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Circuits imprimés électroniques

Le principe                     le matériel                    Mise en œuvre

Le principe

L'électronique à envahi notre vie quotidienne. Elle est partout et nous accompagnera  toujours. Support des composants électroniques, le circuit imprimé ou CI peut être très simple ou très sophistiqué. Simple couche, double face ou multicouches, la réalisation d'un CI demande, suivant sa complexité, un matériel qui peut lui aussi être simple, accessible par les bricoleurs que nous sommes, ou bien des machines ultras modernes coûtant des millions de francs.

 

Il est évident que nous laisserons cette dernière catégorie aux grandes sociétés de notre planète et que seuls les CI simple face, voire double faces nous concernent ici, dans cet atelier de bricolage. Voilà plusieurs années que je fabrique mes circuits imprimés, et comme toutes choses, il faut commencer par le commencement. Plusieurs façons de faire que nous allons voir ensemble s'offrent à nous.

 

Quand on débute dans l'électronique, généralement on commence par s'acheter un kit ou deux que l'on monte avec plus ou moins de succès. Si la discipline nous plaît, on persévère et bientôt on est appelé à réaliser son premier circuit imprimé. Après avoir trouvé un schéma, ou même l'avoir imaginé soi même, il est vivement recommandé de l'essayer, électriquement je veux dire, avant de le réaliser définitivement car développer un CI demande un certain savoir faire. Pour ça, il existe dans le commerce des plaques de montages rapides (voir photo) qui ne demandent aucune mise en œuvre, si ce n'est de placer les composants au bons endroits. Le circuit testé, il est temps de fabriquer le CI. Je préviens tout suite que les premiers essais risquent de ne pas être concluants, et qu'il faut un peu d'expérience avant de faire un sans faute.

 

 


Pour une première réalisation, deux moyens simples mais peu professionnels:

- Première méthode: celle du stylo à encre permanente ou inactinique (qui ne laisse pas passer les rayons ultras violets) qui consiste sur une plaque d'époxy recouverte d'un coté par un feuille de cuivre (simple face) de dessiner tout simplement le circuit à l'aide du stylo spécial, coté cuivre bien sûr. Il faut bien penser au sens du circuit et du schéma si on ne veut pas dessiner le tout à l'envers. Dessiner les pastilles qui une fois percées recevront les pattes des composants au bon écartement, puis les pistes les reliant entre elles, à l'aide d'une règle, si possible parallèles ou perpendiculaires pour obtenir un résultat plus propre. Une fois le circuit tracé définitivement, il sera plongé dans un bain de perchlorure de fer (sorte d'acide) afin que les parties cuivrées non protégées par le feutre indélébile soient dissoutes dans l'acide. Cette phase se nomme la gravure. Seules les pistes et pastilles dessinées resterons. Après perçage et suppression du stylo feutre à l'acétone, le CI sera prêt à recevoir les composants.

- La deuxième solution consiste à utiliser des autocollants qui en lieu et place des traits faits au stylo feront le même effet. ces autocollants s'achètent en magasin spécialisé d'électronique. Ces deux solutions montrent très vite leurs limites, la qualité étant rarement au rendez vous. Celui qui voudra aller plus loin choisira vite une autre formule.

 

Troisième méthode:

La troisième solution, plus sérieuse et plus efficace, nous permettra de mieux travailler. Il s'agit de dessiner le circuit sur un transparent appelé typon, puis de le poser bien plaqué sur une plaque d'époxy cuivrée recouverte d'une couche photo-sensible et d'insoler le tout aux rayons ultras violets pendant un temps précis. Il est important de prévoir sur quelle face du calque sera exécuter le dessin, afin que ce soit celle ci qui sera plaquée sur la couche sensible. Au début, il est très difficile d'assimiler cette notion de sens, et nombre de fois on se retrouve avec une platine gravée l'envers. Ensuite, dans un bain spécial de développement, contenant un révélateur, toutes les parties de la couche sensible insolée, c'est à dire celles qui ne sont pas protégées par le tracé du transparent, seront dissoutes et laisseront ainsi le cuivre nu. Dès lors, le procédé de gravure reste le même que dans le système précédent. Nous verrons plus loin les détails précis de chaque opération.

Nous pourrions utiliser des transparents spéciaux sur lesquels sera tracé le circuit par un procédé photographique, mais ceci demande un matériel sophistiqué; Une autre solution consiste à se déplacer chez un imprimeur qui veuille bien accepter de faire le travail. Après avoir utilisé ce moyen, j'ai vite abandonné à cause des contraintes de déplacements et des coûts élevés qu'il engendrait.


La solution !

