Fabriquer du circuit imprimé souple

souple01    Historique
2    Méthode de réalisation
2.1    Préparations dessins et transparents
2.2    Le cuivre et son support
2.2.1  Feuille de cuivre >= 30/100
2.2.2  Feuille de cuivre < 30/100

2.3    La résine photosensible
2.4    Insolation et révélation
2.5    Révélation
2.6    L'attaque
3    Conclusions

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Avant propos

Un article un peu surprenant qui vient de prendre place en parallèle avec l'autre article sur "Débitmètre et entraînement magnétique des compteurs" sur le blog lokistagnepas…(voir cet article)
Ce n'est pas très courant de parler de Circuits Imprimés (CI) souples au niveau amateur…A vrai dire j'en ai eu un besoin impérieux pour terminer le fameux article cité, et le sujet est peu habituel.
Il me fallait à la fois du métal et du transparent à la lumière et surtout aux Infra Rouges (IR) d'un capteur fourche IR.
C'est seulement pour cette raison que j'ai réalisé ce codeur incrémental en CI souple.

Aussi pour avoir du transparent aux IR, rien de tel que des "transparents" pour rétroprojecteur, et comme ces transparents sont assez souples, cela a aboutit à fabriquer du circuit imprimé souple.
A savoir que l'on peut même souder un peu comme en témoignera la photo de fin d'article.
(Attention le papier blanc bloque les IR à 95%)

Cet article est essentiellement un exemple de réalisation pratique que je préfère extraire de son application prévue (débitmètre), car les opérations ne sont pas très courantes et résultent d'essais nombreux et souvent décevants. De plus le procédé est aussi applicable aux circuits imprimés traditionnels en époxy à quelques opérations en moins.
Heureusement il y a des jours fastes qui récompensent un peu des échecs.

Nota1 : Par "perchlo" comprendre l'abréviation de Perchlorure de fer
Nota2 : CI = Circuit Imprimé

1 Historique

Dans mes développements techniques personnels, j'ai eu besoin de faire un codeur incrémental avec des bandes métalliques et des espaces transparents pour travailler en Infra Rouge (IR). C'est le cœur du sujet !

souple1Les capteurs "fourche" en IR sont monnaie courante et on en trouvait beaucoup comme fin de course sur les petits moteurs pas à pas des vieux lecteurs de disquettes.
Sur ces appareils c'était une petite languette de métal qui masquait le rayonnement IR de la LED de la fourche. (Photo ci-contre)

J'ai voulu utiliser un de ces capteurs avec des transparents réalisés sur imprimante jet d'encre et j'ai eu la mauvaise surprise de constater que le rayonnement IR traversait allègrement l'encre noire, pourtant bien opaque à la lumière visible. Tout était donc à revoir !

Il me restait à essayer avec une imprimante laser, car il est fort possible que le toner bloque les rayons IR car il doit contenir du carbone, et à priori ce rayonnement est arrêté par cette matière (parfois noire...).
Ma vieille laser ayant presque rendu l'âme, j'ai pu vérifier que le toner bloquait effectivement les IR.

Mais pour l'instant il me fallait une solution rapide et autonome, alors j'ai décidé d'utiliser du transparent pour rétroprojecteurs et de la feuille de cuivre de 3/100 d'épaisseur. Tout le problème résulte dans la mise en oeuvre de tout cela, car ça ne réussit pas du premier coup !

Avant de passer à la réalisation, voici quelques essais de transmission dans des matériaux traversés par  des rayonnements IR de ces capteurs fourche :

Encre imprimante jet d'encre Epson                Transparente 100%
Circuit imprimé époxy 0.85 mm (sans cuivre)    Blocage IR à 50%
Circuit imprimé 1.6mm  (sans cuivre)               Blocage à70%
Papier blanc 80g/M²                                     Blocage à 95%
Papier blanc 80g/M² noirci à l'encre                Blocage 100%
Pellicule photo argentique même claire            Blocage 100%
Typons industriels                                        Blocage 100%
Typons industriels grattés                             Transparent 100%
Mylar                                                        Affaiblissement 50%
Plastique bleuté emballages composants          Affaiblissement à 50%
Toner d'imprimante laser                                Blocage 100%

2 Méthode de réalisation

Voici la méthode qui permet d'obtenir un disque codeur SOUPLE sur support transparent.

