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Platinen selber herstellen

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Gnome-applications-office.svg Dieses Buch steht im Regal Elektrotechnik.
Hinweis: Dieses Buch ist gerade in einem ersten Aufbau. Bei Interesse schreibe dein Wissen gern ohne große Formatierungen hier hinein...

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Vorwort

Welcher Hobby-Elektroniker kennt es nicht: Man hat eine Idee für eine Schaltung und möchte diese schnell umsetzen. Aber was soll man machen, wenn die Schaltung zu kompliziert ist, um sie mal eben zusammenzulöten? In manchen Fällen kann man sich mit einem Lochrasterplatinenaufbau helfen. Für erprobte Schaltungen bietet sich die Verwendung einer geätzten Platine an. Gleichzeitig ergibt sich dadurch bei sauberem Aufbau ein sehr professionelles Aussehen. Der Bau einer solchen Platine braucht natürlich etwas mehr Zeit, aber man kann damit auch umfangreichere, kompliziertere Schaltungen mit mehreren ICs realisieren.

[Bearbeiten] Wie groß ist der Aufwand? Lohnt es sich für mich?

Nun ist es eine große Erleichterung, wenn man in der Lage ist, "mal schnell" selbst eine Platine für seine Schaltungen herzustellen. Es sollte aber vorher auch der zusätzliche Aufwand bedacht werden. Man benötigt auf jeden Fall ein paar säurefeste Schalen, um die Platinen zu ätzen. Dann muss man auch in der Lage sein, seine vorher am Computer gezeichneten Schaltungen auf die Platine zu übertragen. Das wird meistens mit einer transparenten Folie gemacht, die man am besten auf einem Laserdrucker mit der Maske bedruckt. Diesen selbst hergestellten Film legt man dann auf die schon mit Fotopositivlack beschichteten Platinen und belichtet sie mit ultraviolettnahem Licht. Dies sollte entweder mit einem speziellem UV-Belichtungsrahmen oder notfalls mit der Sonne geschehen. Wenn die Platine belichtet und geätzt ist, muss sie in den meisten Fällen noch mit Bohrungen versehen werden. Dafür braucht man eine hochtourige Platinenbohrmaschine in einem Bohrständer. Wenn man eine doppelseitige Platine herstellen möchte, dann muss man die Durchkontaktierungen, im einfachsten Falle Drahtstifte bzw. Hohlnieten, zusätzlich noch eintackern. Alles in allem ist das schon ein recht großer Aufwand, ohne dabei die Erstinvestitionen zu vergessen. Der Aufwand lohnt sich, wenn man den überwiegenden Teil der Gerätschaften schon besitzt und mehr oder weniger regelmäßig neue Platinen entwirft und herstellt. Also zum Beispiel für Ingenieurbüros mit Kleinserien. Die genannten Punkte sollten immer erst bedacht werden, bevor man sich entschließt, mit dem Platinenätzen anzufangen.

[Bearbeiten] Gängige Basismaterialien

  • FR-1 Low-end Platinen werden aus mit Phenol-Formaldehyd-Kunstharz getränktem Papier hergestellt. Tg = 130°C
  • FR-2 Low-end Platinen werden aus mit Phenol-Formaldehyd-Kunstharz getränktem Papier hergestellt. Tg = 105°C
  • FR-3 Dieses Material besteht aus mit Epoxid-Kunstharz getränktem Papier. Tg = 105°C
  • FR-4 Dieses Material besteht aus mit Epoxid-Kunstharz getränktem Glasfasergewebe. Tg = 105°C
  • FR-5 Dieses Material besteht aus mit Epoxid-Kunstharz getränktem Glasfasergewebe. Tg = 160°C
  • HF Hier werden Materialien mit einer niederigen Dielektrizitätskonstante eingesetzt. Z.B Teflon, Polimide oder Polystyrol.

Tg = Glass Transition Temperature (Temperatur ab der das Material weich wird, die Maximale Betriebstemperatur liegt tiefer).

Das verbreitetste Material dürfte heute FR-4 sein gefolgt von FR-2 und FR-1. Auf Grund höherer Löttemperaturen bei bleifrei hergestellten Platinen wird FR-4 aber langsam von FR-5 verdrängt.

Die Kupferauflage bei ein- oder zweiseitigem Material ist üblicherweise 35μm dick, seltener ist eine Dicke von 70μm. Das Material mit 35μm Kupferauflage wird auch als ‘1-ounce’ copper bezeichnet. Der Ursprung liegt darin, dass ein Quadratfuß (304.8 x 304.8mm) der Kupferauflage eine Unze wiegt (28,35g). Das Material mit 70μm Kupferauflage heißt aus dem gleichen Grund auch 2-ounce’ copper. Innenlagen bei Multilayerplatinen sind oft dünner als 35μm, dies spielt für den Hobbyelektroniker nur dann eine Rolle, wenn er seine Platinen herstellen lässt.

[Bearbeiten] Handverdrahtung

[Bearbeiten] Trägerplatine

FR-4 Lochrasterplatine
Vorderseite einer Streifenleiterplatine

Für die Handverdrahtung einer Platine werden je nach Verdrahtungsmethode unterschiedliche Platinen verwendet. Generell sind dies Varianten der Lochrasterplatine. Die Lochrasterplatine hat ein regelmäßiges Raster von Bohrungen, üblicherweise im Abstand von 2,54 mm (= 100 mil, 1 mil = 1 Zoll / 1000).

