Como fazer placas de circuito impresso com furos metalizados e qualidade industrial, em casa - Parte 5 – Produzindo Hipofosfito de Cálcio em Casa

Atenção: Todo o conteúdo deste artigo é destinado apenas para fins educacionais e poderá ser seguido por qualquer pessoa que seja capacitada desde que em ambientes adequados e usando todos os equipamentos de segurança necessários como respiradores, óculos de proteção, luvas, extintores, etc. Não sou químico, estou apenas descrevendo os procedimentos de domínio público que encontrei na internet e se mostraram úteis para as minhas necessidades e talvez para as de outras pessoas. Não assumo qualquer responsabilidade caso aconteça um acidente. Faça por sua conta e risco. Se você não aceitar essas condições, saia imediatamente desta página.

Equação balanceada de hipofosfito de cálcio  e sulfato de cobre produzindo sulfato de cálcio e hipofosfito de cobre:

 (Ca(H2PO2)2) + CuSO4*5H2O = CaSO4 + (Cu(H2PO2)2) + 5H2O

Como explicado anteriormente em outro post, a base da solução ativadora é o hipofosfito de cobre, que dificilmente é encontrado no mercado, então precisamos de hipofosfito de cálcio que reagirá com o sulfato de cobre e a reação produzirá hipofosfito de cobre e sulfato de cálcio. Poderíamos usar o hipofosfito de sódio diretamente que é bem mais comum no mercado e custa bem menos, porém existe um problema em usar este reagente. O sulfato de sódio proveniente da reação anterior é bem mais solúvel em água (154g/L) que o sulfato de cálcio (apenas 2,4g/L), por este motivo, o uso do hipofosfito de cálcio é intensional. Após a reação podemos remover o sulfato de cálcio quase por completo da solução sem que ela interfira no processo de ativação do furo, feito por pirólise.

Como o hipofosfito de cálcio tem um custo alto (100g custa em média R$ 350,00), vou mostrar aqui como produzir você mesmo o hipofosfito de cálcio a partir de hipofosfito de sódio monohidratado, cloreto de cálcio dihidratado e álcool. O álcool usado deve ser o Metanol e deve ser anidro, ou seja, sem a adição de água. Etanol de posto não serve! Eu fiz vários testes com diversos tipos de álcool etílico e nenhum funcionou. O Metanol não precisa ser PA, pode ser o comercial que já tem pureza de 99,8%. Água só destilada, deionizada ou desmineralizada.

Vamos lá... primeiro vamos nos familiarizar com alguns reagentes:

Reagente	Fórmula	Massa Molar	Solubilidade em Água a 20C
Água Destilada	H2O	18,015 g/mol	-
Metanol	CH3OH	34,04 g/mol	-
Hipofosfito de Cálcio	(Ca(H2PO2)2)	170,06 g/mol	167 g/L
Hipofosfito de Sódio Monohidratado	NaH2PO2*H2O	105,99 g/mol	1000 g/L
Cloreto de Cálcio Dihidratado	CaCl2*2H2O	147,02 g/mol	1000 g/L (Soluvel em Álcool)
Cloreto de Sódio	NaCl	58,44 g/mol	359 g/L

Equação balanceada da reação entre o hipofosfito de sódio e o cloreto de cálcio produzindo hipofosfito de cálcio e cloreto de sódio + água.

2 NaH2PO2*H2O + CaCl2*2H2O = (Ca(H2PO2)2) + 2 NaCl + 4 H2O

Então para que esta reação aconteça por completo precisamos ter a seguinte proporção dos reagentes:

(2 * 105,99g) + 147,02g = 170,06g  + (2* 58,44g) + (4*18,015)

Ou seja, para cada dois moles de hipofosfito de sódio precisamos de um mole de cloreto de cálcio. Como resultado da reação teremos um mole de hipofosfito de cálcio, dois moles de cloreto de sódio e quatro moles de água. Note que se somarmos a massa dos reagentes e do produto, o resultado será igual: 

(2*105,99) + 147,02 = 170,06 + (2*58,44) + (4*18,015). 

