Il bromografo

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Il bromografo, come dice il nome (?), è lo strumento che permette di stampare attraverso la luce sulla basetta presensibilizzata l'immagine del master.

In sostanza si tratta di una sorgente di luce ultravioletta che illumina attraverso il master la basetta, inducendo le modificazioni chimiche solo alla parte di vernice effettivamente illuminata. Ovviamente la luce può passare solo dove il master è trasparente: in pratica il master proietta sulla basetta la propria ombra.

Il disegno qui sotto (non in scala) rappresenta in modo schematico il funzionamento del bromografo.

stampa2 - Schema del bromografo

Purtroppo un bromografo è piuttosto costoso (più di 100 euro, molto di più se con caratteristiche professionali quali timer digitale, pompa a vuoto, illuminazione contemporanea dai due lati, grandi dimensioni). Volendo è possibile anche costruirselo da soli (con una breve ricerca con google troverete quello più adatto alle vostre capacità di "bricolage") oppure utilizzate strumenti più semplici come una lampada per abbronzatura ed una lastra di vetro.

Alcune osservazioni:

Gli UV non sono visibili (anche se i tubi normalmente usati appaiono quando accesi debolmente di colore violetto o verde/bluastro) ma possono essere altamente dannosi alla retina ed alla pelle, soprattutto gli UVB e gli UVC. Per questo è assolutamente necessario usare i tubi in una scatola a tenuta e comunque non guardarli durante il funzionamento. Leggere attentamente le istruzioni di sicurezza riportate sul bromografo prima di usarlo; personalmente, pur avendo un apparecchio certificato a tenuta, quando i tubi sono accesi vado a fare un giro in un'altra stanza: tra l'altro distende i nervi e rende più attenti. Se usate sorgenti meno pericolose (per esempio le lampade solari o quelle alogene) le precauzioni necessarie sono minori ma non sottovalutatele.
È necessario che il master sia ben aderente alla basetta. Per questo si ricorre ad una lastra di vetro o di plexiglas (non troppo spessa però: i normali vetri perfettamente trasparenti alla luce visibile sono poco trasparenti alla luce ultravioletta e le lastre di vetro al quarzo non sono esattamente un oggetto facilmente reperibile a basso costo) oppure ad un sistema con pompa a vuoto, un po' complesso per l'autocostruzione ma spesso adottato nei bromografi commerciali.
Al fine di una maggiore aderenza tra disegno e basetta vi consiglio di inserire il master capovolto (cioè con l'inchiostro del disegno a diretto contatto con la basetta): non dimentichiamo infatti che un foglio di acetato ha uno spessore paragonabile a quello di una pista sottile e questo rischia di rendere poco nitida l'ombra proiettata. Ovviamente il disegno dovrà in questo caso essere adeguatamente stampato al rovescio (opzione mirror in molti programmi di stampa).
L'uso di un timer elettronico o di un cronometro a mano è assolutamente necessario: tempi troppo lunghi o troppo brevi rischiano infatti di compromettere tutto il lavoro. Per determinare con precisione i tempi di esposizione necessari, potete seguire la procedura di test descritta più avanti.

Prima dell'esposizione il photoresist appare di colore verde o bluastro con sfumature varie dovute al produttore (o anche alla partita di materiale usato). Dopo l'esposizione ai raggi UV, invece... pure! In effetti ad occhio non si vede nessun cambiamento nella vernice anche se, non sempre però, guardando con attenzione la basetta si intravede una leggera traccia del disegno del master.

Per vedere chiaramente il disegno occorre procedere allo sviluppo con un apposito bagno chimico.

Quanto tempo per l'esposizione? La determinazione dell'esatto tempo di esposizione è un'operazione delicata e purtroppo influenzata da molti fattori, spesso poco controllabili e/o misurabili. Solo per citarne alcuni:

Il tipo di sorgente UV
La distanza tra basetta e sorgente UV
La trasparenza agli UV del vetro
La trasparenza agli UV del foglio di supporto del disegno
L'opacità dell'inchiostro usato per il disegno
La qualità del photoresist
Lo spessore del photeresist

Diffidate da chi dice che per una corretta fotoincisione serve un'esposizione di 3'20", senza aggiungere altro. Di seguito riporto una tabella con indicati alcuni tempi ma voglio sottolineare che si tratta di tempi largamente indicativi e da verificare con la procedura di test che vi propongo nel successivo paragrafo (i tempi sono tratti in parte dall'esperienza personale, in parte da testi ed in parte da interventi vari trovati su gruppi di discussione).