  • Lochrasterplatinen bestehen normalerweise aus FR-2 oder FR-4 und haben keine zusätzliche Kupferauflage. An den Rückseiten der Platinen können Bohrungen zur Aufnahme eines Steckers für die Rückwandverdrahtung vorhanden sein. Das gleiche gilt für etwaige Kopfstecker an den Frontseiten. Je nach verwendeten Steckersystem fallen die Bohrungen dieser Stecker in das normale 100 mil Raster oder auch nicht.
  • Punktrasterplatinen sind Lochrasterplatinen bei der um jede Bohrung eine runde oder viereckige Kupferfläche angeordnet ist. Diese Kupferflächen können einseitig oder auch beidseitig vorhanden sein. Bei beidseitigen Kupferflächen können sie auch durch eine Durchkontaktierung miteinander verbunden sein. Auch hier gibt es Varianten mit speziellen Bohrungen an den Schmalseiten für Stecker.
  • Streifenleiterplatinen haben auf einer Seite durch Kupferstreifen verbundene Bohrungen. Die gegenüberliegende Seite hat entweder ein Punktraster oder ist leer. Bei Varianten ist nur jede zweite Reihe der Bohrungen mit einem Kupferstreifen miteinander verbunden, die anderen Reihen sind frei. Die Kupferstreifen ergeben die Verdrahtung in einer Richtung der Platine, sie werden mit einem Messer oder einem speziellen Werkzeug an den benötigten Stellen unterbrochen. Verbindungen in die andere Richtung sitzen zusammen mit den übrigen Bauteilen als Brücken auf der Oberseite der Platine. Kostenlose Tools für die Entwicklung von Streifenleiterplatinen sind VeeCAD (Windows) und Stripboard Layout Tool (Windows)
  • HF-Platinen sind üblicherweise aus HF Material (seltener aus FR-4) und haben auf einer Seite ein Punktraster und auf der anderen eine durchgehende Kupferfläche. Die Bohrungen der Seite mit der durchgehende Kupferfläche sind ausreichend freigestellt, dass kein Kurzschluss entstehen kann. Diese Kupferfläche wird normalerweise zur Abschirmung auf Massepotential gelegt.
Punkt-Streifenrasterplatine
Vorderseite einer HF-Platine mit Punktraster (Hier mit HF-Substrat)
Rückseite einer HF-Platine mit durchgehender Kupferfläche (Hier mit HF-Substrat)


[Bearbeiten] Verdrahtungsmethoden

Platine mit einer Mischung aus fliegender und starrer Verdrahtung
  • Freie Verdrahtung Dies erfolgt üblicherweise auf einer Lochraster- oder einer Punktrasterplatine.
    • Fliegende Verdrahtung Einfach mit isolierten Drähten von Pin zu Pin verdrahten. Massiver Draht mit geringen Durchmesser (0,4 mm) eignet sich hier besser als Litze.
    • Starre Verdrahtung Mit sogenanntem Silberdraht wird auf der einen Platinenseite verdrahtet, auf der anderen Seite werden die Brücken verlegt. Diese können entweder isoliert oder nicht isoliert aufgebaut werden. Damit man die Drähte gerade verlegen kann, muss der Draht vorgereckt werden. Dazu fixiert man am besten ein Ende in einem Schraubstock, und zieht mit einer Zange am anderen Ende, bis der Draht schön gerade ist.
  • Streifenleiter-Technik Dies erfolgt mit Streifenleiterplatinen. Hierzu unterbricht man die Streifen an den nötigen Stellen. Verbindungen von Streifen zu Streifen werden entweder mit Bauteilen oder Brücken erzeugt. Siehe auch den Artikel Stripboard in der englischen Wikipedia.
Eine Backplane, die mit Wire Wrap verdrahtet wurde
  • Wire wrap Dies erfolgt üblicherweise auf einer Lochraster- oder einer Punktrasterplatine. Mit Hilfe eines speziellen Werkzeuges wird ein Draht stramm um einen quadratischen etwa ein Zoll langen Pin gewickelt. Hierbei ist der Anpressdruck hoch genug, dass der Draht mit dem Pin kaltverschweißt. Auf jedem Pin können so bis zu drei Verbindungen erzeugt werden. Siehe auch die Artikel über Wire wrap in der englischen oder deutschen Wikipedia.
  • Fädeln (Vero Wire) Hierbei wird ein dünner isolierter Draht mit einem Fädelstift von Pin zu Pin verdrahtet. Mit Hilfe von Fädelkämmen wird der Draht von den Pins ferngehalten. Beim Löten verdampft die lötfähige Polyurethanisolation und es wird eine Verbindung zum Pin des Bauteils hergestellt. Oft werden Stromschienen für die Spannungsversorgung von IC's eingesetzt. Für dieses Verfahren gibt es auch spezielle Lochrasterkarten die vorverlegte Kupferbahnen für die Spannungsversorgung eines DIL-ICs haben. Siehe auch die Artikel über Fädeltechnik in der deutschen Wikipedia.
Gefädelte Platine
Zwei Fädelstifte


[Bearbeiten] Kupferkaschierte Platinen

[Bearbeiten] Zuschneiden

Epoxidmaterial kann mit der Schlagschere, Hebelschere, Stichsäge, Kreissäge, elektrischem Fliesenschneider oder im einfachsten Fall mit einer Laubsäge zugeschnitten werden. Wichtig ist, dass das Sägeblatt für dieses glasfaserverstärkte Material geeignet ist. Beim Sägen mit der Kreissäge kommt es zu starker Staubentwicklung. Nach bisherigen Erkenntnissen ist der Staub nicht gesundheitsschädlich. Es ist trotzdem das Tragen einer Atemmaske zu empfehlen, da das Einatmen von Feinstäuben generell nicht als gesundheitsfördernd angesehen werden kann.

Hartpapier kann mit einer geeigneten Hebelschere geschnitten oder mit Teppichmesser oder Reißnadel eingeritzt und anschließend gebrochen werden.

