Il rame non c'è più: la chimica dietro l'incisione del PCB

Per molte ragioni, l'incisione domestica dei PCB è un'arte in estinzione. Il motivo principale è ovviamente l’aumento dei servizi di fabbricazione di PCB in tempi rapidi; quando puoi spedire i tuoi Gerber e ricevere indietro una scatola con una dozzina di PCB realizzati professionalmente per un paio di dollari, perché dovresti scherzare con l'incisione dei tuoi?

Convenienza e costi a parte, ci sono un sacco di validi motivi per creare le proprie schede, che vanno dal non dover aspettare la spedizione al voler semplicemente controllare il processo da soli. Qualunque sia il campo in cui ti trovi, però, vale la pena sapere cosa sta succedendo quando la tua semplice scheda rivestita in rame, adornata con la tua preziosa opera d'arte, scivola nella vasca di incisione e diventa un circuito stampato. Cosa sta succedendo esattamente lì dentro per rimuovere il rame? E in che modo il metodo di incisione influisce sul prodotto finale? Diamo un'occhiata ad alcuni dei metodi di incisione più popolari per comprendere la chimica dietro le tue tavole.

In fin dei conti, l'incisione del PCB consiste nel rimuovere il rame da una scheda nel modo più controllato possibile. I metodi di incisione dei PCB rientrano generalmente in due grandi categorie: processi a umido e a secco. Per il giocatore casalingo, i processi a secco includono metodi come la fresatura delle tracce con un router CNC, o anche il metodo provato e vero di grattare le tracce utilizzando una lama di rasoio. A livello commerciale, l'incisione a secco si riferisce generalmente a metodi come l'incisione laser, in cui un laser ad alta potenza viene utilizzato per asportare il rame dal substrato sottostante per creare tracce, o l'incisione al plasma, che utilizza energia RF per generare un plasma reattivo da un'incisione gas.

Con la notevole eccezione del raschiamento delle tracce con un X-Acto, questi metodi di incisione a secco hanno tutti lo svantaggio di richiedere macchine specializzate di qualche tipo. Ciò che manca loro in termini di semplicità, tuttavia, lo compensano nella direzione dell'incisione e nel controllo accurato che ottengono nella rimozione del rame. I metodi di attacco a secco sono tutti processi anisotropi; ovvero dirigono la rimozione del rame in un'unica direzione ed evitano il rischio di sottoquotazione. I metodi umidi, che si basano tutti su reazioni chimiche per portare il rame metallico in una soluzione acquosa, sono processi isotropi, nel senso che procedono più o meno uniformemente in tutte le direzioni. Questo può diventare un problema; se il processo non è strettamente controllato, le reazioni di attacco possono estendersi sotto lo strato di resist mascherando aree delle future tracce del PCB, creando potenzialmente un restringimento delle tracce ad alta resistenza o addirittura circuiti aperti.

Se hai eseguito l'incisione del PCB a casa, è molto probabile che tu abbia almeno provato il vecchio standby, il cloruro ferrico. È economico e facile e presenta molti vantaggi rispetto ad altri prodotti chimici di incisione a umido, non ultimo il fatto che puoi creare una fornitura quasi illimitata di materiale utilizzando nient'altro che una manciata di chiodi e alcuni prodotti chimici che puoi facilmente procurarti in una piscina negozio e farmacia:

Conosciuto anche come cloruro di ferro (III) (FeCl3), il cloruro ferrico dissolve rapidamente ed efficacemente il rame metallico, ma come si presenta la reazione? La reazione generale è piuttosto semplice:

Quando il cloruro ferrico entra in contatto con il rame metallico, uno dei suoi atomi di cloro viene trasferito a un atomo di rame, producendo cloruro di rame (II), o cloruro rameico, che è solubile in acqua. Ciò consente di lavare via il rame che una volta era legato al substrato del PCB. Sembra abbastanza semplice, ma la reazione complessiva nasconde molta complessità chimica e vale la pena approfondire i dettagli.

Innanzitutto, un po’ di nomenclatura. I composti con cationi metallici (specie caricate positivamente) hanno tradizionalmente utilizzato suffissi diversi per denotare il loro stato di ossidazione o la carica dell'atomo. Il suffisso “-ic” indica lo stato di ossidazione superiore, mentre “-ous” si riferisce allo stato di ossidazione inferiore. Il suffisso è aggiunto al prefisso latino del metallo, producendo nomi come “ferrico”, che si riferisce al ferro con uno stato di ossidazione 3+, o “ferroso”, che è uno stato 2+. Questa convenzione risale quasi ai tempi dell'alchimia e, sebbene sia ancora di uso comune, la nomenclatura standard ora indica lo stato di ossidazione con numeri romani tra parentesi nei nomi dei composti, ferro (III) cloruro (FeCl3) e ferro (II) cloruro (FeCl2).