Einleitung

Da hat man nun seine neueste Schaltung fertig und will bei den vielen ICs nicht schon wieder auf die gute alte Loch- bzw. Streifenraster-Platine im Euro Format zurückgreifen - diesmal möchte man eine "richtige" Platine anfertigen.

Dieser Artikel befasst sich mit der Herstellung von Platinen-Layouts aus foto-beschichteten Kupfer-Platinen durch chemisches Ätzen im Säure-Bad.

Folie Drucken

Vorraussetzung ist eine Schaltung die als Layout vorliegt. Diese gilt es zunächst auf eine Folie zu drucken. Dabei sollte alles was später aus leitfähigem Kupfer bestehen soll (möglichst deckend) schwarz sein.

Ich benutze in meinem HP DeskJet 990cxi Farb-Tintenstrahl Drucker ganz normale billige Tintenstrahler-Folie. Zum drucken wähle ich den mittleren Qualitätsmodus (Entwurf / Normal / Optimal) sowie Automatische Papiererkennung. Denn der Drucker prüft mit einer blauen LED die Reflexion der Papieroberfläche. Das klappte besser, als speziell Folientypen Auszuwählen. Den Regler für die Tintenmenge lasse ich ebenfalls in der Mitte stehen. Die Trocknungszeit läßt sich auch einstellen, jedoch betrifft dies nur den Duplexdruck (warten bis Tinte trocken bevor das Blatt zum Wenden wieder eingezogen wird).

Aussagen eines Freundes zufolge eignen sich Farb-Laser-Drucker am besten für deckende Ergebnisse auf Folien. Allerdings hab ich ihn nicht gefragt, welche Folien (Kopierer - wird jedenfalls mächtig warm) und welchen Laserdrucker er verwendet hat. Auch versteh ich den unterschied vom s/w zum Farblaser bei reinem Schwarz-Druck nicht. Es könnte am unterschiedlichen Verfahren liegen...

Um Unschärfe an den Kanten zu vermeiden sollte man die Folie so herum bedrucken, dass die Platine später mit ihrer Foto-Beschichtung direkt auf der bedruckten Seite des Papiers liegt - Also spiegelverkehrt ausdrucken (Standard bei dem meisten Layout-Programmen wie z.B. Eagle)

Belichten

Nachdem nun die Folie vorliegt gilt es das Layout möglichst gut auf die Platine zu übertragen. Dazu verwende ich einen selbstgebauten UV Belichter:

2 UV Röhren (Ersatzteile für Profi-Gerät kosten ca 12€) stecken in einem alten Flachbett-Scanner Gehäuse. Angesteuert werden diese über 2 Ganz normale Leuchtstoffröhren Vorschaltgeräte. Also Eine Spule, ein Kondensator und ein Starter (hiervon die Turbo Version). Achten sollte man beim Selbstbau auf Belüftung (Röhren werden warm) und elektrische Isolation bzw. Kontakt-Abstände. Dies ist besonders bei Schaltern wichtig, da man sonst lustige Funkenstrecken beim Ausschalten bekommt.

Ein mechanischer oder ein elektronischer Timer sind eine feine Sache, jedoch genügt schon eine normale Stoppuhr um Sekundengenau zu belichten.

Als guten Test für die Optimale Belichtungsdauer nimmt man ein Probestück Platine, entfernt nur ein Fünftel der Schutzfolie und setzt sie 5 bis 20 Sek (je nach Intensität) dem UV Licht aus. Diesen Vorgang wiederholt man dann noch 4 Mal. Nach dem Entwickeln sollte man einen Verlauf sehen.

Bei meinen 2 UV Röhren (8W) und dem original Scanner Plexiglas (andere Gläser absorbieren UV Strahlung anders) ist die optimale Belichtungszeit 2min 40sek (man kann bei sehr scharfem Entwicklerbad auch nach 12sek schon deutliche Bahnen erkennen). Nebenbei bemerkt läßt sich sogar durch die schwarze Schutz-Folie hindurch belichten - daher meine Empfehlung: Platinen immer an dunkler Stelle aufbewahren!
Update:
Mit entsprechender Folie und Laserdrucker lassen sich noch höher auflösende Layouts erstellen. Allerdings nicht so deckungs-stark wie die Tinten-Folien. Meine Belichtungszeit beträgt jetzt nur noch 30sek. Dafür dauert das Entwickeln etwas länger (3min)...

