Realizzazione di Circuiti Stampati (PCB) con Fresatrice CNC: Guida Dettagliata

Da sempre, tutti gli appassionati e neofiti dell’elettronica, prima o poi, devono realizzare un circuito stampato o PCB. Di certo, vi sono molti metodi per raggiungere lo scopo, dai più semplici ai più complessi. Questo articolo si propone di condividere alcuni dei segreti acquisiti nel tempo per ottenere risultati di qualità con materiali di facile reperimento, concentrandosi in particolare sulla realizzazione di PCB tramite fresatrice CNC, utilizzando software come Sprint-Layout per la progettazione e FlatCAM per la generazione del codice macchina.

Materiali e Strumenti Essenziali

Per la realizzazione di circuiti stampati con fresatrice CNC, avrete bisogno di un set specifico di strumenti e materiali. Alcuni sono comuni a diverse tecniche, altri sono peculiari della fresatura:

• Computer con un programma per lo sbroglio dei circuiti elettronici (CAD/EDA software, es. Sprint-Layout, KiCad, EasyEDA, Autodesk EAGLE).
• Fresatrice CNC con elettromandrino.
• Frese al carburo di tungsteno di diverse dimensioni per incisione e foratura.
• Basette di rame (PCB grezzo).
• Stagno liquido o metodi alternativi per la stagnatura.
• Solvente (es. acetone) per la pulizia.

L'elettromandrino e le frese sono componenti fondamentali per la qualità finale del PCB fresato. Le caratteristiche che la fresatrice deve rispettare sono le seguenti: alta velocità e basso scostamento della rotazione. Più l’indice di scostamento è basso, maggiore sarà la qualità del foro. In commercio possiamo trovare fresatrici di tipo Kress con un costo di circa 200€; è vero anche che potreste usare quelle economiche per i circuiti a singola faccia dato che non richiede un foro passante di alta qualità. La fresa deve essere al tungsteno per via dello strato di resina che tende a usurare le frese economiche. Nel caso dei circuiti a singola faccia, una fresa economica è sufficiente, difatti a fare da guida sarà proprio il foro effettuato dall’acido durante il trattamento, ma questo non è valido per le PCB a doppia faccia, un argomento che potrebbe essere trattato in un altro articolo.

Software per la Progettazione e la Preparazione dei File

Negli ultimi anni, il mondo dei CAD per PCB è stato rivoluzionato. Laddove esistevano pochi e costosi strumenti, ora proliferano nuovi programmi che promettono performance e funzionalità quantomeno simili ai programmi che per anni hanno dominato questo mercato. Sono nati una serie di programmi gratuiti che permettono di realizzare da sé il layout di schede elettroniche e sono nati dei servizi on-line di realizzazione di circuiti stampati anche in bassi volumi.

Panoramica sui Tool di Progettazione PCB

Per realizzare una prima classificazione tra tutti i programmi disponibili, li divideremo in Open Source, On-line e Tradizionali:

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• Open Source: Il mondo dei programmi open source è in continuo fermento. Per definizione questi programmi non sono protetti da copyright e di conseguenza sono liberamente modificabili dagli utenti. Questo significa che alle spalle non c'è un'azienda che pensa di guadagnare dalla vendita di questi prodotti ma ci sono degli sviluppatori che hanno lavorato insieme per realizzare un prodotto che chiunque può utilizzare e modificare, aggiungendo funzionalità e personalizzazioni. Due esempi significativi sono KiCad e gEDA. KiCad offre un maggiore set di funzionalità rispetto a gEDA.
• On-line: Esistono una serie di programmi veramente ben fatti, estremamente veloci e ricchi di funzionalità, basati sulle tecnologie web. I vantaggi includono il supporto cross-platform, la possibilità per più sviluppatori di poter lavorare sullo stesso progetto e la possibilità di essere sempre aggiornato. Gli svantaggi principali sono la necessità di una buona connessione internet. Esempi notevoli sono Upverter ed EasyEDA. EasyEDA, in particolare, è un tool estremamente semplice, con una libreria di simboli 3D e una funzione di riempimento veloce.
• Tradizionali (Desktop): Questi includono software installabili sul proprio computer. Tra i più noti troviamo Autodesk EAGLE (con una versione free limitata per hobbisti), Fritzing (che incorpora disegno su breadboard, schema elettrico e PCB), PCB Wizard 3 (facile da usare per singola e doppia faccia) e Altium Designer (un pacchetto professionale avanzato). Sprint-Layout, ora alla versione 6.0, rientra in questa categoria, offrendo una buona ergonomia e capacità degne di software professionali associati a un prezzo molto basso.

