Platinen selber herstellen

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Dieses Buch steht im Regal Elektrotechnik.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort[Bearbeiten]

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.

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

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.

Gängige Basismaterialien[Bearbeiten]

  • 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).

FR steht für „flame retardant“ (dt. flammenhemmend). 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 oz copper“ bezeichnet. Der Ursprung liegt darin, dass ein Quadratfuß (304,8 × 304,8mm) der Kupferauflage eine Unze wiegt (28,35g). Das Material mit 70μm Kupferauflage heißt aus dem gleichen Grund auch „2 oz copper“. Innenlagen bei Multilayerplatinen sind oft dünner als 35μm, dies spielt für den Hobbyelektroniker nur dann eine Rolle, wenn er seine Platinen herstellen lässt. Das Einheitenzeichen „oz“ stammt von italienisch onza und das von lateinisch Uncia, ein Zwölftel.

Handverdrahtung[Bearbeiten]

Trägerplatine[Bearbeiten]

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 tausendstel Zoll = 25,4 mm / 1000 = 25,4 μm ).

Lochrasterplatinen
bestehen normalerweise aus FR-2 oder FR-4 und haben keine zusätzliche Kupferauflage. An einer Schmalseite 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 der Platine für Stecker.
Streifenleiterplatinen
haben auf einer Seite durch Kupferstreifen verbundene Bohrungen die parallel zur längeren Platinenseite verlaufen. Diese Streifen gehen entweder über die ganze Länge der Platine, oder sind als kurze jeweils 3 Bohrungen verbindende Streifen ausgeführt. 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 können in der Linkliste am Ende des Buches gefunden werden
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 mit Bauteilanschlüssen entstehen kann. Diese Kupferfläche wird normalerweise zur Abschirmung auf Massepotential gelegt.

Verdrahtungsmethoden[Bearbeiten]

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.
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 ICs 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.

Kupferkaschierte Platinen[Bearbeiten]

Zuschneiden[Bearbeiten]

Epoxidmaterial kann mit der Schlagschere, Hebelschere, Stichsäge, Kreissäge, elektrischem Fliesenschneider, feine Eisensäge 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. Glasfaserhaltige Stäube sind gesundheitsschädlich, Absaugung mit speziellen Filtern ist notwendig. Das Tragen einer Atemmaske ist grundsätzlich zu empfehlen, da das Einatmen von Feinstäuben generell nicht als gesundheitsfördernd angesehen werden kann. Beidseitiges mehrfaches Anritzen mit einem Teppichmesser und anschließendem Brechen geht auch recht gut.

Hartpapier kann mit einer geeigneten Hebelschere geschnitten werden. Um ein Einreißen der Schnittkanten zu verhindern, muß es auf ca. 60°C erwärmt werden. Am einfachsten läßt sich Pertinax trennen, wenn man es mit einem Teppichmesser oder einer Reißnadel einritzt und anschließend bricht.

Nach dem Zuschneiden müssen die Kanten des Platinenmaterials mit Schleifpapier oder einer Feile geglättet werden, um eine Beschädigung des Layoutfilmes zu verhindern.

Ätzen[Bearbeiten]

Umgang mit Chemikalien[Bearbeiten]

  • 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 anlegt, diese füllen sonst ungenutzten Platz auf der Platine aus und stören, sofern sie tatsächlich mit Masse verbunden sind, nicht - im Gegenteil: Masseflächen sind auch aus elektrischen Gründen sinnvoll.
    Entwicklerchemikalie ist in etwas größeren Mengen zwar billig, kann aber auch mehrmals verwendet werden. Die Lösung muss aber unbedingt luftdicht verschlossen werden, am besten in, bis zum oberen Flaschenrand befüllten Chemikalienbehältern, 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.

Maskierungsverfahren[Bearbeiten]

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 / Filzstift 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 Altväterzeit wurden die Masken aus Anreibeelementen (z. B. Lötauge, Leiterbahn geradeaus, Leiterbahn gebogen) oder Klebeelementen aus schwarzem Krepppapier auf eine Folie aufgerubbelt bzw. aufgeklebt. Heute wird diese Maske üblicherweise mit einem Computer und einem Layoutprogramm erzeugt und anschließend ausgedruckt.
    • Das Fotopositiv-Verfahren Beim Fotopositiv-Lack werden durch die Belichtung mit UV-nahem Licht Verbindungen im Lack aufgebrochen, so dass er sich an den belichteten Stellen von der Platine durch den Entwickler abwaschen lässt. 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 vor allem staubfrei, so dass man weniger Schwierigkeiten beim Belichten und Entwickeln hat. Beim Fotopositiv-Verfahren kann die Ätzmaske nach dem Ätzen durch nochmaliges Belichten und anschließendes Entwickeln entfernt werden.
    • Das Fotonegativ-Verfahren Beim Fotonegativ-Lack härten durch die UV-Licht-Bestrahlung die belichteten Stellen der Platine aus. Die nicht belichteten Stellen können beim anschließenden Entwickeln abgewaschen werden. Die Maske muss daher ein Negativ der endgültigen Platine sein, damit die Leiterbahnen stehen bleiben. Nach dem Ätzen muss der Lack mit einem speziellen Stripper entfernt werden. Da Fotonegativ-Material im Handel für den Amateur kaum zu finden ist, wird es hier nicht weiter betrachtet.
  • 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.

Layout entwerfen[Bearbeiten]

Das Platinen-Layout wird heute i.d.R. mit dem Computer und einem Layoutprogramm erzeugt. Falls man dafür kein Geld ausgeben möchte, gibt es einige freie Programme, die ausreichend gut funktionieren. Für Microsoft Windows kann man z. B. 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 von Linear Technologies, das von der Homepage des Herstellers 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. Zu beachten ist auch die OpenSource-Software gEDA, die dafür mehrere Programme bereitstellt.