2.1 Préparations dessins et transparents

Les dessins de disques codeurs ne peuvent pas être réalisés à priori sur une CAO élec, car elle est mal adaptée, aussi ce genre de dessins est obtenu par une CAO mécanique. Ayant TurboCad, je l'ai donc utilisé pour construire ce disque codeur en coordonnées polaires.
Les autres logiciels de dessin risquent de donner des imprécisions et manquent de toutes façons d'opérabilité.
A chacun de voir selon ses habitudes et ses ressources, l'essentiel étant d'arriver à imprimer sur un transparent.

Pour cela vous aurez besoin de transparents de type rétroprojecteur pour imprimante jet d'encre. Comme je ne trouve plus de marque "MICRO APPLICATION" (que je regrette), je me suis rabattu sur les marques APLI ou AVERY qui vont tout de même, mais moins bien.
Mon imprimante est une EPSON SX115 un peu fatiguée avec des cartouches bon marché et naturellement pas au prix des lingots d'or de chez EPSON…!!!

Vous utiliserez le mode de haute définition "Photo supérieure" et surtout le paramètre "papier MAT" (ce dernier point est très important pour la qualité de noirceur).

Ensuite votre dessin sera doublé dans le fichier à imprimer (à faire horizontalement à des hauteurs légèrement différentes (buses différentes) pour éviter quelques loupés et vous imprimerez ainsi vos dessins).
Vous positionnerez deux épaisseurs de dessin sur transparent, l'une sur l'autre, et ne vous trompez pas en mettant bien la face encrée contre le futur support insolé…!
N'oubliez pas, comme cela m'arrive souvent, les mires de centrage pour positionner parfaitement les deux typons.

2.2 Le cuivre et son support

Vous devrez porter maintenant des lunettes et des gants de protection pour ces opérations…

Je vous invite pour commencer à plonger votre feuille de cuivre dans un bain à 5 à 10% d'acide chlorhydrique, jusqu'à ce que la feuille devienne bien rouge et brillante des deux côtés.
Rincer abondamment et bien sécher la feuille de cuivre au sèche cheveux en la touchant seulement par la tranche pour éviter toute trace de graisse.

A partir de maintenant, tout dépendra du cuivre dont vous disposez, car il est largement préférable d'utiliser du cuivre de 16 à 20µ d'épaisseur, mais si ce n'est pas le cas alors il y a des opérations préalables à réaliser.
En effet la dissolution d'un cuivre épais est souvent irrégulière et quelques taches peuvent se produire.

2.2.1  Feuille de cuivre >= 30/100

Dans ce cas de feuille de cuivre épaisse, je préfère dissoudre un peu en épaisseur UNE seule face de la feuille de cuivre. Il n'est pas possible en effet de pulvériser la résine photosensible sur une face attaquée au perchlorure de fer (perchlo), car la rugosité ne permet pas une insolation correcte.
(La face à recouvrir de résine photosensible doit impérativement être brillante).

Alors vous devrez recouvrir une face brillante, de vernis à ongle pour la protéger du perchlo. Laisser sécher le vernis et plongez ensuite dans le perchlo.

(Ne protégez pas par du scotch, car vous ne pourriez pas le retirer sans abîmer la feuille de cuivre)

Ensuite vous ferez la dissolution "au pif" d'un point de vue du temps pour avoir quelque chose de très fin de l'ordre de 16/100.
La feuille de cuivre devient très fragile par sa faible épaisseur.
Surtout n'enlevez pas maintenant le vernis à ongles, car vous allez continuer la procédure pour une feuille de cuivre de faible épaisseur....

Surtout rincer abondamment et brossez délicatement la surface attaquée car autrement il resterait des traces de perchlo.

(Éventuellement vous pouvez essayer de neutraliser les restes de perchlo avec un peu de soude diluée, et bien rincer après. (J'ai essayé et cela reduit toalement les traces jaunes de perchlo.))

2.2.2  Feuille de cuivre < 30/100

souple2
Vous utiliserez donc de la feuille de cuivre de 16/100 (ou réduite en épaisseur de préférence). Assurez vous que la feuille ne soit pas marquée par des plis ou des déformations qui poseraient quelques problèmes de planéïté par la suite.

Vous allez maintenant coller la feuille de cuivre (côté le plus "moche" ou le côté attaqué au perchlo) sur un support transparent du même type que le dessin. Face rugueuse du transparent contre le cuivre. La colle utilisée sera de la colle cyanoacrylate. (Voir en fin de § "ATTENTION")

En réalité se sera plutôt l'inverse, c'est-à-dire que l'on collera le transparent sur la feuille de cuivre. Pourquoi coller le transparent ainsi ? Simplement pour voir la colle se répartir entre les deux support, cuivre et transparent et agir en conséquence.

