La realizzazione in casa di circuiti stampati comporta l'allestimento di un vero e proprio laboratorio completo di utensili e materiali necessari per la prototipazione e la verifica di funzionamento dell'oggetto da costruire.
La costruzione di un oggetto elettronico (circuitio per brevità) prevede dei traguardi da raggiungere senza avere fretta di vedere il risultato finale. Quindi è necessario seguire un vero e proprio "processo di produzione". Tale processo lo suddivido nelle seguenti fasi:
- Prototipazione
- Verifica funzionamento
- Produzione master
- Sviluppo pbc (printed board circuit)
- Saldatura dei componenti elettronici
- Test finale
- Cura dell'ambiente
Elenco gli elementi necessari all'allestimento del nostro mini laboratorio casalingo dettagliando contemporaneamente le operazioni da svolgere in ciascuna fase.
1. Prototipazione
Occorrente:
La prima fase è la realizzazione del prototipo. Questa fase prevede il corretto e attento collegamento dei componenti elettronici secondo lo schema elettrico. Quindi prima di partire con la prototipazione è necessario disporre di tutti i componenti elettronici. L'ottimo sito al quale ho trovato tutti i componenti necessari per lo sviluppo di circuiti dedicati alla musica è il seguente:
BanzaiMusic
Gli utensili necessari per tale fase sono:
- schema elettrico
- componenti elettronici
- breadboard
- filo conduttore solid core
La prima fase è la realizzazione del prototipo. Questa fase prevede il corretto e attento collegamento dei componenti elettronici secondo lo schema elettrico. Quindi prima di partire con la prototipazione è necessario disporre di tutti i componenti elettronici. L'ottimo sito al quale ho trovato tutti i componenti necessari per lo sviluppo di circuiti dedicati alla musica è il seguente:
BanzaiMusic
Gli utensili necessari per tale fase sono:
Breadboard
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| Figura 1 - Breadboard |
Si tratta di una basetta forata. I fori sono collegati tra loro secondo lo schema seguente:
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| Figura 2 - Schema di collegamento breadboard |
Inserendo nei fori i piedini dei componenti e tenendo presente il modo con cui sono collegati i fori è possibile rispettare e riprodurre lo schema elettrico che ci interessa. Di seguito una foto che ritrae la prototipazione del Tube Driver:
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| Figura 3 - Esempio prototipazione |
Filo conduttore
Oltre alla breadboard potrebbe essere utile una matassa di filo conduttore solid core del diametro di 0,75 o 0,5 mm
2. Verifica funzionamento
Occorrente:
- Multimetro o tester
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| Figura 4 - Tester digitale |
Oltre alle misurazione che possiamo effettuare con il multimetro, la certezza del funzionamento del circuito la avremo utilizzando concretamente il prototipo. Mi spiego meglio: se per esempio il nostro circuito è un effetto per chitarra e di questo abbiamo costruito il prototipo su breadbord, potremmo collegare il prototipo alla chitarra è sentire come suona... in questo caso non c'è strumento di misurazione migliore del nostro orecchio.
3. Produzione master
Occorrente:
- programma per sbroglio circuiti elettrici
- stampa su lucido
In questo caso quello che occorre è un Personal Computer e un programma che faccia lo sbroglio. Se lo sbroglio viene fatto a mano come nel mio caso, occorre prevedere la distanza dei piedini di ciascun componente e disegnare le piste e le piazzole in modo che rispettino tali distanze. Non dimenticate di considerare l'ingombro dei componenti per la loro comoda sistemazione (Autocad in questo è molto utile).
4. Sviluppo pbc (printed board circuit)
Occorrente:
Lo sviluppo pbc è la fase al termine della quale si ottiene la basetta completa di piste ramate sulla quale saldare i componenti.
Stampa su lucido
Prima di tutto sarà necessario stampare su lucido completamente trasparente il disegno ottenuto dallo sbroglio del circuito. La stampa deve essere in scala 1:1. Se avete la possibilità di effettuare una stampa ad alto contrasto è meglio poiché è necessario che la zona scura della stampa (piste) sia coprente e deve impedire alla luce di passare. In alternativa potreste fare una doppia stampa e porre i due lucidi uno sull'altro in modo da far combaciare perfettamente le piste. La stampa su lucido sarà il nostro master.
Basetta presensibilizzata
Il master deve essere in qualche modo trasferito su una basetta. Per questo scopo in commercio esistono le basette presenzibilizzate. Sono composte da un supporto di vetronite e uno strato molto sottile di rame. Il rame è ricoperto da photoresist e poi il tutto protetto da una pellicola coprente per evitare contatti con la luce. La basetta è composta in questo modo proprio per consentire l'esposizione, lo sviluppo e l'incisione: tre passi importanti per ottenere il trasferimento del master sullo strato di rame della basetta. Di seguito approfondiamo l'argomento facendo un po' di chimica!
