Platinenherstellung

 zurück zu Elektronik , Homepage


Einleitung
Material und Hilfsmittel
SMD oder bedrahtete Bauteile?
Layouterstellung
Layout ausdrucken
Leiterplattenmaterial
Belichtung der Platine  /  Belichtungsgerät
Entwickeln
Ätzen
Oberflächenbehandlung  / Verzinnen
Bohren
Löten
Versiegeln
andere Verfahren

graue Vergangenheit


Einleitung
Ich will niemandem vorschreiben, wie er seine Leiterplatten herzustellen hat, jeder findet dabei seinen eigenen, optimalen Weg. Aber im Interesse des Erfahrungsaustauschs folgt nun mein Weg, einfach, schnell und billig zur gedruckten Schaltung zu kommen.

In einer Fernsehdokumentation zum Thema 'Geldnoten und Geldnotenfälschung' hörte ich einmal den Satz: "Ziel der Notenbanken war es, jeden Schritt der Geldherstellung so kompliziert wie möglich zu machen und damit den Fälschern das Handwerk zu erschweren." Das erinnerte mich ein wenig an die Herstellung von Platinen. Diese Herstellung erfolgt in einer Reihe von Schritten, und bei keinem der Schritte kann man sich Nachlässigkeit leisten. Man muss jeden Schritt absolut sorgfältig ausführen, nur dann wird man am Ende mit einer guten Platine belohnt.

nach oben


Material und Hilfsmittel
Um eine Leiterplatte in guter Qualität herzustellen benötigt man folgende Ausrüstung:
 
Layouterstellung
  • Personalcomputer mit einem einfachen Vektorzeichenprogramm (z.B. CorelDraw 3 von der HP-BigCD) oder PCB-CAD-Software (z.B. Eagle, Target3001)
  • fotofähiger Tintenstrahldrucker (720 dpi oder besser) und Transparentfolie für Tintenstrahldrucker oder
  • Laserdrucker und Pergamentpapier
Zum Belichten
  • Schaumstoff (0,5 cm bis 2 cm dick)
  • Glasplatte
  • Fotolampe oder anderer UV-Strahler (Höhensonne)
Zum Entwickeln und Ätzen
  • zwei Fotoschalen
  • Fotozange
  • Entwickler (Natriumhydroxid)
  • Ätzmittel (Eisen-III-Chlorid)
  • Wasser, Belüftung, Gummihandschuhe
Material/Hilfsmittel/Werkzeug
  • fotobeschichtetes Leiterplattenmaterial
  • Tesafilm
  • Stoppuhr
  • Laubsäge
  • schnelldrehende Bohrmaschine
  • Bohrer 0,8 mm, 1 mm, 1,5 mm
Zeit
  • Layoutentwurf: je nach Problem
  • vom Layoutdruck bis zur fertigen Platine: 1 Stunde bis 2 Stunden
nach oben


SMD oder bedrahtete Bauteile?
Viele Bastler scheuen sich noch vor SMD-Bauteilen. Aus diesem Grunde habe ich bei den Projekten auf meiner Homepage vor etlichen Jahren einen Rückschwenk von SMD zu konventionellen Bauteilen gemacht. Das geschah gegen meine Überzeugung, aber ich wollte die Hemmschwelle für das Nachbauen meiner Projekte niedrig halten.

Generell bin ich aber ein Fan des gemäßigten SMD-Einsatzes. Da ich einseitige Leiterplatten bevorzuge (lassen sich leichter fertigen) meide ich Bauteile, bei denen man mit "haushaltsüblichen Mitteln" zwischen zwei Pins keine Leiterbahn hindurchziehen kann. Deshalb bevorzuge ich bei Schaltkreisen das DIL-Format. Bei Widerständen ist mein Favorit aber der SMD-Widerstand im 1206-Gehäuse, zwischen seinen Anschlusspads lässt sich noch eine Leiterbahn verlegen..
Die ausgewogene Mischung aus SMD- und nicht-SMD-Bauteilen bietet gegenüber der konventioneller Bestückung den Vorteil des kleineren Platzbedarfs und der drastischen Reduzierung des Bohrens in der Platine. Trotzdem wird die Platine nicht zu filigran, und die Herstellung und Bestückung ist kaum komplizierter.



Layouterstellung
Zur Layoutentwicklung benötigt man nicht unbedingt teure CAD-Software. Der eigene Kopf und ein Standard-Zeichenprogramm genügen auch.
Natürlich habe ich schon oft mit moderner Software Platinen entwickelt und hergestellt, bzw. herstellen lassen. Für die industrielle Serienproduktion ist das der einzige Weg, Layoutfehler zu vermeiden und einen standardisierten Datenaustausch zwischen Entwickler und Produzent zu garantieren.

Wer's probieren will, findet im Web bei CadSoft eine abgespeckte Light Version von Eagle zum kostenlosen Download. Die ist auf 100mmx80mm große Platinen (halbes Europakartenformat) und zwei Leiterbahnebenen  beschränkt, was zum Ausprobieren oder für kleine Projekte schon reicht. Es gibt auch eine Linux-Version von Eagle.
Hier ist ein Tutorial, das den Einsatz von Eagle an Beispielen dokumentiert. (Danke Dominik)

Vom Ingenieurbüro Friedrich gibt es ein weiteres professionelles Layout-Entwurfsprogramm Target3001, dessen voll funktionsfähige Demoversion (Target 3001 discover) auf 250 Pins/Pads sowie auf 2 Ebenen begrenzt ist, während die Platinengröße keiner Begrenzung unterliegt. Der Zeitschrift c't liegt jedes Jahr eine CD bei, auf der sich eine freie Target3001-Version befindet, die auf 400 Pins/Pads beschränkt ist (z.B. c't 11/06). Wer seine Platinen industriell bei PCB-Pool fertigen lassen will, der kann die PCB-Pool-Edition von Target 3001 benutzen. Diese hat weder Pin- noch Größenbegrenzung, erzeugt aber nur Files, die für PCB-Pool benutzt werden können.

Für den Gelegenheitsbastler, der nur sehr selten Platinen entwirft, ist der manuellen Layoutentwurf mit einem einfachen Zeichenprogramm eine sinnvolle Alternative. Warum?
  1. Die Zeit, die man mit einem großen Leiterplattenentwurfsprogramm beim Routen (also dem Verlegen der Leiterbahnen) spart, steckt man in der Schaltungsentwurfsphase in das Programm hinein. Jedes Bauelement muss mit der zugehörigen Gehäusebauform eingegeben werden, Gehäuse die dem Programm unbekannt sind müssen erst mit einem speziellen Zeichenprogramm entworfen werden.
  2. Die Grundeinstellung für Leiterbahnbreiten, Lötaugen und Durchkontaktierungen sind für chemisch durchkontaktierte Platinen optimiert. Es ist also nicht daran gedacht worden, dass man als Hobbyelektroniker an einer Durchkontaktierung auch noch löten muss. Also muss man alle Grundeinstellungen anpassen.
  3. Routing-Programme sind recht hilflos, wenn man ihnen nur einseitige Leiterplatten anbietet. Versucht man es mit zweiseitigen Platinen, so benutzen sie reichlich Durchkontaktierungen. Das ist der Industrie egal, aber ich müsste an jeder Durchkontaktierung 2 mal löten. Da kann ich auch gleich einen Draht ziehen, anstatt eine zweite Leiterplattenseite zu benutzen.
  4. Ein Router beachtet nicht, dass Leiterbahnen auf der Bestückungsseite so an ein Bauelement herangeführt werden müssen, dass man da auch noch mit dem Lötkolben gut herankommt.
  5. Ein Profiprogramm denkt oft nicht daran, in der Mitte eines Bauelementeanschlusses oder einer Durchkontaktierung ein Loch zu machen. Dafür ist die automatische Bohrmaschine zuständig, die ein entsprechendes Drill-File bekommt. Ich brauche dieses "Loch" im Kupfer aber als Führung für meine Handbohrmaschine, die mit Drill-Files überhaupt nichts anfangen kann.
  6. CAD-Programme möchten das fertige Layout in einem Dateiformat ausgeben, mit dem Platinen-Belichtungsgeräte etwas anfangen können (z.B. Gerber-Format). Eine Ausgabe auf einem normalen Drucker ist meist nur über Zwischenschritte (z.B. via PS-Format und Grafikprogramm) möglich.
Solange sich der Bauelementeaufwand also in Grenzen hält spricht nichts gegen die Nutzung des Kopfes und eines Standard-Vektor-Zeichenprogramms.
Einen Vorteil der "großen" Lösung will ich aber nicht verschweigen. Mit einem Spezialprogramm wie Eagle, Target3001 oder Orcad kann man keinen Leiterzug vergessen oder falsch ziehen. Mit der manuellen Methode passiert mir das schon mal.