Pour ce collage vous placerez à plat la feuille de cuivre et déposerez une très grosse goutte de colle cyanoacrylate que vous répartirez au centre de la feuille de cuivre.

Vous placerez maintenant la feuille de transparent sur la colle (côté rugueux contre la colle).
Ensuite avec une spatule en bois et en ne passant qu'une seule fois (sur la face lisse) vous allez chasser la colle en poussant les éventuelles bulles d'air. (C'est un peu comme pour le papier peint !!!)

Vous pourrez repasser une deuxième fois en essuyant préalablement les traces de colle déjà évacuée sur les bords avec un chiffon de façon à ne pas marquer le support transparent par des traces de colle (Du centre vers l'extérieur).
La colle est perméable aux IR, mais je préfère avoir un travail propre (et d'épaisseur constante).

Vous aurez compris à demi-mot que vous devrez prévoir assez large pour les dimensions car l'application de la colle est assez délicate pour être bien répartie sur toute la surface. (En réalité les bords ne sont pas toujours parfaits et ne peuvent guère l'être  car le volume de la goutte de colle est "au pif" et il y a des retours par le dessous à éviter!)

Vous maintiendrez un peu la pression avec la spatule, mais en principe l'action de chasser la colle redresse la feuille de cuivre et rend l'ensemble assez plat.

Cette feuille transparente vous permet de garder les éléments non liés d'un dessin (Par exemple un point sur une lettre "i"), mais participe aussi à la rigidité minimum de l'ensemble. (C'est un peu le principe du contreplaqué !)

Cela parait simple, et c'est le cas, mais il faut être très méticuleux pour la propreté, bien que la colle cyano ne tache pas et qu'elle se laisse traverser sans problème par les IR.

Il faudra aussi protéger le plan de travail par un papier pour les débordements de colle en surplus.

ATTENTION !

Après de multiples essais, à la colle cyanoacrylate, je constate des décollements du cuivre lors des opérations de découpage au ciseau, surtout  vers les bords. (Voir la dernière photo au § conclusions et les traces brunes des disques)
Ce problème est très gênant et dans l'immédiat, je ne vois comme autre méthode que la colle bi-composants style Araldite qui garde une certaine plasticité que n'a pas la cyanoacrylate qui est beaucoup plus cassante.
Cette colle est-elle transparente aux UV ? Je ne le sais pas, et je n'aurai pas l'occasion d'essayer avant longtemps, donc si vous faites cet essai, ne manquez pas de me le dire. Merci d'avance.

Dernière seconde : La seule chose que je puisse dire est que le procédé fonctionne aussi avec cette colle, mais est délicat pour ne pas avoir de retours par le dessous lors de l'encollage. Les traces de colle côté côté cuivre (standard) ne partent plus au nettoyage, et il faut gratter.. . Est-ce transparent aux IR c'est à vérifier.


2.3 La résine photosensible

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J'ai encore de la résine "RPS" mais celle-ci n'est plus fabriquée par la société KF. Elle est remplacée par une nouvelle résine appelée POSITIV 20, (nettement plus chère  !!!)
(Cette résine est à essayer et je ne peux rien en dire pour l'instant car je n'en ai pas !)

Pour commencer, quand cuivre et transparent collés sont assez secs, il est nécessaire de bien nettoyer à l'acétone la face cuivre, avec un chiffon non pelucheux sans trop déborder sur le transparent, (qui n'est pas trop attaqué à priori par ce solvant, mais...).
De la qualité de ce nettoyage/dégraissage dépendra la qualité de cette future face photosensible.
(Ce nettoyage doit être très  "sérieux" surtout si il y a encore le vernis à ongle dans le cas de cuivre épais)

Vous êtes prêt maintenant à recouvrir le cuivre de la résine photosensible. Là je n'ai pas de recette miracle, c'est un "coup de patte" à acquérir ! Il faut tout de même en mettre suffisamment sans avoir peur immédiatement de l'aspect taché/granuleux qui va disparaître par la suite lors du séchage.

L'application se fera sur le cuivre (collé à son transparent) et incliné à 70/80° (presque vertical) posé sur un petit tasseau de bois. On fera le plus régulier possible bien évidemment.
Cette position presque verticale entraîne le surplus de résine encore bien liquide vers le bas et évite de pencher la bombe. Cela a pour conséquence que le bas de l'ensemble sera souvent inutilisable sur quelques mm environ.

