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Réaliser ses circuits imprimés (méthode traditionnelle)

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1. Le matériel necessaire
2. La fabrication d'un CI de A à Z

1. Le Matériel necessaire

Pour concevoir vos CI, vous aurez évidement besoin d'un certain matériel. En voici la liste:

  • Une Insoleuse avec ses tubes UV en bon état;
  • Une minuterie de précision (tolérance max 5sec) pour l'insoleuse ou une montre;
  • Une Graveuse avec chauffage et agitation (systéme à bulles généralement);
  • Une Mini-Perceuse avec support et forets de diam. 1,2 1 et 0,8 mm ainsi que quelques meules;
  • Eventuellement un variateur pour la mini-perceuse, afin de pouvoir percer des matériaux plus durs (faces avant en alu);
  • Une solution de révélateur (si elle est en poudre, prévoir un flacon);
  • Une paire de gants et/ou une pince pour manipuler la plaquette pendant la révélation (le révélateur est corrosif pour la peau);
  • Une solution de perchlorure de fer (si elle est en poudre, prévoir aussi un flacon);
  • Trois bacs en plastique, pouvant contenir les CIs à fabriquer (des emballages de glace 1 litre suffisent);
  • Des plaques d'expoxy présensibilisées pour gravure positive, aux dimentions des CIs à fabriquer;
  • De l'acétone et un chiffon pour retirer la résine après gravure;
  • De l'eau pour le rinçage des plaques (ça ne devrait pas être difficile à se procurer ! - Si vous habitez dans un desert, désolé :-)).
Et, bien sûr:

  • Une blouse et/ou des vieux vêtements (le perchlo, ça tache un max !);
  • Un plan de travail dédié avec prise de courant (une vielle table avec une rallonge "triplette" convient parfaitement);
  • De quoi scier l'epoxy (scie à métaux);
  • Un fer à souder;
  • De la soudure;
  • Des composants;
  • Et, surtout, des idées et des envies de réalisation ! :-).
Vous pouvez vous procurer tout ce matériel dans les magazins spécialisés (HBN, ...) et sur catalogue (CONRAD, Velleman, ...). Je vous recommande particulièrement le kit de machines "KF", de chez Conrad Electronique. Il contient tout ce qu'il faut + un lot de consommables, et ce pour environ 80. Pour une fois, bon marché ne rime pas avec mal marcher, je l'ai acheté et il m'a donné entiérement satisfaction. La recharge de consommables qui contient de quoi faire 5 CI format catre postale vaut quand à elle 15. Les temps d'insolations et les remarques particulières que je vous donnerais dans la suite de ce document seront vis-à-vis de ces produits.

Conseils relatifs au lot de machines KF:

Les machines sont livrées en Kit, vpous devrez donc les monter vous-même. Mais rassurez-vous, c'est simple, il suffit de bien lire les notices et de prendre son temps. Pour la graveuse, vous aurez seulement à enficher les pattes en plastique. Pour l'insoleuse, il vous faudra faire un peu de soudure.
Ensuite, toutes les solutions sont livrées en poudre, vous devrez donc les préparer; prévoyez des flacons. Une remarque : les poudres sont prévues pour 1 litre de révélateur et 1 litre de perchlorure. Mais la graveuse a une contenance de 1,5 litre; donc, il vous suffit alors de préparer non pas 1 litre mais 1,4 litre de perchlorure (il ne faut pas non plus faire derborder la graveuse !).
NB: cette petite dilution n'a aucune influence sur le résultat final, et l'augmentation théorique du temps de gravure est dérisoire.
Un (seul) mauvais point pour les machines KF: la graveuse étant verticale, il faudra maintenir le CI au milieu de la cuve pendant la gravure. Pour cela, les machines KF sont livrées avec des pinces en plastique et des morceaux de fil de fer recouverts d'une pellicule de plastique. Ces morceaux de fil de fer laissent à désirer. Utilisez plutôt du fil émaillé de 1,5 mm de section (le fil devra être assez rigide) ou bien du fil de fer pour grillage de jardin recouvert de plastique vert. En effet, aucune piéce faite dans un métal quelqonque ne doit être en contact avec la solution de perchlorure de fer.
Je vous indique par le petit dessin qui suit comment réaliser ces fixations:



Réalisez ce montage 3 fois, une pour chacune des pinces. Quand à la longueur de ce dispositif, réalisez en deux de longueur 17 cm et un de longueur 14 cm. Ainsi, de par la forme circulaire de la boucle finale, vous pouvez utiliser la pince pour tenir le CI par le haut ou par les côtés. Le schéma qui suit montre cela:



Un dernier point important à propos des machines KF : n'allumez la résistance de chauffage de la graveuse que lorsque la solution de perchlorure est dedans. Si vous allumez la résistance avant, même pendant quelques secondes, elle deviendra très chaude; si cela arrive,laissez-la refroidir pendant un quart d'heure minimum, car si vous versez le perchlorure imédiatement après, la résistance éclatera à cause du choc thermique (cela est arrivé à un de mes potes éléctroniciens qui n'avait pas fait attention à cela).
Si vous suivez tout ces conseils, ainsi que ceux qui vont suivre,les machines KF vous donneront entièrement satisfaction.

2.La fabrication d'un CI de A à Z

2.1. Avant de commencer
2.2. Le tracé du CI - confection du 'typon'
2.3. La découpe de la plaquette
2.4. L'insolation
2.5. La révélation
2.6. La gravure
2.7. Le Perçage
2.8. L'étamage + éventuelles réparation
2.9. La Mise en place des composants et leur soudage

2.1. Avant de commencer

Il faut savoir que les étapes B-C-D doivent s'enchaîner de suite, donc le matériel devra être prêt à fonctioner. Ainsi, verifier le bon fonctionement des tubes UV de l'insoleuse, penser aussi à nettoyer sa vitre. La solution de révélateur devra être prête à l'emploi. La graveuse devrat être remplie de perchlorure de fer, les fixations du CI dans la graveuse devront être opérationnelles, le chauffage et l'agitation pouvant être mis en route avant la gravure pour que le perchlo soit prêt quand vous plongerez le futur CI dedans. Penser aussi à remplir deux des trois bacs d'eau pour le rinçage de la plaquette après la révélation et après la gravure.

2.2. Le tracé du CI - confection du 'typon

A partir du schéma électronique on dessine le 'typon' (=le tracé des pistes). Pour cela on peut utiliser des feutres et du calque/du transparent (c'est long et fastidieux).

Après avoir tracé le typon, dessinez le 'schéma d'implantation des composants' qui montre une vue du CI final, face non-cuivré, avec l'implantation géographique des composants, dessinés selon leur aspect réel. Ce schéma permet ainsi de savoir où souder quoi.

Je vous conseil plutôt de le faire avec un logiciel, puis de l'imprimer. Vous pouvez par exemple utiliser mon logiciel CIDESS, qui permet de créer facilement votre circuit imprimé et d'imprimer directement le typon et l'implantation des composants.

Quelques remarques sur le tracé des pistes :

Si une piste doit véhiculer la tension secteur 220V elle devra être distante d'au moins 2 ou 3mm des autres pistes. Si une piste doit véhiculer un fort courant (>1A), tracez la large (>3mm). Sachez aussi qu'il existe des plaques d'epoxy non pas pourvues d'une couche de 35m de cuivre, mais de 70m; mais un bon étamage fait aussi bien. Si le courant est très important (>5A) n'utilisez plus de piste, mais un gros strap fait avec du fil plein de 1,5 ou 2,5 mm de section.

Le probléme avec les logiciels, c'est que l'on ne peut pas imprimer directement sur un support transparent, mais sur du papier.

2 solutions :
  • transphérer le typon sur un support transparent (par ex. avec une photocopieuse)
  • rendre la feuille de papier transparente
Cette dernière solution, que je pratique, est réalisable grâce à certains atomiseurs. Celui que j'utilise est le Diaphane vendu chez Conrad. ATTENTION, le papier ne devient pas transparent mais translucide donc il faut augmenter le temps d'insolation. Pour les machines KF, il passe de 2min30sec (pour du calque ou du transparent) à 3min15sec pour le papier "diaphanisé". Si vous respectez cette recommandation, le résultat sera impeccable. Remarque : après avoir vaporisé le "diaphane", il faut laisser sécher le typon de 10 à 20 minutes avant d'insoler.

2.3. La découpe de la plaquette

Après avoir conçu le typon, il vous faudra découper la plaquette d'epoxy aux bonnes dimentions. Pour cela, utilisez une scie à métaux.
Il faut découper la plaque d'epoxy du côté ou il y a l'autocollant, c'est à dire qu'il faudra tracer les reperes de sur celui-ci et que l'on devra le voir pendant le sciage.
Ne pas oublier de tenir compte de l'épaisseur de la lame de scie.
Une fois la découpe achevée, il faut absolument chanfreiner (=limer) les bords de la plaquette, sinon elle ne pourra pas être plaquée correctement contre la vitre de l'insoleuse et l'insolation donnera de mauvais résultats.