211,98 + 147,02 = 170,06 + 116,88 + 72,06

359 =  359

Para que a reação aconteça temos que dissolver os reagentes em algum tipo de solvente, e no caso o solvente usado será uma solução de 95% em volume de metanol e 5% de água. Esta escolha foi proposital pois o produto da reação quase não é solúvel em alcool, e o  pouco de água que existe na solução servirá para lavar o sal retirando todo o cloreto de sódio da solução com uma pequena perda de hipofosfito de cálcio. 

A seguir está a lista de reagentes que será usada para a produção de aprox. 10g de hipofosfito de cálcio. Para produzir mais, basta aumentar os reagentes proporcionalmente. As medidas abaixo são exatas, mas para a nossa finalidade não fará diferença usar 18g ao invés de 18,32g. A quantidade correta será útil no caso de se fazer grandes quantidades, ex... as quantidades abaixo são para fazer 10g, logo para 100g basta multiplicar os valores por 10, então usaríamos 183g de hipofosfito de sódio e 127g de cloreto de cálcio.

Água destilada...........................................:   50,5 ml

Metanol.....................................................: 948,0 ml

Hipofosfito de Sódio Monohidratado.........:   18,32 g

Cloreto de Cálcio Dihidratado...................:   12,71 g

1 - Em um recipiente limpo, adicione 18,5 ml de água destilada.

2 - Adicione 18g de hipofosfito de sódio e mexa até que ele se dissolva por completo.

3 - Adicione 300ml de Metanol e misture bem. 

4 - Reserve a solução e prepare outro recipiente limpo.

A próxima solução usada é a base de cloreto de cálcio e metanol. A reação química do cloreto de cálcio quando dissolvido em água ou álcool tem efeito exotérmico, ou seja, produz calor. Como o solvente usado será o metanol, faça a operação com cautela, coloque o cloreto de cálcio aos poucos e faça em local ventilado monitorando sempre a temperatura. Cuidado !

5 - Em um recipiente limpo, adicione 48ml de metanol.

6 - Adicione aos poucos 12g de cloreto de cálcio dihidratado mexendo sem parar. (monitore a temperatura)

7 - Mexa até que o cloreto de cálcio seja completamente dissolvido no metanol.

8 - Pegue a solução feita anteriormente com hipofosfito de sódio e mexendo sem parar, vá adicionando lentamente a solução de cloreto de cálcio. 

No momento em que a solução de cloreto de cálcio é adicionada, o hipofosfito de cálcio será precipitado o que tornará a solução leitosa. Quando toda a solução de cloreto de cálcio tiver sido adicionada, continue mexendo por mais cinco minutos.

9 - Você agora tem uma escolha a fazer. Você pode deixar a solução em repouso por 30 min para ela decantar, ou então você pode passar toda a solução através de um coador com filtro de papel. A decantação é indicada quando se produz uma grande de hipofosfito de cálcio, pois a filtragem é lenta e a grande quantidade de solução a torna inviável.

10 - Retire todo o material que ficou no filtro e coloque em um recipiente limpo. Este será uma pasta branca.

11 - Em um recipiente limpo adicione 600ml de metanol e 32ml de água destilada e misture bem.

12 - Adicione a solução de água e metanol na pasta retirada do filtro ou da decantação e mexa bem durante cinco minutos. A lavagem é muito importante para remover o cloreto de sódio, por isso mexa bem.

13 - Novamente você pode deixar decantar ou passar pelo filtro.

14 - Retire a pasta que ficou no filtro ou na decantação e coloque em um refratário para a secagem. Eu costumo secar em forno elétrico a 60C. Jamais use um forno a gás pois os vapores de metanol vão transformar seu forno em uma bomba.

15 - Depois de seco, use um gral com pistilo e amasse até que vire um pó bem fino. Você pode usar uma peneira para ajudar a separar os grãos finos.

O hipofosfito de cálcio para a solução ativadora está pronto! Espero ter ajudado com mais este tutorial! Não deixe de comentar, e sugestões são sempre bem vindas!

Como fazer placas de circuito impresso com furos metalizados e qualidade industrial, em casa - Parte 4 – Solução para a eletrodeposição de cobre

recipiente para eletrodeposição de metal (galvanoplastia)

Nos últimos posts mostrei como preparar e usar a solução para ativar as paredes dos furos e torná-las condutoras. Neste post vou mostrar como preparar e usar a solução para eletrodeposição de cobre na placa com a parede dos furos já ativos.