[Bearbeiten] Ätzen

[Bearbeiten] Umgang mit Chemikalien

  • Sicherheitshinweis Beim Arbeiten mit Chemikalien sollte man sich dessen bewusst sein, was man tut. Man sollte immer seine Augen schützen. Durch den Umgang mit Oxidationsmitteln (Ätzmittel) und Laugen (Entwickler) sind die Hände ebenfalls gefährdet und sollten durch Gummihandschuhe (Einmalhandschuhe) geschützt werden! Bitte beachten Sie die Sicherheitshinweise auf den Verpackungen der Chemikalien genau. Es ist auch ratsam seine Kleidung zu schützen, da diese bei Kontakt mit Chemikalien Schaden nehmen kann.
  • Chemikalien entsorgen Platinen ätzen ist ja eine schöne Sache, aber wohin am Ende mit den verbrauchten Chemikalien? In vielen Fällen gibt es in der Nähe eine Schadstoffannahmestelle der Städte und Landkreise. Außerdem fahren vielerorts Schadstoffsammelmobile mehrmals im Jahr durch die Ortschaften. Termine werden in den Tageszeitungen bekannt gegeben. Gibt es keine solche Annahmestelle, dann bleibt Ihnen nur die teure Entsorgung als Sondermüll.
    Bitte tun Sie sich und Ihren Mitmenschen den Gefallen und entsorgen Sie verbrauchte Chemikalien nicht in der Toilette oder im Wasch-/Spülbecken. Die im verbrauchten Ätzmittel vorhandenen Kupfer-Ionen sind keimtötend und können dazu führen, dass die Bakterien in der Kläranlage absterben, und diese damit funktionsunfähig werden kann.
  • Chemikalien sparsam verwenden Noch besser als Chemikalien fachgerecht zu entsorgen ist, solche als Müll zu vermeiden. Der Entwickler und Ätzmittelverbrauch kann drastisch reduziert werden, indem man Masseflächen verwendet, diese füllen sonst ungenutzten Platz auf der Platine aus und stören nicht.
    Entwickler ist zwar billig, kann aber auch wiederverwendet werden. Die Lösung muss aber unbedingt luftdicht verschlossen bleiben, am besten bis zum oberen Flaschenrand, ansonsten besteht die Gefahr, dass sich Kohlendioxid löst und die so entstehende Kohlensäure den Entwickler nach und nach neutralisiert.
    Falls man die Platine verzinnen möchte und Lötstopplack verwendet, kann man auch erst den Lack laminieren und entwickeln und anschließend verzinnen, somit werden nur die Lötpads verzinnt und nicht die ganze Platine.

[Bearbeiten] Maskierungsverfahren

Für das Ätzen ist eine Maske erforderlich, die alle Teile der Platine abdeckt, die nicht weggeätzt werden sollen.

  • Siebdruck Die Maske wird durch Siebdruck aufgebracht, diese Methode ist für den Hobby-Elektroniker eher ungebräuchlich.
  • Ätzresistente Stifte Die Maske wird mit einem gegen das Ätzmittel resistenten Stift direkt auf das blanke Kupfer der Platine aufgemalt. Dies kann von Hand erfolgen oder über einen Plotter. Von Hand ergibt dies eigentlich nur dann Sinn wenn man nur „ein“ Exemplar einer nicht zu komplizierten Schaltung bauen will. Üblicherweise wird hierzu die Platine mit Hilfe einer Papiervorlage zuerst gebohrt. Dies hat den Vorteil, dass man weiß wo die Bauteile und die Durchkontaktierungen sein sollen.
  • Fotografische Maske Bei diesem Verfahren wird die Maske auf die mit einem ätzresistenten Fotolack beschichte Platine projiziert. In Altväter-Zeiten wurden die Masken aus Anreibe-Element (z.B. Lötauge, Leiterbahn geradeaus, Leiterbahn gebogen) oder Klebeelementen auf eine Folie aufgerubbelt bzw. aufgeklebt. Heute wird diese Maske üblicherweise in einem Layoutprogramm erzeugt und anschließend ausgedruckt.
    • Das Fotopositiv-Verfahren Beim Fotopositiv-Lack härten die belichteten Stellen der Platine beim Entwickeln nicht aus und können abgewaschen werden. Daher muss die Maske ein Positiv der endgültigen Platine sein, damit die Leiterbahnen stehenbleiben. Man kann hier seine Platinen selbst mit Lack beschichten oder fertig beschichtete kaufen. Bei fertig beschichteten Platinen ist die Schichtdicke viel gleichmäßiger, und man hat weniger Schwierigkeiten beim Belichten und Entwickeln.
    • Das Fotonegativ-Verfahren Beim Fotonegativ-Lack können die belichteten Stellen der Platine vom Entwickler aufgelöst werden. Es bleiben nur die nichtbelichteten Stellen über, daher muss die Maske ein Negativ der endgültigen Platine sein, damit die Leiterbahnen stehenbleiben. Nach dem Ätzen muss der Lack mit einem speziellen Stripper entfernt werden. Da Fotonegativ-Material im Handel für den Amateur kaum zu finden ist, betrachte ich es im weiteren nicht weiter.
  • Das Direkt-Toner-Verfahren Bei diesem Verfahren wird die Maske mit einem Tonerbasierten Kopierer oder einem Laserdrucker auf eine geeignete Transferfolie gedruckt. Die Maske muss invertiert (gespiegelt) gedruckt werden, damit sie nach dem Übertragen auf die Platine seitenrichtig ist. Dies geschieht üblicherweise durch Aufbügeln auf die erwärmte Platine. Man kann dies durch eine Laminiermaschine oder mittels eines Bügeleisens und einer Heizplatte tun.

[Bearbeiten] Layout entwerfen

Heute wird das Platinen-Layout immer mit einem Layoutprogramm erzeugt. Falls man hierfür kein Geld ausgeben möchte, gibt es einige freie Programme, die ausreichend gut funktionieren. Für Microsoft Windows kann man die Kombination aus TinyCAD (Schaltplan) und FreePCB (Layout) oder Kicad (Schaltplan und Layout) empfehlen. Eine kommerzielle Software, die einen Layout, Schaltplan und Bibliothekseditor beinhaltet, ist EAGLE von CadSoft/ Farnell. Eagle bietet für die nicht-kommerzielle Nutzung eine kostenlose Light-Version, mit der man Platinen erzeugen kann, die kleiner als 80 x 100mm sein müssen. Außerdem gibt es noch das Elektronik- Simulationsprogramm SwitcherCAD III, welches im Internet von Linear Technologies gratis heruntergeladen werden kann. Damit kann man Netzlisten für FreePCB generieren, aber Achtung! alle Subschemen müssen geladen sein. In der Linkliste im Anhang sind auch Übersichten weiterer geeigneter Programme enthalten.

