Sommaire

• A propos de la méthode du "toner transfer"
• Détourage
• Etamage
• "Sérigraphie" côté composants par toner transfer
• "Sérigraphie" côté composants par adhésif imprimé
• Faces avant par toner transfer
• Faces avant par adhésif imprimé

A propos de la méthode du "toner transfer"

Je pense être passé par tous les modes de fabrication amateur de circuits imprimés, et ça a toujours été un vrai pensum !

• le tracé direct sur le cuivre au tire-ligne avec de l'encre verte spéciale Radio Prim, et acide nitrique
• la gravure anglaise en taillant les pistes à la fraise boule
• le tracé sur cuivre avec les pastilles et les lignes transfert, attaque au perchlo
• le tracé sur mylar avec ces mêmes transferts puis la photogravure sur PCB sensibilisé au Positiv 20 ; insolation avec un projecteur de diapos en guise de source lumineuse (ce qui fonctionnait à la perfection, d'ailleurs, en raison de la lumière très directive par rapport à des tubes fluorescents)
• le tracé sur papier calque au Rotring, et photogravure sur PCB présensibilisé avec des tubes actiniques (insoleuse maison, juste une étagère de placard et une lourde vitre récupérée sur un ancien téléviseur)

Puis 15 ans sans faire un seul PCB... Les montages étaient tellement simples que des plaques de circuit pour prototypes étaient suffisantes... mais pas mal d'erreurs de câblage au passage. Moche, mais vite fait...

Puis, récemment, l'envie de m'y remettre. Avec de vrais PCB. Mais la flemme de réétalonner la chaine de photogravure (il faudra cependant le faire un jour). C'était l'occasion de tester quelques logiciels de CAO/DAO dédiés, et d'essayer la méthode dite du "toner transfer". Quelques lectures sur le net, où on lit tout et son contraire, et c'est parti !

Essai de quelques logiciels : Ultiboard, car complémentaire de Multisim, très utile grâce à son Spice intégré. Base de données presque aussi pénible que celle de Eagle. Bien : la possibilité de modifier la dimension des pads sur le board, mais pas de pads octogonaux, obligé de les définir par coordonnées ; gros plus : la définition de composants en 3D et l'export vers les logiciels de CAO DAO. Design Spark : pas mal, mais toutes les bases de données ne sont pas accessibles ; c'est dommage. mais c'est un logiciel prometteur. Finalement, Eagle, qui est facile à utiliser malgré une ergonomie surprenante (on se croirait presque revenu au temps de MS-DOS), et une gestion des bases de données complètement archaïque. Mais bon, après quelques heures passées à définir ses propres bases de composants, ça marche bien. Sauf qu'on ne peut manifestement pas changer la taille des pads sur le board, à la volée. Ca, c'est extrêmement pénible, même si on peut ruser avec des vias.

En tous cas, il manque une chose à tous ces logiciels : un mode préparamétré au niveau des design rules pour faire du PCB monocouche avec straps. Ils sont tous orientés multicouches à trous métallisés. Donc il faut se farcir des vias à la main, sans oublier la redéfinition de tous les composants pour avoir des pads de diamètre et de forme adaptés (octogones suffisamment gros pour résister à la soudure).

Pour en revenir au laser transfer, très agréable surprise : la finesse du travail est proche de celle obtenue avec de l'époxy sensibilisé au Positiv 20 et insolé à travers un calque tracé au Rotring. Le problème des poussières en moins. Le matériel mis en oeuvre n'y est sans doute pas étranger : une imprimante laser Canon modèle MF5700 (un combiné fax / scanner automatique / photocopieur automatique / imprimante, 600 dpi). Puis transfert au fer à repasser : pas de trous ou de coupures de pistes, ce que je redoutais.

L'imprimante laser :

Elle y est certainement pour beaucoup. La Canon MF5700 est un modèle plutôt orienté professionnels. Le pilote dispose de deux options importantes : "transparents" et "CAO". Ces deux modes combinés permettent d'obtenir des noirs relativement profonds, même sur transparent. Le toner est sans doute de bonne qualité : j'ai testé puis abandonné immédiatement les consommables adaptables et les rechargées en boutique pour de simples questions de coût. N'utilisant cette imprimante que professionnellement, le calcul a été vite fait ; les cartouches de toner rechargées ou adaptables revenaient plus cher que celles d'origine, en raison d'une durée de vie très nettement plus courte. Sans parler de la qualité d'impression déplorable.

