Leiterplattenherstellung für Einsteiger

Belichten   Entwickeln   Ätzen   Entschichten   Löten   Bibliographie  
Ohne Fleiß kein Preis - ein blöder Spruch, der allerdings wieder sein häßliches Haupt erhebt: ohne Leiterplatte keine funktionierenden Microcontrollerapplikationen und ohne diverse Techniken und Methoden keine Leiterplatte. Diese Seite beschreibt das Herstellen einer Platine aus einer Belichtungsvorlage und versucht, das Mysterium der Photochemie von einer anwenderorientierten Warte aus zu beleuchten.

Ausrüstung

Die zum erfolgreichen Herstellen eigener Leiterplatten erforderliche Ausrüstung ist weder teuer noch kompliziert zu beschaffen. Dank einfach zu handhabender Chemikalien und fertig zu bekommenden Materialien ist die Platinenherstellung so einfach wie nie.
Unabdingbar zum Bohren von Leiterplatten ist - selbstverständlich - eine Bohrmaschine. Besitzt man einen Bohrständer, so kann man auch mit einer normalen und in fast jedem Haushalt vorhandenen Bohrmaschine dank Bohrern mit verdicktem Schaft, die auch in gröbere Bohrfutter passen, Leiterplatten bearbeiten. Präzise arbeiten kann man jedoch nur mit einer Kleinbohrmaschine, z.B. dem Dremel oder der Proxon Minimot. Auch hier empfiehlt sich ein Ständer, damit beispielsweise Lötstifte genau senkrecht sitzen. Dazu benötigt man einen Satz Hartmetallbohrer mit 0.5, 0.8, 1.0 und 1.3 mm Durchmesser. Besonders empfehlenswert sind dabei die sogenannten Hartmetall-Speerbohrer bzw. zweischneidige Fräser mit Speerspitze, die im Gegensatz zu den Hartmetall - Spiralbohrern nicht so leicht abbrechen. Die auch erhältlichen normalen HSS-Bohrer nutzen sich im harten Leiterplattenmaterial meist sehr schnell ab oder verbiegen.
Eine UV-Lampe muss ebenfalls angeschafft werden, wenn nicht zufällig ein Bräuner, eine Höhensonne oder ein ähnlich geartetes Gerät zur Verfügung steht, das Licht mit hohem UV-Anteil absondert. Fotopositiv ist am empfindlichsten für die hautkrebserregende UV-C Strahlung, daher sollte man mit den für die Belichtung gedachten Spezial-UV-Lampen kein Schindluder treiben. Bräuner bieten hauptsächlich UV-A und UV-B Strahlung, machen dies aber durch höhere Leistung wieder wett.
Weiterhin empfiehlt sich die Anschaffung einer preiswerten Aquarienluftpumpe mit einem Stück Plastikschlauch, ein Laborthermometer, eine ätzfeste Pinzette aus Plastik und einiger Arbeitsschalen und Trichter.
An Chemikalien benötigt man zum einen ein Ätzmittel, wobei sich Eisen-III-Chlorid (Fe3Cl) als benutzerfreundlich erwiesen hat, zum anderen einen Entwickler für Fotopositvlacke wie Natriumhydroxid (NaOH). Möchte man Leiterplatten selbst mit Fotopositivlack beschichten, so steht noch eine Spraydose 'Positiv 20' auf dem Einkaufszettel. Im allgemeinen sollte man sich aber an das industriell beschichtete Basismaterial aus dem Fachhandel halten, da es zu besseren Ergebnissen führt. Für reproduzierbare Ergebnisse sollte man seinen Basismaterial - Lieferanten möglichst selten wechseln und immer auf nicht überlagertes Material achten.
Zu guter Letzt sollte man noch eine kleine Flasche Silberleitlack anschaffen, mit dem man Leiterbahnen ausbessern oder im Falle eines Fehlers auch nach dem Ätzen noch umzeichnen kann. Leitsilber ist ein nach dem Trockenen elektrisch leitender Lack, der sich in seinem elektrischen Verhalten nicht von Leiterbahnen unterscheidet.