Das Platinen-Layout mit einem Layoutprogramm zu erstellen, macht selbst dann Sinn, wenn die Maske hinterher von Hand gezeichnet werden soll. Das 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 oft 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

Belichtungsvorlage erstellen[Bearbeiten]

Für alle vorgestellten Verfahren gilt: Schichtseite nach unten. Das bedeutet, dass die gedruckten, geklebten oder gezeichneten Leiterbahnzüge und Lötaugen direkt auf die lichtempfindliche Schicht der Leiterplatte zu liegen kommen müssen. Der Grund hierfür liegt darin, dass das UV-Licht an dem Trägermaterial der Belichtungsvorlage (Film/Papier) gebeugt wird und Unterstrahlungen verursacht. Dies führt zu dünneren Leiterbahnen, als gewünscht - im schlimmsten Fall zum völligen Verschwinden von feinen Leiterbahnen oder viel zu kleinen Restringen bei Lötaugen. Ein kurzer Schriftzug im Layout, der auf der geätzten Platine seitenrichtig zu lesen sein muss, verhindert Verwechslungen. Bei doppelseitigen Platinen sollte aus der Beschriftung erkennbar sein, welche Seite Ober- oder Unterseite ist.

Druckausgabe für fotographische Verfahren[Bearbeiten]

1. Ausgabe mittels Laser- und Tintenstrahldrucker.

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 einen möglichst engen Kontakt mit der Fotoschicht bekommt, da beim gespiegelten Ausdruck 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 (Unterstrahlungen). Eine Papierdicke macht bei feinen Leiterbahnen schon einen Unterschied. Da die meisten Layout-Programme die Platine aus der Perspektive von oben, auf die Bestückungsseite gesehen, darstellen, ist die Unterseite im Layout-Programm bereits spiegelverkehrt. Das bedeutet, dass die Unterseite („Lötseite“) seitenrichtig gedruckt werden muss. Nur wenn man eine doppelseitige Platine herstellt, muss die Oberseite („Bestückungsseite“) spiegelverkehrt gedruckt werden. 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 deckungsgleich drucken können. Falls man einen Laserdrucker mit Universalpapier verwendet, sollte es möglichst wenig optische Aufheller („Weißmacher“) enthalten, da sie UV-Licht absorbieren und wieder emittieren. Diese Lichtanteile gelangen somit nicht an die Fotoschicht. Der Ausdruck muss anschließend transparent gemacht werden, um eine bessere Lichtdurchlässigkeit an den nichtbedruckten Stellen zu erreichen. Dazu kann Öl, z. B. Babyöl, oder ein spezielles Spray verwendet werden. Bei Verwendung von Tintenstrahldruckern führt solch eine Behandlung der Ausdrucke üblicherweise zu verschmierten Vorlagen. Das Transparent-Spray hat den Nachteil, dass es bei Zimmertemperatur bereits innerhalb von ca. 20min verdunstet. Die Wärme der Belichtungsquelle beschleunigt den Vorgang noch. Vor dem Entwickeln müssen die Spray- oder Ölreste von der Platine gewaschen werden. Gegenüber richtigem Transparentpapier z. B. für technische Tuschezeichnungen ist bei diesem transparent gemachtem Papier die Dämpfung des Lichtes größer und der Kontrast der Vorlage sinkt. Bei Laserdruckern sollte man extra schwarzen Toner (Ultrablack) verwenden, wenn er für den verwendeten Druckertyp erhältlich ist. Viele Toner lassen sich nach dem Ausdruck durch sogenannte Tonerverdichter nachbehandeln, womit durch Anlösen und Verschmelzen der Tonerpartikel eine größere Lichtdichte erreicht wird. Zum Abschluss sollte der Druck gegen eine helle Lichtquelle (Fenster, Lampe oder Leuchttisch) auf Fehler geprüft werden. Ein feiner „Sternenhimmel“ (kleine Löcher in den geschwärtzten Flächen) ist unkritisch, feine Risse oder Löcher in Leiterbahnen sollten mit einem gut deckenden Tuschestift korrigiert werden.

2. Ausgabe mittels Filmbelichter

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. Alle Repro-Studios verarbeiten auch Grafikdateien. Der Preis eines DIN A4 Films liegt bei etwa 20 Euro.
Manuelle Vorlagenerstellung[Bearbeiten]

Zum Erstellen einer belichtungsfähigen Vorlage kann man sich auch manueller Methoden ohne Computernutzung bedienen.

