La Réalisation D'un Circuit Intégré [PDF]

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CHAPITRE III

La réalisation d’un circuit imprimé

A. Introduction :

Le circuit imprimé est le support de tout montage électronique .Il assure la fixation et la connexion électrique entre les divers composants. Le câblage imprimé est une association de composants passifs ou actifs sur une plaque isolante (en général du verre époxy). Les interconnections sont obtenues par gravure de pistes de cuivre sur la plaque isolante. On obtient ainsi la possibilité de reproduire rigoureusement l'objet technique en

série. Sa mise au point et sa

maintenance sera facilité. La réalisation d'un circuit imprimé passe par différentes étapes : ETAPE 1 : étude du schéma structurel et de la nomenclature (côtes mécaniques,....) ETAPE 2 : Implantation des composants sur la plaque; élaboration du typon ETAPE 3 : Insolation de la plaque à l'aide du typon. ETAPE 4 : Révélation, gravure et perçage de la plaque. ETAPE 5 : Implantation et soudage des composants. LA RÉALISATION D’UN CIRCUIT IMPRIMÉ

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B. L’élaboration d’un typon : Un typon est une image du circuit imprimé. Les pistes sont en noir et le reste doit être transparent à la lumière. Pour concevoir un typon il vous faut un logiciel. Sous Windows il n'existe pas de logiciel gratuits, mais cependant il existe de nombreux sharewares. (Exemple : le logiciel ARES Lite téléchargeables sur le site http://www.mutipower-fr.com/). Certains logiciel permettent de passer directement du schéma au typon. (Ce n'est pas le cas d'ARES dans sa version limitée). Méthode : a)

Déterminer les dimensions des composants et de la plaque de C.I.

b)

Effectuer une recherche d'implantation au brouillon à l'échelle 1.

c)

Elaboration de la face cuivre : pose des pastilles, des pistes, du repère

de fabrication et des coins fixant la limite de la plaque. d)

Elaboration de la face composant : représenter le contour de la

plaque, les fixations mécaniques, les composants et les pattes à l'échelle 1. e)

Repérage des composants (repère , polarité) et des entrées sorties du

C.I. f)

Effectuer une vérification des pistes et des polarités des composants.

Conseils pratiques : Le typon est un document de fabrication, le plus grand soin doit être apporté à sa réalisation. Face composant : • Placer en priorité les composants encombrants ou avec un grand nombre de broches. • Les composants nécessitant un réglage ultérieur doivent être accessibles. • Les composants doivent être // aux bords de la carte et plaqué sur le C.I. • Si possible, Orienter les repères des composants dans le même sens. • La répartition doit être homogène et l'insertion aisée.

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• Respecter impérativement : les dimensions, l'entraxe et le brochage des composants. • Les repères et les polarités des composants doivent être indiqués.

Face cuivre : • Laisser une marge de 5.08 mm libre de toutes pistes en bordure de carte. • Laisser entres pistes et/ou pastilles un intervalle d'isolement de 1mm minimum, prévoir plus pour les tensions élevées ( Réseau 220V). • Les pistes doivent être // au bords de carte ( sauf pour les courtes distances). • Les pastilles d'entrées sorties et alimentations doivent être placées en bord de carte. • Pour les alimentations prévoir des pistes assez larges ( forts courants). • Prévoir des trous de fixation d'un diamètre correct aux angles de la carte. • Les dimensions de la carte sont définies à l'aide des repères d'angle. • Les pistes doivent être le plus court possible, pour cela le placement des composants doit être optimal. • Eviter les straps (sauf dans le cas d'une simplification importante). • Un strap doit être câblé et repéré comme un composant.