Molti di questi programmi includono una utilissima funzione di "autoroute" che, in autonomia e definiti i parametri iniziali della scheda (numero di layer, dimensioni dei fori, passo di componenti, etc.) è in grado di tracciare le piste di collegamento tra i vari componenti elettronici. Questa funzione è di estremo aiuto poiché solitamente l'80% delle piste di una scheda elettronica non sono critiche, e la loro tracciatura in automatico, anche se magari non ottimizzata al 100%, è comunque un vantaggio.

Sprint-Layout per la Progettazione e FlatCAM per il G-code

Nel contesto della realizzazione fai-da-te con fresatrice CNC, software come Sprint-Layout si rivelano estremamente pratici per la fase di disegno del layout. Per la generazione dei file che piloteranno la CNC, si userà un CAM Processor come FlatCAM. Questa combinazione permette di realizzare un PCB di media difficoltà con componenti PTH (Through-Hole).

Il Processo di Progettazione del Circuito Stampato Passo Dopo Passo

La progettazione di un circuito stampato è una fase cruciale della personalizzazione dei sistemi elettronici. Comporta la creazione di un progetto per la realizzazione fisica del circuito, integrando vari componenti su un'unica scheda. Il processo comprende diverse fasi essenziali, per garantire un flusso di segnali ottimale, interferenze minime e una distribuzione efficiente dell'alimentazione.

1. Fase 1: Creazione dello Schematica

   Qualsiasi nuovo dispositivo elettronico nasce come un diagramma a blocchi e/o un set di schematici elettronici. Lo schematico vi mostra i componenti usati nella vostra progettazione, il modo in cui sono collegati tra loro e i rapporti tra gruppi di componenti. È importante iniziare con lo schematico poiché è più semplice definire e modificare l’interconnettività del circuito, e convertire uno schematico in un layout della scheda è più facile che progettarlo direttamente sulla scheda.

   Per iniziare un progetto, aprite un nuovo progetto nel vostro software CAD (ad esempio, FILE > NUOVO PROGETTO). La funzione di un circuito stampato è quella di servire e supportare i componenti elettronici, tenendoli saldamente in posizione e garantendo che funzionino come previsto. Pertanto, prima di procedere con il layout formale, è essenziale considerare attentamente la selezione dei componenti. Questa fase svolge un ruolo cruciale nel garantire il funzionamento complessivo, le prestazioni e la producibilità del circuito.

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   • Funzionalità: Selezionare prioritariamente i componenti che soddisfano le funzionalità richieste per il circuito.
   • Ingombro e confezione: Verificare che i footprint e i package dei componenti siano compatibili con il layout della scheda.
   • Disponibilità e costi: Scegliere componenti facilmente reperibili sul mercato per evitare potenziali ritardi di produzione e rispettare i vincoli di budget.

   Una volta posizionati tutti i componenti richiesti uno per uno sul foglio schematico, assicurandosi che ogni componente selezionato abbia un ingombro corrispondente disponibile nella libreria, si procede con il cablaggio. Utilizzando lo strumento di cablaggio del software, si collegano tutti i componenti con i fili appropriati. Si posiziona anche la messa a terra (GND) collegando tutti i simboli di terra con il filo. Premere ctrl+s per salvare tutte le modifiche prima di passare alla fase successiva.