Le papier glacé (ou papier couché) :

Coup de bol, le premier magazine essayé a donné des résultats impeccables. Magazine pro dont le titre n'intéressera personne puisque non disponible pour le public. Il serait intéressant de savoir si ce papier est couché à l'oxyde de titane ou au baryum. Ceci a sans doute son importance. Influence sur le transfert, sur le décollement du papier ? Comment différencier un papier baryum d'un papier titane ?

La préparation du PCB :

Alors là, j'ai été effaré par la dépense d'énergie musculaire des auteurs que l'on peut voir sur le net et sur Youtube ! Il est pourtant si simple et si rapide de décaper le cuivre... Il suffit de quelques gouttes d'acide chlorhydrique sur un coton ou un essuie tout pour enlever en quelques secondes toute trace d'oxydation ! Et pour finir de décaper et rayer finement la surface (afin de faciliter l'accrochage du toner), une ponceuse vibrante fait le travail en quelques minutes, sans fatigue. Mais non... les mecs frottent avec tout ce qu'ils trouvent : tampons Jex, Scotch Brite, laine d'acier, poudre à récurer, etc. Tout le contenu du placard sous l'évier y passe... Ils n'ont que ça à faire, manifestement...

La ponceuse vibrante (à 10€, et qui marche depuis 10 ans sans souci) est coincée à l'envers dans l'étau.

Après quelques essais, le traitement s'est avéré plus facile en mouillant le papier de verre, mais au prix d'une forte consommation de papier. Essais avec des grains 320, 400 et 800. A noter : contrairement à une idée répandue, l'eau n'adoucit pas le travail de l'abrasif. C'est le contraire. Du 800 utilisé à l'eau est équivalent à du 400 utilisé à sec. Si on a fait un peu de carrosserie automobile, on le sait. Sinon, télécharger et lire n'importe quelle notice de peinture carrosserie. Le choix s'est finalement arrêté au 320 à sec, qui me semble constituer un bon compromis. Plus lent qu'à l'eau, mais consommant beaucoup moins de papier.

Les PCB un peu larges se tiennent facilement à la main. Sinon, une ventouse s'avère très pratique, et sert aussi pour tenir le PCB dans le bain de gravure. Simple et efficace. Jamais vu sur le net, pas plus que la ponceuse vibrante, d'ailleurs...

Ci-dessous, le résultat obtenu en 3 à 4 minutes. La photo a été prise de façon à mettre en évidence la surface du cuivre, qui laisse voir les ondulations de la trame du stratifié. Des essais pour les supprimer se sont soldés par des échecs : il fallait tellement insister que le cuivre se trouvait trop fin au niveau des crêtes.

Pour nettoyer malgré tout dans les creux avec la ponceuse vibrante, il suffit de faire travailler le papier de verre avec de l'eau. Il se forme une pâte qui arrive à nettoyer l'intégralité de la surface.

Ce PCB est un vieux stock, et certaines plaques remontent à la fin des années 1970. D'autres en stock n'ont pas ces défauts, mais il était intéressant de faire des essais avec du "mauvais" PCB. D'une part, pour des tests, autant sacrfier des plaques de qualité médiocre. D''autre part, c'était aussi le moyen de savoir comment s'y prendre lorsque la surface présente ce genre de défaut.