L’impression : Deux méthodes Impression sur transparent avec une imprimante jet d'encre : Il faut acheter des transparents pour imprimante jet d'encre. Votre imprimante doit pouvoir imprimer au moins en 720dpi. Configurez votre imprimante au maximum de ses capacités (impression sur papier photo ou glacé) Surtout ne mettez pas impression sur transparent (ce n'est vraiment pas noir). Si besoin, vous pouvez superposer plusieurs transparents. Si vous voyez apparaître des bandes sur le typon, il y a de fortes chances que cela vienne du transparent (mauvaise qualité). Pour remédier à ce problème, vous pouvez imprimer un typon dans un sens, et un deuxième en le faisant tourner d'un

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quart de tour (les bandes restant dans le même sens). Superposez ensuite les typons. Attention n'essayez pas d'imprimer sur calque, ça ne marchera pas (ça bave). Impression sur papier calque avec une imprimante laser : Cette méthode donne également de bons résultats, le problème c'est que tout le monde n'a pas d'imprimante laser ! Pour pouvoir centrer vos plaques plus facilement sur le typon, mettez des petites croix dans les angles à l'aide de pistes très fines. Faut il que l'encre soit du coté du circuit ou du coté de l'insoleuse ? En théorie, il vaut mieux que l'encre soit du coté du circuit (moins de diffraction). Cependant on a constaté que l'encre réagissait avec le vernis du circuit. On imprime donc pour que l'encre soit du coté de l'insoleuse. Le mieux est de faire des essais.

C. Fabrication du circuit imprimé :

Plaques présensibilisées : Les plaques de circuit imprimé classiques sont disponibles en bakélite ou en verre époxy, sur lequel on a collé à chaud une feuille de cuivre de 35microns d'épaisseur en simple ou en double face. Le cuivre est recouvert d'une couche photosensible positive ou négative qui va permettre de reporter l'image du typon. La couche photosensible est colorée pour permettre la visualisation du circuit après révélation, elle est protégée par un film adhésif opaque.

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Bakélite ou Epoxy ? La bakélite est très utilisé dans l'industrie électronique grand public en raison de son prix très inférieur à celui de l'époxy mais il est beaucoup moins résistant dans le temps et les pistes en cuivre finissent par ce décoller avec la chaleur dégagé par certains composants. Ce n'est jamais que du carton mélangé à de la colle puis compacté, on l'appelle aussi papier phénolique. Le plus simple à trouver et le plus performant reste le verre époxy, il est vendu sous forme de plaque simple face ou double face de formats différents suivant la grandeur des circuits à réaliser. Voici quelques dimensions : 75 X 100 mm 160 X100 mm 150 X 200 mm 200 X 300 mm 300 X 600 mm L' épaisseur standard est de 15/10e mm ou 16/10e mm soit 1,5 à 1,6 mm mais ont peut trouver du 0,75mm et du 3mm pour des montages spéciaux. La découpe de la plaquette : Après avoir conçu le typon, il vous faudra découper la plaquette d'époxy aux bonnes dimensions. Pour cela, utilisez une scie à métaux. Il faut découper la plaque d'époxy du côté ou il y a l'autocollant, c'est à dire qu'il faudra tracer les repères de sur celui-ci et que l'on devra le voir pendant le sciage.

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Ne pas oublier de tenir compte de l'épaisseur de la lame de scie. Une foi la découpe achevée, il faut absolument chanfreiner (=limer) les bords de la plaquette, sinon elle ne pourra pas être plaquée correctement contre la vitre de l'insoleuse et l'insolation donnera de mauvais résultats.

L’insolation :

L'insolation aux ultraviolets modifie la structure de la couche photosensible : L'exposition aux UV change la composition de la résine photosensible et sera enlevé après avec le révélateur donc si une piste se trouve sur le calque, la résine est préservé de la lumière et donc va ensuite rester. (Détruire les zones non protégées de la lumière (en positif). Cuire les zones protégées de la lumière (en négatif)). L'insoleuse crée un vide permettant d'obtenir un contact parfait entre le film et la couche photosensible. Remarque :

On évitera de travailler en plein soleil ou avec un éclairage démesuré.

Insoleuse

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Kit d’insoleuse Méthode : a)

Retirer la pellicule protectrice noire (éviter ensuite de manipuler trop

longtemps les plaques à la lumière du jour). b)

Placer la plaque photosensible au contact du typon (attention à ne pas

insoler à l'envers).il vous faudra donc positionner correctement le typon et la plaquette dans l'insoleuse. Deux cas de figure se présentent alors : CAS 1:

Le typon et le schéma d'implantation sont superposables, il ne sont pas inversés l'un par rapport à l'autre ; Placer le typon sur la vitre de l'insoleuse, face non imprimée contre la vitre, puis placer sur le typon la plaquette, face présensibilisée

(côté

autocollant) contre le typon.