  1. Zeichnen mit ätzfester Tusche und Schablonen direkt auf die kupferbeschichte Platine: Mit geeigneten Filzstiften z. B. der Fa. EDDING oder DALO (Hersteller DYKEM, ITW Professional Brands, Olathe, USA) Vertrieb in DL durch Fa. SENO, werden nach Reinigung der Platine die Leitungszüge direkt auf die Kupferbeschichtung gezeichnet. In früheren Zeiten kamen auch Trichterfedern und wasserfeste Tinte 32 von Fa. PELIKAN zum Einsatz. Die Fa. Staedler liefert unter der Bezeichnung „Lumocolor permanent (wasserfest)“ einen geeigneten Faserstift sowie Nachfülltinte. Auch die Fa. ROTRING hatte mal folienanlösende Filzstifte mit ätzfester Tinte im Programm. Da die Zusammensetzung der Tinten und Tuschen immer mal wieder vom Hersteller geändert werden, kann sich die Eignung für Ätzzwecke ebenfalls verändern. Deshalb werden hier keine genauen Typenangaben gemacht. Die Bezeichnungen „Folienanlösend“, „permanent“ und „wasserfest“ deuten auf eine geeignete Tinte hin. Im englischen Sprachraum heißen die Stifte „etching resist pen“. Bitte in Prospekten des jeweiligen Herstellers nachlesen, oder im Internet recherchieren. Die Deckkraft und die Beständigkeit in angewärmter Ätzlösung muss man testen, da die Aussagen dazu im Internet nicht immer verlässlich sind. Nach Trocknen der Leiterzüge kann die Platine direkt geätzt werden.
  2. Zeichnen mit Tusche auf Transparentpapier: Hierbei wird das Leiterbahnenbild mit geeigneten Zeichenschablonen, schwarzer Zeichentusche und Tuschefüllern auf eine transparente Folie spiegelverkehrt gezeichnet. Anschließend wurde mit dieser Vorlage die Platine belichtet.
  3. Kleben von vorgefertigten Symbolen auf Transparentfolie: Mit Hilfe von vorgefertigten Symbolen wie Lötaugen, Lötaugengruppen (für ICs, Transistoren, Steckverbinder etc.) und unterschiedlich breiten Bändern, allesamt aus schwarzem, selbstklebendem Kreppmaterial gefertigt, kann man das Layout auf eine formstabile Klarsichtfolie aufkleben. Als Montagehilfe kann man eine untergelegte Rasterfolie verwenden oder das Layout gleich auf eine mit blauem Raster versehene Klarsichtfolie kleben. Blau deswegen, weil es für UV-Licht unsichtbar ist, so dass man keine Störungen im Belichtungsbild befürchten muss.
Drucken für das Direkt-Toner-Verfahren[Bearbeiten]

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 oder Katalogen erzielt (in Foren wird oft der Reichelt Katalog erwähnt). Hierbei ist es nebensächlich, dass die Seite schon bedruckt ist, da für die Maskierung beim Ätzen nur der Toner zuständig ist. Falls man die Wahl hat, sollte ein Toner mit möglichst kleiner Partikelgröße verwendet werden (Ultrablack). 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, kann man versuchen, dies mit einem ätzresistenten Stift zu reparieren, ansonsten muss der Toner von der Platine gestrippt werden und mit einem neuen Druck von Neuem begonnen werden.

Maske Aufbringen[Bearbeiten]

Fotopositiv Verfahren[Bearbeiten]

Platine belichten

Zum Belichten von fotopositiv arbeitendem Leiterplattenmaterial 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 umso unkritischer, je weniger „UV“-Licht die abgedeckten Flächen 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 Laserdruckerfolien sind meistens größere schwarze Flächen weniger satt mit Toner bedeckt. Man kann den Ausdruck eventuell noch mit Tonerverdichter (Sprühmittel) nachbehandeln. Der Verdichter besteht aus Lösungsmittel z.B. Azeton und löst die Tonerpartikel an, so dass sie sich besser miteinander verbinden und sich eine homogenere Tonerschicht bildet. Dies funktioniert nicht bei jedem Toner. Mögliche Lichtquellen für die Belichtung sind Nitraphot-Lampen (werden sehr heiß und haben eine nur sehr kurze Lebensdauer), UV-Leuchtstofflampen Lichtfarbe 05 bzw. 08, 09 (nicht Schwarzlicht-Röhren), Höhensonnen / Gesichtsbräuner, Hochdruck-Ultraviolettstrahler 300W, Halogenstrahler und UV-Leuchtdioden. Baustrahler mit Halogenbrennern haben heute üblicherweise ein UV-Filter im Brennerglas eingebracht, so dass sie nicht mehr für die Belichtung geeignet sind. Sie erzeugen zuviel Wärme bei zu langer Belichtungszeit. Es ist auf eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung zu achten. Die Maske sollte zwischen einer Glasplatte und der Platine liegen, damit der Layout-Film guten Kontakt mit der Fotoschicht hat. Die Glasplatte kann aus Quarz- oder Plexiglas bestehen, da diese eine niedrigere Durchgangsdämpfung für UV-Licht haben. Quarzglas ist teuer und auch nicht jedes Plexiglas besitzt eine hohe Durchlässigkeit für das benötigte Lichtspektrum, außerdem kann es sich mit der Zeit eintrüben. Testen lässt sich die UV-Durchlässigkeit z. B. mit Briefmarken oder Geldscheinen, die ein UV-Wasserzeichen besitzen. Wird mit einem offenen Belichtungssystem gearbeitet, sollte unbedingt eine geeignete UV-Schutzbrille getragen werden (UV-LED erfordern eine andere Brille als Leuchtstoffröhren). Die optimale Belichtungszeit lässt sich durch eine Belichtungsreihe ermitteln. Bei doppelseitig zu belichtender Platine kann aus den beiden Filmen eine Tasche zusammengefügt werden, in die dann die zu belichtende Platine geschoben und mit Klebestreifen fixiert wird. Eine weitere Möglichkeit, beide Seiten zur Deckung zu bringen ist, vor dem Belichten bereits Löcher in zwei möglichst weit auseinanderliegende Lötaugen zu bohren und die Vorlage dann an diesen auszurichten und zu fixieren.

Zum Belichten von fotobeschichteten Leiterplatten gehört auch immer die richtige Belichtungszeit, die man mit Hilfe einer Belichtungsreihe ermitteln kann.