Existem várias formulações para esta solução que podem ser encontradas na internet, esta que vou postar é uma delas, e foi a solução com o qual eu  eu obtive melhores resultados. A solução é praticamente composta por água destilada, ácido sulfúrico, e o sulfato do metal desejado para a deposição. As indústrias geralmente protegem suas formulas a sete chaves, pois dizem que é aí que está o segredo para uma eletrodeposição perfeita. Alguns usam até gelatina na formula como um agente regulador para deixar a deposição mais uniforme, outros usam  polietilenoglicol, ai vai de cada um... vou postar a composição da solução que estou usando atualmente mas fique a vontade para experimentar outras e é claro compartilhar.

- Água destilada – 1000ml

- Sulfato de cobre – 106g

- Ácido Sulfúrico a 33% - 428ml (solução pronta para baterias)

- Ácido Clorídrico a 10% - 2ml

- Polietilenoglicol  (PEG-1500) – 2g

- Propilenoglicol – 2ml

Adicione primeiro a água e o sulfato de cobre. Certifique-se de que ele foi completamente dissolvido na água e então adicione o restante dos componentes seguindo a ordem da lista.

Instale todos os suportes no recipiente juntamente com os eletrodos e coloque a placa no banho lembrando de ligar o polo positivo nos eletrodos de cobre e o negativo na placa de circuito.

Use uma fonte ajustável e com capacidade de pelo menos 5A pois a solução ácida age como se o polo positivo tivesse ligado diretamente ao polo negativo (curto-circuito). Ligue a fonte com a tensão mínima e vá subindo gradativamente. Se a corrente for muito alta a eletrodeposição se tornará áspera e escura. Tente fazer com que todo o processo de deposição dure cerca de 60min para que seja o mais suave e uniforme possível.

Como fazer placas de circuito impresso com furos metalizados e qualidade industrial, em casa - Continuação Parte 3 – Metalizando os furos da PCI

Este post é uma continuação do post anterior e mostra um vídeo com todos os procedimentos para ativar e metalizar os furos de uma placa de circuito. Neste método é usado uma solução baseada em hipofosfito de cobre para tornar a parede dos furos condutora e uma solução a base de sulfato de cobre para a eletrodeposição de cobre. 

Como fazer placas de circuito impresso com furos metalizados e qualidade industrial, em casa - Parte 3 – Metalizando os furos da PCI

pci com os furos já metalizados com cobre

pci que passou por eletrodeposicao de cobre

e posterior eletrodeposição de estanho 

placas que passaram por eletrodeposição de cobre e estanho

placas para teste furadas e cortadas com cnc

No último post falei que iria postar como fazer o hipofosfito de cálcio a partir de outros reagentes mais em conta, porém achei melhor primeiro postar uma demonstração de todo o processo de metalização dos furos de uma PCB usando a solução descrita no post anterior.

Para fazer a demonstração eu usarei uma pequena placa dupla face em fibra de vidro que tem oito fileiras com medidas diferentes e com quatro furos em cada uma delas totalizando 32 furos. Além dos 32 furos existem mais dois furos superiores usados para os ganchos do banho galvânico. Os diâmetros são em milímetros: 0.8mm, 0.5mm, 1.2mm, 1.5mm, 2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm e foram feitam em minha CNC. A razão das duas primeiras fileiras de furos estarem com medidas em ordem decrescente é porque no dia eu troquei as brocas por engano.

Instruções para uso da solução:

1 – Pegue o frasco com a solução ativadora, agite bem e deixe descansar enquanto você prepara a placa.

2 – Enquanto isso aqueça o forno e mantenha  a 125C. É altamente recomendado o uso de um termômetro para manter a fidelidade.

3 – Esfregue as faces da PCI com palha de aço tipo Bombril e enxague muito bem com água. Após o enxague aconselho usar algum detergente abrasivo tipo CIF e uma esponja de louças com o lado verde voltado para a placa. Enxague muito bem e certifique-se de que nenhum resíduo ficou nos furos. O ideal é fazer todo este processo usando luvas de látex para evitar o contato direto da pele com a placa a acabar deixando algum resíduo de gordura.

