Platinen ätzen

Platinen lassen sich für eigene Projekt in guter Qualität leicht selber herstellen. Hat man einmal ein  Platinenlayout fertiggestellt, d.h. die Leiterbahnstrukturen auf der Platine definiert, so kann man damit beliebig viele Leiterplatten erstellen. Hier möchte ich einmal vorstellen, welches Verfahren sich bei mir bewährt hat. Natürlich gibt es auch noch viele andere Möglichkeiten, um die eigenen Platinen zu erstellen.

Layouterstellung

Unter der Layouterstellung versteht man im Allgemeinen die Anordnung der einzelnen Bauteile auf der Platine und die Definition der Verbindungen zwischen den Bauteilen. Heute gibt es viele Programme, welche die Erstellung von Platinenlayouts unterstützen. Ich persönliche setze folgende Programme ein:

  • Sprint-Layout von der Firma Abacom
    Diese Programm eignet sich hervorragend, um auf die Schnelle ein Platinen-Layout zu erstellen. Die Erstellung des Platinen-Layouts funktioniert ohne die vorherige Eingabe eines Schaltplanes. Dafür muss man auf die Unterstützung eines Auto-Routers verzichten. Das fertige Layout kann man sich als Gerber-Datei ausgeben lassen oder auf eine Folie drucken.
     
  • Eagle
    Diese Programm hatte ich während meiner Diplom-Arbeit fürchten gelernt. Es ist sehr komplex und nicht einfach zu bedienen. Hat man sich aber erst einmal eingearbeitet, so kann man auf vielfältige Funktionen zugreifen. Unter Eagle müssen zunächst die zu verwendenden Bauteile definiert werden. Für die meisten Bauteile kann man dazu auf fertige Bibliotheken zugreifen. Anschliessend wird der Schaltplan eingegeben, dabei sind nicht nur die Bauteile, sondern auch die entsprechenden Steckverbindungen etc. zu berücksichtigen. Liegt der Schaltplan dann vor, so kann aus dem Schaltplan eine Platine erstellt werden. Die Bauteile aus dem Schaltplan stehen dabei automatisch zur Auswahl bereit. Bei komplexeren Schaltplänen kann man die Unterstützung durch einen Autorouter in Anspruch nehmen, welcher versucht, die Leiterplanen automatisch zu verlegen.

Natürlich könnte man das Layout auch per Hand auf Transparent-Papier zeichnen. In meiner Studienzeit hatte ich das teilweise noch per Tusche und Rubbel-Symbolen gemacht. Dieses Vorgehen entspricht etwa einer Layout-Erstellung mit Sprint-Layout.

Übertragung des Layouts auf die Platine

Das fertige Layout muss nun auf die Platine übertragen werden. Ich setzt dazu mit einem lichtempfindlichen Lack beschichtete Platinen ein. Ich habe mich mittlerweile für das Platinenmaterial der Firma Bungard entschieden. Je nach Hersteller können die Belichtungszeiten für die Platinen schwanken.

Zur Übertragung des Layouts drucke ich dieses mit einem Laserdrucker auf einen Transparentfolie aus. Die eingesetzte Folie muss aber ausdrücklich für Laserdrucker geeignet sein, ansonsten läuft man in Gefahr den Drucker zu beschädigen. Eventuell ergibt sich beim Ausdruck ein anderer Massstab als 1:1, dann muss in den Layoutverfahren ein ensprechender Korrekturfaktor eingetragen werden. Diesen kann man mit Lineal und Taschenrechner leicht ermitteln:

Korrekturfaktor = Soll-Mass / Mass des Ausdruckes

Beispiel:
Eine Platinenseite wird mit einer Länge von 4,5 cm ausgedruckt. Das Mass der Platine
soll aber 5 cm sein. Damit ergibt sich ein Korrekturfaktor von

Korrekturfaktor = 5cm / 4,5cm = 1,1111

Zur Ermittlung des Korrekturfaktors ist es vorteilhaft, wenn man beim Druck die sogenannten Passkreuze mit auswählt. Nach dem Ausdruck wird die Folie mit zusätzlichen Rand von etwa 1-2cm um das Platinenaussenmass ausgeschnitten.

Die Platine wir nun gegebenenfalls auf das gewünschte Mass zurechtgesägt. Dabei ist die Schutzfolie unbeding auf der Platine zu belassen. Ausserdem ist beim Sägen darauf zu achten, dass die Folie nicht beschädigt wird.

Sind die Platine und die Folie mit dem Layoutaudruck vorbereit, dann folgt die Übertragung des Layouts auf die Platine. Dazu setze ich einen Gesichtsbräuner ein, welchen ich bei eBay für diesen Zweck einmal ersteigert hatte.  Für einem Preis von ca. 10 Euro bekommt man so ein prima UV-Belichtungsgerät mit einer eingebauten Zeitschaltuhr. Unmittelbar vor dem Belichten wir die Schutzfolie von der Platine abgezogen. Die Layoutfolie wird nun mit der Tonerschichtseite auf die fotobeschichtete Seite der Platine gelegt. Das ganze steckt man vorsichtig in einen Belichtungsrahmen, welcher die Layoutfolie flach auf die Platine presst.

Belichtungsrahmen mit eingelegter Platine und LayoutfolieDie Scheibe des Belichtungsrahmen muss unbeding UV-durchlässig sein. Normales Fensterglass ist daher nicht unbedingt geeignet, es filtert das UV-Licht und die Belichtungszeiten werden dann sehr land. Am Besten kauft man sich einen fertigen Belichtungsrahmen beim Elektronikbedarf.