  • Die Belichtungsreihe

Zuerst einmal einige Sätze zum besseren Verständnis:

Wenn man einen älteren Fotoapparat mit manueller Verschlusszeit- und Blendeneinstellung besitzt, so kann man ablesen, dass folgende oder ähnliche Zeiteinstellungen möglich sind: 1/8, 1/15, 1/30, 1/60, 1/125, 1/250, 1/500 Sekunde. Es ist unschwer zu erkennen, dass die Werte um den Faktor 2 steigen. Von Einstellwert zu Einstellwert findet eine Verdopplung oder Halbierung statt. Es handelt sich hier um eine logarithmische Stufung. Von einer Sekunde ausgehend, lautet eine entsprechende Zeitreihe zur Leiterplattenbelichtung 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048 Sekunden usw.. Wobei die ersten kurzen Zeiten sicherlich für die Belichtung von Platinenmaterial entfallen können. Will man halbe Zeitstufen berücksichtigen, so muss die Steigung um den Faktor Quadratwurzel aus 2 = 1,414 erfolgen. Die Reihe lautet dann: 1, 1,4, 2, 2,8, 4, 5,6, 8, 11, 16, 22, 32, 44, 64, 88, 128, 176, 256 Sekunden usw.. Eine Verdopplung des vorletzten Wertes ergibt jeweils den folgenden, also der 1. Wert verdoppelt ergibt den 3., oder der 2. Wert den 4. usw.. Die Auswirkung auf den Fotolack ist dieselbe, ob man die Belichtungszeit von 2 auf 4 Sekunden oder von 32 auf 64 Sekunden verdoppelt. Bei einem Film ergäbe sich jeweils dieselbe Zunahme der Schwärzung. Braucht man eine noch feinere Stufung z. B. ¼ Schrittweite nimmt man anstelle des Faktors 1,414 den Faktor 1,189. Bei gröberer Stufung als Faktor 2, kann man auch mit 4 multiplizieren. Würde man immer für jeden Abschnitt die selbe Zeit z. B. 10s verwenden, wie es oft vorgeschlagen und praktiziert wird, gäbe es bei 10 Streifen vom ersten zum zweiten eine Verdopplung der Belichtungszeit und beim neunten zum zehnten nur noch eine 10%ige Verlängerung. Die Einwirkzeit des Lichts auf die Fotoschicht nimmt also stetig ab und erschwert dadurch die Ermittlung der korrekten Zeit.

Empfohlene Vorgehensweise:

Man schneidet sich einen schmalen, 2 - 3cm breiten und ca. 10cm langen Platinenstreifen zu und bringt am Rand zur Orientierung im Abstand von etwa einem Zentimeter Markierungen an. Dieser Schritt kann entfallen, wenn man einen Testlayoutfilm mit markierten Zeitstufen verwendet. Nach Entfernen der Schutzfolie, bei gedämpften Licht, wird auf der Fotoschicht der Platine mit Klebestreifen der ausgedruckte Layout-Film seitenrichtig befestigt, so dass er beim Belichten nicht verrutschen kann. Zusätzlich legt man sich eine schwarze, lichtundurchlässige Pappe zurecht, mit der man die zu belichtende Platine abdecken kann. Die Platine wird mit einer geeigneten (siehe oben) Lichtquelle auf der gesamten Fläche ohne Abdeckung mit der kürzesten Zeit von z. B. 32s belichtet. Nun wird der erste kleine, vorher markierte, Abschnitt abgedeckt und noch einmal mit der selben Zeit von 32s belichtet. Die schwarze Pappe wird eine Markierung weitergeschoben, so dass jetzt die beiden ersten Abschnitte bedeckt sind und mit der nächsten Zeitstufe von 64s belichtet. Wieder wird die Pappe weitergeschoben, dass nun drei Abschnitte zugedeckt sind und mit 128s belichtet usw..

Belichtungsstand nach diesen vier Schritten:

der 1. Abschnitt hat eine Belichtung von 32s erhalten,

der 2. Abschnitt erhielt eine Belichtung von 32s + 32s = 64s,

der 3. Abschnitt erhielt eine Belichtung von 32s + 32s + 64s = 128s,

der 4. Abschnitt und der Rest der Platine erhielt die Belichtung 32s + 32s + 64s + 128s = 256s.

So fährt man fort, bis alle Abschnitte belichtet sind und die Platine entwickelt werden kann.

Wichtig! Bei Leuchtstofflampenbelichtern müssen die Röhren mindestens drei Minuten vorgeheizt werden. Die Verweilzeit im Entwickler, dessen Temperatur und Konzentration muss immer gleich sein. Für erste Versuche empfiehlt es sich, die Entwicklerlösung frisch anzusetzen. Eine ständige Bewegung des Entwicklers und höhere Badtemperatur beschleunigt den Entwickelvorgang. Bei Temperaturen um 20°C sollte nach einer Minute die Entwicklung abgeschlossen sein. Macht der Hersteller des Fotolacks bzw. der beschichteten Leiterplatte andere Angaben, so sind diese zu berücksichtigen. Nur, wenn man immer die selben Bedingungen für die Belichtung und Entwicklung herstellt, bekommt man vergleichbare Ergebnisse.

Zu beachten ist, dass zu Beginn der Belichtungsreihe mit der ersten, niedrigsten Zeitstufe zweimal belichtet werden muss! Erst ab der dritten Belichtung wird mit der Erhöhung um einen festgelegten Faktor, z. B. 2, begonnen.


