Gravure des cartes electroniques

Réaliser des cartes électroniques artisanales est relativement aisé, pour peu que l'on dispose d'un minimum d'équipement. Par artisanal nous entendons carte simple couche, des pistes pas trop fines (pas moins de 0.4 mm pour commencer), ne comportant pas de composants trop petits... (Pour cela, il faudra demander à des professionnels de les réaliser.)

Grâce à ce tutoriel, vous allez tout connaitre des techniques à employer.

La théorie

Il est toujours bon de commencer par un peu de théorie afin de bien comprendre le pourquoi du comment de la suite d'actions que vous aller effectuer. J'ai choisit de commencer par une présentation du matériel, puis des actions à effectuer, si l'on a aucune base sur la gravure de carte, les explications peuvent sembler floues au départ mais deviendrons plus claires lorsque nous aborderons la pratique.

Le matériel

L'insoleuse

Une insoleuse à UV est nécessaire pour fabriquer des cartes telles que nous les faisons au club.

Cependant, une insoleuse "professionnelle" telle que celle que nous possédons est relativement chère... Mais en fabriquer une à l'aide de tubes à UV et d'un minuteur ne doit pas être bien difficile (prévoir un cache pour ne pas voir directement les rayons UV).

La graveuse

Notre graveuse est, par contre, plus artisanale... Il suffit juste que sa largeur permette de faire rentrer une résistance chauffante et de faire rentrer une carte (même relativement grande).

Une meilleure graveuse que celle que nous avons (mais pour graver des cartes plus petites) serait d'utiliser un bécher ou un récipient assez grand (1 ou 2 litres) et d'un diamètre assez grand, on mettra un agitateur magnétique (que l'on peut créer avec deux aimants et un moteur) au fond afin de remuer la solution et de permettre de détacher le cuivre plus facilement. On pourra également mettre une résistance chauffante pour accélérer la réaction.

La zone de gravure du club


La plaque d'époxy

Au départ, votre carte n'existe pas, c'est à vous de la découper dans une plaque d'époxy (que l'on trouve sur n'importe quel site de vente d'électronique).


Comme son nom ne l'indique pas, cette plaque est composée d'une multitude de couche dont une couche de résine, le plus souvent de l'époxy. C'est cette résine qui va rendre la carte suffisamment solide.

Ainsi, une carte vierge, regardée par la tranche comportera les couches suivantes :
carte_elec_complete.jpg

Les différentes couches

Les couches portent un nom suffisamment clair pour être compris tout seul... Mais des explications sont toujours bienvenues

Le film de protection

Le film va permettre de protéger la carte contre les coups qui pourraient abimer la surface du vernis ou du cuivre.
De plus, le vernis étant sensible aux UV, le film noir va le protéger d'illuminations non souhaitées.

La couche de vernis

Le vernis va servir à protéger le cuivre lors du bain dans la solution de gravure.

La couche de cuivre

Cette couche sera celle qui nous intéresse le plus, en fait, toute la technique de gravure consiste à enlever "juste ce qu'il faut' les couches précédentes pour ne laisser apparent que le cuivre et l'époxy.
Si cette couche est aussi importante, c'est que c'est elle qui va comporter toutes les liaisons électriques et se comporte donc comme les fils électrique de vos montages de tests.

L'époxy

Cette couche va permettre d'assurer une certaine rigidité à la carte (étant la partie la plus épaisse et solide).
L'époxy étant isolant, elle va également permettre d'éviter les courts-circuits entre les différentes pistes de cuivre.

Lorsque la carte sera terminée, et réussie, il ne restera que les deux dernières couches qui dessineront la forme présente sur le typon.
Comme cela :
carte_elec_gravure-termine.jpg
Le but de toutes les manipulations étant d'enlever étape après étape les différentes couches


Les solutions chimiques

On ne peut pas graver de cartes sans faire un minimum de chimie... Ce qui est dommage pour les électroniciens, informaticiens ou mécaniciens purs mais laisse une petite place aux chimistes de tous bords dans un club d'électronique.

Le révélateur

Au club, nous utilisons du révélateur positif CIF à diluer dans de l'eau.

En fait, le révélateur est constitué d'hydroxyde de sodium (de la soude caustique pour les non-initiés) de formule : NaOH, il serait donc possible d'en fabriquer en utilisant des cristaux de soude (pur) que l'on dilue, dans ce cas, faire bien attention aux projections, la soude concentrée est très dangereuse, de plus TOUJOURS VERSER LA SOUDE DANS L'EAU (et pas le contraire).
Pour plus d'info, il est toujours possible d'effectuer une petite recherche internet ...

La soude ayant un pH très élevé (proche de 14) surtout vu les concentrations dans le révélateur, elle va effectuer une réaction acido-basique avec le vernis protecteur fragilisé lors de l'insolation. Le révélateur va donc permettre de faire disparaitre le vernis "ponctuellement", par endroits... La soude est assez sensible au CO2 présent dans l'air, formant alors du CO32-, il ne faut donc pas la garder trop longtemps et essayer de la garder dans une bouteille fermée (et remplie pour qu'il y ait moins d'air).