Die Belichtungszeit ermittelt man einmal experimentell. Sie hängt vom verwendeten Platinenmaterial, dem UV-Belichungsgerät, dem Belichtungsrahmen und dem Abstand des Belichungsgerätes von der Platine ab. Auch der verwendete Entwickler hat einen Einfluss auf die erforderliche Belichtungszeit. Mit dem Platinenmaterial von Bungard erziele ich mit einer Belichtungszeit von 5 Minuten sehr gute Ergebnisse. 

 Der Belichtungsrahmen wird nun unter dem Gesichtsbräunder positioniert. Dazu lege ich den Gesichtsbräuner auf zwei etwa 8cm hohe Holzklötze und schiebe den Belichtungsrahmen mittig unter den Gesichtsbräuner. 

Belichtung der Platine mit einem GesichtsbräunerDie gewünschte Belichtungszeit wird an der Zeitschaltuhr des Gesichtsbräuners eingestellt und die Belichtung gestartet. Nach Ende der Belichtung wird die Platine aus dem Belichtungsrahmen genommen und entwickelt.

Beim Entwicklungsvorgang löst sich der Photolack, welcher dem UV-Licht ausgesetzt war, von der Platine ab; die von dem Layout abgedeckten Partien des Photolacks bleiben auf der Platine haften und schützen so da darunterliegende Kupfer beim anschliessenden Ätzvorgang.

Als Entwickler verwende ich eine verdünnte Natrium-Hydroxid (NaOH) Lösung. Beim Elektronik-Bedarf hatte ich ein Entwicklerset bestehend aus einer Dose mit NaOH Perlen und einem Dosierlöffel gekauft. Damit lässt sich die Entwicklerlösung mit der korrekten Konzentration leicht herstellen. Die NaOH-Lösung ist eine starke Lauge und ätzend. Daher ist beim Ansetzen der Entwicklerlösung und beim Umgang mit dem Entwickler entsprechende Vorsicht walten zu lassen. Die Entwicklerlösung verwende ich jeweils nur einmal.

Belichtete und entwickelte PlatineZur Entwicklung wird die belichtete Platine in eine flache Schale gelegt und mit dem Entwickler übergossen. Die Schale wird leicht hin- und herbewegt, bis sich der belichtete Photolack in leichten Schlieren abgelöst hat. Anschliessend wird die Platine gut gewässert. Das Layout ist nun deutlich auf der Platine zu erkennen.

Die Partien, welche durch das Layout abgedeckt waren, sind mit einer dunklen Schicht des entwickelten Photolackes bedeckt und damit beim Ätzvorgang vor dem Ätzmittel geschützt. War die Belichtungszeit korrekt, so müssen alle Ränder der mit Photolack bedeckten Partien sauber und scharf abgegrenzt sein.

Ätzen der Platine

Beim Ätzen wird das nicht durch den Photolack geschützte Kupfer von dem Ätzmittel aufgelöst und die gewünchten Leiterbahnstrukturen erstellt.

Das einfachste Verfahren ist das Ätzen mit Salzsäure und Wasserstoffsuperoxid. Da Salzsäure alleine das Kuper nicht auflösen kann, wird bei dieser Methode das Kupfer durch das Wasserstoff-superoxid oxidiert und dann von der Salzsäure aufgelöst. Der Vorteil von diesem Verfahren ist,  dass es bei Zimmertemperatur abläuft und keine Ätzanlage zur Temperierung oder Belüftung erforderlicht ist. Für die Mischung verwende ich Wasser, 25%ige Salzsäure und 20% Wasserstoffsuperoxid im Verhältnis 3:3:2.

Die Platine wird in eine flache Entwicklerschale gelegt und das Ätzmittel darübergegossen. Während des Ätzvorganges wird die Schale leicht bewegt: 

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 Das Ätzen mit Salzsäure und Wassertoffsuperoxid dauert nur wenige Minuten. Anschliessend muss die Platine gut gewässert werden. Mit Aceton wird der restliche Photolack entfernt.

Eine gute Alternative zu dem beschriebenen Ätzverfahren ist das Ätzen mit einer Lösung von Natriumpersulfat. Dabei muss das Ätzmittel allerdings eine Temperatur von 40-60 Grad Celsius haben. Dies bewerkstelligt man am Besten mit einer Ätzküvette, die ebenso wie das Natriumpersulfat im Elektronikbedarf angeboten wird. 

Die verwendeten Flüssigkeiten gehören nicht in den Abfluss, sondern müssen als Sonderabfall entsorgt werden.

Finish der Platine

Die Platine wird nun gebohrt, dazu eignet sich eine Minibohrmaschine im Bohrständer am Besten. Für bedrahtete Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren und Transistoren passt meist ein 0,8 mm Bohrer. Mit steigender Zahl der bedrahteten Bauelemente, die auf die Platine gelötet werden sollen, steigt natürlich auch der Aufwand beim Bohren. Hier erweist sich die Verwendung von SMD-Bauteilen als vorteilhaft, da für diese Bauelemente nicht gebohrt werden muss.

Den Finish der Platine schliesst die Beschichtung mit Lötlack ab. Dieser erleichtert das Löten der Bauelemente auf der Platine und schützt die Kuperschicht vor Korrosion. Alternativ kann die Platine verzinnt werden.

Der Lohn der Arbeit - die geätzte und gebohrte Platine im Vergleich zur Folie mit dem Platinenlayout:


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