Das Platinen-Layout mit einem Layoutprogramm zu erstellen, macht selbst dann Sinn, wenn die Maske hinterher von Hand gezeichnet werden soll. Das Platinen-Layout sollte so entworfen werden, dass möglichst wenige Drahtbrücken erforderlich sind. Dabei können Widerstände o. ä. Bauteile als Brücken verwendet werden. Für eine selbstgeätzte Platine sollte man in seinem Layoutprogramm größere Vias und Pads verwenden, als in der Standardeinstellung. Diese sind für das Bohren von Hand zu klein.

Für die Strombelastbarkeit von Leiterbahnen kann das folgende Diagramm herangezogen werden. Es zeigt die erforderliche Breite der Leiterbahn für eine Platine mit 35μm Kupferschicht bei verschiedenen Übertemperaturen.

Current vs Width vs Temp (1oz ext).PNG

[Bearbeiten] Layout drucken

[Bearbeiten] Drucken für Fotographische Verfahren

Das entworfene Layout kann mit einem Laser- oder Tintenstrahldrucker seitenverkehrt auf eine Folie oder ein Papier gedruckt werden. Schon beim Layoutentwurf sollte ein Schriftzug zur Orientierung mit aufgebracht werden. Das Spiegeln der Vorlage macht es möglich, dass die Maske möglichst dicht an die Fotoschicht herankommt, da beim gespiegelten Druck die bedruckte Seite direkt auf der Fotoschicht der Platine aufliegt. Da das Licht nicht völlig parallel einfällt, werden an Kanten Bereiche belichtet, die eigentlich nicht belichtet werden sollten. Eine Papierdicke macht bei feinen Leiterbahnen schon einen Unterschied. Es sollte immer die höchste Qualität des Druckes eingestellt werden, damit der Kontrast möglichst groß wird. Von manchen Leuten wird empfohlen, zur Erhöhung des Kontrastes mehrmals übereinander zu drucken. Dies kann bei feinen Strukturen zu Problemen führen, da die meisten Drucker nicht genau übereinander drucken können. Falls man normales Papier mit dem Laserdrucker verwendet, muss dieses nach dem Druck transparent gemacht werden. Dafür kann Öl oder ein spezielles Spray verwendet werden (bei Tintenstrahldruckern führt das üblicherweise zu verschmierten Vorlagen). Trotzdem bleibt bei solchem transparent gemachtem Papier die Dämpfung des Lichtes größer und der Kontrast der Vorlage sinkt, Transparentpapier liefert hier bessere Ergebnisse. Bei Laserdruckern sollte man extra schwarzen Toner (Ultrablack) verwenden, wenn er für den Drucker erhältlich ist. Zum Abschluss sollte der Druck gegen eine helle Lichtquelle ( Fenster, Lampe oder Leuchttisch ) auf Fehler geprüft werden. Ein feiner Sternenhimmel (kleine Löcher in Flächen) ist unkritisch, feine Risse oder Löcher in Leiterbahnen sollten mit einem gut deckenden Stift korrigiert werden. Sehr gute Vorlagen können auch mit Photoplottern oder einem Laserbelichter in einem Repro-Studio hergestellt werden. Diese haben mit 2400dpi eine höhere Auflösung als Desktopdrucker. Die belichteten Filme erreichen ein Kontrastverhältnis von 1:1000 und mehr. Die hohe Lichtdämpfung in den dunklen Teilen führt zu hervorragender Kantenschärfe in den belichteten Platinen, und es können feinere Strukturen erzeugt werden. Erforderlich ist für einen Photoplotter meistens eine Gerber-Datei, und eine Postscript- oder PDF-Datei für einen Laserbelichter. Manche Repro- Studios verarbeiten auch Grafikdateien. Der Nachteil hierbei ist, dass die so erzeugte Vorlage ziemlich teuer ist.

[Bearbeiten] Drucken für das Direkt-Toner-Verfahren

Für das Direkt-Toner-Verfahren ist nur ein Laserdrucker oder Kopierer geeignet, da der Kunststofftoner direkt die Maske für das Ätzen bildet. Der Druck erfolgt ebenfalls gespiegelt, entweder auf eine spezielle Transferfolie, oder auf glatt beschichtete Papiere. Fotopapier, das keine kunststoffbeschichtete Rückseite hat, soll geeignet sein. Es wurden auch Erfolge mit glänzendem Papier aus Magazinen erzielt, hierbei ist es nebensächlich das die Seite schon bedruckt ist. Falls man die Wahl hat, sollte ein Toner mit möglichst kleiner Partikelgröße verwendet werden. Auch bei diesem Verfahren sollte der Druck gegen eine helle Lichtquelle (Fenster, Lampe oder Leuchttisch) auf Fehler geprüft werden. Hierbei hat man keine Möglichkeit der Korrektur, bei groben Fehlern muss der Druck wiederholt werden. Bei kleineren kann man prüfen, ob diese beim Auflaminieren des Toners zugeschmiert wurden. Ist dies nicht der Fall, muss der Toner von der Platine gestrippt werden und mit einem neuen Druck von neuem begonnen werden.