Tipo lampada	Potenza	Distanza	Tempo
Lampada solare	300W	25 cm	1 - 10 minuti
Lampada solare	60W	20 cm	5 - 60 minuti
Philips TLAD 15W/05	15 W	10 cm	30" - 3 minuti
Philips photolita	250W	20 cm	2 - 10 minuti
Lampada alogena (senza filtro UV)	150W	20 cm	5 - 20 minuti
Lampada kripton	100 W	10 cm	5 - 30 minuti
Lampada a vapori di mercurio	1000W	50 cm	3 - 15 minuti

Da notare che molte di quelle sopra riportate sono lampade che emettono luce visibile, oltre che UV: per questo sono relativamente meno nocive dei tubi che emettono soprattutto UV e quindi si possono usare senza eccessivi timori. Vi invito comunque a seguire sempre scrupolosamente le indicazioni di sicurezza riportate sulle schede di sicurezza.

Se siete tra i "fortunati" che, come me, hanno a disposizione un bromografo "vero", leggetevi il libretto di istruzioni: in genere troverete indicati tempi dai 20 secondi ad un paio di minuti, anche in questo caso largamente indicativi.

Un discorso a parte va fatto se avete intenzione di usare fogli di carta comune per stampare il master. In questo caso i tempi della tabella vanno aumentati di un fattore 5, in pratica rendendo possibile solo l'utilizzo delle sole fonti UV di potenza più elevata.

Per trovare il tempo di esposizione corretto è sempre necessario fare una prova, sprecando una basetta nuova. Vi consiglio fortemente di farla almeno una volta e, se possibile ripeterla ogni volta in cui si cambia qualcosa nei dispositivi o nei materiali utilizzati. Con la stessa prova, è possibile anche verificare gli spessori delle piste ottenibili, le distanze di isolamento, l'effettiva trasparenza/opacità del master.

Il tempo ed il materiale persi nella prova verranno rapidamente recuperati.

Occorre disegnare un master simile a quello sotto riportato a titolo di esempio (potete scaricarlo come file in formato PDF anche se vi invito a realizzarlo da voi per poter verificare tutto il processo). Da un po' di tempo io utilizzo solo master realizzati con PC ma, se lo credete opportuno, lo potete realizzare in tutto o in parte a mano con diversi pennarelli o pennini oppure con i trasferibili.

Master di prova

Osservando questo master si nota che:

In alto sono presenti varie linee orizzontali piuttosto sottili, di diverso spessore, utilizzate per verificare lo spessore minimo delle piste che possono essere stampate. Normalmente io uso piste con spessore 20 mils, cioè poco più di mezzo millimetro (un mils è un millesimo di pollice, cioè circa 0,025mm). Non si hanno grossi problemi con piste maggiori di 12 mils; scendendo a volte si ottengono circuiti stampanti con piste interrotte ma ho ottenuto risultati ragionevoli con piste di 8 mils; solo a 4 mils i problemi cominciano ad essere davvero grossi.
Una serie di piste spesse separate da isolamenti piccoli e di diversa larghezza. Normalmente la distanze tra le piste può scendere senza problemi a 10 mils o anche meno. L'unica avvertenza è rimanere un poco più distanti nei pressi dei pin dei componenti se non volete rischiare troppe complicazioni al momento della saldatura.
Una linea molto grossa per testare come la stampante o la fotocopiatrice lavora con le grandi aree annerite (10 -20 mm).
Una serie di linee a tratti verticali con indicati i tempi di esposizione. I tempi indicati nel disegno (poco visibili in figura: 10, 15, 20, 25...120, 150, 180, 240 secondi) sono adatti per il primo esperimento; qualora utilizziate altre fonti di luce o carta comune i tempi devono ovviamente essere adeguati, secondo la tabella indicativa riportata i precedenza: orientativamente servono non più di una decina di tacche intermedie, possibilmente non con incrementi lineari ma geometrici, con sulla destra il tempo massimo e sulla sinistra quello minimo riportati sulla tabella. Qualora abbiate un'idea abbastanza precisa sui tempi di esposizione necessari anche solo 3 o 4 tacche verticali sono adeguate.
La prima volta potete inserire anche una lunga striscia orizzontale e parallela alle altre fatta in un materiale sicuramente opaco agli UV e molto sottile, per esempio un pezzo di stagnola. Questo per verificare quanto l'inchiostro da voi usato nel disegno sia davvero "nero".
Potete anche lasciare un pezzo di basetta senza master sovrapposto, oppure con doppio strato, per vedere quanto questo è trasparente agli UV.