Layout-Beispiel - CorelDraw / anklicken für 300 dpi - Layout Als Zeichenprogramm für einfache Leiterplatten benutze ich übrigens CorelDraw 3. Das klingt etwas altbacken (aktuell ist wohl die Version 11), für maßhaltige schwarze Linien, Kreise und Flächen (also Leiterbahnen) ist das aber völlig ausreichend, und dieses Programm gibt es inzwischen fast umsonst: z.B. auf der BIG-CD, die es manchmal zu HP-Druckpatronen dazugab. 

Layouts entwerfe ich positiv (Kupfer = schwarz, kein Kupfer =  nichts = weiß) und in der Ansicht von der Bestückungsseite her. Dadurch vermeidet man Verwechslungen bei IC-Pin-Belegungen. Der Entwurf ist damit spiegelbildlich, was für den folgenden fotochemischen Prozess ohnehin nötig ist. Man sollte unbedingt etwas Text (spiegelbildlich!) im Layout vorsehen. Dadurch erkennt man später auf einen Blick die Vorder- und Rückseite des Layouts.  Wie ich solche CDR-Dateien erstelle sieht man am linken Bild oder an Beispielen aus der Projekte-Seite.

Grundregeln:


Layout-Beispiel - Eagle / anklicken für 600 dpi - Layout Wenn man sich einmal in ein CAD-Programm eingearbeitet hat (was eine Weile dauern kann), dann lernt man auch schnell die Vorteile des computerunterstützten Designs schätzen.
Für komplexere Platinen benutze ich die Eagle-Freeware, und beschränke mich auf Platinen bis zu 80mm x 100mm. (besser 75mm x 100mm)

Ich verlege alle Leiterbahnen manuell (der Autorouter scheint mir für einlagige Platinen nicht geeignet zu sein) und stelle in den Design Rules im Kartenreiter Resting die äußeren Durchmesser von Pads und Vias auf mindestens 15 mil (besser 20 mil) ein. Dadurch werden die Pads (Lötaugen) auch mit einem Lötkolben lötbar. (Bei DIL-Schaltkreisen und Steckverbindungen werden die Lötpads dadurch aber so groß, dass zwischen ihnen keine Leiterbahnen mehr hindurch passen. Das kann man aber später mit Photoshop Elements oder Gimp korrigieren.)

Leiterbahnen legt man möglichst breit aus. Ein Wert 0.04 Inch (1 mm) hat sich als Standard bewährt, für mich ist das untere Limit eine Breite von 0.012 Inch (0,3 mm). Mann beachte, dass alle Kupferstrukturen nach dem Ätzen etwas schmaler ausfallen (Unterätzung). Im Zweifelsfall sollte man Leiterbahnen etwas breiter und dafür die Lücken etwas schmaler auslegen.

Beim Drucken des Layouts selektiere ich im CAM-Processor-Job nur die Layers Bottom, Pads, Vias und Dimension. Unter Style wird Fill pads nicht aktiviert. Im Ergebnis erhalte ich Layouts mit Zentrierlöchern für das Bohren in allen Pads.
Als Ausgabeformat wähle ich PS (Postskript). 

Die dann entstandene PS-Datei kann man z.B. mit Photoshop Elements einlesen. Beim Einlesen wird es in ein Pixel-Bild gewandelt, die Auflösung kann man dabei frei wählen. 600 dpi wäre z.B. ein geeigneter Wert für filigrane Platinen. Es ist sehr wichtig, beim Einlesen in Photoshop Elements die Option glätten zu deaktivieren! Ansonsten werden Masseflächen streifig dargestellt. Nun hat man noch die Möglichkeit, auf Pixel-Ebene kleinere Korrekturen vorzunehmen, falls das nötig ist.
Aus Photoshop Elements heraus kann man das Layout dann auch gleich drucken.


Anstelle von Photoshop Elements kann man auch das freie GIMP benutzen. Dann muss man allerdings noch Ghostscript installieren, da Gimp diese Software zur PostScript-Wandlung verwendet. Unter Linux ist Ghostscript meist standardmäßig installiert. Unter Windows muss man es nachinstallieren.

Eine nette Ergänzung zu Eagle ist Eagle3D. Diese Software errechnet aus Eagle-Platinen-Daten Povray-Files. Aus diesen erstellt Povray dann per Raytraycing dreidimensionale Bilder der bestückten Platine.



Besonders erwähnen möchte ich auch die Software Sprint-Layout. Das ist ein einfaches Leiterplatten-Zeichenprogramm, das sich ohne große Einarbeitungszeit intuitiv bedienen lässt. Es beschränkt sich darauf, alle möglichen Bauteilgehäuse mit ihren Lötpads bereitzustellen, die auf der Platine in einem sinnvollen Raster positioniert und mit Leiterbahnen verbunden werden können. Dadurch fällt das Zeichnen viel einfacher als z.B. mit CorelDraw. Durch den Verzicht auf einen Schaltplan-Editor, bleibt die Bedienung einfach, man muss sich aber selber um die Herstellung der richtigen elektrischen Verbindungen kümmern. Es ist nun mal ein Zeichenprogramm und kein CAD-Programm.
Von SprintLayout gibt es eine Demo, die leider weder das Speichern eines Projekts noch das Ausdrucken erlaubt.
nach oben


Layout ausdrucken
Für die fotochemische Platinenherstellung braucht man einen Ausdruck des Layouts auf einem transparenten Medium: Transparentpapier oder Transparentfolie. Welchen Weg man hier wählt, hängt von der eigenen technischen Ausstattung ab. Prinzipiell eignen sich Tintenstrahldrucker und Laserdrucker.

Die besten Ausdrucke habe ich mit einem hochauflösendem Tintenstrahldrucker (meinem uralten Epson Stylus Foto) auf HP-Transparentfolie (HP Premium Inkjet Transparency Film, HP C3835A, leider sehr teuer) erhalten. Diese Folie fühlt sich auf einer Seite rau an. Diese Seite ist zu bedrucken. Die raue Oberflächenstruktur verhindert das Verlaufen der Tinte. Es ist unbedingt im Druckertreiber als Druckmedium "Photo Quality Glossy Film" einzustellen und die höchste Ausdruckqualität auszuwählen, ansonsten werden die schwarzen Flächen nicht blickdicht. (In der Einstellung "Ink Jet Transparencies" schaltet der Drucker dagegen auf 360 dpi herunter, was zu nichtdeckender Tintenauftragung führt.) Ein Düsentest vor dem Ausdruck vermeidet unangenehme Überraschungen in Form von horizontalen weißen Linien.
Wer einen anderen Drucker benutzt sollte wenigstens 600 DPI einstellen können. Keinen Erfolg hatte ich mit einem Billig-HP-Deskjet, der nur 300 DPI konnte. Der Tintenauftrag war je nach Treibereinstellung nicht flächendeckend oder mit grüner Tinte vermischt. (Das mag ja auf Papier sinnvoll sein, aber nicht bei Belichtungsvorlagen.) Auch ein HP-Deskjet 600 (300 DPI) brachte nur mäßige Ergebnisse (Beste Ergebnisse in der Einstellung Spezialpapier, aber nicht blickdicht).
Ein Canon Pixma MP780 (4800x1200 dpi) deckte immer noch etwas schlechter als mein betagter Epson-Stylus-Photo (720 dpi). Hier heißt es also mit allen erreichbaren Druckern experimentieren, um das beste Druckresultat zu erzielen.
(Die alte Tintenstahler-Druckerfolie HP51630S-CX JetSeries Transparency Film ist übrigens völlig ungeeignet, da hier die Farbe abperlt.)