Le fer à repasser :

C'est un vieux fer qui n'a même pas de prise de terre. Un vieux machin qui servait jusqu'à présent de chauffe roulement, après des années à farter des skis. La première chose a été de l'étalonner à l'aide d'un thermocouple pour obtenir 180 à 200°C. Thermostat sur laine. Deux manières de procéder selon la surface du PCB. La surface du PCB n'est pas toujours régulière. On peut parfois y voir des ondulations qui suivent la trame du stratifié. Ceci est à mon avis une cause d'échec ou de mauvais résultats, et je n'ai vu nulle part ce problème évoqué... Tout au plus, on voit certains interposer quelques feuilles de papier supplémentaire entre le fer et le papier transfert... Pour ma part, je place de la mousse polyuréthane. Cette matière ayant une température de fusion très supérieure à celle nécessaire pour le toner, elle résiste à la chaleur et joue un rôle de répartiteur de pression, en compensant les irrégularités de la couche de cuivre. Il faut appuyer très fort sur le fer, sans le déplacer ; ça marche d'autant mieux que le PCB est petit (pression utile plus importante). De cette façon, le papier épouse bien les irrégularités de surface, la chaleur est transmise uniformément, et le toner se colle partout. Sinon, pour les PCB dépassant disons 100 x 50 mm, il faut procéder par fractions de surface.

Avant d'appliquer la pression et la chaleur du fer, il est passé directement à quelques endroits pour coller le papier et éviter tout déplacement par la suite. Avant d'appuyer sur le fer, ce dernier est laissé une à deux minutes, mousse en place, pour que le cuivre atteigne la même température. Puis la pression est appliquée une à deux minutes également. Une fois que le toner a adhéré partout, le résultat est assuré en "repassant" doucement toute la surface directement, sans la mousse, sans insister, et avec une faible pression (en appuyant à peine). Surtout pas comme on le voit sur plusieurs vidéos en y allant comme un bourrin : sinon, bavures assurées, pré-trous des pads bouchés.

Une astuce pour améliorer considérablement la qualité du transfert : les ratsnets ! De larges aplats de toner collent vite et bien le papier sur le PCB, et éliminent ensuite les risques de déplacement. pas de bavures et de trous bouchés si le fer est déplacé pour "repasser" la surface. Pour réduire le temps de fusion du toner, préchauffage du PCB au fer.

Cette technique donne des résultats presque parfaitement reproductibles, précis et fiables.

La mousse utilisée est du type de celle qu'on trouve dans les emballages de matériel informatique : mousse polyuréthane noire conductrice.

Le cuivre s'oxyde très vite au contact de l'air. Juste avant de transférer le toner, la surface est très légèrement décapée avec un Scotch Brite de carrossier à grain fin (gris ou rouge). Puis naturellement, nettoyage à l'acétone jusqu'à ce que l'essuie tout reste parfaitement blanc.

Elle peut rester collée légèrement au fer, mais ne fond pas, et s'enlève sans laisser de trace. Elle peut être réutilisée.

Plusieurs essais en suivant certains conseils trouvés sur le net se sont soldés par des résultats allant de médiocre à catastrophique !

• certains conseillent de régler le fer au maximum. C'est une très mauvaise technique. Le toner a un point de fusion se situant vers 180°C. Il est donc inutile de chauffer plus fort. En insistant, avec mon fer réglé "fort", sans aller au maximum, je suis arrivé à brûler le PCB : décollement de la couche de cuivre, délamination du stratifié. Alors, à fond, je ne vois pas comment faire du travail propre...
  
  
• d'autres, ou les mêmes, conseillent, vidéo à l'appui, de passer et repasser en insistant bien dans tous les coins, en appuyant comme un sauvage, etc. ; résultat : bavures et trous des pads complètement bouchés. Problème moins flagrant en plaçant un ratsnet. Le papier collant bien mieux au PCB, il bouge moins voire pas du tout.

Plus bas, quelques photos montrant le résultat obtenu :

• sur du PCB dont la surface présente des défauts
  
  
• sur du PCB dont la surface est bien uniforme, sans ondulations

La gravure :

Premiers essais avec du perchlo. Et abandon presque immédiat. C'est toujours aussi dégueu, et c'est toujours aussi lent sans système compliqué.

Ccependant, on constate une accélération significative sensible du processus si le perchlo est dans un bidon à moitié rempli, et qu'on l'aère bien en le secouant en tous sens avant utilisation.

Donc, essai - et adoption immédiate - du mélange oxydant bien connu eau oxygénée + acide chlorhydrique. J'ai d'abord pris la recette la plus agressive trouvée sur le net :

• 40% d'HCl à 30%
• 40% d'H2O2 à 130 volumes
• 20% d'Aqua Simplex

Moins d'une minute pour du PCB à 35 microns, c'est bien. C'est en tous cas très économique, et les ingrédients se trouvent partout. Les résultats obtenus ont été satisfaisants.