4 – Seque muito bem a placa com papel toalha e deixe a placa sob uma folha de papel toalha enquanto prepara a solução.

5 – Em um recipiente onde caiba a placa na horizontal, despeje cuidadosamente a solução ativadora de forma que não forme bolhas na superfície. O nível da solução em relação ao fundo do recipiente deverá ser de aproximadamente 10mm. Caso haja bolhas, tente agrupá-las usando um bastão de vidro ou um palito de madeira e arrastá-las para a borda do recipiente, longe do local onde a placa será mergulhada.

6 – Segure a placa na horizontal usando uma luva de látex e com o mínimo de pontos de contato possível mergulhe cuidadosamente a placa na solução e afunde cerca de 5mm. Logo após retire a placa cuidadosamente e ainda mantendo na horizontal logo acima da solução, verifique se existem bolhas em algum furo. Caso exista, mergulhe-a novamente na solução. Você não deve deixar a placa por muito tempo em contato com a solução pois ela começará a oxidar a placa. Depois de verificar os furos, coloque a placa na vertical e apenas encoste uma das laterais na solução para escorrer o excesso no recipiente. Todos os furos devem  estar preenchidos com a solução.

7 – Coloque a placa em um prato ou algum outro local onde ela possa ficar levemente inclinada e de preferência sem manter contato entre os furos e o fundo, e coloque-a no forno pré-aquecido a 125C. Mantenha nesta temperatura de 10 a 15 minutos.

8 - Eleve a temperatura para 180C e quando esta temperatura for atingida, mantenha de 10 a 15 minutos.

9 – Desligue o forno e deixe a porta levemente aberta. Quando a temperatura cair para 100C você já poderá retirar a placa.

10 – Usando uma esponja macia e água limpa, limpe a superfície da placa de forma que ela fique sem resíduos. Provavelmente ela ficará manchada, mas as manchas sairão no banho galvânico, o importante é não ficar resíduos que formem relevos. Nesta hora o hipofosfito de cobre sofreu pirólise e com isso uma fina camada de cobre foi depositada na parede dos furos. Apesar de ser fina, a aderência é bastante alta, porém frágil, por isso limpe a placa com cuidado para não danificar esta película. Caso aconteça de algum furo ficar completamente fechado por conta de resíduos, você pode umedecer bem a esponja e pressionar com cuidado sob o furo para tentar desobstrui-lo.

11 – Pegue uma ou mais folhas de papel toalha e pressione sob a placa para secá-la. Ela agora está pronta para o banho galvânico.

Assim que puder postarei um vídeo com todo o processo. Me desculpem se tiver algum erro de escrita, estou bem cansado...

Como fazer placas de circuito impresso com furos metalizados e qualidade industrial, em casa - Parte 2 – Solução Ativadora

Existem dois métodos para revestir uma superfície com metal: deposição química (electroless plating) e a galvanoplastia ou eletrodeposição (electroplating). Na deposição química o objeto a ser revestido de metal passa por vários banhos até ganhar uma camada de metal. Na eletrodeposição o objeto é mergulhado em uma solução ácida com o sulfato do metal desejado e então é ligado ao polo negativo de uma fonte de energia elétrica. O polo positivo é ligado a um eletrodo feito com o mesmo metal que se deseja depositar na superfície do objeto. A parte boa deste método é que ele tem um custo baixo e os reagentes não são tão perigosos, porém só é possível metalizar uma superfície condutora. Industrialmente se usa uma solução a base de paládio coloidal para ativar superfícies não condutoras e esta solução é extremamente cara.

Há vários anos atrás na ex União Soviética foi desenvolvido um método de baixo custo para revestir furos de PCI que substituiria o método caro que usa paládio. Nos anos 90 um grupo de químicos liderados por Oleg Lomovsky obtiveram a patente para a versão industrial do método de revestimento de furos de PCI (página em russo). Este método era até então desconhecido pela comunidade de hobbystas até 2011, quando o usuário JIN publicou no fórum VRTP.RU seu artigo (pagina em russo) sobre revestimento dos furos da PCI. O artigo descreve uma das primeiras versões deste método, que tem alguns problemas que impossibilitam o seu uso industrialmente, mas estes problemas são irrelevantes para uso doméstico. O mais importante é que o artigo descrevia uma receita que era a base de uma solução ativadora que permitia seu uso em um ambiente doméstico. De fato o método descrito adiante foi fortemente baseado na mesma receita. Desde então este método começou a crescer rapidamente ganhando popularidade nas comunidades de hobbystas que falavam russo.