CAS 2:

Le typon et le schéma d'implantation sont inversés l'un par rapport à l'autre, comme un objet et son image dans un miroir, on ne peut pas les superposer (typons publiés dans "Electronique Pratique") ; Placer le typon sur la vitre de l'insoleuse, face imprimée contre la vitre, puis placer sur le typon la plaquette, présensibilisée

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face (côté

autocollant) PAGE contre 7 SUR 19 le typon.

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Mauvais car les rayons peuvent passer au travers du calque et les pistes fines seront détruites.

c) Fermer l'appareil et mettre en route : la pompe à vide se met en marche, attendre alors que le vide soit fait (surveiller le cadran de la pression). d) Afficher la durée d'exposition (2mn 30s): les tubes ultraviolets s'allument. Lorsque la minuterie revient à zéro, l'insolation est terminée : e) Arrêter l'insoleuse, supprimer le vide en appuyant sur le bouton adéquat. f) Ouvrir l'insoleuse, retirer plaque et typon et refermer aussitôt pour éviter les poussières. La plaque est prête à être révélée. Le circuit doit se voir (la couche photosensible avait été modifiée par l'action des UV).

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La révélation… Tout un mystère… :

Le révélateur pour plaques positives utilisé est une solution alcaline, éviter les projections dans les yeux. Le but du révélateur est de faire partir les zones ou la résine à été exposé par les UV. a) Tremper la plaque insolée dans le révélateur et agiter légèrement jusqu'à apparition complète du dessin et de l'éclat métallique du cuivre. Un léger frottement permet de gagner du temps mais il ne faut pas rayer la plaque. Attention, il ne faut plus qu'il reste du vernis à l'endroit où il n'y a pas de piste, même pas un petit peu, sinon la gravure se passera mal. b) Rincer abondamment à l'eau courante. c) Le séchage n'est pas nécessaire avant la gravure. Le révélateur est généralement fourni dans un sachet de 30gr, il suffit de le mettre dans une bouteille de 1 litre d' eau tiède et de mélanger pour dissoudre les cristaux. ATTENTION CE PRODUIT EST CORROSIF, il contient de la soude, UTILISEZ DES GANTS, et attention aux vêtements. NE PAS UTILISER DES BOUTEILLES DE BOISSONS ! Mettre ensuite un à deux centimètres de révélateur dans un bac plastique.

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Il est bien de faire des tests avec des chutes de plaques avant de réaliser un grand circuit.

Le mieux reste le révélateur. Mais on le trouve uniquement dans les magasins d'électronique. Cependant on peut utiliser de la lessive de soude (s'achète dans certaines grandes surfaces, pas au rayon des lessives, mais là où il y a l'alcool à brûler, ...). Ca reste assez délicat, mais ça marche. Pour cela, mélangez dans un petit bac: 250mL d'eau et environ 6mL de lessive de soude à 33% (voir la photo ci contre).

La gravure : fini le perchlorure de fer !

La machine à graver contient du perchlorure de fer. Il s'agit d'un acide qui attaque le cuivre mais aussi l'or, l'argent etc... Il est préférable de retirer montres, bracelets et autres bagues avant cette opération. L'emploi d'une blouse et de gants est recommandé pour éviter les projections d'acide dont les taches sont difficiles à nettoyer. a) Placer le circuit dans la graveuse (cuivre en haut), fermer le couvercle et afficher le temps de gravure (8 à 25mn) avant de mettre en route. La température du perchlorure de Fer doit être comprise entre 30 et 45C°. Alors, surveillez la plaquette régulièrement. La gravure est finie quand tout le cuivre qui n'est pas recouvert de résine (il a été découvert pendant la révélation) est rongé. Rincez alors la plaquette dans le troisième bac rempli d'eau b) La gravure terminée, égoutter le circuit et le sortir.