Ici, pas de prétrempage avant élimination du papier : direct sous l'eau dès refroidissement, on arrache tout, puis frottage énergique avec les doigts pour éliminer ce qui reste. Sans ménagement. Ca résiste sans problème. Preuve que la préparation décrite plus haut pour le cuivre est satisfaisante, que le toner est de qualité et que la méthode utilisée l'ui a permis de bien coller.

Détail d'un des tout premiers PCB réalisés : aucun souci pour passer entre les pads d'un circuit DIL. Les défauts que l'on voit çà et là ne sont pas dûs à la gravure, mais à des éraflures mécaniques faites par la suite en manipulant le PCB. Il n'y a ni trou, ni coupure. Les petits pâtés ne sont pas des défauts, c'est le ratsnet généré par Eagle. Les pistes les plus fines font ici 0.45 mm, et les espacements minimum sont de l'ordre de 0.2 mm. Rien d'extraordinaire bien sûr. On trouve sur le net beaucoup d'exemples de pistes bien plus étroites réalisées avec cette technique (jusqu'à 0.127 mm, soit 3 à 4 fois mieux) ; mais il semble alors nécessaire de disposer d'une imprimante offrant une ésolution bien supérieure à 600 dpi (1200 ou même 2400).

D'autres essais avec 50% d'acide chlorhydrique et 50% d'eau oxygénée à 130 volumes. La gravure est nettement plus rapide (15 secondes environ). Quand le bain semble s'épuiser, rajout d'eau oxygénée.

Finalement, j'ai augmenté la proportion d'eau. La réaction est exothermique, et il est sans doute préférable de la ralentir un peu. La solution arrive à chauffer très fort, et il est probable que celà puisse arriver à décoller localement le toner : la chaleur est vraissemblablement très élevée à proximité immédiate du cuivre...

Je suis donc passé à une variante personnelle...

Tout d'abord, la solution, composée de 1/3 d'eau, 1/3 d'acide chlorhydrique à 23%, et 1/3 d'eau oxygénée à 130 volumes.

Ensuite, le PCB n'est pas abandonné à son sort dans le bain. Au contraire, il est tenu à la main (gants latex ou vinyl). Lorsque la température semble un peu forte au niveau des doigts, le PCB est retiré du bain puis plongé dans l'eau froide, puis remis dans le bain, et ainsi de suite. La gravure est un peu plus longue, 1 à 3 minutes, mais le résultat semble bien meilleur. Aucune piqûre, aucune tendance du toner à se décoller, bords de pistes plus nets.

Photos montrant le résultat, et qu'on pourra comparer à celles ci-dessus ; le résultat est nettement supérieur. Mais il est vrai aussi que ce PCB semble être de bien meilleure qualité (surface régulière, sans ondulations : la trame du stratifié ne "ressort" pas ou très peu à travers le cuivre).

Une photomacrographie prise au grandissement maximum permis par l'objectif et le jeu de bagues allonges.

Les pistes font ici 0.6 mm de large, de même que les perçages.

Photo : fille de moi

Conclusion :

Fer réglé vers 180 à 200°C, et surtout pas à fond comme le préconisent certains.

Pression appliquée par l'intermédiaire de mousse polyuréthane, et maintenue une bonne minute. Pas de "repassage" du papier, comme on le voit un peu partout sur le net (Youtube en particulier). Sauf si des ratsnets sont présents.

Pas de bain trop "agressif", la chaleur semble favoriser un décollement du toner, avec apparition de piqûres et bords flous.

Une voie qui semble intéressante, le chlorure cuivrique (CuCl2) régénéré par oxydation à l'air : voir Etching with Air Regenrated Acid Cupric Chloride. Le gros intérêt de cette technique est la réutilisation du produit moyennant quelques opérations de titrage et d'ajustement des concentrations. La méthode sera explorée dès que suffisemment de HCL/H2O2 aura été mis de côté. Dans un bidon ouvert !!! Il y a danger d'explosion en raison de la quantité de gaz produite après gravage des circuits imprimés. J'ai failli en faire péter un...