La solution de gravure

Précédemment nous utilisions une solution de perchlorure de fer. Cependant, vu les problèmes propres à cette solution, nous sommes passés au persulfate d'ammonium .

Le persulfate d'ammonium est un puissant agent oxydant qui va permettre de réduire le cuivre solide de la carte en ions cuivre Cu2+ (rendant à l'occasion, la solution d'un bleu du plus bel effet).

Pour réaliser la solution, nous disposons de sachet de persulfate d'ammonium, que nous dissolvons dans une bouteille d'eau chaude. On se rend alors compte que la réaction de dissolution est endothermique ("absorbe de la chaleur") donc en très peu de temps, l'eau va fortement se refroidir... Cependant, quantité de persulfate qui peut être dissout dans un volume d'eau dépend de la température donc n'hésitez pas à utiliser de l'eau bien chaude afin de faire disparaitre tous les cristaux...

L'éthanol

Lorsque la carte a fini de graver, il faut enlever le surplus de vernis. Pour cela, il faut utiliser un produit dans lequel il est soluble (l'eau ne marche pas) au club, nous utilisons de l'éthanol, mais l'utilisation d'autre produits est envisageable.

La pratique


Maintenant, trêve de bavardages, place à la pratique... Mais toujours avec quelques explications afin de comprendre ce que l'on fait ;o)

Graver une "bonne" carte électronique n'est pas extrêmement difficile... une fois que l'on à l'habitude (c'est comme tout, en fait). Les manipulations ne sont pas extrêmement complexes, mais nécessite un certain doigté et une grande concentration pour décider quand terminer chaque étape. Ne soyez pas déçus si vous loupez vos premières cartes, c'est normal

Evidement, rien ne sert de réussir parfaitement une carte si elle n'est pas électriquement correcte, faite donc voir et revoir le PCB (le routage) à des connaisseurs afin qu'ils vous corrigent.

La découpe de la carte

Au départ, vous avez acheté une plaque d'époxy d'une certaine surface, qui est évidement trop grande pour votre carte.

Alors, à votre scie à métaux, vous devrais la découper. Pour connaitre la taille de votre carte, vous pouvez dès à présent imprimer votre PCB sur du papier calque à taille réelle (ce qui formera votre typon), de toute façon, vous en aurai besoin à la prochaine étape... Découpez le papier calque tout autour de votre typon et reportez les dimensions sur la plaque.

Lorsque vous découpez n'oubliez pas d'optimiser la répartition des cartes sur la plaque. Surtout prévoyez 1 ou 2 millimètres en plus sur les bords à cause de l'épaisseur de la lame, il est navrant de s'apercevoir que se que l'on a découpé est trop petit, et donc que l'on a perdu toute la surface de la carte pour tenter d'économiser moins d'un millimètre carré.

Une fois que la carte est découpée limez les bords afin que la surface photosensible soit bien lise. Pourquoi ? Afin d'éviter des effets de flous sur les bords à la prochaine étape, de plus, s'est mieux d'avoir une carte toute douce.

L'insolement

Voici surement l'une des étapes les plus sensibles de la gravure d'une carte...
L'insolement va consister à illuminer la carte à travers le papier calque avec des rayons UV, afin de fragiliser une partie du vernis.

La durée varie énormément en fonction de multiples paramètres : le type de plaque photosensible, sa qualité, le type d'insoleuse, sa puissance, l'espacement entre les tubes UV et la carte... Il est impossible de déterminer à l'avance, la durée d'insolement, il faut donc procéder à tâtons

Pour bien insoler, je vous conseille de placer un texte sur le typon afin de connaitre son sens (pour les composants non symétriques). Tenez ensuite la carte face à vous, en plaçant correctement le typon, vous devez pouvoir lire ce qui est écrit...

Vous en êtes maintenant ici :
carte_elec_apres_ensoleillement.jpg

La révélation

Cette étape est également très importante, en fait, il s’agit de la suite de l’ensoleillement : on va maintenant éliminer le vernis fragilisé à la précédente étape.

Si on révèle trop, tout le vernis partira et ne protègera donc plus le cuivre, une fois dans la solution. Si l’on ne révèle pas assez, le vernis fragilisé ne partira pas complètement et du cuivre ne sera pas attaqué par la solution.

Pour bien révéler votre carte verser le révélateur dessus, puis frottez-la avec un pinceau.
Passez la carte sous l’eau du robinet en frottant les pistes avec les doigts, puis recommencez à frotter la carte au pinceau.

Une fois la révélation terminée, on doit voir apparaitre le contour des pistes d’un vert plus clair que le reste.
Passez alors la carte sous l’eau afin d’éliminer le révélateur encore présent.