Platine entwickeln

Zum Entwickeln wird entweder Positiv-Entwickler oder Ätznatron (Natriumhydroxid, NaOH) verwendet. NaOH ist stark hygroskophisch (wasseranziehend). Das Aufbewahrungsbehältnis muss also nach der Entnahme der erforderlichen Chemikalienmenge immer gleich wieder fest verschlossen werden, da der Inhalt sonst sehr schnell zusammenklumpt! Als Dosierungshilfe läßt sich ein Kaffeedosierlöffel für 6-7g Kaffee umfunktionieren. Beim Positiv-Entwickler folgt man den Anweisungen des Herstellers zum Ansatz der Lösung. Bei Ätznatron werden 7 bis maximal 15 Gramm in einem Liter Wasser aufgelöst. Das Wasser sollte eine Temperatur von etwa 20 bis 25 Grad Celsius haben. Bei höheren Wassertemperaturen ist die Reaktion mit dem NaOH sehr heftig und die Lösung kann zu aggressiv werden. Es ist darauf zu achten, dass das Ätznatron vollständig aufgelöst ist, damit auf der Platine keine Stellen mit höherer Konzentration entstehen. Es gibt fotobeschichtetes Platinenmaterial auf dem Markt, bei dem eine Ätznatronkonzentration von unter 10g pro Liter nur sehr schwache Wirkung zeigt. Herstellerangaben beachten. Zum Entwickeln wird die belichtete Platine in eine 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 Konzentration der Entwicklerlösung und der Belichtungszeit wird 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. Im Gegensatz zur Ätzlösung ist der angesetzte Entwickler nur sehr begrenzt lagerfähig, da er mit dem Kohlendioxid in der Luft reagiert. Bereits nach wenigen Tagen lässt die Wirkung stark nach, so dass es sich empfiehlt, die Entwicklerlösung frisch anzusetzen, um immer gleiche Wirkung sicherzustellen. Allerdings reicht dann ein Ansatz von maximal 500ml, je nach Größe der Platine und der damit benötigten Entwicklerschale auch deutlich weniger. Bei Lagerung der gebrauchsfertigen Lösung sollte der Aufbewahrungsbehälter so dimensioniert sein, dass er gut gefüllt ist. Die Luft in nur teilweise gefüllten Behältern führt zur Zersetzung der Entwicklerlösung. Abhängig vom Hersteller des Fotolacks kann das Leiterbahnbild nach der Entwicklung dunkel violett oder rötlich messingfarben erscheinen, wobei der dunkle Abdecklack sich koplett ablöst.

Direkt-Toner-Verfahren[Bearbeiten]

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.

Für feines Routing (<16mil): Sehr preiswertes Laminiergerät modifizieren, Temperatur auf 200°C (LM358, 1N4148 als Fühler, 10A Relais) setzen. Da die ThermoSI bei 192°C das Gerät endgültig abschaltet, ausbauen (an dieser Stelle Relais anschließen) und das Gerät dann nur unter Aufsicht auf feuerfester Unterlage (Kacheln) benutzen. Grobes Routing (>50mil): zuerst Laminiergerät, vier bis 6 Durchläufe, dann richtig schweres Bügeleisen mit 120°C, ca. 5min., leichte Bewegung. Clearance bei Laminiergerät 8mil, beim Bügeleisen min 20mil. Ablösen des (am besten bewährten Reichelt- Katalog-) Papiers: noch heiße (<100°C) Platine mit Bad- Reiniger benetzen, also ganz wenig aussprühen und mit Finger verteilen, wenn zu wenig, nachsprühen. Das Papier auf der dann noch warmen Platine "massieren", abziehen; den Rest mit Finger und Wasser (gerne kalt) abrubbeln. Jetzt Platinchen unbedingt trocknen lassen: Papierreste werden weiß, nacharbeiten! (Spucke+ Finger) Gerade bei feinem Routing mit kleiner Clearance sind schon größere Fasern im Stande einen Kurzschluß zu erzeugen. Nach dem Ätzen Toner mit Aceton entfernen, durchmessen und, wenn i.O., mit Lotpaste (Klempnereibedarf) verzinnen. Reinigung des Basismaterials: Aceton. Selbst "buntes", angelaufenes Material, in unterschiedlichsten Farben, nimmt den Toner zuverlässig an, zur Not mit Scheuermilch (Marmormehl) versuchen, führt aber meist nur zur Verschlimmbesserung. Bei sorgfältiger Arbeit (und einiger Übung!!!) ist das Ergebnis nicht von professionell hergestellten Platinen zu unterscheiden. Der Vorteil dieser Methode sind Kosten und die extrem hohe Fehlertoleranz: Laminiergerät 10€, Kleinteile ≈ 3€, gebr. Laserdrucker 10€! Fehler: Aceton und neu aufbügeln/laminieren; gerade bei doppelseitigem Layout geht mal was daneben (Kontrolle: Bohrlöcher setzen, nach dem Laminieren mit einem Meßschieber gegen die Kanten messen, die Abstände oben und unten müssen gleich sein, sonst: Aceton und gleich noch mal ...)

Platine ätzen[Bearbeiten]