L'esposizione di una basetta presensibilizzata avviene quando lo strato di photeresist venendo invaso dalla luce diventa vulnerabile all'Idrossido di sodio, ovvero la soda caustica (NaOH). Per rendere la fase di esposizione alla luce più veloce ed efficace si utilizza come fonte luminosa la luce ultravioletta. Se prima di esporre la basetta ai raggi ultravioletti la ricopriamo con il master, solo la parte di photoresist non coperta verrà invasa dalla luce e sarà dissolta nella successiva fase di sviluppo. L'esposizione avviene tramite il bromografo che irradia la basetta con luce ultravioletta. Ho costruito un bromografo artigianale acquistando un vaso in plastica, un portalampada e una lampada UV. Ecco alcune foto del mio bromografo:
Come è possibile notare, come prima cosa ho rivestito l'interno del vaso con della carta specchiata tagliata a spicchi, per ottenere un effetto riflettente della luce.
Successivamente ho forato la base del vaso per poter posizionare il portalampada:
Ecco il risultato finale:
Il dettaglio della lampada:
Ecco l'effetto ottenuto all'accensione del bromografo:
Prima dell'incisione è necessario posizionare correttamente il master sul lato ramato della basetta. Il lato stampato del lucido deve poggiare sul rame della basetta. Per l'individuazione del lato stampato del lucido è sufficiente sfiorare con le dita le due superfici del lucido. Il nostro tatto sarà in grado di riconoscere il lato stampato del lucido percependo la ruvidità delle piste stampate. Il lato non stampato del lucido risulterà perfettamente liscio. Per far in modo che il master aderisca perfettamente alla basetta consiglio di poggiare e fissare un vetro che comprima il master sulla basetta come nella foto seguente (ho utilizzato una cornice a giorno di dimensioni maggiorni della basetta da sviluppare):
Di seguito la foto dell'esposizione:
Con il bromografo che vi ho illustrato è sufficiente esporre la basetta per 2 minuti e 45 secondi.
Lo sviluppo della basetta si ha immergendo la basetta in una soluzione di acqua demineralizzata e soda caustica. Soda caustica e acqua demineralizzata sono reperibili facilmente in negozi di casalinghi o ferramenta. Ecco la spesa che ho fatto nell'occasione con pochi euro:
Nella foto sono visibili anche occhiali e guanti necessari quando si maneggiano prodotti caustici (anche se la soluzione non è pericolosa vista la quantità di soda caustica utilizzata).
La soluzione è da 7 a 10 g di soda caustica in un litro di acqua demineralizzata. Una volta esposta la basetta alla luce ultravioletta (coperta dal master), liberiamo la basetta da vetro e master e la immergiamo nella soluzione di sviluppo. Dopo pochi secondi il photoresist esposto scomparirà lasciando affiorare il rame di un arancio più vivo rispetto a quello ancora ricoperto di photoresist non esposto. In questa fase si vedrà chiaramente il disegno del master trasferito sul rame. La parte più scura di rame è la parte ancora ricoperta dal photoresist che proteggerà il rame dalla successiva fase di incisione.
Ecco due esempi del risultato alla fine della fase di sviluppo:
La fase di sviluppo dura pochi secondi: 10 o 15 al massimo. E' possibile aiutarsi con una spugnetta per rimuovere il photoresist superfluo (fatelo con estrema delicatezza).
L'incisione è la corrosione, quindi l'eliminazione del rame superfluo in modo che rimanga solo il rame in corrispondenza delle piste. Tale fase si effettua immergendo la basetta nel cloruro ferrico (FeCl3). Dopo alcuni minuti il rame non protetto sarà completamente dissolto lasciando solo le piste sul supporto di vetronite della basetta. Dopo aver versato il cloruro ferrico liquido in una vaschetta di plastica (ogni metallo potrebbe essere intaccato) potete immergervi la basetta.
Per tutto il tempo fate muovere il liquido ondeggiando la vaschetta in modo che il residuo di rame venga asportato. Il tempo che si impiegherà per corrodere il rame superfluo sarà proporzionale alla quantità di rame da asportare. Abbiate pazienza in questa fase poiché potrebbe durare qualche minuto (10 - 15). Alla fine otterremo il risultato atteso come illustrato di seguito:
La foto rende poco, ma vi garantisco che il risultato è strepitoso vista la precisione e la definizione delle piste.