2. Fase 2: Layout del PCB

   Una volta completata la progettazione schematica, il passo successivo è quello di convertirla nel layout del PCB. A tale scopo, fate clic sul simbolo PCB o sull'opzione corrispondente nel vostro software. A questo punto, è possibile procedere con le impostazioni predefinite oppure personalizzare le impostazioni in base alle proprie esigenze specifiche. La personalizzazione consente di definire parametri quali le dimensioni della scheda, l'impilamento dei livelli (per PCB multistrato), la larghezza e la spaziatura delle tracce, gli stili di passaggio e altre regole di progettazione (DRC - Design Rule Check).

   Per iniziare il layout del circuito PCB, è necessario posizionare i componenti sulla scheda. Organizzate i componenti in modo logico, tenendo conto del flusso del segnale e riducendo al minimo la lunghezza delle tracce. A tal fine, è possibile utilizzare il drag and drop per posizionare i componenti e poi fissarli sulla scheda.

   How to Design your own PCB [ SPRINT LAYOUT TUTORIAL ]

3. Fase 3: Instradamento delle Tracce (Routing)

   Iniziare a tracciare i collegamenti tra i componenti. Questo comporta il disegno di tracce per stabilire le connessioni elettriche. Mantenere le tracce il più corte possibile per ridurre le interferenze e i disturbi del segnale. Utilizzare tracce di larghezza adeguata per le diverse correnti per evitare il surriscaldamento. Per misurare la larghezza della traccia si può anche utilizzare una calcolatrice online, fornendo lo spessore del PCB e la corrente stimata. Normalmente per le tracce di segnale si usa una traccia di 1 mm e per la corrente di potenza si aumenta la larghezza della traccia in base al valore della corrente.

   Per un PCB a due strati, si può iniziare con lo strato inferiore (solitamente blu nel software) e poi passare allo strato superiore (rosso) per collegare i componenti e completare l'instradamento.

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4. Fase 4: Piani di Massa e di Alimentazione

   È sempre conveniente dotare il PCB del cosiddetto “piano di massa” che, oltre ad unire tutti i punti di massa del circuito senza necessità di disegnare le relative piste, riempirà tutti gli spazi vuoti del PCB. Questa cosa sarà utilissima ai fini dell’incisione con la fresatrice, altrimenti ci complicheremmo la vita dovendo eliminare tutto il rame in eccesso, prolungando i tempi di incisione a dismisura. Aggiungere un piano di massa e piani di alimentazione contribuisce a migliorare la messa a terra e la distribuzione dell'alimentazione, riducendo il rumore e garantendo la stabilità. Collegare i pin di terra dei componenti al piano di terra e fare lo stesso per i collegamenti di alimentazione.

5. Fase 5: Verifica del Progetto (DRC - Design Rule Check)

   Eseguire una revisione completa del progetto del layout del PCB per verificare che tutte le connessioni siano corrette e conformi allo schema. Eseguire il Design Rule Check (DRC) per individuare eventuali errori. Nel vostro software, cercate l'opzione "CHECK DRC". Nella tabella a sinistra è possibile trovare l'eventuale errore della regola DRC. Se esiste, è necessario risolverlo prima di procedere. I parametri sui quali bisogna agire fondamentalmente sono le dimensioni minime delle piste di collegamento, pad (piazzole di saldatura dei reofori dei componenti) e vias (punti di comunicazione tra faccia superiore ed inferiore del PCB) e le distanze tra queste componenti e tra di esse ed il piano di massa, ossia tutto il rame adiacente che copre gli spazi rimanenti del PCB e che è collegato a massa. Il valore di 0,2 mm coincide con le dimensioni della punta del bulino che abbiamo usato con la nostra CNC, quindi una sola passata sarà sufficiente a rimuovere il rame in eccesso dalla piastra ramata, durante l’incisione. Utilizzando un valore troppo piccolo di larghezza delle piste, si corre il rischio che una sbavatura del taglio del bulino possa generare piste estremamente sottili o anche interrotte. Per i pad, questi valori sono settabili separatamente per le superfici superiore (Top), inferiore (Bottom) ed interna (Inner) della piastra ramata.