On laisse un tout petit instant dans cette position pour que le surplus de résine ait le temps de se répartir et de diffuser "le trop" vers le bas, puis, on replace cette fois l'ensemble à l'horizontale et on laisse se répartir la résine de façon naturelle. Quand la résine s'est bien répartie, alors on peut passer au sèche cheveux pour sécher définitivement.
(A bien réfléchir il y a beaucoup de poussière dans un sèche cheveux et surtout de fines particules de mica, alors par la suite je vais tout de même prendre le temps et laisser sécher à l'air ambiant, car c'est prendre des risques. On peut seulement finir le séchage de cette façon))

Toutes les "taches" de résine sont en principe disparues au profit d'une couche uniforme et la résine se teinte un peu en séchant.

Si vous constatez des petites bosses  avec une accumulation de résine ou des auréoles, ce sont des grains de poussières, et il serait préférable de recommencer, à moins de les placer dans des zones non utiles ou de moindre importance.

On laisse un peu reposer le tout et on applique le masque préparé au § 2.1 avec du scotch.

millefeuille2.4 Insolation et révélation

Préalablement vous ferez préchauffer l'insoleuse de façon à ce que les temps soient comptés pour la puissance nominale des tubes UV.
Quand c'est bon (5 minutes environ), on coupe l'insoleuse et on place le masque constitué de 2 épaisseurs de dessin, face encrée contre le cuivre recouvert de résine.

(Placez de préférence des mires de centrage à 1 pixel lorsque vous utilisez 2 transparents (J'avais oublié de la faire sur la photo précédente))

On plaque fermement (avec des poids nécessairement) l'ensemble contre la vitre et on compte environ 2 (à 3) minutes d'insolation après l'allumage des tubes.
(Attention ces temps sont très variables et dépendent de l'épaisseur de résine (variable par définition), de la résine elle-même, de la température… etc)

Les scotchs qui tiennent les différentes couches doivent être placés pour ne pas faire de surépaisseur l'ors de l'insolation.

Vous devrez procéder par tâtonnement pour trouver le meilleur rendu, et des essais préalables sont presque toujours nécessaires.

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Ne vous faites pas d'illusions, car je rate encore quelques circuits sans connaître exactement la raison. Il y a beaucoup de paramètres et principalement l'épaisseur de résine que vous avez mise qui peut fortement modifier du tout au tout les temps et les doses.
(Mes derniers ratés sont dus cette fois à un produit acheté présensibilisé ayant une qualité de la couche sensible beaucoup trop fine)
Même pour des circuits standard présensibilisés, les variations sont importantes et les temps d'insolation peuvent largement varier suivant les fabricants de CI.

L'insolation est maintenant terminée et je vous invite à respecter un petit délai permettant à la résine de se stabiliser (Est-ce le cas ou une précaution inutile ? je ne sais pas !)

2.5 Révélation

Naturellement il faut retirer le masque du circuit en faisant attention que du scotch n'aille pas malencontreusement se coller sur la résine.

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Maintenant, il faut impérativement  mettre de nouveau des LUNETTES de protection (et des gants) car vous allez manipuler de la soude caustique et c'est corrosif au plus haut niveau.

Il vous faut donc de la soude caustique liquide que vous trouverez en grandes surfaces.

Mettre suivant les résultats 1 à 2 cuillères à soupe de soude dans 1 litre d'eau tiède à 20 / 25°C.
Ce dosage dépend de la résine et de son épaisseur, mais en général en une dizaine de secondes, le circuit apparaît.
Un petit pinceau très doux permet d'évacuer de la surface les résidus de dissolution qui masquent l'état de révélation.
Vous devrez aller jusqu'à ce que le cuivre apparaisse bien rouge brillant (sans un brouillard de fond).

Si la résine restante semble s'en aller lorsque on la frotte délicatement avec le doigt lors du rinçage, il est inutile d'aller plus loin, car c'est voué à l'échec. (Il y a eu surexposition aux UV ou la couche de résine est trop fine)
La résine restante doit être bien solide pour résister à l'attaque du perchlorure de fer.

A ce stade bien rincer le circuit, mais inutile de le sécher, le perchlorure de fer se charge de tout !

2.6 L'attaque

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Juste avant de plonger le circuit dans le perchlorure de fer, il est préférable d'enlever les bordures inutiles de cuivre collées avec le transparent, qui n'ont aucun intérêt en laissant cependant au moins 5mm pour éviter de casser la colle entre cuivre et transparent et de favoriser une migration de perchlorure de fer entre les deux feuilles et une attaque sournoise par le temps. (Oublié sur la photo)
 
C'est la phase ultime pour faire un circuit imprimé en général et un circuit souple dans ce cas précis. Vous noterez que le processus est identique pour ces deux cas hormis l'opération de collage du transparent.