Wer mit der Transparentfolie keine blickdichten Ausdrucke erzielt (oder falls die Transparentfolie zu teuer ist), kann alternativ folgende preiswerte Lösung versuchen. Man druckt auf normalem Papier für Tintenstrahldrucker mit bestmöglicher Auflösung. Durch das Aufsaugen/Verlaufen der Tinte ist ein blickdichter Ausdruck viel einfacher zu erzielen. Der getrocknete Ausdruck wird dann mit Sonnenblumenöl (man kann auch Pausklar aus der Spraydose von Conrad verwenden) eingerieben, wodurch die unbedruckten Stellen für das UV-Licht transparent werden. (danke Bodo)

Ein Laserdrucker liefert nicht ganz so gute Ergebnisse wie der Epson-Stylus-Foto, ist aber ausreichend. Dazu druckt man auf Transparentpapier. Ein Stück dieses dünnen Transparentpapiers wird dazu mit Tesa-Film auf einem normalen Blatt Druckerpapier fixiert, ansonsten gibt es Papierstau. Der Tesa-Film übersteht die heißen Fixierwalzen des Druckers überraschend gut. Es empfiehlt sich, zunächst einen Probedruck auf ein normales Blatt Papier anzufertigen, dann in der nötigen Größe Transparentpapier zuzuschneiden. Dieses Transparentpapierstück wird dann auf einem neuen Blatt Papier an der Position des Layout-Probeausdrucks fixiert. Dazu nur einen Streifen Tesa am oberen Ende des Transparentpapiers benutzen. Das untere Ende des Transparents bleibt locker (vermeidet Falten). Nun wird das Blatt noch mal in den Drucker eingeführt und der Ausdruck (nun auf dem Stück Transparentpapier) wiederholt.
Alle Druckertreibereinstellungen, die das Schwarz noch "schwärzer" machen sollte man nutzen. Trotzdem wird man ein Ergebnis erhalten, das etwas Licht durchscheinen lässt. Es empfiehlt sich mit einem schwarzen Tuschestift nachzuarbeiten.
Der Schwärzungsgrad des Ausdrucks ist offensichtlich stark vom Fabrikat des Druckers abhängig. Mit HP-Druckern hatte ich eher schlechte Erfahrungen gemacht. Per Email erhielt ich den Hinweis, dass ein Brother-Drucker ein brauchbares Ergebnis lieferte. Mein Test mit einem OKIlaser14ex war ebenfalls zufriedenstellend, aber nicht perfekt.
Bei Conrad gibt es ein Tonerverdichterspray, mit dem man die bedruckte Folie einsprühen soll, um das Druckergebnis zu verbessern. Allerdings erhöht es natürlich nicht die Menge des aufgetragenen Toners auf der Folie. Mein Test dieses Tonersprays ergab keine nennenswerte Verbesserung des Druckergebnisses.

Falls das Druckergebnis bei Tintenstrahl oder Laserdrucker trotz aller Mühe nicht blickdicht wird, kann man das Layout auch mehrfach drucken, und die Ausdrucke passgenau übereinander legen. Das funktioniert für einfache Layouts gut. Bei sehr filigranen Layouts ist das aber nicht einfach, da keine zwei Ausdrucke exakt deckungsgleich sind. Das ist wohl weniger ein Problem der Druckermechanik als der bedruckten Blätter. Papier dehnt sich aus und schrumpft je nach Feuchtigkeit, Folien werden wahrscheinlich durch die heißen Fixierwalzen des Laserdruckers verzerrt. Mit Öl getränktes Papier wird mit Sicherheit auch quellen.
Ein weiteres Problem der mehrfach-Layouts ist, das die Farbschichten der einzelnen Ausdrucke nicht direkt aufeinander liegen, sondern durch eine Papier- oder Folie-Schicht getrennt sind. Dort kann sich Streulicht ausbreiten..
Trotzdem liefert diese Technik für nicht allzu filigrane Layouts gute Ergebnisse.

Mit sogenannter Transferfolie für Laserdrucker habe ich keine so guten Erfahrungen gemacht. Vielleicht hatte ich da die Tricks noch nicht so raus, vielleicht verspricht hier auch die Werbung zuviel. Ich bleibe bei der Fotochemie.
Andere Bastler haben sehr gute Erfahrung mit der Direkttonermethode gemacht.


Ideal: professionelle Filmbelichter
Für digitale Röntgengeräte gibt es Belichter, die die schwarz-weiß-Aufnahmen auf lichtempfindliche Transparentfolie (also Filmmaterial) belichten und diese entwickeln. Die gleiche Technik hat natürlich auch jede Leiterplattenfirma. Wenn ein Anbieter für Privatkunden solche Folien für ein paar Cent belichten und entwickeln würde, könnte man sich viel Arbeit ersparen. Bei Papierbildern  ist dieser Service schon lange üblich (auch wenn die Fotolabore dort nicht maßhaltig arbeiten).
Es gibt im Internet tatsächlich einige Anbieter, die genau das für bastler-freundliche Preise anbieten. Dazu sucht man im Web nach "Leiterplattenfilm". Typische Kosten sind 2,50 Euro für eine 10cm x 8 cm große Folie (plus Versandt). Wenn man gleich mehrere Folien belichten lässt (um Versandkosten zu sparen) sind die paar Euro eine lohnende Investition, die einem viele Sorgen und Probleme ersparen kann. Die Qualität solcher Folien (insbesondere die Blickdichte der schwarzen Bereiche) kann man mit haushaltsüblichen Druckmethoden nicht annähernd erreichen.
Ein möglicher Anbieter ist http://www.so-pbdl.de/leiterplattenfilme.htm .  Wer mit anderen Anbietern positive Erfahrungen gemacht hat, kann mir das gern mitteilen.

nach oben


Leiterplattenmaterial
Am stressfreiesten arbeitet man mit schon vom Hersteller fotobeschichtetem Basismaterial, also mit Leiterplatten auf denen Fotopositivlack aufgetragen und eine lichtundurchlässige Schutzfolie aufgeklebt ist. Ich lagere diese Platinen an einem kühlen trockenen Platz problemlos bis zu einem Jahr.
Es gibt sie in verschiedenen Abmaßen und Ausführungen: Hartpapier (Pertinax) lässt sich leicht zuschneiden bzw. nach beidseitigem Anritzen auch einfach auf die gewünschten Maße brechen. Im Vergleich zu Glasfasermaterial hält aber die Kupferschicht schlechter. Das fällt vor allem beim mehrmaligen oder zu heißem  Löten auf. Außerdem reißt das Material leicht bei starken Schlägen, z.B. beim Ankörnen vor dem Bohren. Das Bohren selbst ist aber wieder leicht, wenn man mit wenig Druck arbeitet. Zu großer Druck führt zu "kraterförmigen" Ausbrüchen an der Platinenunterseite.
Glasfaser (Epoxyd) zu sägen und zu bohren ist langwieriger und materialverschleißend. Trotzdem bevorzuge ich Glasfaser.

Für die meisten Anwendungen reichen einseitige Platinen. Oft kann eine zweite Platinenseite vermieden werden, wenn man sich nicht scheut einige Drahtbrücken zu verwenden. Wer extreme Miniaturisierung betreibt, kann eine zweiseitige Platine beidseitig mit SMD-Bauteilen bestücken und dadurch viel Platz sparen. Dabei sind dann auch die Ansprüche an die Passgenauigkeit der beiden Seiten nicht so hoch.

Dünne Platinen sind preiswerter, können sich aber verbiegen, was Leiterbahnen und Bauelemente belastet, ich nutze 1,5 mm dickes Material.

Eine Kupferschichtdicke von 35 µm klingt wenig, ist aber normalerweise völlig ausreichend. Nur bei Hochstromschaltungen (Motorregler, Transverter ...) sind Platinen mit 70 µm Kupferschichtdicke sinnvoll.


Lagerfähigkeit
Fotobeschichtetes Basismaterial sollte kühl und trocken gelagert werden (z.B.in luftdichter Plastiktüte im Kühlschrank) und ist etwa 1 Jahr lang verwendbar. Soweit die Theorie. In der Praxis kann man das Material deutlich länger lagern. Ich habe original Bungard-Platinen nach 3,5 Jahren, nach 7 Jahren und nach 9,5 Jahren Lagerung getestet. Die Platinen lagen nicht im Kühlschrank, sondern im Keller an einem trockenen Platz. Auch nach so langer Lagerung gab es an bei Belichtung und Entwicklung der Platinen keine Auffälligkeiten. Der Fotolack hatte nicht gelitten. Allerdings machte der Klebstoff der Schutzfolien Probleme. Beim Abziehen der Folie vom Lack blieben im Platinenrandbereich schwarze Kleberrückstände haften. Mit einem Küchentuch, dass ich mit Feuerzeugbenzin benetzt hatte konnte ich die Kleberreste mit einem Wisch entfernen. Beim späteren Entwickeln viel dann auf, dass die abgewischten Randbereiche viel schneller entwickelt wurden, als der Rest der Platine. Seitdem wische ich nach dem Abziehend der Folie von überlagerten Platinen zunächst die Platinenränder ab, um die sichtbaren Kleberreste zu entfernen. Danach wische ich mit einem neuen Tuch die gesamte Platinenfläche kurz ab. Dabei verwende ich jeweils nur wenig Feuerzeugbenzin und wische nur ein mal über die Oberfläche, um den Lack nicht zu beschädigen.
Die so behandelten Bungard-Platinen waren voll einsetzbar.