6. Fase 6: Esportazione dei File Gerber

   Una volta completati la progettazione e il layout del circuito stampato, è necessario generare i file Gerber. Un file Gerber è un file che contiene tutte le informazioni che servono per la produzione di un PCB. Si tratta di uno standard de facto che delinea immagini binarie in 2D utilizzando un formato vettoriale ASCII aperto. Per generare il file Gerber, fare clic su "fabbricazione" > "File di fabbricazione PCB (Gerber)". Dopo aver fatto clic, verrà richiesto di controllare nuovamente l'errore DRC. Fare clic su SÌ e controllare DRC, quindi generare un file Gerber. Il file viene scaricato automaticamente in formato zip.

Preparazione per la Fresatura CNC con FlatCAM

Dopo aver generato i file Gerber dal vostro software di progettazione (come Sprint-Layout), il passo successivo per la realizzazione con fresatrice CNC è l'utilizzo di un software CAM (Computer-Aided Manufacturing) come FlatCAM. Questo programma permette di trasformare i file Gerber in codice G-code, ovvero le istruzioni che la fresatrice CNC eseguirà.

Generazione dei File G-code per l'Incisione

Il processo di generazione del G-code per l'incisione del rame prevede diversi passaggi cruciali in FlatCAM:

1. Caricamento del file Gerber: Eseguire il comando "File - Open Gerber…" e aprire il file Gerber relativo al lato rame della vostra PCB.

2. Inversione a Specchio (Mirror): Poiché il disegno del PCB è sempre realizzato dal lato dei componenti, così com’è l’incisione risulterebbe rovesciata. Quindi, è fondamentale effettuare l’inversione a specchio (mirror). Occorre eseguire il comando “Tool - Double-Sided PCB Tool” e impostare i parametri per il mirroring.

3. Impostazione dei Parametri di Incisione:

   • DRU (Design Rule Unit): Il DRU che abbiamo usato noi prevede una distanza tra le piste, o tra le piste ed il piano di massa, di 8 mils (circa 0,2 mm). Quindi occorre scegliere un bulino con diametro uguale o sottomultiplo di tale valore; sono disponibili bulini da 0,1 mm e 0,2 mm. Un valore di 0,2 mm per il bulino consente una singola passata per rimuovere il rame in eccesso.
   • Width (Larghezza): Serve per aumentare l’isolamento delle piste. Si imposta a 1 (singola passata) se il bulino è adeguato al DRU. Se si imposta un numero di passate maggiore, FlatCAM crea un file GRBL per ogni passata, e il bulino viene spostato di una frazione pari al valore dato al campo "Pass overlap".
   • Spindle Speed (Velocità Mandrino): Questo valore serve per la gestione del segnale PWM generato dal controller della CNC. Ad esempio, a 36 V un mandrino può raggiungere 9000 RPM. Se il controller usa una semplice commutazione a relè, questo campo può essere ignorato.
   • Feed Rate (Velocità Avanzamento): Velocità con cui la fresa si muove lungo il percorso.
   • Depth of Cut (Profondità di Taglio): La profondità a cui il bulino incide il rame.

   Dopo aver cliccato su “Generate Geometry”, apparirà una linea rossa all’interno delle tracce di isolamento, ad indicare che una sola passata sarà sufficiente per eliminare il rame in eccesso. Cliccando su “Generate”, le linee rosse saranno sostituite da linee blu che copriranno esattamente tutto lo spazio di isolamento, permettendo di controllare quanto rame sarà eliminato. Inoltre, si vedrà una complessa serie di linee semi-trasparenti che rappresenteranno il percorso che farà il bulino durante l'operazione della CNC.

Generazione dei File G-code per la Foratura

La foratura è un'altra fase essenziale che richiede la generazione di G-code specifico:

1. Caricamento del file Excellon: Eseguire il comando “File - Open Excellon…” e aprire il file "drill_1_16.xln", presente nella cartella “CAMOutputs/DrillFiles” o l'equivalente generato dal vostro software CAD. Se in precedenza avete eseguito il mirror del PCB per l'incisione, vedrete che i fori (rappresentati da cerchietti rossi) non combaceranno con i sottostanti pad o vias. Cliccare su “Mirror Object”, istantaneamente i fori risulteranno perfettamente centrati rispetto ai sottostanti pad e vias.