[Bearbeiten] Maske Aufbringen

[Bearbeiten] Fotopositiv Verfahren
  • Platine belichten

Zum Belichten von Fotopositiven Material wird eine Lichtquelle mit superaktinischem Licht, das ist der Wellenbereich zwischen UV-A Licht und sichtbarem blau-violettem Licht (400-450nm), benötigt. Die Belichtungszeit ist um so unkritischer, je weniger die abgedeckten Flächen das "UV"-Licht durchlassen. Wenn man gute, lichtdichte Filme benutzt, gibt es i.d.R. keine Probleme mit der Belichtung. Nicht jeder Drucker ist gleich gut zum Ausdruck auf Folie geeignet. Laserdrucker sind oft schlechter geeignet, als moderne Tintenstrahler. Bei Laserdruckern kann man den Ausdruck eventuell noch mit Tonerverdichter (Sprühmittel) nachbehandeln. Mögliche Lichtquellen sind Nitraphot-Lampen (werden sehr heiß und haben nur eine sehr kurze Lebensdauer), UV-Leuchtstofflampen Lichtfarbe 05 bzw. 08, 09 (nicht Schwarzlicht-Röhren), Höhensonnen / Gesichtsbräuner, Halogenstrahler und UV-Leuchtdioden. Es ist auf eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung zu achten. Die Maske sollte zwischen einer Glasplatte und der Platine liegen. Hierbei sollte die Glasplatte aus Quarz- oder Plexiglas bestehen, da diese eine niedrigere Durchgangsdämpfung für UV-Licht haben. Quarzglas ist teuer und nicht jedes Plexiglas besitzt eine hohe Durchlässigkeit für das benötigte Licht, außerdem kann es sich mit der Zeit eintrüben. Testen lässt sich das z. B. mit Briefmarken oder Geldscheinen, die ein UV-Wasserzeichen besitzen. Wird mit einem offenen Belichtungssystem gearbeitet, sollte unbedingt eine UV-Schutzbrille getragen werden. Die optimale Belichtungszeit muss durch eine Belichtungsreihe ermittelt werden. Bei doppelseitig zu belichtender Platine muss aus den beiden Filmen eine Tasche zusammengefügt werden, in die dann die zu belichtende Platine geschoben wird.

Einfaches Belichtungsgerät aus Lampe und Glasplatten. Sichtbar ist ein Gliedermaßstab zur Höhenkontrolle der Lampe.

Belichtungsgerät mit UV-Leuchtstofflampen

Belichtungsgerät mit UV-Leuchtstofflampen (mit Maske auf Transparentpapier)
  • Platine entwickeln

Zum Entwickeln wird entweder Positiv-Entwickler oder Ätznatron (Natriumhydroxid) verwendet. Beim Positiv-Entwickler folgt man den Anweisungen des Herstellers zum Ansatz der Lösung. Bei Ätznatron wird ein Ansatz von 7 bis 15 Gramm Ätznatron in einem Liter Wasser aufgelöst. Das Wasser sollte eine Temperatur von etwa 20 bis 25 Grad Celsius haben. Dabei ist darauf zu achten, dass das Ätznatron vollständig aufgelöst ist, damit auf der Platine keine Stellen mit höherer Konzentration entstehen. Beim Entwickeln wird die belichtete Platine in ein Schale mit Entwicklerlösung gegeben. Unter leichter Bewegung der Schale wird nun der Fotolack entwickelt. Es sollte schon nach wenigen Sekunden das Leiterbahnbild auf der Platine erscheinen. Abhängig von der Entwicklerlösung sollte man nach spätestens ein bis zwei Minuten an den belichteten Flächen das blanke Kupfer sehen. Empfehlenswert ist das anschließende Reinigen der blanken Kupferstellen mit einem Lappen und der Entwicklerlösung. Dadurch werden die zu ätzenden Kupferstellen optimal für den Ätzvorgang gereinigt.

[Bearbeiten] Direkt-Toner-Verfahren

Hierbei ist der Toner von der Vorlage auf die Platine zu übertragen. Hierzu schmilzt man den Toner an und presst ihn auf die Platine. Zuvor muss man eventuell vorhanden Oxidschichten auf der Platine beseitigen. Dies erfolgt entweder mit feiner Stahlwolle oder einem Scheuermittel. Dabei muss darauf geachtet werden, dass keine Riefen entstehen. Alternativ kann man die Leiterplatte auch "anätzen", indem man sie kurz in die Ätzlösung legt. Anschließend ist die Platine mit Aceton zu entfetten, und mit möglichst fusselfreien Papiertüchern zu trocknen. Dann erfolgt die Übertragung der Maske auf die Platine. Dies erfolgt entweder mit einem modifizierten Laminiergerät oder manuell mit einem Bügeleisen. Für letzteres legt man die Platine am besten auf eine erwärmte Unterlage (Warmhalteplatte) oder einen glatten Wärmeisolator (Kachel). Nun wird die Tonerseite der gedruckten Maske auf die Platine gebracht, und mit einem Bügeleisen unter Druck auf die Platine aufgebügelt. Anschließend wird die Platine mit dem anhaftenden Papier in eine mit Wasser gefüllte Schale gelegt. Nach einiger Zeit (bis zu 30 Minuten) zum Einweichen, kann man das Papier durch vorsichtiges Reiben entfernen. Etwaige Papierreste auf dem Toner müssen nicht entfernt werden. Die Platine ist nun fertig zum Ätzen. Man kann auf die gleiche weise auch einen Bestückungsaufdruck für die Platine erzeugen. Hierbei wird der Toner auf die Bestückungsseite aufgebügelt und gegebenenfalls mit einem Klarlack vor Abrieb geschützt.