Réalisant des CI depuis longtemps, j'utilise désormais une méthode bien plus économique et qui ne nécessite l'aide de personne. J'emploie du calque de dessin tout à fait classique qui coûte environ 20 francs les 10 feuilles A4. Au début je traçais le circuit sur le calque à l'aide d'un feutre inactinique ou noir, mais là encore il faut dessiner à l'envers. Aujourd'hui, à l'aide de l'informatique, les logiciels disponibles (on en trouve à tous les prix ) facilitent considérablement la tâche. Sans rentrer dans les fonctions et détails de chacun, le résultat demandé reste le même, c'est à dire que le circuit est dessiné du bon coté et sur la bonne face de la feuille de calque grâce à l'imprimante. La qualité des impressions n'étant plus à mettre en doute, j'utilise une vieille laser 300 X 300 qui me rend de fiers services depuis sept ans déjà, mais je suppose que les imprimantes à jets d'encre remplissent la même fonction. Etudions maintenant le matériel nécessaire.

Le matériel

Insoleuse

Les plaques d'époxy modernes pour la fabrication des circuits imprimés ont une face (simple face) cuivrée recouverte d'une couche de résine photosensible aux rayons ultras violets. La source la plus facile à trouver et la moins chère s'appelle le soleil. Je me souviens, alors qu'à l'époque j'utilisais une ampoule spéciale, m'être servi des rayons du soleil pour insoler (même le terme s'y prête) ma plaque époxy, alors que mon ampoule venait de claquer. En plein été, le temps d'exposition est vraiment court. Nous laisserons ce procédé de coté. Donc je disais qu'il existe des ampoules spéciales de 150 ou 200 watts, adaptables sur une quelconque lampe de bureau. En vente dans les boutiques d'électronique. Si on est appelé à produire très peu de circuits, c'est le moyen le plus économique.

 

Si on veut devenir un constructeur acharné, la solution la plus adéquate reste le système avec tubes fluorescents spéciaux. On trouve toutes sortes d'insoleuses dans le commerce. Pour ma part, j'ai préféré la construire:

2,3 ou 4 tubes suffiront à remplir les exigences les plus courantes. Acheter dans un magasin d'électronique les tubes nécessaires (longueur 500mm ) et dans un bricolage des clips acier ou plastique au diamètre des tubes qui serviront à les fixer. Les colliers ajustables plastiques feront aussi l'affaire. Se procurer à la déchetterie ou dans de vieux stocks des ballasts et des starters munis de leurs supports démontés de vielles réglettes néon. Tout ce matériel réuni, le positionner sur une table de façon à définir la dimension du coffret dans lequel il sera monté. Laisser environ 5 à 6 centimètres entre les tubes. Positionner les ballast et les supports des starters. Voilà, vous pouvez définir la dimension intérieure du coffret. Sachant que les tubes doivent se trouver à environ 8 à 10 centimètres du typon, vous pouvez ainsi décider de la profondeur ou hauteur du coffret. On peut voir sur l'image mon insoleuse dont le coffret est construit dans un matériau PVC blanc extrudé de 10 mm d'épaisseur. Un contre-plaqué ou un agglo stratifié blanc feront très bien l'affaire. Le luxe serait un minuteur ou timer à la seconde coupant l'éclairage automatiquement à la fin du temps prévu. Mon appareil est équipé d'un tel timer; voilà un premier circuit de débutant que l'on peut mettre en œuvre facilement. Penser à équiper l'insoleuse d'un interrupteur.

Repérer le câblage sur l'ancienne réglette, puis conformément brancher tous les ensembles "tubes ballasts starters" en parallèle. Attention aux cours circuits. N'oubliez jamais que le 220 volts est mortel!

Le typon sera appuyé sur la plaque époxy par un verre épais de 5 ou 6 mm sur les cotés duquel je pose deux lingots de plomb pour bien écraser le tout. Un aggloméré stratifié blanc de 19 mm fera une table parfaitement plane. Attention aux plaques 200 X 300 insolées complètement (exemple d'une petite série de circuits) car il est plus difficile de bien faire plaquer le typon sur une grande surface que sur une petite. Je préfère insoler ou exposer 2 demies plaque plutôt que de rater l'insolation d'une plaque entière qui finira à la poubelle.


 

 

Développeuse

 

Le matériel demandé pour cette opération est fort simple: une cuvette suffisamment grande pour recevoir le circuit insolé, près d'un évier pour rincer la platine après développement, et le révélateur liquide spécial acheté en magasin d'électronique. Le révélateur est un liquide dangereux et peut provoquer des brûlures. Lire soigneusement la notice avant de l'employer. Je conseille vivement les gants.

Avertissement

L'utilisation du perchlorure de fer est dangereuse pour les personnes et les objets. C'est un produit hautement corrosif. Les tâches sont très difficiles à éliminer. Toutes les précautions sont indispensables dans la manipulation du perchlo. Lire la fiche ci-contre.