Ätzmittel[Bearbeiten]
  • 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. Das Ansetzen muss daher außerhalb der Ätzanlage erfolgen. Seit einiger Zeit verschwindet das Granulat vom Markt und wird durch eine 40%ige Lösung in Einliterflaschen ersetzt. Durch Zugabe von 450ml Wasser erhält man eine gebrauchsfertige 30%ige Lösung. Die Ätzlösung 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 geringen Salzsäureausgasungen. 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 Oxalsäure oder Kaliumoxalat (beides in höherer Konzentration giftig) entfernt werden können. Auch kommt es nach längerem Gebrauch und Sättigung der Ätzlösung zu Schlammbildung, die sich aber durch Zugabe von einer geringen Menge Salzsäure in die gebrauchte Lösung beseitigen lässt. Je höher die Ätztemperatur, um so schneller der Ätzvorgang, die Lösung darf höher erhitzt werden, so dass eher die Plastikbehälter ein Limit bei 60°C setzen. Allerdings wird bei Temperaturen über 40°C verstärkt Salzsäure ausgasen. Eine Ätzwirkung besteht auch schon bei Zimmertemperatur. Das Granulat wird oft in kleineren Mengen (500g) in verschweißten Kunststoffbeuteln verkauft. Diese Beutel sollte man zusätzlich in eine fest verschließbare Kunststoffdose legen. Bei längerer Lagerung kann es vorkommen, dass die Beutel undicht werden. Das Granulat zieht dann Wasser aus der Raumluft und verflüssigt sich. Sollte die Ätzlösung in einer Schaumätzanlage nicht genug schäumen, kann dem durch Zugabe einer geringen Menge ca. 20ml Bieres nachgeholfen werden.
    • Konzentration: ca. 800g Granulat pro Liter Wasser ergeben 1,4l gebrauchsfertige, 33%ige Lösung.
    • Ätztemperatur: Von Raumtemperatur bis ca. 40°C.
    • Ätzgeschwindigkeit: einige Minuten bis zu 60 Minuten, je nach Temperatur und Sättigung der Lösung für 35μm Kupfer.
  • Ammoniumpersulfat Verarbeitung ähnlich wie bei Natriumpersulfat, für den Nicht-Profi auf Grund der Giftigkeit und der Kristallbildung nicht zu empfehlen.
  • Natriumpersulfat wird als weißes, kristallines Pulver verkauft (auch 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. Bei höheren Temperaturen über 50°C gast der Sauerstoff aus, so dass die Ätzwirkung verloren geht. Unterhalb von 30°C erfolgt kein nennenswerter Kupferabtrag. Die Ergiebigkeit ist eher gering. Aufgrund der Gasbildung, ist ein offener Behälter zur Aufbewahrung zu verwenden, damit der Druck entweichen kann. Kunststoffbehälter mit einem kleinem Loch im Verschlussdeckel reicht i.d.R. aus. 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, da es brandfördernt wirkt. Die Stäube dürfen nicht eingeatmet werden. Wenn es umgefüllt werden muss, wobei unweigerlich Staub aufwirbelt, sollte man dies im Freien erledigen. Sicherheitsdatenblatt beachten.

Zur Erhöhung der Ergiebigkeit und zur Verbesserung und Beschleunigung muß das Material sowohl von Lösung als auch von Luft umgeben sein: schmale Küvette (beheizbar) in der unten ein Luftausströmer- Schlauch ist (gibt es bei den Aquarien in der Zoohandlung. Nein, kein Stein, ein Schlauch muß es sein); Platine aufrecht rein, mit Abstand zur Wandung, damit sich eine Strömung ausbilden kann. Als Luftpumpe ist die kleinste Belüftungspumpe für Aquarien geeignet. Zeiten: bei 200g/l, 40°C, 1Liter Luft/min, 35µm CU: frisches Bad 7 min - gebrauchtes Bad 10 min - verbrauchtes Bad 20 min -, alle Werte mit starker Durchlüftung des Bades. Bei meinen ersten Versuchen habe ich das Ätzbad nur umgewälzt, die Zeit bei 40°C betrug dann 15 bis 18min. Selbst bei frischer Lösung ergab sich eine sehr geringe Ergiebigkeit. Mit Durchlüftung ist ein Bad erst bei kräftig tiefblauer Färbung verbraucht, ohne Durchlüftung ist ein hellblaues Bad schon inaktiv.

    • Konzentration: 200g pro Liter Wasser.
    • Ätztemperatur: 40 bis max. 50 Grad Celsius.
    • Ätzgeschwindigkeit: 10 bis 15 Minuten für 35μm Kupfer
  • Salzsäure und Wasserstoffperoxid
  • Kupfer-II-Chlorid 770ml Wasser wird mit 200ml 30%iges HCl und 30ml 30%iges Wasserstoffperoxid in Ansatz gebracht. Sehr problematisch wird der Ansatz bei falscher Dosierung, denn es entstehen bei Überdosierung gefährliche Aerosole. Durch heftige Reaktion werden Salzsäurepartikel aus der Lösung gerissen und verteilen sich in der Raumluft. Metalle im gesamten Arbeitsraum werden durch diese winzigen Partikel angegriffen. Gute Durchlüftung des Arbeitsraumes und Augenschutz ist zwingend erfoderlich! Besser noch ist eine Absaugvorrichtung oberhalb des Ätzbades.

Für Amateure ohne entsprechendes Fachwissen nicht geeignet. Bei frischem Ansatz der Lösung setzt die volle Ätzwirkung erst verzögert ein, dadurch kommt es sehr leicht zu Überdosierung durch den Anwender. 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). Als Prozesstemperatur empfiehlt sich 40-50°C. Ätzwirkung schon bei Zimmertemperatur. Die frisch angesetzte Ätzlösung wird nach relativ kurzer Ätzzeit hellblau und schlägt mit zunehmender Sättigung in einen dunklen Schleier um, wobei der Ätzvorgang ständig gut beobachtet werden kann. In diesem Stadium können tropfenweise Wasserstoffperoxid zugegeben werden, bis die Lösung wieder knapp durchscheinend wird. Die Lösung darf zur Aufbewahrung auf gar keinen Fall in fest verschlossenen Behältern gelagert werden, da sie permanent 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 Lagerung von Chemikalien muss unbedingt in geeigneten Behältern, also nicht in Lebensmittelverpackungen, erfolgen. Der Inhalt muss dauerhaft und unverwechselbar, auch mit Gefahrstoffsymbolen, gekennzeichnet sein. Entsprechende Etiketten lassen sich leicht mit dem Computer und Piktogrammen aus dem Internet gestalten. Der Aufbewahrungsort muss so gewählt werden, dass Kinder und Tiere nicht gefährdet werden. Die Entsorgung aller verbrauchter Ätzlösungen muss über die Schadstoffsammelstellen erfolgen. Durch das in ihnen gelöste Kupfer sind diese Flüssigkeiten sehr giftig und dürfen auf keinem Fall in die Kanalisation oder Natur gelangen! Dies ist auch bei Spülgängen nach dem Ätzen zu beachten!