[Bearbeiten] Platine ätzen

[Bearbeiten] Ätzmittel
  • Eisen(III)-chlorid Wird meistens als Granulat (graugelbe Kügelchen) verkauft. Es kommt auch als Sublimat in den Handel (grünliche, kristalline Struktur, Ansatz ca. 350g Sublimat pro Liter Wasser) und wird in dieser Form bei der Auflösung in Wasser gefährlich heiß. Die Lösung ist undurchsichtig, daher ist der Ätzvorgang schwer zu überwachen. Es können leicht Unterätzungen durch Zeitüberschreitungen entstehen. Die Ergiebigkeit und Beständigkeit ist hoch. Der Ansatz kann unter Lichtabschluss gut aufbewahrt werden. Es kommt zu keiner Gasbildung. Mehrmalige Benutzung macht den Ätzvorgang noch schwerer zeitlich kontrollierbar. Die Lösung besitzt eine natürliche Schaumbildung und ist deshalb für den Einsatz in Schaumätzanlagen besonders geeignet. Bei Verwendung in Ätzküvetten ist die Schaumbildung dagegen unerwünscht. Nachteil neben der Undurchsichtigkeit ist, dass es hässliche braune Flecken (Rost) macht, die aber mit einem speziellen Fleckentferner beseitigt werden können. Auch kommt es nach längerem Gebrauch zu Schlammbildung, die sich aber durch Zugabe von einer geringen Menge Salzsäure in die gebrauchte Lösung beseitigen lässt. Die optimale Ätztemperatur liegt bei 45°C. Das Granulat wird oft in kleineren Mengen (500g) in verschweißten Kunststoffbeuteln verkauft. Diese Beutel sollte man zusätzlich in eine Kunststoffdose legen. Bei längerer Lagerung kann es vorkommen, dass diese Beutel undicht werden. Das Granulat zieht dann Wasser aus der Raumluft und verflüssigt sich.
    • Konzentration: ca. 800g Granulat pro Liter Wasser ergeben 1,4l gebrauchsfertige, 33%ige Lösung.
    • Ätztemperatur: Raumtemperatur bis 70 Grad Celsius.
    • Ätzgeschwindigkeit: einige Minuten bis zu 60 Minuten, je nach Temperatur der Lösung.
  • Ammoniumpersulfat Verarbeitung ähnlich wie bei Natriumpersulfat, für den Nicht-Profi auf Grund der Giftigkeit nicht zu empfehlen.
  • Natriumpersulfat Wird als weißes, kristallines Pulver verkauft (oft unter der Bezeichnung Feinätzkristall). Die Lösung hat gegenüber Eisen(III)-chlorid den Vorteil, daß sie durchsichtig ist. Der Ansatz kann aufbewahrt und ohne größere Probleme mehrmals verwendet werden. Die optimale Temperatur der Lösung liegt bei 40°C. Unterhalb von 30°C erfolgt kein nennenswerter Kupferabtrag. Die Ergiebigkeit ist eher gering. Aufgrund der Gasbildung, ist ein offener Behälter zur Aufbewahrung zu verwenden. Ein druckfester Behälter kann verwendet werden, wenn regelmäßig der Überdruck abgelassen wird. Hierbei sollte der Behälter stark überdimensioniert sein. Baumwollgewebe wird von der Lösung zerstört. Natriumpersulfat ist gesundheitsschädlich und allergieauslösend. Es darf als Pulver nicht neben brennbaren Stoffen gelagert werden.
    • Konzentration: 200g pro Liter Wasser.
    • Ätztemperatur: 40 bis 50 Grad Celsius.
    • Ätzgeschwindigkeit: 10 bis 15 Minuten
  • Salzsäure Wird unter Zusatz von Wasser und 30%igem Wasserstoffperoxid verwendet. Sehr problematisch wird der Ansatz bei Überdosierung. Es entstehen dann gefährliche Gase. Metalle im Arbeitsraum werden angegriffen. Gute Durchlüftung des Arbeitsraumes und Augenschutz ist zwingend erfoderlich! Für Amateure ohne entsprechendes Fachwissen nicht geeignet. Die Ergiebigkeit ist hoch. Die Anwendung ist komplizierter und gefährlicher als Eisen(III)-chlorid oder Natriumpersulfat. Es hat aber die höchste Ätzgeschwindigkeit bei hoher Ergiebigkeit und macht keine Flecken (gibt gleich Löcher). Die Lösung ist durchsichtig und dadurch kann der Ätzvorgang gut beobachtet werden. Sie darf auf gar keinen Fall in fest verschlossenen Behältern aufbewahrt werden, da sie ausgast. Hohe Berstgefahr!

Die Konturenschärfe bei allen diesen Ätzlösungen ist in erster Linie von der Ätzgeschwindigkeit abhängig. Je schneller der Kupferabtrag, umso besser die Konturenschärfe. Die Entsorgung aller verbrauchten Ätzlösungen muss über die Schadstoffsammelstellen erfolgen. Durch das in ihnen gelöste Kupfer sind diese Flüssigkeiten sehr giftig und dürfen in keinem Fall in die Kanalisation oder Natur gelangen!