Voilà schématiquement, ce que cela représente :
carte_elec_apres_revelateur.jpg

La gravure

On va maintenant plonger la carte dans la solution de persulfate d’ammonium afin de faire disparaitre le cuivre non protégé.

Cette étape peut durer plus ou moins longtemps, la durée étant fonction de l’âge de la solution, de la surface de cuivre qu’elle à déjà réduit, de la température, de la surface de la carte.
Cependant, si au bout d’une heure, tout le cuivre n’est pas parti, vous pouvez considérer que votre carte à été mal révélé, on peut toujours le gratter au cutter si il n’y en a pas trop.
Si les pistes commencent à partir, au contraire, la carte à été trop ensoleillée, il faudra tout recommencer. N’oubliez pas d’augmenter la température de la solution à l’aide d’une résistance d’aquarium, mais également de faire du mouvement à l’aide d’un bulleur.

Voilà la carte une fois qu'elle est plongée dans le bain de persulfate :

carte_elec_pendant_bain_persu.jpg

Et la voici, une fois terminée :
carte_elec_apres_bain_persu.jpg

On peut noter qu'il reste encore du vernis protecteur sur la carte, il sera enlevé à la prochaine étape

Le nettoyage du vernis

Pour éliminer le vernis et laisser seulement le cuivre et l'époxy apparent, il suffit de frotter la carte avec un liquide dans lequel le vernis est soluble.

Pour cela, nous utilisons de l'éthanol (alcool alimentaire) au club. Il faut alors en imbiber un chiffon et frotter le vernis avec. L'on remarque que le chiffon devient vert mais que la carte laisse alors ressortir sa vrai couleur.

Cependant, maintenant le cuivre n'est plus protégé et peut commencer à s'oxyder, je vous conseille donc de vite la souder...

Cette étape marque la fin de la gravure de votre carte :
carte_elec_gravure-termine.jpg


Annexes


Rien ne marche que faire ?

Car chaque erreur n'est qu'un pas en avant... voici un petit recueil des problèmes que l'on peut rencontrer (enfin, que l'on a rencontré ^^).
  • La solution est trop ancienne (très bleue) : du cuivre se redépose sur la carte, laissant apparaitre donc apparaitre un jolie relief... Il faut changer la solution, si vous êtes radins, vous pouvez toujours essayer de rincer régulièrement la carte en la frottant sous l'eau.
  • "Depuis 5 heures ma carte est dans la solution et ce n'est toujours pas gravé ..." Il se peut que la solution soit très ancienne ce qui va ralentir la réaction (voir si dessus), sinon, si la solution est jeune, la révélation a pu être mal effectuée (on voit alors apparaitre des "bandes" de cuivre), dans ce cas il vaut mieux enlever la carte, les pistes risquant de partir... Il se peut aussi que la solution soit trop froide ce qui peut ralentir la réaction.
  • Il reste des bandes de cuivre qui ne partent pas : la carte n'a pas été assez révélée...
  • Les pistes commencent à partir, mais il reste du cuivre : la carte à été trop insolée (une bonne durée se joue à 10-15 secondes).

Comment changer la solution de persulfate ?

Prenez votre courage à deux mains, dégainez votre blouse et nous pouvons commencer.

Ne jetez pas l'ancienne solution dans l'évier, bien quelle ne soit quasiment plus active chimiquement, elle contient du cuivre et peut potentiellement attaquer vos canalisations ou les égouts s'il reste du persulfate, en plus, c'est dangereux pour les poissons...
Je vous recommande plutôt de la donner au département chimie (si vous êtes dans un établissement scolaire) sinon, une déchèterie est normalement obligée de récupérer vos déchets chimiques.

Faites chauffer 0.5 à 0.7L d'eau, une fois qu'il a atteint une température assez conséquente, de toute façon le produit ne se dégrade qu'à partir de 130°C environ, mais la solubilité augmente avec la température), versez les dans une bouteille en verre ou en plastique (assez épaisse pour quelle ne se déforme pas trop). Sortez vos gants (attention c'est chaud), un entonnoir.
Pensez également à aérez votre local pour éviter de respirer des vapeurs "spéciales" et versez tout le sachet de persulfate d'ammonium dans la bouteille, veillez à agiter la bouteille pour bien diluer tous les cristaux...
Vous pouvez remarquer que la température de l'eau diminue au fur et à mesure que l'on rajoute du persulfate... Une fois tout le sachet dilué continuez à agiter un peu et versez dans la graveuse.

Cette façon de faire permet de bien diluer les cristaux, mieux qu'en versant directement l'eau chaude dans la graveuse. De plus il évitera que la solution ne recristallise s'il fait très froid.

Si de nombreux cristaux réapparaissent dans la solution, n'hésitez pas à refaire cette manipulation. Attention : changez l'eau, ne re-chauffez pas la même : n'oubliez pas que le persulfate réduit tous les métaux (et vous ne voudriez pas changer tout de suite de casserole ou de bouilloire...)

 
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