Ein paar Warnhinweise vorab: Immer die Warnhinweise auf den Chemikalienbehältern beachten! Keine der hier beschriebenen Chemikalien ist gefährlich, solange man ein Mindestmaß an Sorgfalt walten lässt. Dazu zählt, dass niemals Chemikalien in Getränkeflaschen gefüllt werden und Spritzer in die Augen oder in offene Verletzungen wie Hautabschürfungen unbedingt geeignet vermieden werden.
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Belichten

Die Vorlage zum Belichten muss einige Voraussetzungen erfüllen, um ansprechende Ergebnisse zu erhalten: sie muss ausreichend UV-durchlässig sein, die Leiterbahnen dürfen nicht zu schmal sein und nicht zu eng liegen, die Lötpunkte müssen ausreichend groß sein und ein Loch in der Mitte aufweisen, damit später beim Bohren der Bohrer eine Führung erhält und nicht abrutscht. Brauchbar sind Ausdrucke auf einfachem Transparentpapier mit einem Tintenstrahl- oder Laserdrucker. Spezialfolien sind eher dem Gewinnstreben diverser Firmen als der Qualität der Belichtungsvorlage dienlich.
Ebenfalls sollte man sich Gedanken über die richtige Ausrichtung der Leiterbahnen machen: man entwickelt zumeist Platinen von oben gesehen, muss die Leiterbahnen also gespiegelt aufbringen. Dazu kann man zunächst die Vorlage gespiegelt ausdrucken, als besser hat es sich aber erwiesen, beim Belichten die Vorlage mit der bedruckten Seite nach unten auf das Basismaterial zu legen. Beim Fotopositivverfahren ist das Ergebnis eine genaue Kopie der Vorlage, es ist nicht notwendig, ein Negativ anzufertigen.
Zum Belichten benötigt man keine spezielle Dunkelkammer, da auch Fensterglas einen großen Anteil der UV-Strahlung absorbiert.
Belichtung mit Schreibtischlampe und UV-Birne Es genügt, wenn keine Sonne direkt auf das Basismaterial scheint. Zunächst zieht man die Folie vom vorbeschichteten Basismaterial ab und legt die Transparentvorlage auf. Dann beschwert man die Vorlage, notfalls mit einem durchsichtigen Deckel einer CD-Hülle, den man mit ein paar großen Nägeln am Rand schwerer gemacht hat, besser mit einer Plexiglasscheibe oder der dünnen Glasscheibe eines billigen Bilderrahmens oder etwas ähnlichem so, dass keine Luft mehr zwischen dem Basismaterial und der Vorlage ist - sonst wird das Abbild unscharf.
Die Einschaltdauer der UV-Lampe hängt von der Stärke der Lampe und der Durchlässigkeit der Vorlage und der Abdeckung ab. Mit einer Nitraphot-Birne 250 Watt belichtet man mit der oben beschriebenen Konstruktion und 20 cm Abstand der Birne zur Vorlage 5 bis 6 Minuten.
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Entwickeln

Zunächst muss die Entwicklerflüssigkeit gemäß der Anleitung hergestellt werden. Dazu genügt es, 10g NaOH in einem halben Liter handwarmen Wasser aufzulösen. Die ungebrauchte Entwicklerflüssigkeit ist in einem verschlossenen Gefäß einige Zeit haltbar, wird jedoch bei längerem Luftkontakt unbrauchbar.
Das Entwickeln selbst geschieht in einer Arbeitsschale bei maximal 35°C. Es lohnt sich nicht, den Entwickler extra zu erwärmen, der Zeitaufwand zum Aufwärmen entspricht dem Mehrzeitaufwand beim Entwickeln mit 20°C. Dazu wird die belichtete Platine in die Arbeitsschale gelegt und so viel Entwicklerflüssigkeit nachgegossen, bis die Platine gut bedeckt ist. Nun wartet man unter gelegentlichem Schwenken der Schale so lange,
bis die Kupferschicht an den belichteten Stellen glänzend und klar hervortritt. Es ist eventuell angebracht, die Platine mit einem Wattebausch in der Entwicklerflüssigkeit mit der chemikalienresistenten Pinzette ganz leicht abzuwischen, damit angelöste Lackschollen nicht haften bleiben. Das ist daran zu erkennen, dass an den belichteten Stellen das Kupfer nicht klar hervortritt, sondern fleckig erscheint.
Ist der Entwicklungsvorgang abgeschlossen, so spült man die Platine unter klarem kalten Wasser lange und gründlich. Auch das Händewaschen sollte man nicht vergessen, da NaOH so ätzend wie giftig ist. In jedem Falle sind ohnehin die auf Verpackungen abgedruckten oder Geräten beigelegten Sicherheitshinweise zu befolgen!
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Ätzen