Ätzgeräte[Bearbeiten]
  • 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. Die Bohrungen sind in mehreren Reihen in Längsrichtung versetzt angeordnet. 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 sind relativ preiswert zu kaufen, können aber auch leicht aus Glas oder Plexiglas selbst gebaut werden. Küvettenätzanlagen bestehen aus der Küvette (ein schmales, hohes, durchsichtiges Gefäß), 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. Es werden im Handel z. B. rechteckige Glasauflaufformen angeboten, die sich auch gut auf einer Warmhalteplatte erwärmen lassen. 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.

Löcher bohren[Bearbeiten]

Für das präzise Bohren der Löcher ist eine Ständerbohrmaschine zu verwenden, die man mit einer Bohrstellenbeleuchtung ausrüstet, z. B. an einem „Schwanenhals“ montiert, oder evtl. in Form einer LED-Ringleuchte, die auf den Bohrmaschinenhals geschoben wird. Auch eine Absaugvorrichtung ist sehr hilfreich, um den Bohrstaub von der Platine zu saugen oder zu blasen. Zum Bohren von Pertinax-Platinen sind HSS-Bohrer völlig ausreichend. Bei glasfaserverstärktem Platinenmaterial FR4 verlieren diese Bohrer dagegen schnell ihre Schärfe auf Grund der Härte des Materials und es kommt zu „Kraterbildung“ an den Bohrlöchern. Besser geeignet sind Hartmetallbohrer, die eine große Härte und Standzeit besitzen. Leider brechen diese Hartmetallbohrer beim Verkanten sehr leicht. Während HSS-Bohrer bei etwas ungenauer Platzierung in das geätzte Bohrloch laufen, tun das Hartmetallbohrer nicht. Die bohren genau dort, wo sie angesetzt wurden. Fertige Bohrungen kann man, wenn nötig, von der Rückseite durch Ansenken mit einem etwas größeren Bohrer entgraten. Diese Aufwerfungen entstehen durch stumpfe Bohrer. Qualitätsbohrer sind nicht für wenig Geld zu haben. Die Bohrerdrehzahl sollte mindestens 6000 U/min betragen.

Konturfräsen / Isolationsfräsen[Bearbeiten]

Beispiel einer gefrästen Platine

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 drei 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)

Layout entwerfen[Bearbeiten]

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.

Daten konvertieren[Bearbeiten]

Hierbei wird das Leiterbahnbild in Steuerbefehle für die Fräsmaschine umgesetzt. Die PCBMill Web Utilities können für die Umwandlung eingesetzt werden. Einige kommerzielle ECAD-Systeme wie zum Beispiel Eagle oder Target haben passende Konverter. Oft kann auch die CAM Software der Fräsmaschine Gerber Dateien importieren. Falls dies nicht der Fall ist kann die freie Software GCAM (Linux / Windows) RS274X (Gerber) und Excellon Files importieren und in GCode für die Fräsmaschine konvertieren. PCB to Gcode ist ein entsprechendes Linux Kommandozeilentool. MillPCBS.com ist ein englischsprachige Seite die sich mit dem Fräsen von Platinen beschäftigt. Weitere Software kann in der Linkliste am Ende gefunden werden.

Platine fräsen[Bearbeiten]

Hier wird ein Bohrnutenfräser eingesetzt, da Fräsungen auch in der Mitte der Platine beginnen können. Der Fräser besitzt bei Verarbeitung von Epoxydharzmaterial nur eine geringe Standzeit, was die Herstellung erheblich verteuert.

Löcher bohren[Bearbeiten]

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

Was bleibt noch zu tun?[Bearbeiten]

Vor der Weiterverarbeitung muss der Fotoresist-Lack mit Hilfe von Spiritus oder Aceton entfernt werden. Wenn die Platine nicht sofort verarbeitet wird, muß das Kupfer der Platine vor Oxidation geschützt werden. Dies kann durch den Fotoresist-Lack erfolgen, oder die Platine wird entweder verzinnt oder mit einen lötbaren Schutzlack überzogen. Dies ist auch dann empfehlenswert, wenn die Platine sofort verarbeitet wird, da die Platine dann besser vor Korrosion auf Grund von Umgebungseinflüssen geschützt ist.

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

Verzinnen[Bearbeiten]

Verzinnen kann man entweder in einem chemischen Bad oder durch Heißverzinnen.