 

 


 

Graveuse

Le moyen le plus simple est d'utiliser une bassine dans laquelle on verse suffisamment de perchlo, si possible chaud (40°), pour immerger le circuit à graver. L'ennui est qu'il faut remuer le liquide en permanence pour accélérer la gravure, c'est à dire qu'il faut basculer la bassine d'un coté sur l'autre pour créer comme une vague. Il faut bien une demie heure de brassage.

Après avoir essayé un modèle de graveuse avec production de mousse de perchlorure de fer que je déconseille, j'ai abandonné le procédé pour le remplacer par un moyen beaucoup plus simple:

Principe: Il s'agit en fait d'un réservoir étroit, dans lequel le perchlo est chauffé à l'aide de deux résistances pour aquarium de 100 watts chacune, et d'une injection d'air à l'aide d'un tuyau bouché en son extrémité et percé de petits trous. Ce tuyau est fixé au fond du réservoir, et l'admission d'air provoque une bouillonnement (de bulles d'air) du liquide corrosif.

     

Une autre solution moins salissante préconisée par M. Pierre Bellert consiste à utiliser du chlorure cuivrique:

200 ml d'acide chlorhydrique
30  ml d'eau oxygénée à 30 /100 ou 30 volumes
700 ml d'eau

La gravure est paraît-il très rapide. Attention toutefois aux vapeurs nocives de l'acide. Lorsque la solution n'est plus efficace, rajouter un peu d'eau oxygénée.

 

 

 

 

 

 

 

 

Réalisation: Il paraît évident que tous les composants de ce réservoir doivent être insensibles sous l'action de l'acide. Le verre et le PVC sont parfaits pour cette réalisation. Faire couper ou couper soi-même (méthode décrite dans la rubrique astuces de ce site) deux verres de dimensions égales d'une épaisseur de 3 à 4 millimètres: sur mon appareil, 320mm de hauteur par 380mm de largeur. Pour le cadre, j'ai utilisé du PVC épais de 10 mm pour les cotés et 19 pour le socle. Attention, le nylon et autres dérivés ne conviennent pas, le silicone n'adhère pas sur de tels matériaux. Les deux vitres, pour une question de contenance du réservoir, doivent être de 20 à 30mm environ l'une de l'autre. Dans une bande de PVC de 50mm de largeur et de 10ou 12mm d'épaisseur, pratiquer deux rainures parallèles à la scie circulaire de table ou à la une toupie qui recevront les deux verres. Attention les doigts. Les rainures doivent bien sûr être suffisamment larges pour recevoir le verre et d'une profondeur de 5mm. Couper ensuite la bande de PVC ou les morceaux prédécoupés en longueur pour constituer le cadre. Pour la partie basse, une bande plus large permettra une assise du réservoir plus stable et toute prête, alors qu'autrement il faudra fabriquer un socle. Dans un tuyau plastique souple de 6mm de diamètre intérieur, percer une vingtaine de trous de 1mm sur une longueur équivalente à un peu moins de la largeur du réservoir, puis boucher l'extrémité avec un bouchon de plastique. Il manque encore un tube de silicone. Sur la partie basse du cadre, définir la position des cotés verticaux afin de fixer le tuyau (coté percé). Je n'ai pas encore trouvé le moyen idéal pour le fixer et il me semble que certains plastiques comme ceux des colliers ne résistent pas. Un peu d'imagination, que diable! et si vous trouvez, vous pouvez toujours me passer l'info. Une fois toutes les pièces réunies, nous sommes prêts pour l'assemblage.

Dégraisser les vitres à l'essence C, F, au trichloréthylène ou à l'acétone. Remplir une rainure du socle et positionner une des vitres. Remplir une rainure et le dessous d'un des deux coté et l'assembler comme prévu. Continuer par l'autre vitre. Pour finir, maintenir le tuyau pour qu'il sorte par le haut après avoir remplit les dernières rainures de silicone et terminer l'assemblage en pressant fortement pour faire "dégueuler" le joint souple. Maintenir le tout serré à l'aide de sangles à boucles ou d'une cordelette faisant plusieurs tours autour de l'ensemble, verticalement et horizontalement. Laisser le joint sécher, tester le tout avec de l'eau. Aucune fuite ne sera tolérée. La graveuse est maintenant presque prête. Il lui manque une ou deux résistances chauffantes, et une source d'air. Pour ce dernier point, on peut imaginer une pompe d'aquarium: solution qu'il faudrait essayer en se faisant prêter une pompe avant d'en acheter une, afin de vérifier l'efficacité. Un petit compresseur sur batterie pour automobile pourrait aussi faire l'affaire. Pour ceux qui ont la chance comme moi de posséder un compresseur d'atelier, le problème est résolu. Tester le système d'air avec de l'eau, si tout fonctionne, on va pouvoir se mettre au travail productif.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Mise en œuvre

Imaginons que vous avez choisi de travailler comme un pro, enfin presque, et que vous avez construit une insoleuse et un récipient de gravure. Votre ordinateur vous a permit de dessiner votre circuit, et l'imprimante à produit un beau typon sur calque. La première chose à faire est de vérifier que le typon est bien tracé du bon coté. C'est à dire que lorsque vous imaginez regarder votre circuit imprimé en regardant le calque, coté composants (de l'autre coté de la face cuivre) le tracé de l'imprimante doit se trouver sur le dessus de calque. Me suis bien fait comprendre?