Das Ätzen geschieht am besten in einem Glas mit einer Öffnung, die groß genug ist, um Platinen hindurchzustecken. Bewährt hat sich bei mir ein großes Gurkenglas (selbstverständlich ohne Inhalt).
Die Ätzlösung wird angesetzt, indem man eine Tüte Fe3Cl in etwas weniger als die auf der Packung angegebene Menge Wasser gießt. Die Ätzlösung ist absolut unkritisch in der Herstellung und läßt sich sehr oft wieder verwenden und sogar wiederbeleben, indem man einfach neues Fe3Cl-Granulat dazugibt. Mit der Zeit bildet sich am Gefäßboden Kupferschlamm, den man ruhig im Gefäß lassen kann, da er beim Ätzvorgang nicht stört. Bis die Lösung so sehr gesättigt ist, dass sie wirklich nicht mehr wiederzubeleben ist und bei der Schadstoffannahme entsorgt werden muss, vergehen normalerweise Jahre. Diese Tips gelten natürlich nur für Hobbyanwender, die ein gewisses Maß an Unterätzung in ihren Leiterbahnbreiten mit einkalkulieren und nicht vorhaben, in Feinstleitertechnik zu arbeiten - dann gelten ganz andere Qualitätsmaßstäbe. Aber für normale Belange ist eine derartige Ätzbrühe durchaus brauchbar und einfach zu handhaben.
Zum Erwärmen der Lösung gießt man ein klein wenig mehr Wasser in einen großen Topf, als das Glas beinhaltet, und bringt es auf dem Herd zum Kochen. Dann stellt man das Glas mit der Ätzlösung in das erhitzte Wasser, das sich nach einiger Zeit auf 45°C erwärmt hat.
Nun bringt man den Luftschlauch der Pumpe in den Behälter und befestigt ihn irgendwie - z.B. mit einer alten Wäscheklammer - und läßt die Ätzlösung gut durchwirbeln. Die Platine hängt man an einer Schnur, die man durch schon vorgebohrte Befestigungslöcher am Rand gezogen hat, dazu. Es ist dabei darauf zu achten, dass unter der Schnur nicht geätzt wird, da die Schnur die Flüssigkeitsbewegungen hemmt. Ebenso ist es möglich, die Leiterplatte an einem ummantelten Draht aufzuhängen. Wichtig ist es nur, dass sie nicht abreißt, denn es ist nicht einfach, in der dunkelbraunen und stark ätzenden Lösung eine flache und liegende Leiterplatte mit einer Pinzette zu greifen.
Das Ende des Ätzvorganges erkennt man ganz leicht. Zumeist ist der Träger, auf den die Kupferfolie aufgeklebt wurde, durchscheinend. Wenn man die Leiterplatte zur Kontrolle aus der blubbernden Lösung zieht, sieht man gegen eine Lampe ganz leicht, ob der Ätzvorgang schon abgeschlossen ist. Dann sollte man die Platine wieder gut unter kaltem Wasser spülen und das Glas mit der Ätzlösung gut verschließen. Weil die Lösung zumeist noch warm ist, bildet sich beim Erkalten im Glas ein Unterdruck, der die Lösung so gut konserviert, als währe sie eingeweckt.
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Ätzen (2)

Werden die Projekte größer, und die Leiterplatten komplexer und bekommen feineren Strukturen, so muss auch die Ätztechnik langsam vom Gurkenglas weg und etwas kapitalintensiver werden.
Eisen-III-Chlorid ist zwar ausgesprochen gutmütig in der Handhabung, aber für feine Aufgaben ungeeignet: der Schlamm kann sich an Teilen der Leiterplatte festsetzen und zu ungleichmäßigen Ätzungen führen und durch die undurchsichtige braune Färbung ist das Ende des Ätzvorganges nicht genau bestimmbar. Das Gurkenglas ist auch nicht die beste Lösung, weil darin zuviel Ätzmittel zuwenig Platinenfläche umspült. Besser ist eine hohe, breite, aber sehr schmale Glasküvette mit einem elektrischen Heizstab, einem Aquarienthermometer und einem Luftausströmer am Boden. Solche Ätzgeräte sind bei den üblichen Versendern relativ Preiswert zu bekommen, sodass ein Selbstbau kaum lohnt, sofern man nicht einige der Bauteile sowieso im Bastelkeller hat.
Als Ätzmittel ist Fe3Cl für Küvetten nicht besonders geeignet, da es zum Schäumen neigt und so leicht 'übersprudelt'.
Besser ist Natriumpersulfat. Dieses Ätzmittel ist glasklar und verfärbt sich mit zunehmender Kupfersättigung stark blau. Es ätzt eine Platine in ca. 8 Minuten bei einer Arbeitstemperatur von 40C.
Isel-Ätzgerät Da Natriumpersulfat klar ist, kann man das Ende des Ätzvorganges sehr genau timen und erreicht so mit Leichtigkeit Platinen mit 0.3mm Leiterbahnen - zwei Leiterbahnen zwischen IC-Pins im 2.54er Raster hindurchzuführen ist kein Problem. Nachteilig ist an Natriumpersulfat, dass es relativ teuer und nicht sehr ergiebig ist. Man dosiert etwa mit 400g auf 1.5l Wasser. Das reicht aus, um ca. 5 Europlatinen vollflächig zu entkupfern - danach bekommt man Probleme mit der Kantenschärfe. Aus diesem Grunde ist es wichtig, möglichst bei jeder Gelegenheit die 'Masseflächen erzeugen'-Funktion seines Layoutprogrammes zu benutzen, um Ätzmittel zu sparen.

