittura passate con carta smeriglio 1000 o tuttalpiù 800 per eliminare la grafite su entrambi i lati. Deve però essere un trattamento che riguarda solo ed esclusivamente la superficie. Le pareti interne dei fori devono ovviamente rimanere rivestite di grafite. Fig. 6 – Superficie raschiata e fori da 0.8mm rivestiti di grafite, pronti per la ramatura Placcatura in rame La ramatura galvanica è realizzata mediante due anodi di rame 99% (posti di fronte alle due facce del PCB) e con una densità di corrente di 5A/dmq. L’elettrolita usato è un prodotto della Tifoo, ma ce ne sono svariati altri. In questo esempio il totale delle superfici (i due lati del PCB e i 53 fori da 0.8mm nel substrato di 0.5mm di spessore) ammonta a circa 14.8cmq. Quindi la corrente necessaria è di circa 740mA. La tensione necessaria dipende da molti fattori (il bagno, la superficie degli anodi, la loro distanza dall’oggetto da placcare ecc). Di solito si aggira tra 1 volt e i 2 volt. Man mano che la placcatura avanza, la corrente cambia e, per mantenerne il valore ottimale, occorre agire sulla tensione fornita agli anodi. Per aiutare il processo è stato utilizzato un piccolo gorgogliatore da acquario, che tiene in movimento caotico l’elettrolita e migliora l’uniformità di deposizione. Non è affatto un processo critico, basta tenere la corrente un poco più bassa del valore ottimo teorico, a tutto vantaggio della qualità di deposizione del rame. Con questa densità di corrente, la velocità di deposizione è di circa 1 micron di rame al minuto, micron che si depositerà ovunque: nei fori e sulle due facce, ovviamente. Per non depositare troppo rame sulle due facce (una parte di questo poi dovrà essere comunque rimosso durante la fase di attacco con l’acido), la deposizione verrà limitata a 15 micron, ottenibile in una trentina di minuti (all’inizio la deposizione nei fori è più lenta, a causa della scarsa conduttività della grafite). 15 micron di rame nei fori sono più che sufficienti per garantire una resistenza inferiore ai 35 milliOhm in ciascun foro. Alle microonde c’è da preoccuparsi più dell’induttanza parassita di questo foro che della sua resistenza. Fig. 7 – I fori da 0.8mm metallizzati. Facoltativo: la fine della ramatura sarebbe il momento di argentare galvanicamente la scheda. Uno strato di qualche micron è più che sufficiente per migliorare la conduttività superficiale delle future piste. L’effetto pelle, poi, limita la penetrazione delle correnti alternate nei buoni conduttori: per l’argento a 2GHz a circa 1.5 micron, a 5GHz a poco meno di 1 micron e a 10GHz a circa 0.6 micron. Oltre questi spessori (aumentati per sicurezza del 100%) sarebbe comunque inutile andare, se non per garantire un’ottima conducibilità alla corrente continua (alimentazione dei dispositivi). I soliti sali o gli acidi che attaccano il rame attaccano anche l’argento (persolfato di sodio, percloruro o cloruro ferrico, acido muriatico e acqua ossigenata ecc). Quindi anche in questo caso si tratta di deporre l’argento su tutta la superficie e rimuovere ciò che non servirà (peccato, però). Ma l’argentatura si può dare anche successivamente, a bagno, a piste già fatte. Lo spessore però non riesce a superare gli 0.5-0.7 micron perché l’argento libero deve legarsi con il substrato. Una volta legato, non se ne deposita più. In più la saldatura causa uno “scolorimento” della pista, nei dintorni. Il motivo è che l’argento deposto si fonde con il rame, costituendo una lega. Bisognerebbe mettere uno strato di nichel fra rame e argento che “impermeabilizzi”. Ma qui entriamo in aspetti di galvanotecnica che esulano da questo esempio. Stesura del fotoresist, Esposizione e Sviluppo La stesura del fotoresist consentirà di proteggere le piste che compongono il circuito stampato, che verrà quindi ottenuto per sottrazione (del materiale superfluo). Un esempio diverso è costituito dall’allumina, sulla quale si deporrà il metallo che compone il circuito stampato, che verrà quindi ottenuto per aggiunta (del materiale necessario). Oltre a proteggere le piste che compongono il circuito stampato, un problema delicato sarà quello di proteggere questi fori dall’attacco dell’acido. I bordi, infatti, sono vivi ed essendo la stesura del fotoresist molto sottile (pochi micron) è facile che il margine di ciascun foro venga sbeccato o screpolato, aprendo delle piccole falle nelle quali l’acido si può insinuare. Prima di tutto, con una bomboletta di vernice ad asciugatura rapida, si protegge tutta la parte posteriore del circuito. Si spruzza mirando verticalmente sui fori metallizzati, in modo che la vernice –micronizzata e molto fluida- penetri per quanto possibile all’interno di ciascun foro metallizzato, proteggendolo. Si lascia quindi asciugare perfettamente. Fig. 8 – Ground plane protetto con vernice spray Un tipo di fotoresist utilizzabile è quello su dry film, facile, veloce e in grado di garantire risoluzioni molto spinte (dimensioni anche inferiori al decimo di millimetro, qualora servissero). I dry film si stendono e aderiscono tramite calore e (leggera) pressione, per esempio utilizzando un laminatore/plastificatore. Temperatura ideale 110°, fatto entrare e uscire quattro o cinque volte. Su YouTube ci sono dozzine di filmati dimostrativi. Ma si può fare anche con un ferro da stiro, regolato su una temperatura molto dolce. Il suo peso farà il resto. Si espone con un master negativo (con i dry film solo le zone esposte agli UV per un paio di minuti polimerizzano e quindi resistono all’azione dell’acido). Si sviluppa con del semplice carbonato di calcio (perfetta la Soda Solvay, per intenderci) in soluzione al 1-3% (niente affatto critico) per qualche decina di secondi. Inutile acquistare costose polveri di sviluppo. Fig. 9 – Esposto e sviluppato A questo punto, molto importante, è necessario controllare che ogni foro sia molto ben protetto. Fig. 10 – I bordi dei due fori sono protetti solo da uno strato molto sottile di fotoresist Per farla breve, in corrispondenza di ogni foro metallizzato si farà cadere una micro-goccia di una qualsiasi vernice nitro diluita al 40-50%. Il sistema migliore e più economico è quello di usare uno stuzzicadenti. Sulla punta si formerà una gocciolina, molto fluida e piccola, che verrà fatta cadere proprio in corrispondenza del foro. Un’ottima protezione per il passaggio successivo. Attacco con l’acido Questo circuito è stato quindi immerso in una soluzione di persolfato di sodio (250gr per litro d’acqua), tenuto a circa 45° e agitato con il solito gorgogliatore da acquario. In una mezz’ora le parti di rame esposte (spessore di 35 micron più lo spessore deposto durante la metallizzazione dei fori) verranno completamente rimosse. Questo il risultato: Fig. 11 – Il circuitino finito e la base di teflon esposta Fig. 12 – La piastrina centrale con i fori metallizzati Fig. 13 – La parte posteriore, il Ground Plane del circuitino Ora si può procedere alla saldatura dei componenti SMD. Passaggio facoltativo: maschera di saldatura (può essere utile, considerando le dimensioni molto ridotte dei componenti). Nel circuito si fa uso di componenti SMD: resistenze 1206, condensatori 0805, un ICL 7660 e un SHF-589. Lo schema è tema di un altro articolo.