Zum Verzinnen im Hobbybereich gibt es chemische Lösungen („Chemisch-Zinn“), in der die Platine für einige Zeit gelegt wird. Die so aufgebrachte Zinnschicht ist sehr glatt und besitzt eine Dicke im µm-Bereich. Aufgrund der geringen Schichtdicke ist die Oberfläche nicht langfristig stabil. (Siehe Links für selbstgemachtes Chemisch-Zinn)

Eine weitere einfache und kostengünstige Möglichkeit für den Heimgebrauch ist das Heißverzinnen mit „Fitting-Lot“. Dabei handelt es sich um ein Flussmittel für Kupferrohre zur Trinkwasserversorgung, das mit Zinn angereichert ist. Diese Fittinglötpaste erhält man in den meisten Baumärkten. Man streicht sie dünn mit einem Pinsel auf die fertige, gereinigte (fettfrei!, am besten Aceton benutzen) Platine und erhitzt diese dann mit einem Heißluftfön. Es empfiehlt sich, die Paste auf niedriger Stufe vorzuwärmen und dann ca. 20-30 Sekunden auf hoher Stufe zu erhitzen. Wichtig ist, dass die Paste nicht zu dick aufgetragen wird und nicht zu lange erhitzt wird, da sich sonst Zinn auch zwischen den Leiterbahnen absetzen kann und so Kurzschlüsse entstehen können. Nach dem Erhitzen kann die übrige Paste mit Wasser abgewaschen werden. (Da es für den Einsatz an Trinkwasserrohren vorgesehen ist, darf es unbedenklich ins Abwasser gelangen.) (Siehe Links für Webseiten mit genaueren Anleitungen zum Heißverzinnen )

Weblinks[Bearbeiten]

CAM-Software für Isolationsfräsen[Bearbeiten]

Allgemeine Info[Bearbeiten]

Freie Software[Bearbeiten]

Kommerzielle Software[Bearbeiten]

  • KCam Windows-Shareware (KellyWare)
  • CopperCAM Windows (Galaad)
  • CamBam • Windows • importiert Gerber, DXF Dateiformat und Excellon Bohrdateien

Entwicklungssoftware für Streifenleiterplatinen[Bearbeiten]

Freie Software[Bearbeiten]

Kommerzielle Software mit kostenloser Version[Bearbeiten]

Kommerzielle Software[Bearbeiten]

Schaltplaneditoren und Layoutprogramme[Bearbeiten]

Freie Software[Bearbeiten]

  • 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.
  • gEDA und PCB, ECAD-System für Linux und andere Posix-Systeme. Export nach PDF und Extended Gerber.
  • KiCad ECAD-System für Linux, MacOS X and Windows (XP oder 2000). Bis zu 16 Kupferlagen.
  • TinyCAD Freier Schaltplaneditor für Windows.
  • Fritzing Open Source-Layoutprogramm für Linux, OSX und Windows. Export nach SVG, PDF und Extended Gerber.

Kommerzielle Software mit kostenloser Version[Bearbeiten]

  • Target 3001! Platinen-CAD-Software aus Deutschland.
  • 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.
  • SCOOTER-PCB Einfaches Layout-Programm, leicht zu bedienen.

Kommerzielle Software[Bearbeiten]

UV Belichter zum Selberbauen[Bearbeiten]

Ätzanlagen[Bearbeiten]

Selbstbau Schaumätzanlagen[Bearbeiten]

Selbstbau Küvettenätzanlagen[Bearbeiten]

Konturfräsmaschinen[Bearbeiten]

Platinen herstellen[Bearbeiten]

  • Infolexikon.de - Anleitung zum Platinen herstellen mit Fotopositiv-Verfahren und Ätzen, mit Video
  • ZottelJedi - Eine recht ausfühliche Anleitung zum Platinen selbstherstellen (mit Fotopositiv-Verfahren)
  • thomaspfeifer.net Ausführliche Anleitung zum Platinenherstellen mit der Tonertransfer-Methode (mit Bildern und Video)
  • PIC-Projekte.de Detailierte Anleitung zum Herstellen von Leiterplatten (Ätzverfahren)
  • Homepage von Stefan Heesch Anleitung zur Herstellung von Platinen mit Video

Verzinnen mit Hobbymitteln[Bearbeiten]

Chemisch Zinn[Bearbeiten]

  • Chemisch Verzinnen eine Sammlung von Rezepturen zum Ansatz von chemischen Zinnbädern, wie sie zum stromlosen chemischen Verzinnen von Leiterplatten verwendet werden

Heißverzinnen[Bearbeiten]

Interessante Linksammlungen zum Thema[Bearbeiten]

  • 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 Schwerpunkt Amateur / Hobbyanwender.

Hinweis zum Buch[Bearbeiten]

90% fertig „Platinen selber herstellen“ ist nach Einschätzung seiner Autoren zu 90% fertig

Dieses Buch ist weitgehend fertig. Zusätzliche Informationen sind immer erwünscht. Bei Interesse schreibe dein Wissen gern ohne große Formatierungen hier hinein...

Betrifft die Direkt-Tonermethode:

  • Ausdruck auf Zeitenschriftenseiten, möglichst reiner Text z. B. der Spiegel geht sehr gut
  • Aufbügeln mit dem Bügeleisen (1700W, Stufe 3, ca. 45 - 115 Sekunden) und einem zwischengelegten Leinentuch, dass zwischendurch mehrmals aufgrund der Gewebestruktur gedreht wird
  • kurz abkühlen lassen (Verbrennungsgefahr) und dann das Papier vorsichtig und langsam abziehen, ohne es vorher einzuweichen, wenn dann immer noch Papier dranklebt, kurz mit dem Daumen unter fließendem lauwarmen Wasser abrubbeln

Bei entsprechender Übung, dauert die Prozedur 5-10 Minuten vom Ausdruck bis zur ätzbereiten Platine

Gruß Stefan

Ich habe die Erfahrung gemacht, das ein Belichter mit UV- LEDs wesentlich günstiger aufzubauen ist. 100 Stück erhält man bei EBay für ca. 10€. Wenn man davor 2-3 Lagen Backpapier hängt (ich habe weisses genommen), ist das Licht perfekt Diffus. Belichtungszeit ist bei mir exakt 6min.

Gruß Micha