Entschichten

Nun stellt sich die Frage, wie man den Fotolack von der Platine wieder herunterbekommt, da er sich nur schwer durchlöten läßt. Er löst sich auf chemischem Wege in Aceton oder einem anderen ketonhaltigen Lösungsmittel.
Ebenso ist es möglich, ihn mechanisch zu entfernen. Dazu wickelt man etwas feine Stahlwolle oder ein Reinigungsflies, wie es die Heizungsbauer zum Reinigen ihrer Kupferrohre verwenden, um einen alten 3mm-Bohrer und poliert mit der Kleinbohrmaschine so lange die Leiterplatte, bis sie glänzt.
In einer Leserzuschrift wurde ausserdem der Tip gegeben, Spiritus zu verwenden oder einfach den Entwickler NaOH extrem überzudosieren und die Leiterplatten damit zu entschichten, was ebenfalls gut funktioniert. Bei einem Verhältnis von
einer Tasse Wasser und 30g NaOH verschwindet der Lack in Sekunden. Jedoch sollte man in diesem Falle im Gegensatz zum Entwickeln die gebrauchte Lösung nicht gleich entsorgen, sondern für die nächste Aktion in einem luftdicht verschlossenem Gefäß aufbewahren, da NaOH mit dem Kohlendioxyd der Luft Natriumcarbonat ausfällt und dabei seine Wirkung verliert.
Nun kann man noch die Platine mit Lötlack beschichten, oder mit einem stromlosen Zinnbad ('Glanzzinn') beschichten, wenn man ein professionelles Aussehen erreichen will - aber ansonsten ist die Leiterplatte fertig zum Bohren, Bestücken und Löten.
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Löten

Das Löten von Platinen ist unter Bastlern im wesentlichen eine Glaubensfrage. Fast jeder Bastler hat seine eigene, ihm angepaßte Methode. Die Problematik des Lötens gliedert sich in zwei Hauptprobleme: erstens das Verbinden von Bauteil und Leiterbahn ohne unerwünschte Lötzinnbrücken, zweitens das Entfernen der Überreste. Grundsätzlich gibt es nur zu sagen, dass das zu lange Erhitzen des Bauteils diesem schadet, und das Löten um so schwieriger wird, je enger und dichter die Anschlüsse liegen.
Üblich ist die Methode, mit einem bleistiftspitzen Lötkolben trocken Leiterbahn und Anschlussdraht gleichzeitig zu erhitzen und daraufhin mit einem sehr dünnen (max. 1mm) flussmittelgefüllten Lötzinndraht die heiße
Lötstelle zu berühren und damit Lötzinn zuzugeben. Dabei ist einiges Fingerspitzengefühl vonnöten. Der Wärmeübergang zwischen Kupfer und Lötspitze ist eher schlecht, und es besteht die Gefahr, durch zu langes herumbrutzeln das Kupfer vom Träger zu lösen. Man sollte also möglichst einige Platinchen zur Übung verwenden, damit die späteren Projekte um so sicherer gelingen. Übrigens ist es vorteilhaft, mit den teureren Epoxyd-Platinen statt billigem Hartpapier zu arbeiten, weil Epoxyd wesentlich wärmebeständiger ist, und ganz davon abgesehen beim Bohren auch nicht so sehr stinkt.
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Bibliographie

Hier finden sich die im Text verstreuten Literaturquellen und Links zum Thema noch einmal zum Nachschlagen und Wiederfinden
http://www.sprut.de/electronic/platinen/ Platinenherstellung: Eine detaillierte Anleitung für Hobbyelektroniker
http://www.repairfaq.org/filipg/HTML/FAQ/BODY/F_PCBfaq.html PCB FAQ - DRAFT - FIRST RELEASE INDEX V (6/21/95)
http://www.engr.unl.edu/ee/eeshop/proto.html Electronic Prototyping: Tips and Pitfalls

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Erik Buchmann
EMail an: Owner@ErikBuchmann.de