[Bearbeiten] Ätzgeräte
  • Sprühätzanlagen Liefern die besten Ätzergebnisse, sind aber bislang bei den Hobby-Elektronikern eher ungebräuchlich (zu teuer). Bei einer Sprühätzanlage wird die Ätzflüssigkeit (meistens Eisen(III)chlorid) auf die zu ätzende Platine gesprüht. Der Sprühdruck spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Es soll nur möglichst ständig frisches Ätzmittel herantransportiert werden, während gleichzeitig der Ätzschlamm und eventuell vorhandene Gasbläschen abgewaschen werden. Da die Ätzflüssigkeit vorwiegend senkrecht auf die Platine trifft, wirkt sie besonders in der Tiefe und ermöglicht das Ätzen feinster Strukturen. Die Firma Bungard entwickelte in den 60er Jahren ein geniales System, bei dem ein Kunststoffrohr, das mit Bohrungen versehen und auf einer Motorachse als Verlängerung montiert ist, rotiert. Am unteren Ende dieses Sprührohres befindet sich eine kurze Transportschnecke ähnlich einer Schiffsschraube mit überlappenden Blättern. Bei Rotation des Rohres wird mit Hilfe der Schnecke die Ätzflüssigkeit in das Rohr gedrückt und durch die Bohrungen auf die zu ätzende Platine geschleudert. Ein anderes System arbeitet mit einer säurefesten Pumpe, die von einem Motor mittels einer Magnetkupplung angetrieben wird. Es ist somit sichergestellt, dass die Metallteile des Motors nicht mit dem agressiven Ätzmittel in Berührung kommt. Die Flüssigkeit wird über Düsen auf die Platine gesprüht.
  • Schaumätzanlagen Waren für den Hobby-Elektroniker eher ungebräuchlich (zu teuer). Inzwischen sind mehr oder weniger gut funktionierende Anlagen für den Hobby-Bedarf erhältlich. Professionell aufgebaute Schaumätzanlagen besitzen einen waagerecht angeordneten Ausströmer (poröses Rohr) der über den gesamten Arbeitsbereich reicht. Er liegt in der Ätzflüssigkeit ein paar Zentimeter unter dem Flüssigkeitsspiegel (Eisen(III)chlorid wegen der natürlichen Schaumbildung). Mit einer Membranpumpe wird durch Einblasen von Luft in diesen Ausströmer der benötigte Schaum erzeugt, der in einem darüberbefindlichen Schaumkanal nach oben steigt und über eine um ca. 30° geneigte Schräge wieder nach unten läuft. Auf dieser Schräge liegt in ca. 5mm Abstand die zu ätzende Platine. Der Schaumteppich fließt dadurch oberhalb und unterhalb der Platine durch und es werden somit auch doppelseitige Platinen geätzt. Ein Selbstbau aus Hart-PVC und Acryl ist möglich.
  • Küvettenätzanlagen Relativ preiswert zu kaufen, können aber auch leicht aus Glas oder Plexiglas selbstgebaut werden. Küvettenätzanlagen bestehen aus der Küvette (ein schmales, hohes, durchsichtiges Gefäß) selbst, der Halterung für die zu ätzende Platine, einer Heizung und einer Luftpumpe mit einem Blasenschlauch zum Durchmischen des Ätzmittels. Die Küvette sollte einige Zentimeter höher als der höchste geplante Ätzmittelstand sein. Dies verhindert, dass das durch die Luftblasen aufgewirbelte Ätzmittel aus der Küvette herausspritzt. Ein Deckel als zusätzlicher Spritzschutz sollte möglichst auch vorhanden sein. Die Membranpumpe muss über dem Flüssigkeitsspiegel angeordnet werden, damit keine Flüssigkeit in sie gelangen kann. Bei selbstgebauten Anlagen wird für die Heizung üblicherweise eine Aquariumheizung verwendet. Nicht alle Heizungen sind geeignet, da die besseren eine Temperaturbegrenzung nach oben besitzen. Fische mögen keine 50°C. Für den Blasenschlauch wird eine Aquarium-Luftpumpe, die einen perforierten Schlauch am Boden der Küvette versorgt, benutzt. Die Küvette ist üblicherweise schmal gehalten, um die erforderliche Ätzmittelmenge klein zu halten und damit auch die Aufheizzeit. Falls man es in Kauf nimmt, mehr Ätzmittel benutzen zu müssen, kann man auch andere hohe Kunststoffbehälter zum Ätzen benutzen. Eine Kunststoffdose zum Aufbewahren von Nudeln ist schon benutzt worden. Die Flüssigkeit kann in der Anlage verbleiben, wenn man den Luftschlauch an der Küvette abzieht, so dass sich die Anlage über diesen nicht versehentlich entleeren kann.
  • Schalenätzanlagen Dies ist die einfachste und wahrscheinlich billigste Einstiegsanlage. Für die einfachste Anlage braucht man nicht mehr als eine Glas- oder Kunststoffschale mit nicht zu flachem Rand. In diese wird das Ätzmittel eingefüllt und dann unter periodischem Rütteln der Schale die Platine geätzt. Das Rütteln soll zum einen die sich bildenden Gasbläschen von der Platine lösen, und zum anderen eine gleichmäßige Verteilung der Ätzlösung bewirken. Je nach verwendetem Ätzmittel sollte man die Schale auf ein Heizelement stellen. Hierzu eignen sich entweder fertige Heizfolien oder eine Metallplatte, auf deren Rückseite man Widerstände oder Transistoren als Wärmequelle schraubt. Je dicker die Metallplatte ist, umso gleichmäßiger ist die Wärmeverteilung über die Platte. Falls einem das Rütteln auf die Dauer zu viel wird, kann man die Schale auch motorisch bewegen. Mir sind zwei Verfahren dazu bekannt. Bei dem einen wird die Heizplatte auf Rollen durch einen Motor hin und her gefahren. Dabei ist die Geschwindigkeit so einzustellen das sich eine Welle bildet die von einer Seite zur anderen wandert. Die zweite Möglichkeit ist die Platte mit einem Kippgelenk zu versehen, und eine Seite auf und ab zu bewegen. Auch hier ist auf die Bildung der Welle zu achten. Bei beiden Methoden braucht man gerade genug Ätzmittel, um die Platine zu bedecken. Beim Ätzen mit Eisen-III-Chlorid ist es eine gute Idee die Platine mit der Kupferseite nach unten in das Eisen-III-Chlorid-Bad zu legen. Dabei ist dafür zu sorgen, dass die Platine nicht auf dem Boden der Ätzschale aufliegt. Bei einseitigen Platinen kann dazu auf der Rückseite ein kleiner Griff aus Klebeband (Tixo, Tesa,...) angebracht werden. Vor allem bei geringer Bewegung geht es viel schneller und exakter, weil sich der entstehende Schlamm des gelösten Kupfers nicht auf der Platine sondern am Boden der Schale absetzt.
Selbstgebaute Schalenätzanlage (Aufsicht)
Selbstgebaute Schalenätzanlage (Seitenansicht, Blick in die geöffnete Maschine)
Küvettenätzmaschine
Zwei Boards in Ätzflüssigkeit, eins neu, eins angeätzt
Zwei Boards in Ätzflüssigkeit, eins fertig, eins partiell geätzt
Zwei Boards fertig geätzt, bereit zum Bohren


[Bearbeiten] Löcher bohren

Für das Bohren der Löcher sollte man eine Ständerbohrmaschine verwenden und die Platine sauber einspannen. Der beim Bohren von FR4 nötige Hartmetallbohrer bricht beim Verkanten sehr leicht. Fertige Bohrungen sollte man von der Rückseite mit einem etwas größeren Bohrer entgraten.