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c) Rincer abondamment à l'eau courante. d) Utiliser une éponge pour nettoyer la graveuse et refermer le couvercle. e) Lorsque le circuit est terminé, la couche photosensible restante protège le circuit de l'oxydation. Avant le perçage et la soudure, elle devra être retirée à l'acétone.

Graveuse Vous pouvez utiliser du perchlorure de fer, mais ça coûte relativement cher par rapport à la solution ci dessous, ça ne se trouve qu'en magasin d'électronique, et surtout c'est très long ! (30 minutes minimum dans un bac) Détachant pour nettoyer vos bac, lavabo et vêtements

Une autre solution est d'utiliser de l'acide chlorhydrique, et de l'eau oxygénée à 110 volumes. Ces produits sont très dangereux (l'eau oxygénée aussi, car elle est très concentrée. A manipuler avec précaution) Vous pourrez ainsi graver en 5 à 10 minutes! Commencez par mettre 250mL d'eau dans un petit bac en plastique.

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Ajoutez environ 8mL à 10mL d'eau oxygénée à 110 Volumes. Pour finir (à ne pas mettre avant l'eau), mettez environ 50mL d'acide chlorhydrique. L'acide chlorhydrique se trouve en grande surface. Quant à l'eau oxygénée, elle s'achète en pharmacie (sans ordonnance normalement). ATTENTION, précisez bien qu'il vous faut de l'eau oxygénée à 110 Volumes. (celle pour soigner les blessures ne convient pas puisqu'elle est environ à 10 Volumes). La bouteille de 500mL que vous voyez ci contre coûte moins de 20F

+ L’enlèvement du vernis :

Là il n'y a rien de spécial à dire, vous pouvez utiliser de l'acétone (dissolvant pour vernis à ongles ) et un chiffon. L'alcool à brûler marche aussi mais moins bien cependant c'est moins dangereux.

L’étamage ; A quoi ça sert ? Déjà ça fait plus "pro", mais surtout cela empêche l'oxydation du circuit, et cela facilite le soudage.

Non étamé

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étamé

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Mais surtout le grand avantage, c'est qu'il n'y a besoin d'aucun matériel spécial ! Juste un fer à souder, et un petit produit un peu magique ... Le produit magique en question, c'est de la pâte d'étain. On la trouve dans certaines grandes surface au rayon charpente, ou soudure de tuyaux d'eau (à Cora ou Carrefour par exemple). Ca coûte environ 40 francs. Ca peut paraître cher, mais cela dure très très longtemps. Comment procéder : Commencez par bien agiter le produit. Mettez un petit peu d'eau dans un récipient. Trempez un pinceau d'artiste dans l'eau puis très légèrement dans la pâte d'étain. Déposez le produit sur la plaque à l'aide du pinceau. Il doit être a peine visible, sinon c'est qu'il y en a trop. Vous pouvez alors passer le fer à souder sur les pistes. Elles doivent s'étamer un peu magiquement ! Attention tout de même, s'il y a trop peu de produit, vous risquez d'arracher les pistes. S'il y en a trop, cela va faire des bourrelets de soudure. Remarque : pour avoir un meilleur état de surface, vous pouvez frottez le circuit à l'aide de laine de fer.

Le perçage :

Pour percer les pastilles du CI, utilisez une mini-perceuse (la perceuse Peugeot 1200W est un peu [beaucoup] trop puissante) avec un support (indispensables pour la précision sub-millimétrique, et pour ne pas casser les forêts qui doivent arriver perpendiculairement à la surface de perçage).

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Notez que vous pouvez utiliser la mini-perceuse pour percer d'autre matériaux (alu, cuivre...) mais vous aurez besoin d'un variateur; en effet, pour usiner des surfaces plus dures que l'époxy, l'outil de coupe (le forêt) devra tourner moins vite (14000 tours/min, c'est beaucoup). Les diamètres de perçage utilisés pour percer les pastilles sont de 0,8 1,0 et 1,2 mm. Les forêts de 0,8mm sont très fragiles et c'est eux qui servent le plus, donc achetez-en plusieurs d'un coup pour en avoir d'avance. Les trous prévus pour les vis de fixations du CI ont généralement un diamètre de 3mm. Il faut percer les pastilles côté cuivre, c'est à dire que vous devez voir les pistes pendant le perçage, afin que le forêt pénètre dans une pastille d'abord du côté ou il y a le cuivre. Sinon, la précision sera médiocre et le cuivre sera arraché. Enfin, comme les mini-perceuses sont en général livrées avec des petites meules, servez-vous en pour donner la forme définitive au CI et pour corriger les petites imperfections (par exemple pour retirer le cuivre à l'endroit ou il y avait les pinces de fixation).