Mit überlagerten Platinen anderer Hersteller habe ich allerdings deutlich schlechtere Erfahrungen gemacht. Auch bei denen blieben offensichtlich Reste des Klebers auf dem Fotolack zurück, es war aber nicht möglich, diese Reste so problemlos zu entfernen.

Ich spreche selten Empfehlungen für bestimmte Markenprodukte aus, aber Bungard hat mich bisher nie enttäuscht.

nach oben


Belichtung der Platine
Das ausgedruckte Layout muss mit UV-Licht auf den Fotopositivlack der Platine übertragen werden. Dazu benötigt man entweder ein Belichtungsgerät oder Schaumstoff und Glasplatte haben bei mir die Abmessungen 15 cm x 20 cm. Das reicht für übliche Layouts. Als Lichtquelle verwende ich eine 250 W Fotolampe (Nitraphot S250W) aus dem Conrad -Katalog (Best.Nr.52 91 41-xx). So eine 250W-Lampe entwickelt mehr Wärme, als die meisten Lampenfassungen verkraften. Man sollte hier unbedingt auf eine Porzellan/Keramik-Lampenfassung zurückgreifen, und im Zweifelsfall 'häppchenweise' belichten (1 Minute belichten immer im Wechsel mit 2 Minuten Abkühlzeit).
Eine Glasplatte aus Quarzglas verschluckt weniger UV-Licht als normales Glas und ist deshalb besser geeignet. Mit normalem Glas lassen sich aber die gleichen Ergebnisse erreichen - die Belichtungsdauer ist dann etwas länger.
 
Skizze: Anordnung zum Belichten Die Platine wird zunächst auf das benötigte Maß zurechtgeschnitten, und dann vom zugeschnittenen Stück die Schutzfolie entfernt. Da der Lack kaum tageslichtempfindlich ist, kann das (wenn man schnell arbeitet) bei normaler Beleuchtung geschehen. 

Die Platine wird mit der Fotolackschicht nach oben auf den Schaumstoff gelegt. Das spiegelbildlich ausgedruckte Layout wird mit der Druckseite auf die Platine gelegt. Damit ist das Layout wieder seitenrichtig, und zwischen Fotolack und Druckerfarbe ist kein Abstand für störendes Streulicht. Darauf kommt nun die saubere Glasplatte. Sie hat die Aufgabe, dafür zu sorgen, dass das Layout plan auf der Platine aufliegt und nicht verrutscht.

Für Platinen bis zu ca. 8cm x 8cm kann man auch eine leere CD-Hülle benutzen. Der runde CD-Halter in der Mitte der Hülle wird herausgebrochen. Nun legt man in die Hülle eine dünne Lage Schaumstoff, darauf die Platine und darauf das Layout. Nun schließt man die CD-Hülle. Hat der Schaumstoff die korrekte Dicke, dann presst der CD-Hüllen-Deckel das Layout auf die Platine.

Nun folgt der kritischste Abschnitt der Platinenerstellung - die Belichtung. Kritisch ist dabei die Belichtungszeit. Ich befestige die Lampe ca. 15 cm über der Platine und belichte dann 6 Minuten. Das ist des Ergebnis einer Belichtungstestreihe. Diese Zeit hängt aber von vielen Faktoren ab, und muss deshalb von jedem selbst ausprobiert werden.

So können manchmal auch schon 3 Minuten ausreichend sein. Mir ist aufgefallen, dass no-name-Material eine sehr unterschiedliche Belichtungszeit aufweist, und auch verschieden empfindlich auf Entwickler reagiert. Wer die Belichtungsexperimente im Rahmen halten möchte sollte auf Marken-Platinen (Bungard) zurückgreifen. Die sind etwas teurer, lassen sich aber immer gleich gut verarbeiten.
Aufgrund der hohen Lichtleistung der Lampe verbietet sich es von selbst, beim Belichten in die Lampe zu schauen. Das ist auch gut so, da der hohe UV-Anteil für die Augen schädlich ist. Also beim Belichten weg schauen, es gibt da sowieso nichts zu entdecken. Eine moderne Sonnenbrille mit UV-Blocker erhöht die Sicherheit für die Augen.

Muss es doch mal eine zweiseitige Platine sein, müssen beide Layouts ausgedruckt und präzise zu einer Tasche verklebt (Tesa) werden. In diese Tasche wird die Platine zum Belichten eingelegt, und mit Tesa fixiert. Dann lassen sich nacheinander beide Seiten belichten.

Wer mit Sonnenblumenöl-Layouts arbeitet, sollte die Platine vorsichtig abwaschen, falls Öl auf die Platine gekommen ist.

Noch mal zum Abstand zwischen Lampe und Platine:
Die Dichte der UV-Strahlung, die an der Platine ankommt ist extrem von der Entfernung zur Lampe abhängig (1/quadratisch). Ein  Halbieren des Abstandes vervierfacht die Strahlungsleistung, und viertelt die nötige Belichtungsdauer. Aus drei Gründen sollte man aber nicht zu dicht mit der Lampe an die Platine herangehen.:

Die Industrie und die Semiprofis verwenden Beleuchtungskästen, in denen Leuchtstofflampen flächig und kalt strahlen. Für viele Zwecke ist die einfache UV-Lampe jedoch ausreichend.

Zum Ausprobieren kann man auch eine normale 100W-Glühbirne verwenden. Bei 15 cm Abstand zur Leiterplatte ergeben sich aber Belichtungszeiten von ca. 30 Minuten.

Ideal ist ein Belichtungsgerät, das man für über 200 € kaufen kann, oder das man sich aus einem alten Scanner und ein paar UV-Leuchtstofflampen selber baut.
 

nach oben


Entwickeln
Die belichtete Platine muss nun entwickelt werden. In einem chemischen Prozess werden dabei die belichteten Lackteile aufgelöst und abgespült. Dazu benötigt man eine Fotoschale und Entwickler. Je nach verwendetem Entwickler dauert die Entwicklung 10 Sekunden bis zu 2 Minuten. Ich habe genug Zeit, und benutze Natriumhydroxid-Lösung (NaOH), die ist gut, billig, und beim Entwickeln kommt keine Hektik auf. Zum Herstellen der Lösung gibt man ca. 10 g (1 Messlöffel) Natriumhydroxid-Pulver (Reichelt-Katalog, 250g für ca. 4 Euro) in 1 Liter Wasser.
Entwicklerlösung hält sich an der Luft nicht lange, und ist auch schnell erschöpft. Sie aufzuheben lohnt nicht. 

Im Entwicklerbad werden die belichteten Stellen des Fotolacks aufgelöst. Das ist bei vielen Platinen-Fabrikaten (aber nicht bei allen) zunächst mit einer Violettverfärbung der belichteten Lacks verbunden. Dieser violette Lack löst sich dann im Entwicklerbad auf.

Nach 15 .. 20 Sekunden im Entwicklerbad, wird das Layout sichtbar. Durch bewegen der Fotoschale mit dem Entwicklerbad sorgt man dafür, dass die Entwicklerflüssigkeit den entwickelten Lack von der Platine "spült". Nach ca. 1/2 Minute entnehme ich die Platine aus dem Entwicklerbad und spüle sie unter dem Wasserhahn ab, dabei tritt das Layout der zukünftigen Leiterplatte hervor. Allerdings nicht farblich (wie beim Entwickeln von Filmmaterial) sondern eher plastisch: farbloser Lack auf nacktem Kupfer.