Per utilizzare questo master di test è necessario utilizzare una basetta con photoresist dello stesso tipo di quelle che intendete utilizzare, dalle dimensioni di circa 150x50 mm (diciamo mezzo eurocard diviso a metà per il lato lungo, o anche meno). A questo punto occorre:

Inserisce la basetta nel bromografo oppure sotto la lampada UV che intendete utilizzare.
Sovrapporre il master. È importante che durante tutto il processo non vi sia il minimo spostamento relativo tra basetta e master. Nel dubbio un po' di nastro adesivo ben fissato ai bordi.
Pressare per bene il master contro la basetta, bloccando il vetro di copertura con dei pesi oppure azionando la pompa per creare il vuoto. Verificate che non ci siano bolle d'aria o simili imperfezioni. Il "sandwich" così realizzato non dovrà più essere aperto fino alla fine del test.
Coprire il tutto con un cartoncino molto spesso (tipo cartolina illustrata), un foglio di alluminio o un altro materiale perfettamente opaco agli UV, lasciando scoperto solo il tratto di linee alla destra della penultima tacca. Per bloccare il cartoncino potete, se necessario, usare un pezzo di nastro adesivo. La figura successivamente riportata (A) è basata sul master sopra riportato e il cartoncino blu lascia scoperto il tratto di master compreso tra 180 e 240 secondi
Chiudete il bromografo ed accendetelo per un tempo pari alla differenza tra il tempo indicato sulla linea verticale che delimita il cartoncino e quella all'immediata destra. Nell'esempio, 240 - 180 = 60 secondi.
Qualora la vostra sorgente di UV non permetta l'accensione e lo spegnimento per brevi periodi (molte lampade UV hanno questo comportamento), potete semplicemente schermarla, spostarla oppure sfilare tutto il sandwich, facendo sempre attenzione ad evitare spostamenti relativi tra il master e la basetta (e attenzione agli occhi se aprite il bromografo a luce accesa)
Spostate il cartoncino nero posto sopra il vetro in corrispondenza della tacca a sinistra successiva, Nell'esempio (immagine B) quella con scritto 150 secondi.
Chiudete il bromografo ed accendetelo per un tempo pari alla differenza tra il tempo indicato sulla linea verticale che delimita il cartoncino e quella all'immediata destra. Nell'esempio per 30 secondi (180 - 150). In questo modo la fascia più a destra sarà stata esposta - fino a questo momento - per 90 secondi, la seconda per 30 secondi
Continuate cos, scoprendo una alla volte tutte le tacche (l'immagina C, con il cartoncino sulla linea dei 120 secondi, il terzo passo e produce un'esposizione complessiva di 30, 60 e 120 secondi, rispettivamente, nelle tre fasce)
Alla fine vi troverete con una basetta che, nel tratto all'estrema destra è stato esposto per un tempo pari alla somma di tutti i tempi di esposizione parziale alla luce UV (240 secondi nell'esempio, quindi per un tempo in molti casi eccessivo), nel tratto all'estrema sinistra per la durata dell'ultima illuminazione (10 secondi nell'esempio, quindi per un tempo troppo breve). Le zone intermedie saranno invece state esposte per tempi via via crescenti.
Procedere con lo sviluppo e l'incisione, verificando il risultato; solo nella zona centrale le piste e gli spazi tra le piste saranno perfettamente definiti: nella tacca corrispondente al miglior risultato si potrà leggere l'esatto tempo di esposizione. Eventualmente ci si può aiutare con un ohmetro per misurare la resistenza delle piste più sottili ed evidenziare così microinterruzioni non riscontrabili con l'ispezione ottica.

stampa5 - Procedura di test

Come procedura alternativa (più semplice ma più lunga) potete semplicemente usare due cartoncini in modo da lasciare scoperta la sola fascia compresa tra due tacche verticali: in questo caso l'esposizione semplicemente dovrà durare per il tempo indicato. L'operazione andrà ovviamente ripetuta per tutte la fasce.

Riporto qui sotto, a titolo di esempio, il master (che ovviamente non si vede nelle parti trasparenti) e la basetta già incisa che ho utilizzato in una prova (il master è diverso da quella dell'immagine di esempio ed è ottenuto su carta da lucido con stampante laser).

stampa4.jpg - Risultato di un test

Sono presenti sei linee orizzontali con spessori, dall'alto, di 8, 12, 20, 45, 45 e 100 mils. La distanza tra le due piste da 45 mils è pari a 10 mils. Purtroppo nell'immagine non sono chiaramente visibili le piste più sottili presenti sulla basetta. I tempi di esposizioni utilizzati sono stati:

10 secondi la fascia più a destra: il tempo di esposizione è insufficiente infatti, come si osserva chiaramente, quasi tutto il rame è rimasto anche se le parti esposte agli UV appaiono come corrose in superficie
20 e 30 secondi nelle due fasce centrali: i tempi sono ambedue adeguati, anche per le piste più sottili. Con questa serie di basette, più sensibili della media in verità, ho sempre usato 25 secondi di tempo di esposizione
50 secondi nella fascia a sinistra: il tempo è eccessivo e le piste sono un po' troppo irregolari ed ossidate in superficie. Le linee più grosse non hanno problemi a livello elettrico ma quella da 8 mils è inutilizzabile a causa delle interruzioni

Più sotto, un ingrandimento della zona centrale della stessa basetta (scusatemi per la qualità dell'immagine: è il massimo che sono riuscito ad ottenere con uno scanner a 600 dpi ottici): le piste, anche quelle sottili (come già detto lo spessore della pista più sottile, a sinistra, è di 8 mils, circa 0,2 mm) appaiono perfette, sia all'ispezione ottica che alla verifica strumentale. Lo stesso può essere detto per l'isolamento di 10 mils tra le due piste da 45 mils.

stampa5.jpg - Ingrandimento di piste

Normalmente io utilizzo piste da 20 mils se non mi serve far passare piste tra i pin degli integrati e 12 mils nelle piastre più dense. Lo spessore di 8 mils lo lascio solo ai casi "indispensabili" in quanto, occasionalmente, ho avuto problemi di continuità elettrica. Ho fatto qualche test con piste di 4 mils (circa 0.1 mm) ma i risultati sono abbastanza negativi e dipendenti dal tipo di basetta e di master (i migliori mi sembrano quelli realizzati con carta comune). Forse risultati migliori si potrebbero ottenere con basette a basso spessore di rame, come fatto a livello industriale, ma non ho esperienze in merito.

Per gli isolamenti preferisco non scendere sotto i 10 mils (circa 0,25 mm); è meglio comunque, per stare tranquilli, usare almeno 20 mils, ovviamente quando possibile.

I circuiti stampati a due layer

Quando si usa la fotoincisione per produrre circuiti stampati a due facce il problema più grosso è costituito dalla necessità di garantire il perfetto allineamento dei due master, quello per il lato superiore e quello per il lato inferiore. Il procedimento è diverso se si dispone di un bromografo a una o due facce.

Bromografo a due facce

Questo tipo di bromografo garantisce la possibilità di esporre contemporaneamente le due facce della basetta in quanto è dotato di un doppio set di lampade UV, uno superiore ed uno inferiore.

Per garantire il perfetto allineamento tra i due master è necessario creare una sorta di busta, incollando con del nastro adesivo i due master (con il disegno ricolto verso l'interno) su due lati opposti ed avendo l'accortezza di garantire il perfetto allineamento. In questa bustina deve essere inserita la basetta.

Non è necessario incollare la basetta in quanto l'esposizione è fatta in una sola operazione. L'unica avvertenza potrebbe essere quella di realizzare una struttura simmetrica evitando per esempio di incollare anche il terzo lato oppure di usare master di dimensioni molto diverse tra loro in quanto lo spessore della basetta indurrebbe degli eccessivi disallineamenti.

Attenzione particolare dovrà essere posta al momento della foratura in quanto l'uso del trapano non perfettamente verticale rischierebbe di far uscire la punta in un punto sbagliato sull'altra faccia.

Bromografo a singola faccia

Questa situazione è più complessa della precedente in quanto è necessario esporre due volte la stessa basetta garantendo nel passaggio la perfetta immobilità meccanica. La bustina presentata nella pagina precedente potrebbe essere (con qualche difficoltà) ancora utilizzata previo fissaggio con nastro adesivo dei due master alla basetta ma la cosa è più facile da dirsi che a farsi.

Una soluzione è nell'uso di una sorta di torchio costituito da due lastre di plexiglas tenute tra loro perfettamente allineate da guide perpendicolari alla superficie e pressate da viti. i due master devono essere incollati con del nastro adesivo all'interno delle due lastre ed allineati prima di inserire la basetta. Le guide devono permettere la separazione delle lastre ma il mantenimento dell'allineamento dopo l'inserimento della basetta e le viti devono garantire la necessaria forza per impedire spostamenti dopo l'inserimento della basetta. Questo sandwich è meccanicamente abbastanza rigido per essere esposto in successione sulle due facce.

Un'ultima procedura è simile a quella già descritta per il trasferimento diretto: prima si espone e si incide una faccia e si realizzano i fori, dopo si procede sull'altra faccia, previa protezione della prima, usando i fori per garantire l'allineamento. In questo caso vi è anche la facilitazione della pellicola autoadesiva già presente sul rame all'acquisto della basetta.

Il bromografo

I circuiti stampati a due layer

Bromografo a due facce

Bromografo a singola faccia

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