Le soudage :

Rien de spécial à dire, soudure 8/10 et fer à souder JBC avec panne longue durée (quasiment inusable) sont mes outils de travail. Voir les techniques du soudage

La finition :

Un circuit soudé n'est jamais très joli car le décapent contenu dans la soudure à tendance à faire des "taches" sur le circuit. Alors munissez vous de votre brosse à dents, ou plutôt d'une brosse à dents usagée, et d'acétone.

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Trempez la brosse dans l'acétone, et frottez fermement sur le circuit jusqu'a ce que tout le "vernis" parte. Si le circuit à tendance à rester collant après, il suffit de frotter le circuit avec de l'eau savonneuse !

La mise en place des composants et leur soudage :

En général, on soude les composants dans cet ordre : • Résistances et condensateurs. • Supports et connecteurs. • Semi-conducteurs (diodes, transistors). • Fils de liaisons divers. On ne place les composants destinés à être sur des supports sur ceux-ci qu'une fois toutes les opérations de soudage achevées. Pour souder un composant, procédez comme suit : Enfichez-le, côté composant (la ou il n'y a pas les pistes) conformément au schéma d'implantation ; •

Si le composant et lourd et qu'il doit être fixé à la plaquette avec des

vis, réalisez d'abord cette fixation; ceci est également valable pour les composants devant être fixés sur des dissipateurs thermiques. •

Assurez-vous que le composant ne bougera pas pendant toute la

soudure. •

Soudez ! C'est à dire:

Amenez le fer à souder au contact de la pastille et de la patte du composant ; Amenez ensuite le fil de soudure de l'autre côté, également au contact de la pastille et de la patte du composant : Dès que la soudure fondue a enrobée la pastille et la patte, retirez le fil de soudure, puis le fer à souder.

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Enfin, coupez la patte du composant au ras de la soudure avec une

pince coupante à bout pointu. Sachez qu'une bonne soudure à un aspect brillant et une forme conique. Lorsqu'un composant comporte de nombreuses pattes, laissez un temps de pose entre chaque soudure (10sec suffisent) pour ne pas trop l'échauffer.

En conclusion, ce procédé, qui peut paraître long à première vue est en fait simple, à condition de prendre son temps. Aussi, sachez qu'il est possible, avec le même matériel, de réaliser des CI double-face, mais il faut faire attention au calage entre les faces, au positionnement des typons dans l'insoleuse, à la protection de l'autre face...Bref, essayez de vous débrouiller avec du simple face.

D. Matériel nécessaire :

Pour concevoir vos CI, vous aurez évidement besoin d'un certain matériel. En voici la liste : -

Une Insoleuse avec ses tubes UV en bon état.

-

Une minuterie de précision (tolérance Max 5sec) pour l'insoleuse ou une montre.

-

Une Graveuse avec chauffage et agitation (système à bulles généralement).

-

Une Mini-Perceuse avec support et forets de diam. 1,2 1 et 0,8 mm ainsi que quelques meules. Eventuellement un variateur pour la mini-perceuse, afin de pouvoir percer des matériaux plus durs (faces avant en alu).

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Une solution de révélateur (si elle est en poudre, prévoir un flacon).

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Une paire de gants et/ou une pince pour manipuler la plaquette pendant la révélation (le révélateur est corrosif pour la peau).

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Une solution de perchlorure de fer (si elle est en poudre, prévoir aussi un flacon).

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Trois bacs en plastique, pouvant contenir les CI à fabriquer (des emballages de glace 1 litre suffisent).

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Des plaques d'expoxy présensibilisées pour gravure positive, aux dimensions des CI à fabriquer.