Es ist wichtig, dass aller Lackreste von den belichteten Stellen entfernt werden. Dazu kann man die Platine unter fließendem Wasser vorsichtig abreiben (mit den Fingern im Latexhandschuh oder einem sauberen weichen Lappen). Ein mittelharter Wasserstrahl tut es aber in der Regel auch. Danach tauche ich die Platine noch mal für kurze Zeit in das Entwicklerbad, um letzte Reste des belichteten Lacks zu lösen. Danach wird wieder abgespült und dabei vorsichtig abgerieben.
Falls nicht aller Lack in den belichteten Bereichen weg ist, dann lieber noch etwas nachentwickeln. Bis zu 4 Minuten widerstehen die unbelichteten Abschnitte der Entwicklerlösung meist problemlos. (bei Tintenstrahldrucker-Layouts)

Sollte das Layout schon sofort nach dem Eintauchen der belichteten Platine in den Entwickler deutlich sichtbar sein, und der Entwicklungsprozess schon nach 10 Sekunden abgeschlossen sein, so ist vermutlich die Belichtungszeit zu lang gewesen. Nun ist äußerste Sorgfalt geboten um die Platine noch zu retten. Die unbelichteten Zonen können nun beim Ätzen leicht angegriffen werden, was sich später in vielen kleinen Löchern in der Kupferschicht zeigt. Also das Ätzen überwachen, und die Platine sofort nach dem Ätzen aus dem Ätzbad nehmen.

Anmerkung
Es gibt positive Berichte über den NaOH-freien Entwickler vom Typ 4007 (Conrad 52 88 03-xx). Mit ihm soll es fast unmöglich sein, eine Platine über-zuentwickeln. Die belichtete Platine darf also straffrei sehr lange im Entwickler verbleiben, ohne Schaden zu nehmen. Das ist für eine gleichmäßige Entwicklung der Platine (besonders bei ungleichmäßiger Belichtung) von großem Vorteil. Ich werde das mal ausprobieren.
Bungard schreibt seinem NaOH-freien Spezialentwickler ähnliche Eigenschaften zu (Conrad 52 87 73-xx), und mit diesem Entwickler hatte ich sehr gute Ergebnisse, allerdings habe ich damals keine direkten Vergleiche zu NaOH durchgeführt.
Beide NaOH-freien Entwickler kosten für 1 Liter Entwicklerlösung ca. 1,60€.  Das ist der 10-fache Preis von NaOH.
 

nach oben


Ätzen

Hinweis vorab:
Einige Politiker halten anscheinend jeden der sich mit Elektronik auskennt für einen potentiellen Terroristen, und jede Baugruppe mit rotem und blauem Drat für eine Bombe. Diese Einstellung ist für die Zukunft eines Industriestandortes wie Deutschland hochgefährlich, aber rein polulistische Maßnahmen sind ja in der Politik nichts ungewöhnliches.

Die Firma Conrad weigert sich das Leiterplattenätzmittel Natriumpersulfat an Privatpersonen zu liefern. Begründet wird das mit mit einem lapidaren Verweis auf § 3 (2) der Chemikalien-Verbotsverordnung. Aus dem Gesetzestext erschließt sich für mich das Verbot aber nicht. Auf meine wiederholte Bitte, doch zu erläutern, wie die Firma Conrad aus dem Gesetzestext auf ein generelles Lieferverbot an Privatpersonen schließt, ging der Kundendienst leider trotz mehrfacher Nachfrage nicht inhaltlich ein. Ich bevorzuge bei der Wahl meines Bauteilelieferanten Firmen, die alles liefern können, was ich brauche (das vermeidet teure Mehrfachbestellungen bei mehreren Firmen) sowie auf Kundenfragen inhaltlich eingehen (das fördert Vertrauen in den Lieferanten). Masochisten werden diese Einstellung vielleicht nicht teilen.

Bestellt man Natriumpersulfat bei Reichelt (Reichelt-Katalog: Ätzmittel 600g, ca. 6 Euro), dann schreibt man einfach in das Feld für Bemerkungen (beim Bezahlvorgang), dass man das Mittel bestimmungsgemäß verwenden wird.

Eisen-III-Chlorid
Ich ätze nun mit Eisen-III-Chlorid die ungeschützten Kupferbereiche von der Platine ab. Dazu benötigt man eine zweite Fotoschale sowie Plastikzangen (aus dem Fotobedarf), um die Platine im Ätzbad zu fassen.
Eisen-III-Chlorid ist keine konzentrierte Salzsäure, also kann man es ungefährdet handhaben, wenn man übliche Regeln der Vorsicht beachtet. Bekommt man etwas auf die Haut genügt normalerweise sofortiges gründliches Abspülen. Es greift aber Metalle an. Das kann man gut sehen, wenn man eine dünne Alufolie ins Ätzbad taucht. (Man gab mir den Tipp, dass selbst Gold und Platin angegriffen werden. Also den Ehering in Sicherheit bringen, bevor er Flecken bekommt. Ein weiterer Emailtipp widersprach dem entschieden, wies aber darauf hin, das Eheringe ja  nicht aus purem Gold sondern aus Legierungen bestehen. Auch wenn das Gold nicht angegriffen wird, so könnten doch die Legierungsmetalle 'aufgelöst' werden. Wie auch immer: Ringe ab!) Die beim Ätzen entstehenden Gerüche sollte man nicht einatmen, also für Belüftung sorgen. Vorsichtig mit der Kleidung umgehen. Eisen-III-Chlorid gibt gelbe Flecken, die sich nur schwer entfernen lassen. In der Medizin wird Eisen-III-Chlorid übrigens als Blutgerinnungsmittel verwendet. Daher kommt die gelbe Färbung des Mulls.

Das Ätzmittel gibt es preiswert als Pulver oder in Perlenform. Man löst es in Wasser, bis sich kein Ätzmittel mehr lösen lässt. Dabei entwickelt sich übrigens Wärme. Man sollte also nicht schon mit warmem Wasser anfangen.
Nun kann man die Platine für ein paar Sekunden eintauchen, sofort wieder entnehmen und mit Wasser gründlich abspülen. Man erkennt nun gut, ob man beim Entwickeln Erfolg hatte. Flächen ohne schützenden Lack werden matt. Evtl. sollte man nun noch nachentwickeln, oder überschüssigen Lack  einfach abkratzen. Fehlender Lack lässt sich mit einem ätzfestem Lackstift ersetzen. Dann wieder ins Ätzbad mit der Platine. Die Ätzzeit hängt stark von der Temperatur und vom Verbrauchsgrad der Ätzlösung ab. Sie liegt zwischen 10 Minuten und 1 Stunde. Die Platine sollte regelmäßig bewegt werden, um frisches Ätzmittel und Sauerstoff zum Kupfer zu "spülen".
Falls gegen Ende des Ätzvorgangs nur noch einige Kupferflecken übrig sind, kann man diese außerhalb (besser oberhalb) des Ätzbades mit einem Wattebausch wegwischen. Der Wattebausch wird dazu mit Ätzmittel getränkt, und mit einer Fotozange gefasst.

Eisen-III-Chlorid ist sehr ergiebig, und kann deshalb für mehrere Platinen verwendet werden. Zur Aufbewahrung bitte keine Lebensmittelflaschen und keine Flaschen mit metallischem Verschluss verwenden. Am Besten ist eine Glasflasche mit Glasstopfen. Verbrauchte Ätzlösung ist übrigens Sondermüll und gehört ins Ökomobil und nicht in den Abfluss!! Das trockene noch ungelöste pulverförmige oder in Perlenform gepresste Eisen-III-Chlorid ist stark hygroskopisch. Deshalb muss es unbedingt in einem luftdichten Behältnis (Glas oder Plastik) aufbewahrt werden. Ansonsten zieht es im Laufe der Zeit Luftfeuchtigkeit an, und verwandelt sich in eine ätzende Lösung.

Amoniumpersulfat / Natriumpersulfat
Es gibt alternative Ätzmittel wie z.B. Amoniumpersulfat oder Natriumpersulfat. Diese moderneren Mittel sind umweltfreundlicher und durchsichtig. Man kann den Ätzprozess also besser beobachten und hat hinterher weniger Sondermüll. Das Problem mit diesem "Feinätzkristall" ist die Temperaturabhängigkeit. Unterhalb von 40°C ätzen sie so gut wie gar nicht, oberhalb von 60°C kristallisiert das Ätzmittel aus. (Die Kristallisation lässt sich durch Kochen wieder rückgängig machen.) Man benötigt also ein temperaturgeregeltes Ätzbad. Hat man das, dann spricht alles dafür von Eisen-III-Chlorid auf modernere Ätzmittel umzusteigen.