Il est donc du bon coté et c'est tant mieux. Il y a un truc pour ne pas se tromper, c'est de mettre un texte ou un mot sur la face cuivre du circuit en le dessinant. Ainsi, chaque fois que vous posez le typon sur la plaque à insoler, le texte apparaît à l'endroit et lisible alors que le dessin sur le calque est bien dessous, contre le cuivre. Avec un peu d'expérience et deux ou trois platines gâchées, vous ne ferez plus d'erreur.

Découper dans la plaque neuve la surface de circuit voulue. Au début et le plus simple est d'utiliser une cisaille à tôle. La scie à métaux convient également mais c'est plus difficile. Le morceau de plaque coupé et ébavuré, le poser sur le panneau d'agglo blanc, coté cuivre vers le haut après avoir enlevé l'autocollant de protection. Il est évident de ne pas se mettre au soleil pour ce travail. Poser ensuite le typon sur la plaque, le texte restant lisible. Poser par dessus le tout la vitre (décrit plus haut) et les poids afin de pressé le tout. Vérifier que toutes les parties dessinées du typon se trouvent sur la plaque d'époxy. Recouvrir le tout avec l'insoleuse. Eclairer les néons et compter deux minutes sur votre montre( temps moyen en utilisant une plaque pré-sensibilisée récente et un révélateur neuf ) Il semble nécessaire de faire un essai sur un petit morceau afin de contrôler le temps d'exposition.

Mettre des gants ménagers

Le révélateur ayant été maintenu à une température de 20° environ, le verser dans une cuvette sur une hauteur de un centimètre environ. Le temps d'exposition (2 minutes) écoulé, éteindre l'insoleuse, retirer la plaque et la plonger dans le révélateur. Remuer la cuvette pour agiter le liquide. Là miracle, comme une photo, le circuit apparaît sur la plaque. Dès que la couche sensible a disparu, on peut facilement s'en rendre compte en regardant la platine prendre la couleur du cuivre brillant, rincer abondamment la platine à l'eau tiède; Si il vous semble rester des résidus de la couche photo-sensible, frotter très légèrement la plaque avec une éponge propre et humide. Voilà, votre beau circuit est là, presque matérialisé. Il faut encore effectuer la gravure. Faire un trou dans la platine (4mm) à un endroit non gênant, qui permettra de la suspendre et de la manipuler sans mettre les doigts dans le perchlo. J'utilise un morceau de fil électrique rigide de 1.5 mm² avec son isolant.

Dans le récipient où le perchlorure de fer à eu le temps de chauffer à l'aide des résistances, alors que les bulles d'air se chargent de le brasser, plonger le circuit accroché à son fil de cuivre complètement dans le liquide. Les bulles ne doivent pas faire éclabousser le perchlo à l'extérieur du récipient. Réguler l'air si c'est le cas. Ne pas respirer les vapeurs, et ne pas poser la graveuse sur l'établi par exemple, alors que vos belles clés Facom sont accrochées au tableau. Au bout de quelques fois, elles vont commencer à se piquer, croyez moi, j'en ai fait l'expérience. Vérifier l'état de la gravure de temps en temps, dix minutes en tout devraient suffire. Quand toutes les parties indésirables du cuivre sont éliminées, rincer abondamment la platine à l'eau; attention aux tâches.

Le circuit imprimé est maintenant presque achevé. Imbiber un chiffon d'un peu acétone et enlever la résine photosensible restante sur les pistes et pastilles du circuit. Le résultat, si toutes les opérations se sont bien déroulées, doit être net et digne d'un pro. Il ne reste plus qu'à faire le perçage.

Une mini perceuse, avec variateur de vitesse jusqu'à 20000 tours est recommandée, mais on peut débuter avec un modèle de base. Utiliser des forets spéciaux pour circuits imprimés. Malheureusement, ces forets sont très chers et cassants comme du verre, et le perçage est une opération délicate. Un diamètre de 0.6 mm et 0.8 ou 1 mm suffiront, sauf pour quelques composants nécessitants une diamètre plus fort. Pour ces derniers trous, peu en nombre, un foret pour inox ira très bien. Les forets classiques ne sont pas destinés pour cet usage et ils ne durent qu'un instant.

  

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