Eu acabei encontrando este artigo que foi publicado em Junho de 2012 por Sergiy Yevtushenko no site instructables, onde ele descreve passo a passo todas as etapas. Como eu havia testado o método e havia postado algumas perguntas no site, a comunidade brasileira que visitava a mesma página acabava por tirar algumas dúvidas comigo. Com isso acabei pedindo permissão para que eu pudesse traduzir o conteúdo e fazer uma versão do método, inclusive com os ingredientes encontrados no mercado brasileiro. 

Para os que desejam visitar o artigo original, basta acessar este link: 
http://www.instructables.com/id/Inexpensive-method-of-industrial-level-quality-PCB/ .

Solução Ativadora - Reagentes:

Água Destilada (H2O) – 180ml

Sulfato de Cobre Pentahidratado (CuSO4.5H2O) – 30g

Hipofosfito de Cálcio (Ca(H2PO2)2) - 32g

Solução de Hidróxido de Amônio a 10% (NH4OH) – 100ml

Sabonete líquido neutro e sem corantes – 6ml

Todos os ingredientes são de fácil acesso e de baixo custo, exceto o hipofosfito de cálcio que é encontrado no mercado brasileiro por cerca de R$300,00 cada 100g. Este reagente é proibido em alguns países pois usam na produção de algumas drogas, talvez por isso aqui seja tão caro. O importante é que aqui no Brasil não é proibido, apenas custa caro... mas não se preocupe, no próximo post vou ensinar a fazer o hipofosfito de cálcio usando outros reagentes bem mais em conta.

O hidróxido de amônio puro não é fácil de adquirir pois é controlado pela polícia federal e é permitido a venda de até 2 litros/mes para pessoa física, porém, as distribuidoras de produtos químicos preferem não arriscar. Pensando nisso a formula foi adaptada para usar a solução de hidróxido de amônio a 10% encontrada em qualquer farmácia. Fique atento pois existem soluções com concentrações menores de hidróxido de amônio, porem não podem ser usadas nesta formula pois teremos que diminuir a quantidade de água pela agua contida na solução de amonia, e se isto acontecer não teremos água suficiente para dissolver o sulfato de cobre, pois ele já é calculado no limite de saturação da solução.

Você pode usar sem problemas concentrações de hidróxido de amônio maiores, lembrando que a solução usa 100ml de hidróxido de amônio a 10%... a partir daí você pode por exemplo usar 10ml de hidróxido de amônio a 100% e 90ml de água, ou então 40ml de hidróxido de amônio a 25% e 60ml de água. Fica a seu critério.

A qualidade dos reagentes é tudo, portanto não pense em usar água de torneira e nem ir até a loja de adubos comprar sulfato de cobre para usar nesta solução, pois as impurezas a tornarão problemática.

Você só poderá  usar o sulfato de cobre comprado em loja de adubos, se ao menos purificar o reagente antes de usá-lo na solução. Existem várias formas de purificar um reagente... pesquise!

A solução é preparada da seguinte forma:

1 – Dissolva 30g de sulfato de cobre em 140ml de água destilada. A solubilidade do sulfato de cobre na água a uma temperatura de 20C é de 20g/100ml, por isso se você não conseguir dissolver todo o sulfato de cobre, aqueça um pouco a água. A temperatura de 25C provavelmente será suficiente.

2 – Junte na solução 22g de hipofosfito de cálcio e misture cuidadosamente durante  5 minutos. Quando você juntar o hipofosfito de cálcio na solução, aparecerá sedimento que mudará a cor da solução para azul claro. Você pode estar pensando que o sedimento é o hipofosfito que não dissolveu, mas na verdade este sedimento é resultado da reação química entre o sulfato de cobre e o hipofosfito de cálcio. É importante mexer a solução para que a reação aconteça por completo.