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De l'acétone et un chiffon pour retirer la résine après gravure.

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De l'eau pour le rinçage des plaques.

Et, bien sûr : -

Une blouse et/ou des vieux vêtements (le perchlo, ça tache un max !).

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Un plan de travail dédié avec prise de courant (une vielle table avec une rallonge "triplette" convient parfaitement).

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De quoi scier l'epoxy (scie à métaux).

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Un fer à souder.

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De la soudure.

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Des composants.

Et, surtout, des idées et des envies de réalisation ! Vous pouvez vous procurer tout ce matériel dans les magasins spécialisés (HBN, ...) et sur catalogue (CONRAD, Velleman, ...). Je vous recommande particulièrement le kit de machines "KF", de chez Conrad Electronique. Il contient tout ce qu'il faut + un lot de consommables, et ce pour seulement 800 FF. Pour une fois, bon marché ne rime pas avec mal marcher. La recharge de consommables qui contient de quoi faire 5 CI format carte postale vaut quand à elle 100 FF. Conseils relatifs au lot de machines KF : Les machines sont livrées en Kit, vous devrez donc les monter vous-même. Mais rassurez-vous, c'est simple, il suffit de bien lire les notices et de prendre son temps. Pour la graveuse, vous aurez seulement à enficher les pattes en plastique. Pour l'insoleuse, il vous faudra faire un peu de soudure. Ensuite, toutes les solutions sont livrées en poudre, vous devrez donc les préparer; prévoyez des flacons. Une remarque: les poudres sont prévues pour 1 litre de LA RÉALISATION D’UN CIRCUIT IMPRIMÉ

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révélateur et 1 litre de perchlorure. Mais la graveuse a une contenance de 1,5 litre; donc, il vous suffit alors de préparer non pas 1 litre mais 1,4 litre de perchlorure (il ne faut pas non plus faire déborder la graveuse !). NB: cette petite dilution n'a aucune influence sur le résultat final, et l'augmentation théorique du temps de gravure est dérisoire.

Un (seul) mauvais point pour les machines KF: la graveuse étant verticale, il faudra maintenir le CI au milieu de la cuve pendant la gravure. Pour cela, les machines KF sont livrées avec des pinces en plastique et des morceaux de fil de fer recouverts d'une pellicule de plastique. Ces morceaux de fil de fer laissent à désirer. Utilisez plutôt du fil émaillé de 1,5 mm² de section (le fil devra être assez rigide) ou bien du fil de fer pour grillage de jardin recouvert de plastique vert (en effet, aucune pièce faite dans un métal quelconque ne doit être en contact avec la solution de perchlorure de fer). Je vous indique par le petit dessin qui suit comment réaliser ces fixations :

Réalisez ce montage 3 fois, une pour chacune des pinces. Quand à la longueur de ce dispositif, réalisez en deux de longueur 17 cm et un de longueur 14 cm. Ainsi, de par la forme circulaire de la boucle finale, vous pouvez utiliser la pince pour tenir le CI par le haut ou par les côtés. Le schéma qui suit montre cela :

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Un dernier point important à propos des machines KF: n'allumez la résistance de chauffage de la graveuse que lorsque la solution de perchlorure est dedans. Si vous allumez la résistance avant, même pendant quelques secondes, elle deviendra très chaude; si cela arrive, laissez-la refroidir pendant un quart d'heure minimum, car si vous versez le perchlorure immédiatement après, la résistance éclatera à cause du choc thermique. Si vous suivez tout ces conseils, ainsi que ceux qui vont suivre, les machines KF vous donneront entièrement satisfaction.

Tout à l’ancienne PLAQUES EPOXY CUIVREES BRUTES

Avec une plaque ordinaire l' ont colle directement des pastilles et pistes dessus ou bien encore avec un feutre spécial ont trace puis passage dans la graveuse PLAQUES D'ESSAIS EPOXY ou VEROBOARD

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La plaque d 'essai en bandes cuivrées ou l' ont coupe les liaisons non voulu et l' ont soude les composants. La plaque d 'essai à pastilles ou l'ont soude les composants et des fils pour les liaisons.

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