Wenn man die Platine in die Ätzflüssigkeit gibt, werden die ungeschützten Platinenbereiche sofort matt. Mann erkennt dadurch eventuelle Mängel im Fotolack (Kratzer oder nicht vollständig entfernter Lack) schnell. Noch kann man durch übermalen von Kratzern oder abkratzen von Lackresten korrigieren. Wenn man die Platine dafür aus dem Ätzbad nimmt, ist sie jedesmal gründlich mit Wasser abzuspülen.
Während des Ätzens kann man beobachten, das das Kupfer an den Lackkanten zuerst weggeätzt wird. Große  Kupferflächen benötigen dagegen lange, bis sie vollständig abgeätzt sind. Deshalb noch mal meine Empfehlung zum Layoutentwurf: Unbenutzte Platienbereiche sollten als Masseflächen genutzt werden. Dann müssen sie nicht abgeätzt werden. Man ist mit dem Ätzen schneller fertig und man spart Ätzmittel.

Sollte auf der halb fertig geätzten Platine das Kupfer "streifig" stehen bleiben, dann war die Belichtungszeit zu kurz, und es sind feine Reste des "aufgestrichenen" Fotolacks auf der Platine zurückgeblieben. In diesem Fall sollte man die halb fertige Platine wegwerfen und es mit der doppelten Belichtungszeit noch einmal versuchen.

Die fertig geätzte Platine ist gründlich mit Wasser abzuspülen, ansonsten arbeiten sich Ätzmittelspuren im Laufe der Zeit durch die dünnen Leiterzüge und verursachen Monate später rätselhafte Ausfälle. Der Foto-Lack ist lötbar, und kann normalerweise auf der Platine verbleiben.

Für die nähere Zukunft plane ich den Bau einer einfachen Ätzmaschine.

In einer Email beschrieb Paul seine Gurkenglasätzmaschine.

nach oben


Oberflächenbehandlung (optional)
Wer den Fotolack entfernen möchte (z.B. zum Verzinnen oder bei filigranen SMD-Platinen) kommt mit einem Spirituslappen zum Ziel. Alternativ kann man die fertige Platine noch mal ein paar Minuten belichten, und dann den restlichen Lack entwickeln und abspülen.
Nun sollte man die nun schutzlose Platine aber auch gleich mit in Spiritus gelöstem Kolophonium einpinseln oder verzinnen.

Das Kolophonium kann man mit einem Föhn schneller trocknen. Die klebrige Oberfläche wirkt sonst beim anschließenden Bohren wie ein Schmutzmagnet. Das Kolophonium dient nur dem besseren Löten, und wird nach der Bestückung der Platine wieder mit Spiritus und einer alten Zahnbürste abgewaschen.

Deutlich besser ist aber eine chemische Verzinnung der Platine. Dafür wird die Platine in eine Flüssigkeit gelegt, und darin scheidet sich auf dem Kupfer einen dünne Zinnschicht ab. Diese vereinfacht das anschließende Löten, und schützt auch vor Korrosion.

Bungard: SUR-TIN
Mir wurde eine chemische Verzinnung (SUR-TIN) der Firma Bungard empfohlen, die sich leicht verarbeiten lässt. SUR-TIN besteht aus einer Flüssigkeit (37%ige Schwefelsäure) und zwei Pulvern, die nacheinander in warmen Wasser (50 Grad) aufgelöst werden. Insbesondere die vergleichsweise niedrige Wassertemperatur vereinfacht den Ansatz des Verzinnungsbades wesentlich. Meiner Nase nach unterscheidet sich die Chemie bei Conrad (siehe unten) und Bungard nicht wesentlich, aber das nacheinander-zusammen-Mischen der einzelnen Chemikalien bei Bungard wird mit einem deutlich besserem Auflösungsverhalten der Pulver quittiert. Ein Unterschied zur Conrad-Verzinnung ist, dass der Verzinnungsprozess selbständig stoppt, wenn eine ausreichende Schichtdicke erreicht ist. Die Verweilzeit der Platine im Bad ist also nicht kritisch.
SUR-TIN ist meiner Meinung nach auch für Bastler ein geeignetes Verzinnungsbad.

Einige Bastler mailten mir, das sie als Privatpersonen bei Bungard nicht kaufen könnten. Joerg (Danke) erkundigte sich bei Bungard, und bekam folgende Antwortmail:   
"...Unser SUR-TIN chemische Glanzverzinnung konnen Sie gerne bei uns direkt kaufen. Wir haben allerdings einen Mindestbestellwert von 25 Euro. Wir verkaufen dieses Produkt zwar insgesamt über 40 Handler weltweit, aber in Deutschland ausschließlich direkt,weil einer der Bestandteile von SUR-TIN (Teil 1 = Batteriesäure) nicht hochregalfähig ist..."
sales@bungard.de

Damit dürfte der Fall eindeutig sein. SUR-TIN kostet ca. 13 € +MsSt. Mit einer Packung lässt sich 2,5 Liter chemische Verzinnung ansetzen. Wenn sich zwei Käufer zusammentun, erreicht man schon den Mindestbestellwert, alternativ kann man sich auch gleich einige beschichtete Platinen mitkaufen. Da wie gesagt auch die Bungard-Chemie alles andere als harmlos ist, sind unbedingt die beiliegenden Sicherheits- und Entsorgungsvorschriften einzuhalten.
Eine einmal angesetzte SUR-TIN-Lösung ist meiner Erfahrung nach ca. 1 Jahr lang uneingeschränkt nutzbar. Danach fällt in der Lösung eine weißliche Substanz aus, das Verzinnen funktioniert aber weiterhin - wahrscheinlich aber nicht mehr so effektiv. Ich habe eine SUR-TIN-Lösung bis zu 3 Jahren genutzt. Dann war es Zeit für eine frische Lösung.
SUR-TIN ist von allen Verzinnungen, die ich ausprobiert habe, das mit Abstand beste Produkt. Die Lösung ist vergleichsweise einfach anzusetzen, verzinnt sehr schnell mit guter Schichtdicke und hält recht lange.

Conrad: Glanzzinn
Bei Conrad gibt es ein weißes Pulver, das Glanzzinn genannt wird. Das Pulver wird in heißem (ca. 90º) Wasser aufgelöst, und die zuvor gereinigte Platine (Spirituslappen) für einige Minuten bei Zimmertemperatur in die Lösung getaucht. (Vorsicht: giftig und ätzend)
Das Auflösen des Pulvers in 90°C-heißem Wasser ist alles andere als einfach. Man arbeitet hier mit einer fast kochenden, stark ätzenden, giftigen Lösung, und mir ist es nur gelungen einen kleinen Teil des Pulvers zur Lösung zu bringen. Dieser Schritt ist der mit Abstand gefährlichste beim Herstellen einer Leiterplatte, und ich kann deshalb das Conrad-Verzinnungsbad nicht ruhigen Gewissens weiterempfehlen. Ich rate dringend dazu, nicht gleich gas gesamte Pulver der Packung zu verwenden, sondern nur ein Zehntel des Pulvers in einem entsprechend kleinem Glas zu lösen. Das ist dann weniger gefährlich, und die kleine Menge reicht auch schon für ein paar Platinen.
Zehn Jahre nach meinen ersten Conrad-Glanzzinn-Experimenten habe ich mich noch einmal an diesem Pulver versucht. Das Ergebnis war eher noch schlechter als bei den ersten Tests. Ich versuchte (aus Sicherheitsgründen) nur eine Teilmenge des Pulvers in einer geringeren Wassermenge zu lösen. Wieder gelang das nur teilweise, obwohl die Temperatur ausreichend hoch war. Nach dem Einlegen der Platinen in die Lösung tat sich dann fast gar nichts. Erst ein Verbleib von ca 1 Stunde ergab eine hauchdünne Zinnschicht. Das war ernüchternd. Ich belasse nun die Platinen über Nacht in der Lösung, dann ist die Zinnschicht brauchbar.