Pour le transfert du toner, je n'irai sans doute pas jusqu'à la technique de la plastifieuse modifiée. Tant qu'à bidouiller, autant se faire un système à dépression pour de vrais typons. Surtout avec une pompe à vide qui n'ettend que ça depuis 10 ans...

Le toner transfer est une technique intéressante, mais que j'abandonnerai peut-être une fois "l'insoleuse de placard" remise en service et étalonnée. Il y a une bombe de Positiv 20 toute neuve qui attend que la flemme se dissipe, ainsi que tout un stock de PCB de plus de 30 ans d'âge. Ou pas...

Détourage

N'ayant pas de matériel spécifique genre cisaille pour couper le PCB, c'est la scie à ruban qui est mise à contribution. Mais ensuite, une fois le circuit gravé, il faut amener la plaque aux dimensions nominales.

Autrefois, je le faisais à la lime. Long.

Certains utilisent le tank (backstand) ou le lapidaire. Je me sers d'une ponceuse à bande. Son avantage est de récupérer les poussières dont l'inhalation n'est pas recommandée. On peut y mettre un sac ou mieux un aspirateur.

Pour la finition des chants, le meilleur outil est la lime de tourneur. la denture de ce type de lime est particulière : elle n'est pas croisée. Du coup, elle ne laisse pas de trace, l'état de surface est parfait. De plus, étant plane, elle permet d'obtenir des bords parfaitement droits.

Dans certains cas, lorsque dimensions et perçages doivent être précis, le PCB est usiné sur la fraiseuse (carbure), puis percé. Bien sûr avec des coulisses parfaitement protégées et en évacuant la poussière régulièrement à l'aspirateur, surtout pas à la soufflette (à cause de la poussière de fibre de verre, très abrasive et dont l'inhalation peut avoir de graves conséquences).

Lorsque de dimensions très précises sont nécessaires, le PCB est taillé à la fraiseuse avec une fraise 4 dents en carbure. Il y a un certain nombre d'inconvénients :

• les coulisses doivent être protégées de la poussière de fibre de verre
• la table doit être sèche (éliminer l'huile)
• il faut aspirer les poussières au fur et à mesure

Etamage

Si on n'a pas de machine à étamer à la vague, il y a un certain nombre de techniques.

• étamage au fer à souder
• étamage à la pâte d'étain et au chalumeau ou au décapeur thermique
• étamage au four à refusion
• étamage chimique

Les deux premières sont toujours un peu risquées : le circuit peut être brûlé. Mais on obtient une couche permettant de faire passer plus de courant.

Si on a juste besoin de faciliter la soudure des composants, l'étamage chimique suffit.

Un peu par hasard, j'ai essayé une autre méthode, et je n'en ai pas trouvé trace sur le net...

La température du fer à repasser réglé pour le toner transfer est du même ordre de grandeur que celle de la fusion de l'étain. Comme je venais de cramer un PCB au chalumeau, j'ai essayé au fer à repasser. Ca marche très bien.

Une couche régulière de pâte est passée au pinceau. Une feuille de papier aluminium alimentaire est posée dessus afin bien régulariser l'épaisseur (passage du doigt sur le papier d'alu, en frottant partout), puis application du fer, avec le même réglage ou un poil plus fort que pour le toner transfer. La pâte d'étain doit être assez liquide pour bien s'étaler, mais pas trop non plus sinon il ne reste rien sur le cuivre.

Le résultat semble assez dégueu. En réalité, après essuyage des excès, il est très honorable. Ici, la pâte était un peu trop épaisse. C'est inutile, on ne gagne pratiquement rien sur l'épaisseur finale de l'étamage. On ne fait que gaspiller le produit.

Ici, élimination des surplus en raclant doucement avec un autre PCB. Pas mal de gaspillage, pâte pas assez liquide.

Ensuite, il suffit de faire briller avec un morceau d'essuie tout ou un chiffon.

La couche d'étain est fine, mais un peu plus épaisse et plus résistante que celle obtenue par étamage chimique. Il est possible d'épaissir cette couche en répétant l'opération. On peut remarquer la présence de résidus de pâte dans les perçages, résidus qui s'éliminent d'eux mêmes en insérant les composants.

