Gravure de circuits imprimé

Le but est de fabriquer un circuit imprimé avec la découpeuse laser du fablab. Il n'est bien sur pas possible de graver des circuits imprimés directement avec la machine (impossible d'entamer le cuivre, de découper la fibre de verre, et l’époxy de la plaque brûle). L'idée ici est d'utiliser la précision du laser pour réaliser un masque de gravure en ayant préalablement enduit la plaque de cuivre de peinture (le laser va vaporiser la peinture aux endroits adéquats), puis d'utiliser une solution de persulfate de sodium pour dissoudre le cuivre non masqué.

Fig. 1: Tests de réglage pour la gravure du masque de peinture. Pour ce premier test nous avons appliqué une couche de peinture verte glossy en bombe sur une plaque d’époxy cuivrée (brute, non pré-sensibilisée) préalablement nettoyée à l'acétone. Pourquoi du vert glossy ? En fait j'ai pris la première bombe de peinture qui me tombait sous la main. J'aurais préféré utiliser une peinture noir matte, la gravure au laser aurait sûrement été un peu plus efficace mais il n'y en avais pas.

Nous avons ensuite effectué une série de tests (figure 1) sur la speedy 300 afin de déterminer les paramètres de gravure idéale. Les premières passes ont été effectuées en mode de “gravure standard”, mais nous nous somme vite rendu compte qu'il était plus efficace d'utiliser le mode “gravure multicouche” plutôt que d'augmenter le rapport puissance/vitesse de gravure d'une seule passe.

Le problème rencontré étant qu'à la première passe de gravure, presque l’intégralité de la peinture est vaporisée, mais il reste une légère pellicule grasse et collante sur le cuivre qu'il est beaucoup plus difficile d'éliminer. Est-ce dû au fait d'utiliser de la peinture brillante ? Ou bien la peinture n’était-elle pas assez sèche ? Toujours est-il que nous avons finalement décidé d'utiliser un réglage assez fort avec 6 passes de gravure : P: 100 ; V: 20 à 1000 DPI

Malgré ça, une fine couche translucide mais collante était resté sur le cuivre à certains endroits. Nous avons utilisé un peu d'alcool pour nettoyer ces parties en frottant avec de l'essuie-tout (cela a aussi dissout un peu de peinture sur les zones masquées mais la couche de masque était suffisamment épaisse pour que ça ne change rien.

Fig. 2: Image du masque, les zones en noir sont les zones a graver. Pour ce premier essai, j'ai utilisé le PCB que j'avais dessiné il y a quelque temps dans kicad, dans le but de fabriquer un petit générateur de pwm à base de NE555 (figure 2). Le pcb avait été conçu pour être gravé à la CNC mais il n'y a pas de raison pour que cela ne fonctionne pas en gravure chimique. Dans kicad j'ai exporté la couche de cuivre au format svg, j'ai ensuite utilisé inkscape pour modifier le fichier afin d’obtenir le masque noir et blanc que je souhaitais (j'ai aussi ajouté du texte et un petit picto. pour voir ce que cela donnerait).

Cette image a donc ensuite été gravée avec les paramètres suivant :

• Résolution de l'image : 500DPI
• Mode de gravure : multicouches
• Nombre de couches : 6
• Puissance : 100%
• Vitesse : 20%
• Résolution de gravure : 1000 DPI

(j'ai malheureusement oublié de prendre une photo après la gravure du masque)

Le persulfate de sodium est vendu sous forme de poudre à dissoudre dans de l'eau, à raison de 1KG de cristaux pour 4l d'eau. Nous avons donc commencé par préparer 25cl de persulfate de sodium liquide en ajoutant environ 62g de cristaux de sulfate de sodium à 25cl d'eau, dans une petite cuvette en plastique, sous la hôte aspirante du fablab. N'ayant pas de balance à disposition, nous avons mesuré environ 1/16 en volume.
L'idéal es d'utiliser le persulfate de sodium à 30-45°C pour augmenter la vitesse de gravure. N'ayant pas de moyen de chauffer l'eau (le mini décapeur thermique n'avait pas l'air de faire grand chose) nous avons utilisé de l'eau à température ambiante. Ceci n'a pas facilité la dilution du persulfate de sodium, mais après quelques minutes a mélanger le tout (avec une touillette fabriquée à partir d'une chute de plexiglass) la solution était prête.

Fig. 3: Gravure en cours. La solution commence à bleuir à l'action du persulfate de sodium sur le cuivre à nu.

Attention à ne pas plonger d'outils métalliques dans la solution de persulfate de sodium, ils seraient eux aussi rongés, tout comme le cuivre que l'on souhaite graver. Il est important de n'utiliser que des ustensile en plastique ou en verre.

Nous avons ensuite plongé, dans la solution, notre plaque de cuivre à graver. Après quelques minutes, de fines bulles ont commencé à se former sur le cuivre à nu, indiquant un début de réaction chimique. Le liquide commençant aussi a devenir bleuté. (figure 3) N 2h (nous avons laissé agir 2-3h environ (oublié de noter l'heure de départ) en remuant régulièrement le liquide à l'aide de notre spatule en plexiglass, avant que la totalité du cuivre a nu ait totalement disparu.

Fig. 4: Gravure terminée

Une fois la gravure terminée, nous avons sortis et bien égoutté le pcb, puis nous l'avons plongé dans une pot en verre rempli d'eau afin de diluer un maximum le persulfate de sodium restant sur la plaque. Nous l'avons ensuite rincé sous l'eau du robinet. Et voila l'étape de gravure achevée (figure 4).

Après cela nous avons stocké le persulfate de cuivre encore utilisable dans une petite bouteille rangée dans l'armoire à produits chimiques du fablab, puis lavé et rincé correctement à grandes eaux les ustensiles utilisés (spatule, bassine, entonnoir, …)

Un peu d'acétone et plusieurs feuilles d’essuie-tout nous ont permis de venir rapidement à bout de la couche de peinture du masque. Et tadam ! Voila un beau circuit bien propre !

Fig. 5: 1er essai terminé

• La gravure du masque au laser permet d'obtenir une plutôt bonne précision. Pour les prochains essais essayer avec une plus fine résolution d'image et une puissance de gravure plus faible (avec potentiellement plus de passe si besoin) pour voir si l'on ne peu pas avoir quelque chose d'encore plus fin.
• Bien que le résidu collant restant après la gravure de la peinture n'aie pas vraiment posé de problème lors de la gravure au persulfate de sodium il serait intéressant de tester avec un autre type de peinture, et essayer de peindre les plaques de cuivre à l'avance histoire que la peinture soit bien sèche.
• Utiliser une peinture noir et matte serait sûrement plus efficace lors de la gravure laser.
• Trouver un moyen de chauffer le persulfate de sodium (entre 30° et 45°C) permettrait de réduire le temps de gravure. un mélangeur automatique pourrait aussi être un plus.
• Le fait d'avoir un plan de masse sur le circuit permet de moins user le réactif. Faire de la gravure à l'anglaise peu aussi être une solution pour économiser le persulfate de sodium.
• Non directement lié au procédé de gravure mais essayer de revoir dans kicad comment faire des pastilles un peu plus grandes (certaines pastilles risquent de se décoller lors du perçage)
• Investir dans une petite balance de cuisine pour le fablab serait utile pour doser le persulfate de sodium.
• Penser pour les prochains tests à prendre plus de photo du processus et à noter le temps de gravure.

Un dessin permettant de tester la finesse de gravure du procédé sur une plaque de 160x100mm, avec la possibilité de tester 4 temps de gravures différents (en masquant certains motifs avec du scotch dans le bain de gravure)