4. Sviluppo pbc (printed board circuit)
Occorrente:
- master
- basetta presensibilizzata positiva
- bromografo
- vetro
- vaschetta e pinzetta in plastica
- occhiali di protezione in plastica
- guanti in gomma
- soluzione di sviluppo (soda caustica e acqua demineralizzata)
- cloruro ferrico
Stampa su lucido
Prima di tutto sarà necessario stampare su lucido completamente trasparente il disegno ottenuto dallo sbroglio del circuito. La stampa deve essere in scala 1:1. Se avete la possibilità di effettuare una stampa ad alto contrasto è meglio poiché è necessario che la zona scura della stampa (piste) sia coprente e deve impedire alla luce di passare. In alternativa potreste fare una doppia stampa e porre i due lucidi uno sull'altro in modo da far combaciare perfettamente le piste. La stampa su lucido sarà il nostro master.
Basetta presensibilizzata
Il master deve essere in qualche modo trasferito su una basetta. Per questo scopo in commercio esistono le basette presenzibilizzate. Sono composte da un supporto di vetronite e uno strato molto sottile di rame. Il rame è ricoperto da photoresist e poi il tutto protetto da una pellicola coprente per evitare contatti con la luce. La basetta è composta in questo modo proprio per consentire l'esposizione, lo sviluppo e l'incisione: tre passi importanti per ottenere il trasferimento del master sullo strato di rame della basetta. Di seguito approfondiamo l'argomento facendo un po' di chimica!
L'esposizione di una basetta presensibilizzata avviene quando lo strato di photeresist venendo invaso dalla luce diventa vulnerabile all'Idrossido di sodio, ovvero la soda caustica (NaOH). Per rendere la fase di esposizione alla luce più veloce ed efficace si utilizza come fonte luminosa la luce ultravioletta. Se prima di esporre la basetta ai raggi ultravioletti la ricopriamo con il master, solo la parte di photoresist non coperta verrà invasa dalla luce e sarà dissolta nella successiva fase di sviluppo. L'esposizione avviene tramite il bromografo che irradia la basetta con luce ultravioletta. Ho costruito un bromografo artigianale acquistando un vaso in plastica, un portalampada e una lampada UV. Ecco alcune foto del mio bromografo:
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| Figura 5 - Costruzione bromografo |
Come è possibile notare, come prima cosa ho rivestito l'interno del vaso con della carta specchiata tagliata a spicchi, per ottenere un effetto riflettente della luce.
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| Figura 6 - Costruzione bromografo |
Successivamente ho forato la base del vaso per poter posizionare il portalampada:
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| Figura 7 - Bromografo artigianale |
Ecco il risultato finale:
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| Figura 8 - Bromografo artigianale |
Il dettaglio della lampada:
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| Figura 9 - Bromografo artigianale |
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| Figura 10 - Bromografo artigianale |
Prima dell'incisione è necessario posizionare correttamente il master sul lato ramato della basetta. Il lato stampato del lucido deve poggiare sul rame della basetta. Per l'individuazione del lato stampato del lucido è sufficiente sfiorare con le dita le due superfici del lucido. Il nostro tatto sarà in grado di riconoscere il lato stampato del lucido percependo la ruvidità delle piste stampate. Il lato non stampato del lucido risulterà perfettamente liscio. Per far in modo che il master aderisca perfettamente alla basetta consiglio di poggiare e fissare un vetro che comprima il master sulla basetta come nella foto seguente (ho utilizzato una cornice a giorno di dimensioni maggiorni della basetta da sviluppare):
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| Figura 11 - Preparazione fase esposizione |
Di seguito la foto dell'esposizione:
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| Figura 12 - Fase di esposizione |
Con il bromografo che vi ho illustrato è sufficiente esporre la basetta per 2 minuti e 45 secondi.
Lo sviluppo della basetta si ha immergendo la basetta in una soluzione di acqua demineralizzata e soda caustica. Soda caustica e acqua demineralizzata sono reperibili facilmente in negozi di casalinghi o ferramenta. Ecco la spesa che ho fatto nell'occasione con pochi euro:
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| Figura 13 - Occorrente per liquido sviluppo |
Nella foto sono visibili anche occhiali e guanti necessari quando si maneggiano prodotti caustici (anche se la soluzione non è pericolosa vista la quantità di soda caustica utilizzata).
La soluzione è da 7 a 10 g di soda caustica in un litro di acqua demineralizzata. Una volta esposta la basetta alla luce ultravioletta (coperta dal master), liberiamo la basetta da vetro e master e la immergiamo nella soluzione di sviluppo. Dopo pochi secondi il photoresist esposto scomparirà lasciando affiorare il rame di un arancio più vivo rispetto a quello ancora ricoperto di photoresist non esposto. In questa fase si vedrà chiaramente il disegno del master trasferito sul rame. La parte più scura di rame è la parte ancora ricoperta dal photoresist che proteggerà il rame dalla successiva fase di incisione.