2.4. L'insolation

REMARQUE : On évitera de travailler en plein soleil ou avec un éclairage démesuré.

Il vous faudra positionner correctement le typon et la plaquette dans l'insoleuse. Deux cas de figure se présentent alors:

CAS 1: Le typon et le schéma d'implantation sont superposables, il ne sont pas inversés l'un par rapport à l'autre;



Il vous faudra alors positionner le typon et la plaquette dans l'insoleuse comme indiqué dans le dessin précédant, c'est à dire :
Placer le typon sur la vitre de l'insoleuse, face non imprimée contre la vitre;
Puis placer sur le typon la plaquette, face présensibilisée (celle ou il y avait l'autocolant) contre le typon.

CAS 2: Le typon et le schéma d'implantation sont inversés l'un par rapport à l'autre, comme un objet et son image dans un mirroir, on ne peut pas les superposer (c'est le cas des typons publiés dans "Electronique Pratique");



Placer le typon sur la vitre de l'insoleuse, face imprimée contre la vitre;
Puis placer sur le typon la plaquette, face présensibilisée (celle ou il y avait l'autocolant) contre le typon.

Une fois ce positionnement éffectué, il faudra insoler.
D'abord, déterminez le temps d'insolation : pour du transparant ou du calque, il est de 2min30sec pour les machines KF, et pour du papier "diaphanisé" il sera de 3min15sec, toujours pour les machines KF.
Si votre insoleuse est munie d'une minuterie, réglez le temps et allumez-la; sinon, branchez l'insoleuse; dès que les tubes s'allument, lancez le chronomètrage; puis débranchez l'insoleuse une fois le temps requis écoulé.

Maintenant passez tout de suite à la révélation de la plaquette.

2.5. La révélation

REMARQUE : Là aussi, on évitera de travailler en plein soleil ou avec un éclairage démesuré.

Versez la solution de révélateur dans un bac assez grand pour pouvoir y plonger et y manipuler facilement la plaquette. Prévoyez aussi de remplir un deuxième bac avec de l'eau.
Plongez alors la plaquette dans le bac contenant le révélateur, la face présensibilisée vers le haut pour que vous puissiez la voir.
Remuez alors la plaquette avec une pince ou bien avec des gants, et dès que le tracé du circuit apparait clairement sur fonds cuivré, retirez la plaquette et plongez-la de suite dans le deuxième bac rempli d'eau.
Cette révélation dure généralement entre 30sec et 3min.

Passez maintenant à l'étape suivante, la gravure.

2.6. La gravure

Si votre graveuse est verticale (comme celle des machines KF), il faudra fixer la plaquette dans la graveuse. Si vous utilisez mes fixations, sachez qu'à l'endroi où vous metterez les pinces, il subsistera du cuivre à la fin de la gravure. Veuillez donc à ne pas "court-circuiter" deux pistes.
Si votre graveuse est horizontale, posez la plaquette au milieu, la face présensibilisée vers le haut.

ATTENTION ! Le perchlorure de Fer, ça tache un max, même les toiles cirées; de plus, cette solution chimique ronge la plupart des métaux.

Prévoyez un troisième bac rempli d'eau pour le rinçage après gravure.

Commencez alors la gravure, plongez la plaquette dans la graveuse et mettez en service le chauffage et l'agitation si cela n'est pas déja fait. La température du perchlorure de Fer doit être comprise entre 30 et 45 C. Si vous possédez une graveuse verticale, vérifiez que la plaquette reste bien au milieu malgrès l'agitation.
Alors, surveillez la plaquette régulièrement. La gravure est finie quand tout le cuivre qui n'est pas recouvert de résine (il à étè découvert pendant la révélation) est rongé.
La gravure dure généralement entre 5 et 25 minutes.
Rincez alors la plaquette dans le troisième bac rempli d'eau et profitez-en pour rincer aussi les fixations.

Une fois la plaquette rincée, imbibez un chiffon d'acétone, et frottez la plaquette avec pour retirer la résine qui a protégé le cuivre à l'endroi des pistes pendant la gravure.