3 – Filtre a solução usando papel filtro e coador de café. Não use filtros feitos de pano. O processo poderá ser lento devido ao sedimento. Não jogue o filtro de papel com o sedimento! A solução filtrada terá uma coloração mais clara do que a solução inicial que tinha apenas sulfato de cobre.

4 – Passe pelo filtro de papel com sedimento mais 40ml de água destilada, juntando as duas soluções filtradas.

5 – Elimine o filtro com o sedimento e junte lentamente 100ml de solução de hidróxido de amônio a 10% mexendo sem parar. Quando o hidróxido de amônio estiver sendo despejado na solução, novos sedimentos aparecerão e deixarão a solução opaca e cada vez mais grossa com aspecto de creme. Com aproximadamente 65ml do hidróxido de amônio despejado na solução, ela começará a se tornar cristalina novamente e com um tom roxo e o sedimento será todo dissolvido deixando a solução líquida novamente. Quando todo o hidróxido de amônio tiver sido misturado na solução, ela deverá ter o aspecto liquido cristalino com uma cor azul profundo e um forte cheiro de amônia.

6 – Adicione 6ml de sabonete líquido neutro sem corantes. Você pode reservar a solução e fazer testes com várias marcas. Eu pessoalmente achei que os resultados foram mais satisfatorios com o uso da marca fofo, sabonete líquido para bebês glicerinado, neutro, e sem corantes.

7 – Adicione 10g de hipofosfito de cálcio na solução. Parte dela irá se dissolver e parte ficará sob forma de sedimento no fundo do frasco.

8 – Deixe a solução repousar por pelo menos 20min e verifique se há sedimento de hipofosfito de cálcio no fundo do frasco. Caso não exista sedimentos, repita os procedimentos 7 e 8.

A solução está pronta para uso e poderá ser guardada por muito tempo sem perder suas propriedades, desde que em local seco, fresco, e com frasco bem fechado. Verifique sempre se há sedimento no fundo do frasco, e caso não tenha, adicione mais hipofosfito de cálcio.

No próximo post vou mostrar como fazer o hipofosfito de cálcio a partir de outros reagentes.

Como fazer placas de circuito impresso com furos metalizados e qualidade industrial, em casa - Parte 1 – Introdução

Uma necessidade que envolve tanto hobbystas quanto engenheiros em eletrônica é a confecção de placas de circuito impresso para a montagem de protótipos ou até mesmo de um produto final no caso do hobbysta.

Talvez a maior dificuldade para a confecção de uma PCI e aqui no Brasil pode ser considerado até mesmo uma limitação seja a dificuldade em metalizar seus furos. Em outros países existem Kits para esta finalidade  que possuem produtos químicos capazes de fazer a metalização de forma rápida e fácil. Em alguns casos onde queremos apenas ligar um layer a outro, a metalização pode ser contornada usando um pedaço de fio ligando as duas vias, mas existem casos onde um componente PTH deve ser inserido e a trilha fica do mesmo lado do componente tornando quase impossível a soldagem. Muitos dos que não podem abrir mão de ter uma PCI com furos metalizados tem como única saída enviar o layout para empresas especializadas em protótipos, que cobram caro pelo serviço.

Durante anos procurei uma forma caseira de se fazer protótipos com qualidade industrial a ponto de não depender mais dessas empresas. Sempre pensei que se eu pudesse fazer as placas em casa, eu ganharia tempo, economizaria dinheiro e tornaria o trabalho mais flexível pois poderia fazer alterações de forma ágil sem depender de ninguém.

Depois de muita pesquisa e muitos testes, chegou a hora de compartilhar passo a passo todos os processos para a confecção de uma placa de circuito com furos metalizados e qualidade industrial dentro de sua própria casa. É claro que para tornar isso possível precisaremos do mínimo de materiais para trabalhar, como reagentes químicos, ferramentas, equipamentos, etc. , porém, nada que seja tão caro a ponto de se tornar inviável.

Para que eu consiga passar todos os detalhes de cada um dos processos vou postar vários artigos, cada um tratando de um assunto detalhadamente e se possível, com vídeos para que se tornem bem explicativos.