Fini le cuivre : la chimie derrière la gravure des PCB

Pour de nombreuses raisons, la gravure domestique des PCB est en quelque sorte un art en voie de disparition. La raison principale est bien sûr l’essor des services de fabrication rapide de PCB ; quand vous pouvez envoyer vos Gerbers et recevoir une boîte contenant une douzaine de PCB fabriqués par des professionnels pour quelques dollars, pourquoi voudriez-vous vous embêter à graver les vôtres ?

La commodité et le coût mis à part, il existe une tonne de raisons valables de créer vos propres planches, allant de ne pas avoir à attendre l'expédition au simple désir de contrôler le processus vous-même. Quel que soit le camp dans lequel vous vous trouvez, il est utile de savoir ce qui se passe lorsque votre simple carte recouverte de cuivre, ornée de vos précieuses œuvres d'art, se glisse dans le réservoir de gravure et devient un circuit imprimé. Que se passe-t-il exactement là-dedans pour retirer le cuivre ? Et comment la méthode de gravure affecte-t-elle le produit final ? Jetons un coup d'œil à quelques-unes des méthodes de gravure les plus populaires pour comprendre la chimie derrière vos cartes.

En fin de compte, la gravure de PCB consiste à retirer le cuivre d'une carte de la manière la plus contrôlée possible. Les méthodes de gravure des PCB appartiennent généralement à l’une des deux grandes catégories suivantes : les procédés humides et secs. Pour le joueur amateur, les processus secs incluraient des méthodes telles que le fraisage des traces avec un routeur CNC, ou même la méthode éprouvée consistant à gratter les traces à l'aide d'une lame de rasoir. Au niveau commercial, la gravure sèche fait généralement référence à des méthodes telles que la gravure au laser, où un laser haute puissance est utilisé pour enlever le cuivre du substrat sous-jacent afin de créer des traces, ou la gravure au plasma, qui utilise l'énergie RF pour générer un plasma réactif à partir d'une gravure. gaz.

À l’exception notable du grattage des traces avec un X-Acto, ces méthodes de gravure sèche présentent toutes l’inconvénient de nécessiter des machines spécialisées. Ce qui leur manque en termes de simplicité, cependant, est compensé par la direction de la gravure et le contrôle fin qu'ils obtiennent lors de l'élimination du cuivre. Les méthodes de gravure sèche sont toutes des processus anisotropes ; c'est-à-dire qu'ils dirigent l'élimination du cuivre dans une seule direction et évitent le risque de sous-cotation. Les méthodes humides, qui reposent toutes sur des réactions chimiques pour introduire le cuivre métallique dans une solution aqueuse, sont des processus isotropes, ce qui signifie qu'ils se déroulent plus ou moins uniformément dans toutes les directions. Cela peut devenir un problème ; si le processus n'est pas étroitement contrôlé, les réactions de gravure peuvent s'étendre sous la couche de réserve, masquant les zones des futures traces du PCB, créant potentiellement un rétrécissement des traces à haute résistance ou même des circuits ouverts.

Si vous avez déjà gravé des PCB à la maison, il y a de fortes chances que vous ayez au moins essayé l'ancien chlorure ferrique de secours. C'est bon marché et facile, et présente de nombreux avantages par rapport aux autres produits chimiques de gravure humide, le moindre étant que vous pouvez en fabriquer une quantité presque illimitée en utilisant rien d'autre qu'une poignée de clous et certains produits chimiques que vous pouvez facilement vous procurer dans une piscine. magasin et une pharmacie :

Également connu sous le nom de chlorure de fer (III) (FeCl3), le chlorure ferrique dissout rapidement et efficacement le cuivre métallique, mais à quoi ressemble la réaction ? La réaction globale est assez simple :

Lorsque le chlorure ferrique entre en contact avec du cuivre métallique, l'un de ses atomes de chlore est transféré à un atome de cuivre, produisant du chlorure de cuivre (II), ou chlorure cuivrique, soluble dans l'eau. Cela permet au cuivre qui était autrefois lié au substrat PCB d'être rincé. Cela semble assez simple, mais cette réaction globale cache une grande complexité chimique, et les détails méritent d’être approfondis un peu.

Tout d’abord, un peu de nomenclature. Les composés contenant des cations métalliques (espèces chargées positivement) utilisent traditionnellement différents suffixes pour désigner leur état d'oxydation ou la charge de l'atome. Le suffixe « -ic » désigne l'état d'oxydation supérieur, tandis que « -ous » fait référence à l'état d'oxydation inférieur. Le suffixe est ajouté au préfixe latin du métal, donnant des noms tels que « ferrique », faisant référence au fer avec un état d'oxydation 3+, ou « ferreux », qui est un état 2+. Cette convention remonte presque à l'époque de l'alchimie, et bien qu'elle soit encore d'usage courant, la nomenclature standard consiste désormais à indiquer l'état d'oxydation avec des chiffres romains entre parenthèses dans les noms de composés, chlorure de fer (III) (FeCl3) et fer (II). chlorure (FeCl2).