2. Definizione degli Utensili (Tools): Controllare l’ordine dei diametri delle frese, che deve essere crescente. Cliccare su “Generate”, e tutti i fori saranno numerati in base alla sequenza di foratura. Se ciò non dovesse verificarsi, totalmente o solo per alcuni fori, significa che non sono stati selezionati correttamente gli ID dei tools.

3. Salvataggio del Progetto: È importante salvare il progetto FlatCAM, magari nella stessa cartella dei file grbl, in modo da poterlo riaprire per effettuare rapide modifiche a qualche parametro, senza dover rifare tutti i passaggi visti finora. Il comando da usare è “File - Save Project As …”, fornendo percorso e nome.

Fasi Finali: Produzione, Stagnatura e Test

Una volta generati i file G-code, la fresatrice CNC può procedere alla realizzazione fisica del PCB. Dopo l'incisione e la foratura, ci sono alcune fasi aggiuntive per completare il circuito.

Stagnatura delle Piste

Dopo aver ottenuto un circuito stampato, è necessario asportare tutta la vernice protettiva residua (se usata) con un solvente tipo acetone. Acquistando un prodotto chimico chiamato stagno liquido, si può immergere la basetta in una vaschetta con la soluzione e dopo circa 30 minuti uno strato di stagno si depositerà sul rame. Questa operazione rende facile le saldature ed evita l’ossidazione del rame.

Un metodo più semplice per depositare lo stagno sul rame, disponendo di una basetta ramata non vergine, è quello di sgrassare la stessa ed eventualmente carteggiare con carta abrasiva tipo 1000 o utilizzando un prodotto chiamato Sidol. Con l’ausilio di un alimentatore regolabile, impostate la tensione a circa 2 o 3 Volt. Preparate in un bicchiere una soluzione di aceto bianco con circa un cucchiaino di sale, mescolate la soluzione. Preparate un pannetto con all’interno dello stagno senza piombo, collegate lo stagno al positivo dell’alimentatore ed il negativo alla basetta, poi immergete il panno nella soluzione aceto-sale e passatela sul rame. Vedrete che lo stagno si trasforma in cloruro stannoso riducendo il rame in stagno. Strofinate fino a ricoprire tutta la superficie ramata, lavate in acqua fredda e sapone delicato, asciugate la basetta e applicate uno strato di dry-film e procedete con tutte le fasi necessarie.

Argentare le Piazzole e Serigrafia

Con un dry film (pellicola fotosensibile) si può applicare uno strato protettivo al circuito, lasciando esposte solo le parti delle saldature. Con l’acquisto di un prodotto chiamato argento liquido, versatene una piccola quantità sulla scheda, frizionando prima in modo rettilineo e poi circolare, andrete ad argentare le piazzole, sempre per rendere la brasatura più fluida e migliorarne la conducibilità.

Le serigrafie, pur non essendo realizzate con una vera e propria tecnica serigrafica in questo contesto, possono essere simulate. Utilizzando la tecnica per il solder mask, applicando il dry-film sulla superficie non conduttiva, con un master dedicato si possono applicare le grafiche al vostro circuito.

Assemblaggio e Test

Se il progetto include componenti a montaggio superficiale (Componenti SMD), è necessario considerare il processo di assemblaggio dei PCB. L'assemblaggio di PCB è il processo di produzione che consiste nel saldare i componenti elettronici sul PCB per creare un circuito elettronico completamente funzionale. Una volta ricevuto il PCBA prodotto, eseguire un test funzionale completo per verificare che tutto funzioni come previsto.

Ricordate che la progettazione di PCB è un'abilità che migliora con la pratica. Siate pazienti e non esitate a chiedere consiglio a progettisti esperti o a risorse online mentre imparate. Una scheda PCB ben progettata non solo migliora l'efficienza del circuito, ma riduce anche le interferenze elettromagnetiche, garantisce l'integrità del segnale e facilita la manutenzione e gli aggiornamenti futuri.

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