Octamex: chemisch Zinn
Als alternativen Lieferanten kann ich www.octamex.de nennen. Dort wird unter dem Namen "chemisch Zinn" eine chemische Verzinnung verkauft, die dem SUR-TIN "sehr nahe kommt". Die Packungsgröße reicht hier für 1 Liter, und der Preis liegt bei 9,30 Euro. Es wird problemlos an Privatpersonen geliefert. (Nachdem man einer Erklärung zustimmt, nach der man weder Giftgas-Ali noch Bomben-Tom oder Dynamit-Harry ist.) Die octamex-Verzinnung ist nach dem Ansetzen innerhalb von maximal 6 Monaten zu verbrauchen, danach hat es keine Wirkung mehr. Andere Verzinnungen lassen  sich deutlich länger lagern.
Davon mal abgesehen ist diese Verzinnung einfach anzusetzen und erbringt ein gutes Verzinnungsergebnis. Eine Verweilzeit der Platine von wenigen Minuten in der Lösung ergibt eine gute Beschichtung.

hw-electronics: Chemisches Zinn
Eine weitere Quelle für chemische Verzinnung mailte mir Matthias. Die Firma
Der http://www.hw-electronics.de/ (unter Artikel>> Verbrauchsmaterial >> Chemisches Zinn) bietet für ca. 15 Euro ein bereits fertige Lösung zum Verzinnen an. Hier muss man also nichts mehr zusammenmixen. Das klingt nach einer anwenderfreundlichen Lösung. Ich habe sie aber noch nicht getestet.

nach oben


Bohren
Zum Schluss wird nun noch gebohrt. Dabei dreht sich alles um eine hohe Bohrerdrehzahl, und um verkantungsfreies Bohren. Die meisten Löcher werden mit 0,8 mm gebohrt. Wer sich freihändig mit einem Akkuschrauber oder einer großen, netzbetriebenen Bohrmaschine versucht, bricht zwangsläufig die Bohrer serienweise ab.
Ideal wäre eine hochtourige (20000 UPM) Ständerbohrmaschine mit feinfühliger Ständermechanik, die es erlaubt mit kleinem Druck auf die Platine zu bohren. (z.B. Proxon Feinbohrschleifer mit kleinem Bohrständer für zusammen ca. 100 Euro) Die hatte ich aber lange Zeit nicht. Eine brauchbare Alternative ist eine kleine hochtourige "Bastelbohrmaschine" für 10,- Euro, die mit Gleichstrom (15-20 V) versorgt werden muss. Sie dreht schnell genug und ist so leicht, dass man das Verkanten (und das dann folgende Bohrerabbrechen) vermeiden kann. Beim Bohren dann keine Gewalt anwenden, sondern mit kleinem Druck bei höchstmöglicher Drehzahl arbeiten.

Wer Glasfaserplatinen bohrt, verschleißt übrigens pro Platine einen Standard-Bohrer. Schon nach ca. 100 Löchern wird ein Standardbohrer stumpf.
Mit Titannitrit beschichtete Bohrer (die goldfarbenen) kosten etwas mehr und sollen etwas länger halten. Ich habe sie aber nie für Platinen verwendet.

Außer den normalen Standardbohrern (ca. 0,30 Euro/Stk) gibt es Spezialbohrer mit einem auf 3,2 mm verdicktem Schaft zu einem Vielfachen des Preises (ca. 5 Euro/Stk; 2,40 bei Reichelt). Diese liefern hervorragende Ergebnisse (die Bohrlöcher sehen aus wie gestanzt) und halten auch viel länger. Allerdings brechen sie bei seitlicher Belastung, bei zu geringer Drehzahl und wenn man sie versehentlich fallen lässt sehr schnell ab, da sie im Vergleich zu Standardbohrern viel spröder sind. Ihr Einsatz lohnt ausschließlich in einer kleinen Ständerbohrmaschine mit >10000 upm.
(Ich habe einmal 3 Stück innerhalb von 5 Minuten abgebrochen. Erst nachdem ich schon beim ersten Loch nacheinander 2 Bohrer abgebrochen hatte, bemerkte ich die viel zu geringe Drehzahl von 5000 upm. Nach der Erhöhung auf 20000 upm bohrte ich einige wunderschöne Löcher. Beim anschließenden Bohrerwechsel fiel der dritte Bohrer dann auf den gefliesten Fußboden - exitus. Von den so geopferten 15 Euro hätte ich 50 Standardbohrer kaufen können.)

nach oben


Bestücken der Platine
Wer nicht löten kann ist auf dieser Seite eigentlich falsch. Er sollte erst mal an einem billigen kleinen Fertigbausatz üben. Trotzdem ein paar Grundregeln.

Zum Beginn des Lötens sollte Bauelement und die Leiterplatte frei von Oxydschichten sein. Ist die Leiterplatte wie oben vorbereitet, ist die schon mal o.k.. Bedrahtete Bauelemente liegen manchmal jahrelang beim Händler oder Bastler im Regal. Ihre Anschlussdrähte sollten kurz vor dem Löten mit sehr feinem Sandpapier  leicht abgerieben werden.

Grundsätzlich sollte man nur mit einem Flussmittel löten. Fast alle Lötzinn-Sorten enthalten deshalb eine Kolophoniumader. Zusätzlich kann man in Spiritus gelöstes Kolophonium auf die Lötstelle auftragen. Ist der Lötkolben zu heiß, "verbrennt" das Kolophonium zu einer schwarzen Kruste und wirkt nicht mehr.

Der häufigste Fehler ist das zu kurze Erhitzen der Lötstelle. Dadurch wird nicht richtig gelötet, sondern nur zusammengepappt. Man sollte in aller Ruhe abwarten, bis das Lötzinn schön an der Lötstelle läuft und die Platine und den Bauelementeanschluss "benetzt" hat (ca. 2-3 Sekunden). Ansonsten hat man an seinen Lötstellen keine dauerhafte Freude. Bauelemente sind bei weitem nicht so hitzeempfindlich wie man denkt.
Dieses Foto zeigt typische Anfängerlötstellen: zuviel Lötzinn, zuwenig Flussmittel, zu wenig Hitze.
Dieses Foto zeigt recht normale Lötstellen: weniger Lötzinn, reichlich Flussmittel, ausreichend Hitze.
Die Lötkolbenspitze muss sauber  und mit flüssigem Zinn überzogen sein. Ansonsten ist der Wärmekontakt zur Lötstelle schlecht, und die Lötstelle erhitzt sich nur sehr langsam. Verzunderungsfreie Dauerlötspitzen sind ihr Geld wert.

Vielbeinige Schaltkreise sollte man von den mittleren zu den äußeren Beinchen hin löten, und Pausen einlegen, damit der IC sich nicht zu sehr aufheizt.

SMD-Bauelemente sollte man nur auf vorher dünn verzinnte Flächen auflöten. Der Lötkolben sollte niemals auf das Bauelement gesetzt werden, sondern von der Seite den Anschluss erhitzen. Bei SMDs sollte sparsam mit Lötzinn umgegangen werden.

Versehentliche Lötzinnbrücken lassen sich leichter entfernen, wenn man sie mit reichlich Kolophonium wiedererhitzt. Gleichzeitig kann man überflüssiges Zinn mit Entlötlitze (feinadrige mit Kolophonium getränkte Kupferlitze) entfernen. Dazu legt man die Entlötlitze auf die Lötstelle, und setzt dann den Lötkolben auf die Entlötlitze, um die Lötstelle durch die Entlötlitze hindurch zu erhitzen. Auf diese Art und Weise lassen sich auch filigranste Schaltkreise sehr sauber verlöten.

Bleifreies Lötzinn verkompliziert den Lötprozess. Man sollte deshalb bleihaltiges Lötzinn verwenden, solange man noch welches bekommt. Der Anteil an der Blei-Umweltverschmutzung, den die Elektronikbastler zu verantworten haben, ist vernachlässigbar klein.

nach oben


Nach dem Bestücken der Platine
Hat man alle Lötarbeiten glücklich abgeschlossen und die Funktion der Platine erprobt, sollte man die Leiterseite noch nachbearbeiten. Die Platine sollte gereinigt und versiegelt werden. Zum Reinigen benutze ich Spiritus und eine alte Zahnbürste. Damit entferne ich all die unschönen Kolophoniumkrusten, und auch die evtl. nach dem Ätzen aufgetragene Kolophoniumlackierung.

Dann geht's ans versiegeln. Soll eine Platine nur vorübergehend genutzt werden, oder ist abzusehen, das man sie öfters mit dem Lötkolben bearbeiten wird, kann man wieder eine Kolophonium-Spiritus-Lösung auftragen. Eine dauerhafte Versiegelung erreicht man mit einem speziellen Leiterplatten-Lack (z.B. "Plastik") aus der Sprühdose. Der greift das Kupfer und Zinn nicht an (was man vom Kolophonium langjährig nicht sagen kann) ist haltbar und trotzdem im Notfall lötbar.
Früher habe ich nur mit Kolophonium versiegelt, aber manche 10-15 Jahre alte Platine weist inzwischen Oxydschichten auf dem Kupfer auf.

Verzinnte Platinen versiegel ich in der Regel gar nicht.

nach oben


andere Verfahren
Sowohl das fotochemische Übertragen des Layouts auf die Platine wie auch das Ätzen der Platine ist umständlich und benötigt inklusive Vorbereitung und Reinigung/Aufräumen einige Stunden. Da lohnt sich auch mal ein Blick auf alternative Methoden, die ich aber in der Regel nicht anwende. Ich kann hier also keine tiefschürfende Informationen liefern.