Ecco due esempi del risultato alla fine della fase di sviluppo:
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| Figura 14 - Risultato fase sviluppo |
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| Figura 15 - Risultato fase sviluppo |
La fase di sviluppo dura pochi secondi: 10 o 15 al massimo. E' possibile aiutarsi con una spugnetta per rimuovere il photoresist superfluo (fatelo con estrema delicatezza).
L'incisione è la corrosione, quindi l'eliminazione del rame superfluo in modo che rimanga solo il rame in corrispondenza delle piste. Tale fase si effettua immergendo la basetta nel cloruro ferrico (FeCl3). Dopo alcuni minuti il rame non protetto sarà completamente dissolto lasciando solo le piste sul supporto di vetronite della basetta. Dopo aver versato il cloruro ferrico liquido in una vaschetta di plastica (ogni metallo potrebbe essere intaccato) potete immergervi la basetta.
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| Figura 16 - Preparazione fase incisione |
Per tutto il tempo fate muovere il liquido ondeggiando la vaschetta in modo che il residuo di rame venga asportato. Il tempo che si impiegherà per corrodere il rame superfluo sarà proporzionale alla quantità di rame da asportare. Abbiate pazienza in questa fase poiché potrebbe durare qualche minuto (10 - 15). Alla fine otterremo il risultato atteso come illustrato di seguito:
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| Figura 17 - Esito fase incisione |
La foto rende poco, ma vi garantisco che il risultato è strepitoso vista la precisione e la definizione delle piste.
5. Saldatura dei componenti elettronici
Occorrente:
- Trapano
- Punte per trapano da 0,75mm, 0,8mm 1mm
- Alcool e panno di cotone
- Saldatore
- Stagno
Prima di procede con la saldatura dei componenti è necessario forare la basetta in corrispondenza delle piazzole. Per rendere più agevole e precisa la foratura sarebbe meglio utilizzare un trapano a colonna. A seconda del diametro dei piedini dei componente da saldare potrebbe essere necessario prevedere fori della giusta dimensione. Generalmente avere a disposizione della punte con diametro 0,75mm, 0,8mm e 1mm è sufficiente a coprire la maggior parte dei casi. Dopo aver forato la basetta è bene eliminare il photoresist che ancora ricopre le piste. Con alcool e panno di cotone il photoresist viene rimosso lasciando le piste di rame lucide e di un colore vivo. A questo punto è possibile procedere con la saldatura. Ecco di seguito due immagini di basetta con componenti saldati:
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| Figura 18 - Basette con componenti saldati |
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| Figura 19 - Dettaglio saldature |
6. Test finale
Occorrente:
- Multimetro o tester
Il test finale è la prova che tutto sia stato accuratamente montato e saldato. Il circuito deve rispondere come esattamente ci aspettiamo. Comunque prima che il circuito svolga il compito per il quale è stato realizzato è una buona idea fare un ultimo giro di misurazioni con il tester per verificare che le misure rilevate in fase di verifica funzionamento dopo la prototipazzione siano le stesse anche adesso che il circuito è completato. In caso si abbia realizzato un effetto per chitarra sarebbe opportuno verificarne la funzionalità collegandolo alla nostra chitarra e sentire come suona. Ho effettuato questa verifica poggiando il circuito su una superficie isolante e fissando i potenziometri in modo da non generare contatti imprevisti. Nella foto seguente mostro la fase di test:
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| Figura 20 - Test finale |
7. Cura dell'ambiente
Per la costruzione del nostro circuito abbiamo utilizzato una certa quantità di prodotti chimici che non vanno assolutamente dispersi nell'ambiente attraverso gli scarichi delle abitazioni. A tal proposito prima di imbattersi nella realizzazione di circuiti stampati è opportuno munirsi di bottiglie di plastica in modo da versare al loro interno i liquidi utilizzati. Dovremmo cercare di procurarci più bottiglie in modo da non versare nella stessa bottiglia sia liquido di sviluppo che cloruro ferrico. Tenendo separate le sostanze, oltre ad evitare reazioni chimiche impreviste, si facilita lo smaltimento delle stesse sapendo esattamente cosa contiene ciascuna bottiglia. Per smaltire i liquidi che abbiamo utilizzato basterà portare le bottiglie che li contengono presso le isole ecologiche delle quali le nostre città sono munite. Divertiamoci quanto più è possibile facendo attenzione a noi stessi e la nostro meraviglioso mondo.
Bene, adesso non resta che provare!
Buon esperimento!
A presto
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