2.7. Le perçage

Pour percer les pastilles du CI, utilisez une mini-perceuse (ou un dremel) avec un support (indispensable pour la précision submillimétrique, et pour ne pas casser les forêts qui doivent arriver perpendiculairement à la surface de perçage). La perceuse à colonne est trop grosse pour les petits diamètres.

Notez que vous pouvez utiliser la mini-perceuse pour percer d'autre matériaux (alu, cuivre...) mais vous aurez besoin d'un variateur; en effet, pour usiner des surfaces plus dures que l'epoxy, l'outil de coupe (le forêt) devra tourner moins vite (14000 tours/min, c'est beaucoup).

Les diamètres de perçage utilisés pour percer les pastilles sont de 0,8 1,0 et 1,2 mm. Les forêts de 0,8mm sont très fragiles et c'est eux qui servent le plus, donc achetez-en plusieurs d'un coup pour en avoir d'avance.

Certains composants (transformateurs, relais) nécessite des trous plus gros, et parfois de réaliser des découpes spéciales dans le circuit imprimé (encoches).

Les trous prévus pour les vis de fixations du CI ont généralement un diamétre de 3 ou 4mm.

Il faut percer les pastilles côté cuivre, c'est à dire que vous devez voir les pistes pendant le perçage, afin que le forêt pénétre dans une pastille d'abord du côté ou il y a le cuivre. Sinon, la précision sera médiocre et le cuivre sera arraché.

Enfin, comme les mini-perceuses sont en général livrées avec des petites meules, servez-vous en pour donner la forme définitive au CI et pour corriger les petites imperfections.

2.8. L'étamage + éventuelles réparations

L'étamage consiste à déposer une fine couche de soudure (à l'origine constituée de 60% d'etain et de 40% de plomb, aujourd'hui le plomb est remplacé par d'autres métaux) sur les pistes en cuivre. Cela permet d'améliorer la conductivité des pistes, de faciliter la soudure des composants, et aussi de protéger le cuivre de l'oxydation.

Notez que l'étamage est grandement facilité si vous recouvrez le CI d'une fine couche de pâte décapante (vendue dans les magasins de plomberie).

Une fois l'étamage achevé, vous aurez surement bouché quelques pastilles, surtout si vous n'avez pas le coup de main. Utilisez alors tout simplement une pompe à dessouder pour déboucher les pastilles.

L'étamage permet également de detecter les ruptures de pistes et les court-circuits. Pour les ruptures, improvisez avec du fil de cuivre, et pour les court-circuits de cuivre, coupez-les avec la mini-perceuse munie de la meule la plus fine.

2.9. La mise en place des composants et leur soudage

En général, on soude les composants dans cet ordre:

  • Résistances et condensateurs;
  • Supports et connecteurs;
  • Semiconducteurs (diodes, transistors);
  • Fils de liasons divers.
On ne place les composants déstinés à être sur des supports sur ceux-ci qu'une fois toutes les opérations de soudage achevées.

Pour souder un composant, procédez comme suit:

  • Enfichez-le, côté composant (la ou il n'y a pas les pistes) conformément au schéma d'implantation;
  • Si le composant et lourd et qu'il doit être fixé à la plaquette avec des vis, réalisez d'abord cette fixation; ceci est également valable pour les composants devant être fixés sur des dissipateurs thermiques;
  • Assurez-vous que le composant ne bougera pas pendant toute la soudure;
  • Soudez ! C'est à dire:
  • Amenez le fer à souder au contact de la pastille et de la patte du composant;
  • Amenez ensuite le fil de soudure de l'autre côté, également au contact de la pastille et de la patte du composant;
  • Dès que la soudure fondue a enrobée la pastille et la patte, retirez le fil de soudure, puis le fer à souder.
  • Enfin, coupez la patte du composant au ras de la soudure avec une pince coupante à bout pointu.
Sachez qu'une bonne soudure à un aspect brillant et une forme conique.

Lorsqu'un composant comporte de nombreuses pattes, laissez un temps de pose entre chaque soudure (10sec suffisent) pour ne pas trop l'échauffer.

Le CI est terminé.
En conclusion, ce procédé, qui peut paraître long à première vue est en fait simple, à condition de prendre son temps. Il est possible, avec le même matériel, de réaliser des CI double-face, mais il faut faire attention au calage entre les faces, au positionnement des typons dans l'insoleuse, à la protection de l'autre face pednant l'insolation et la gravure d'une face.