Ständerbohrmaschine mit Absaugadapter

Teilweise gebohrte Platine

Rückseite einer teilweise gebohrten Platine

Rückseite einer teilweise gebohrten Platine nach dem Entfernen des Bohrgrates

[Bearbeiten] Konturfräsen / Isolationsfräsen

Wird vom Amateur / Hobbyisten nicht besonders häufig verwendet, da fertig gekaufte Anlagen ziemlich teuer sind. Es gab aber Bauanleitungen in Zeitschriften, auch im Internet sind Bauanleitungen zu finden. Beim Konturfräsen wird das überflüssige Kupfer der Platine durch einen Fräser entfernt. Hierbei gibt es zwei Methoden:

  1. Alles überflüssige Kupfer wird entfernt.
  2. Nur die Konturen der Leiterbahnen werden entfernt.
  3. Nur das minimale Kupfer zwischen Leitern und / oder Pads wird entfernt (Voronoi-Pfade )

[Bearbeiten] Layout entwerfen

Beim Layout für das Konturfräsen ist ebenso vorzugehen wie bei geätzten Platinen. Für Leiterbahnbreiten gibt es keine besonderen Einschränkungen, der Leiterbahnabstand ist durch den Fräserdurchmesser nach unten begrenzt.

[Bearbeiten] Daten konvertieren

Hierbei wird das Leiterbahnbild in Steuerbefehle für die Fräsmaschine umgesetzt. PCBMill Web Utilities können für die Umwandlung eingesetzt werden. Einige kommerzielle ECAD-Systeme haben passende Konverter.

[Bearbeiten] Platine fräsen

Hierbei wird ein spezieller Fräser eingesetzt, da Fräsungen auch in der Mitte der Platine beginnen können. Dieser Fräser besitzt nur eine geringe Standzeit bei Verarbeitung von Epoxydharzmaterial und dadurch verteuert sich die Herstellung erheblich.

[Bearbeiten] Löcher bohren

Die Löcher werden hier üblicherweise nach einen Werkzeugwechsel auch durch die Fräsmaschine gebohrt.

[Bearbeiten] Was bleibt noch zu tun?

Wenn die Platine nicht sofort verarbeitet wird, muß das Kupfer der Platine vor Oxidation geschützt werden. Dazu kann die Platine entweder verzinnt werden oder mit einen lötbaren Schutzlack überzogen werden. Dies ist auch dann empfehlenswert wenn die Platine sofort verarbeitet wird, da die Platine dann besser vor Korrosion auf Grund von Umgebungseinflüssen geschützt ist. Verzinnen kann man entweder durch Heißverzinnen (siehe Links) oder in einem chemischen Bad.

Schnell die Bauelemente auflöten und die Funktion der ersehnten Schaltung testen!

[Bearbeiten] Weblinks

[Bearbeiten] Schaltplaneditoren und Layoutprogramme

[Bearbeiten] Freie Software

  • FreePCB Freies Layoutprogramm für Windows. Bis zu 16 Kupferlagen, maximale Platinengröße 60 x 60 Zoll (152 x 152 cm). Versteht TinyCAD Netzlisten, KiCad und SwitcherCAD Netzlisten können konvertiert werden.
  • KiCad ECAD System für Linux, MacOS X and Windows (XP oder 2000). Bis zu 16 Kupferlagen.
  • TinyCAD Freier Schaltplaneditor für Windows.
  • gEDA ECAD System für Linux und andere Posix Systeme.
  • pcb Layout System für Linux und andere Posix oder BSD Systeme. Erzeugt RS-274-X (Extended Gerbe) und Excellon NC-Drill Dateien.

[Bearbeiten] Kommerzielle Software mit kostenloser Version

  • EAGLE Layout Editor Schaltplan-, Layout- und Package-Editor. Kommerziell, mit kostenloser Version (Einschränkungen)
  • DipTrace Professionelles, einfach zu bedienendes Layoutprogramm für Windows. Kommerziell, Non-Profit License $125, kostenlose Version maximal 250 Pins.
  • SwitcherCAD Schaltungssimulator für Windows, kann für die Netzlistenerzeugung für FreePCB benutzt werden.

[Bearbeiten] Kommerzielle Software

[Bearbeiten] UV Belichter zum Selberbauen

[Bearbeiten] Ätzanlagen

[Bearbeiten] Selbstbau Schaumätzanlagen

[Bearbeiten] Kommerzielle Schaumätzanlagen

[Bearbeiten] Selbstbau Küvettenätzanlagen

[Bearbeiten] Kommerzielle Küvettenätzanlagen

[Bearbeiten] Konturfräsmaschinen

  • PCB Router Beschreibung in englischer Sprache einer selbstgebauten Konturfräsmaschine.

[Bearbeiten] Platinen herstellen

  • Infolexikon.de - Anleitung zum Platinen herstellen mit Fotopositiv-Verfahren und Ätzen, mit Video
  • ZottelJedi - Eine recht ausfühliche Anleitung zum Platinen selber herstellen (mit Fotopositiv-Verfahren)
  • thomaspfeifer.net Ausführliche Anleitung zum Platinen herstellen mit der Tonertransfer-Methode (mit Bildern und Video)

[Bearbeiten] Heißverzinnen mit Hobbymitteln

[Bearbeiten] Interessante Linksammlungen zum Thema

  • Open Collector Open Collector enthält Verzeichnisse und Neuigkeiten zu freier EDA Software und freien Schaltungen
  • ECAD LIST ist eine Auflistung von über 60 ECAD Werkzeugen mit dem Schwerpunkt Amateur / Hobbyanwender.
Von „http://de.wikibooks.org/wiki/Platinen_selber_herstellen“
Persönliche Werkzeuge