Il est aussi possible d'étamer avant de percer. Mais alors il n'est plus possible d'éliminer les marges de cuivre qui se forment autour des trous. Pour les éliminer, je passe le PCB sur la ponceuse vibrante, de façon à obtenir une sirface de cuivre bien lisse autour des trous. L'étain n'y résisterait pas... Les résultats en étamant avant perçage sont bons : avec une pâte relativement liquide, les avant trous des pads ne sont pas bouchés, mâme avec 0.5 mm. Mais je préfère étamer après perçage et ponçage.

L'étamage au fer est une idée qui est venue après un cramage de PCB, et après un tour chez le revendeur du coin qui était en rupture de stock de liquide d'étamage chimique... J'ai cherché sans succès sur le net quelqu'un procédant de cette façon. Ce n'est pas le plus simple à mettre en oeuvre, mais ça dépanne bien, c'est plus économique, le résultat est satisfaisant, et il n'y pas de risque pour le circuit imprimé. Le gros inconvénient est que c'est long et salissant.

La couche est fine et ne dispense pas de vernir les pistes une fois les composants soudés en place.

"Sérigraphie" côé composants par toner transfer

Un circuit imprimé de fabrication industrielle est généralement sérigraphié côté composants. C'est ce qui donne l'aspect "pro". Mais surtout, dès qu'il y plus d'une dizaine de composants, ça facilite considérablement l'implantation. Autrefois, il m'est arrivé de marquer les composants avec des lettres à transfert !

Il n'est pas envisageable à l'échelle amateur de réaliser une véritable sérigraphie. Mais on peut parfaitement transférer du toner sur l'époxy. Si on dispose d'une imprimante couleur, le jaune est probalment un bon choix (contraste). Certaines imprimantes pro peuvent avoir du toner blanc.

Voici une méthode testée avec succès, mais dont la reproductibilité n'est pas parfaite. Elle consiste à transférer du toner noir sur l'époxy préalablement peint en blanc. La peinture a été trouvée en grande surface de bricolage, et sa qualité "haute température" semble plus que médiocre. (il faut que la peinture résiste au transfert)

La peinture doit avoir parfaitement séché. Dans le cas présent, 24 heures. Une durée plus courte a systématiquement abouti à une fusion complète de la peinture, et donc à un échec.

Il a été possible de transférer en se servant du même papier que pour le côté cuivre. Mais il a été impossible de l'éliminer totalement : c'est peut-être dû à la peinture utilisée. Elle semble fondre un peu, même après un temps de séchage long. Il reste alors l'encre de l'impression d'origine ! Certainement rigolo pour personaliser ses circuits imprimés avec des photos de magazine, mais la lisibilité des emplacements des composants n'est pas au top !

Finalement, un résultat acceptable a été obtenu avec du transparent pour imprimante laser. Il faut bien immobiliser l'ensemble car le mylar a tendance à glisser facilement. Par ailleurs, ça ne conviendra pas pour des PCB de grandes dimensions. Le mylar se déforme, s'allonge, et les composants risquent de ne plus être parfaitement alignés avec les trous.

Le résultat est sympa, mais pas parfait. Surtout, il est compliqué à obtenir.

"Sérigraphie" côté compossants par adhésif imprimé

La méthode finalement adoptée est plus simple, et donne des résultats irréprochables. Des feuilles adhésives Avery sont imprimées et collées sur le PCB. Existe pour jet d'encre (J477x) et pour laser (L477x). Ce support texturé à l'aspect plastifié est assez résistant, le résultat est impeccable, mais il est très cher.

Il adhère très bien sur le stratifié époxy fibre de verre, et encore mieux avec un coup de fer à repasser pour chauffer la colle (méthode personnelle, et non tirée d'une notice du fabricant !).

Il est assez fin : 0.1 mm seulement.

Pour protéger les inscriptions (dans le cas du jet d'encre en particulier), un coup de vernis est préférable. Le tropicalisant dont on recouvre la face cuivrée convient très bien.

 

Faces avant par toner transfer

 

Faces avant par adhésif imprimé