Direkttonermethode
Hier versucht man sozusagen mit dem Laserdrucker das Layout auf die Leiterplatte (das kupferkaschierte Basismaterial ohne Fotolack) zu drucken. Das ist natürlich nicht direkt möglich, da die Platine nicht durch den Drucker passt, und da sich eine leitfähige Kupferfläche nicht mit einem elektrostatischen Druckwerk bedrucken lässt. So druckt man erst einmal auf ein Transfermedium (Folie oder spezielles Papier) und überträgt das Layout dann vom Transfermedium auf die Platine.
Der Toner des Laserdruckers besteht aus einer Art Harz, das mit Ruß geschwärzt ist. Das Harz ist bei Normaltemperatur fest, schmilzt aber bei hohen Temperaturen. Im Drucker wird das Layout zunächst auf das Transfermaterial "gepudert" und dann mit Hitze aufgeschmolzen. Legt man nun das bedruckte Transfermaterial mit der bedruckten Seite auf die Platine, kann man das Layout mit Hitze wieder schmelzen und auf die Platine übertragen. Dafür benutzt man ein Bügeleisen oder einen umgebauten Laminator. Da nicht nur der schwarze Toner sondern auch das Harz ätzfest ist, genügt hier auch ein "nicht blickdichtes" Druckbild. Geätzt wird dann wie üblich. Diese Methode ersetzt also das Belichten und das Entwickeln des photochemischen Verfahrens.
Eine schöne Beschreibung findet sich hier.

Fräsen
Eine computergesteuerte, dreidimensionale Fräsmaschine kann Layouts direkt in eine Platine fräsen. Dabei umrundet die Fräsmaschine mit einem sehr dünnen Fräser jeden Leiterzug mit einer Frästiefe, bei der das Kupfer wegfräst wird, ohne allzutief in das Trägermaterial (Glasfaser, Hartpapier) einzudringen. Die erreichbare Genauigkeit hängt direkt von den Kosten der Maschine ab. Eines der preiswertesten Angebote ist die "Profiler" von Colinbus, die die Zeitschrift Elector als Bausatz für knapp1700 Euro anbot.
Der Vorteil der Fräse ist die Möglichkeit, durch computergesteuertes Layoutfräsen und Bohren viele herkömmliche Arbeitsgänge einzusparen (Belichten, Entwickeln, Ätzen, Bohren). Das Platinenmaterial muss dabei absolut plan aufliegen.
Außer der Fräsmaschine benötigt man noch Software, die die Layoutdateien der CAD-Programme an die Fräsmaschine anpasst, sowie Verbrauchsmaterial (Frässtifte und Bohrer halten nicht ewig und sind teuer).
Die hohen Kosten lassen sich nur rechtfertigen, wenn man die Fräsmaschine auch für andere Bastelarbeiten sinnvoll einsetzen kann. (Sei es der weihnachtliche Schwippbogen oder Rippen für die Tragfläche des Modellflugzeugs.)
Da der oben erwähnte "Profiler" eine Universalfräse ist, stellt er nicht gerade das Optimum zum Fräsen feinster Layouts dar. Leiterbahnen im Submilimeterbereich gelingen nicht immer sauber. Eine spezielle Leiterplattenfräsmaschine ist aber noch einmal deutlich teurer. So kostet der "Elektor PCB Prototyper" schon 3500 Euro.

Gravieren
Das Platinenfräsen ähnelt ja schon recht stark dem Gravieren. Auch computergesteuerte Graviermaschinen lassen sich zum Platinenfräsen einsetzen. Der Vorteil der Graviermaschine ist ihre (meistens) vorhandene Graviertiefenmessung. Auch nicht exakt flach liegende Platine lassen sich damit korrekt fräsen. Allerdings lässt sich eine Fräse im Bastelkeller vielseitiger einsetzen als eine Graviermaschine. Deshalb lässt sich auch ihr Kauf gegenüber der Ehefrau schlechter begründen.

Klebefolie
Werbeschriften auf Autos werden mit selbstklebender, farbiger Plastikfolie hergestellt, aus der die Werbeschriftzüge mit einem computergesteuerten Schneid-Plotter herausgeschnitten werden. Es gibt auch selbstklebende Kupferfolie, mit der sich Leiterbahnen bzw. ganze Platinenlayouts erstellen lassen. Diese klebt man dann auf ein geeignetes Trägermaterial. So entstehen dann z.B. effektheischende Leiterplatten auf Acrylglasbasis (mit zweifelhaften Löteigenschaften). Dafür benötigt man natürlich einen computergesteuerten Schneidplotter. Für größere Layouts ist dieses Verfahren sicherlich nicht praxisgerecht.

industrielle Fertigung
Wenn ich mich auf privaten Homepages umschaue, dann erstaunt mich immer wieder der große Anteil industriell gefertigter Platinen, die von Bastlern eingesetzt werden. Es gibt eine Reihe von Firmen, die auch Privatkunden ihre Dienste anbieten. So ein Einzelstück ist natürlich nicht ganz billig. Pro qdm (Quadratdezimeter) kann man aber schon mit 25 Euro (einseitig) bis 35 Euro (zweiseitig) auskommen (ohne Extras wie Lötstopplack oder Bestückungsdruck). Die Platinen werden auf die korrekte Größe gefräst, gebohrt, durchkontaktiert und verzinnt ausgeliefert.
Die hohen Kosten sind dann gerechtfertigt, wenn man die Möglichkeiten der Leiterplattenprofis wenigstens ansatzweise ausreizt. Zweiseitige Layouts mit bis zu 30 Leiterbahnen pro Zentimeter sind industriell möglich, während das im Bastelkeller unerreichbar bleiben dürfte. Auch wenn man nur selten Platinen fertigen muss, kann die industrielle Fertigung billiger werden als die Anschaffung der für die Platinenfertigung nötigen Gerätschaften und Chemikalien.
Ich habe zweimal den PCB-Pool von Conrad getestet, und war sehr zufrieden. Dort lassen sich Platinen ab 1 qdm bestellen. Wer kleinere Layouts hat, kann mehrere identische Layouts zu einer 1 qdm großen Platine zusammensetzen. Ich bestellte einmal 15 zweiseitige Platinchen von  jeweils 37mm x 22mm Größe, um den Quadratdezimeter voll zu bekommen. Ein weiteres mal orderte ich 3 einseitige Platinen von 60mm x 60mm mit Leiterbahnbreiten von 0.2 mm im Abstand von 0.2mm. Das sind 25 Leiterbahnen pro Zentimeter.
Für den reinen Anschaffungspreis einer "Profiler"-Fräsmaschine (siehe oben) kann man etwa 90 einseitige Platinen im halben Europaformat bzw. 70 doppelseitige Platinen dieser Größe anfertigen lassen. Gefräste Platinen sind aber weder so filigran noch durchkontaktiert oder verzinnt.




graue Vergangenheit
So, das war's.
Das Herstellen von Platinen ist nach wie vor nicht einfach, aber im Vergleich zu meinen früheren Verfahren, habe ich inzwischen eine brauchbare, stabile Platinenqualität.

Als ich in den 1980ern meine ersten Platinen anfertigte, kannte ich Fotochemie nur vom Hörensagen.

Ich polierte damals das zugeschnittene, zweiseitig kupferkaschierte Leiterplattenmaterial mit wachsfreiem Scheuermittel und reinigte es dann mit Spiritus.
Das Platinenlayout entwarf ich mit Papier, Bleistift und viel Hirnschmalz. Die Positionen aller nötigen Bohrungen übertrug ich dann mit einem Körner vom Papier auf das  Platinenmaterial. Dann wurde gebohrt.
Danach zeichnete ich alle Leiterbahnen mit Skribent (einem Tusche-Zeichengerät) und scharlachroter Tusche (nur die war ätzfest). Manchmal benutzte ich auch verdünnten Lack, dann musste ich aber durch einen Schlauch ständig Luft in das Skribent pusten, damit der recht dickflüssige Lack auch aus dem Skribent lief.
Geätzt wurde dann mit Eisen-III-Chlorid in einer Fotoschale.
Das Ergebnis sah entsprechend aus. Hier eine "handgemalte" Computerplatine von 1987.

Im Vergleich dazu sind heutige Verfahren geradezu elegant.

nach oben

 zurück zu Elektronik , Homepage
Autor: sprut
erstellt: 2001
letzte Änderung: 02.06.2012