Pour le perchlorure de fer, je procède toujours comme à l'âge de pierre, vêtu de peaux de bêtes,... non je n'irai pas jusque là, mais toujours avec des lunettes de protection ! (Lire cependant l'anecdote en fin de paragraphe)

J'ai un bain marie avec le perchlo qui mijote jusqu'à 60°C environ, et j'agite manuellement "la soupe" pour que les dépôts noirs qui limitent l'attaque se répartissent dans l'ensemble du perchlo.

En ce qui concerne spécifiquement ce circuit souple, il faut attendre à peine plus longtemps, car la feuille déjà un peu attaquée au début par l'acide chlorhydrique, reste tout de même de bonne épaisseur et il faut le temps (10 minutes environ) !

Le chauffage permet d'activer l'attaque et de réutiliser longtemps le perchlo. Cependant, il est toujours utile de réduire au maximum le cuivre à dissoudre pour limiter la saturation du perchlo au fil du temps et augmenter les utilisations.

D'autre part, la méthode que j'utilise avec des vaguelettes de perchlo provoque l'attaque privilégiée du cuivre des bords. Aussi il est souvent utile de faire une barrière (Comme une sorte de digue) avant le circuit réel. Cette barrière peut-être constituée d'une simple bande de quelques mm qui permet aux courants de perchlo de ne pas attaquer sur la tranche du cuivre et permet un saut hydraulique du perchlo pour le reste du circuit.
Comme quoi, la conception (d'amateurs) n'est pas toujours aussi simple qu'il n'y paraît.

Anecdote bien réelle :
Il y a de nombreuses années j'étais jeune et je ne portais pas de lunettes… En agitant le perchlo, une goutte m'a sauté dans un œil et je peux vous dire que la brûlure est immédiate et affole tant c'est douloureux. Une seule solution ! La tête sous le robinet d'eau est la seule solution efficace à cette erreur de débutant. Le pharmacien a confirmé en appelant le centre anti-poison.
Il est évident que cela devrait vous inciter à cette prudence face à tous ces produits qui restent dangereux.

3 Conclusions

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Cet article est assez détaillé, mais n'est pas une recette absolue, et avant de faire un circuit, il est nécessaire de faire des essais avec les mêmes conditions que le futur circuit, pour être certain du bon résultat du circuit réel.
Tous les éléments de ces circuits de test doivent être parfaitement identiques :
nature de la résine, épaisseur, température etc…

Bien naturellement le principe reste identique pour les circuits présensibilisés, qui sont beaucoup plus faciles à réaliser.

N'oubliez surtout pas les lunettes de protection, faites attention au perchlo qui tache, et ne le videz pas à l'évier mais portez le à la déchetterie.souple9

Pour ces circuits souples, et pour souder des composants, il ne faut pas avoir la main trop lourde sur le fer à souder car le transparent pourrait fondre. Cette méthode est surtout faite pour ce cas précis d'avoir un support parfaitement transparent aux IR.
Réaliser des circuits souples par plaisir ne me semble pas utile de prime abord, car il y a des circuits présensibilisés époxy de 0.85 qui rendent un excellent service sans ces complications toujours très délicates.

Bien que l'on puisse faire réellement du circuit souple, le procédé de collage du cuivre a besoin d'être sérieusement amendé car il doit être beaucoup plus solide, ainsi qu'en témoigne le petit circuit d'essais réalisé. Néanmoins en cas de nécessité, ça fonctionne !
(Il y a tout de même quelques déformations lors de la soudure des composants).

La dernière photo montre clairement les défauts de collage sur le support transparent, notamment sur les disques codeurs. L'utilisation de cuivre trop épais provoque des courts-circuits (CI triangle de droite sur le connecteur)
On constate également la coloration brune due au perchlorure de fer insuffisamment nettoyé, avec des risques  de mauvaise tenue dans le temps.

Le CI triangle de gauche a été réalisé pour vérification de faisabilité, mais une des lames du connecteur nez de carte n'a pas tenu et j'ai dû la recoller sommairement.

Je crois qu'il faut réserver cela (au niveau amateur) à des applications très particulières comme les disques codeurs dont c'était le but initial. Vous savez tout maintenant sur ce sujet, mais si vous pouvez développer un peu plus ce sujet, je suis preneur notamment des colles qui peuvent convenir à coller du cuivre sur un support plastique et qui résistent à toutes les attaques des produits chimiques habituels utilisés pour les CI .

bricolsec