Entwickeln

Nach dem Belichten geht es an das Entwickeln des Foto-Lacks, der die Platine später in der Säure schützen soll.

Ich kann an dieser Stelle nur meine Erfahrungen mit Natronlauge - respektive Natrium-Hydroxid Kügelchen in Wasser gelößt - wiedergeben:

Meine Erkenntniss: In der Würze liegt die Kürze, und höhre Temperaturen beschleunigen den Prozess ebenfalls (Die Hersteller raten allerdings von zu hohen Temperaturen ab).

Aber vorsicht: Wer zuviel würzt (und erhitzt), lößt unter Umständen den ganzen Lack auf einmal ab!

Eine weitere Erkenntniss ist, dass der Entwickler nicht mehr gut ist, wenn er zu lange offen gestanden hat. Ebenso ist der Entwicker schnell gesättigt und nicht mehr zu gebrauchen.

Manchmal hilft aber auch schon aus dem Wasserkocher einen Schluck Heißes am Rand in die Schale zu füllen. Von nachträglichem Würzen mit NaOH Kügelchen rate ich ab, da diese direkt in ihrer Näche befindlichen Lack durch die lokale Konzentration zerstören!

Hier mein Rezept für den Entwickler in einer Kleinen Schale, die genau eine Euro-Platine (160x100mm) fasst:

250 ml Wasser, 5 g NaOH bzw. ein halber Messlöffel (ca 10 ml) davon.

Den Becher am besten nur zur häfte mit kaltem Leitunsgwasser füllen, die Kügelchen auflösen und kurz vor der Anwendung noch heißes (kein kochendes) Wasser aus dem Wasserkocher hinzugeben.

Platine in die (leere) Schale legen, frischen Entwickler drüber gießen und Schwenken.
Nach 80 Sekunden sollten bereits deutlich die Leiterbahnen zu erkennen sein. Andernfalls stimmt die Konzentration/Temperatur des Entwicklers nicht, oder bei der Belichtung ist was schiefgelaufen. Länger als 100sek lass ich die Platine nicht in der Lauge.
Bei mir sind schon eine ganze Menge Probestücke draufgegangen.
Ein Tip zum Umgang mit Natronlauge: Auch wenn es sich um das Gegenteil von Säure handelt (zumindest auf der Ph-Werteskala) so ist das Zeug doch extrem aggressiv. Ein Stück Schinken lößt sich recht zügig auf! Also am besten in Nähe eines Waschbeckens hantieren um das Zeug schnell von Händen und auch den Platinen spülen zu können. Latex-Handschuhe bewahrten im Überigen bisher ganz gut die Finger davor "weich" zu werden. Desweiteren sollte man auch immer an die Umwelt denken und Chemie-Abfälle ordentlich entsorgen. Das ist natürliche alles eine Frage der Konzentration: Im großen Stil bitte zu den Entsorgungsbetrieben, in kleinen Mengen mit genügend Wasser in den Ausguß aber auf keinen Fall in die Umwelt! (Natürlich nur bei Getrenntem Regen- / Ab-Wasser). Bei vielen Haaren im Duschabfluß kann man die Suppe auch dorthinein kippen und etwas abwarten bis sich die organischen Dinge dort zersetzt haben. Das Nachspühlen mit viel Wasser nicht vergessen - der nächste unter der Dusche wird es einem danken.

Ätzen

Im günstigen Fall hat man jetzt seine Schaltung klar und deutlich auf der Platine abgebildet (der Foto-Lack ist dafür extra dunkel blau gefärbt).

Nun soll das Kupfer an den blanken Stellen weggeäzt werden. Dazu ist wiederum Die Platine in einem Flüssigkeitsbad zu schwenken. Nur wird diesmal eine Säure verwendet, die das Metall angreift - und zwar jedes Metall! Auch die Feder der Wäscheklammer mit der man die Platine eigentlich befestigen wollte ...

Da das ätzen je nach Konzentration bzw. Sättigung der Säure recht lange dauern kann, würde ich von einem manuellen Schwenken in einer Schale absehen. Hinzu kommt, dass auch eine höhere Temperatur (von 50 Grad laut Hersteller) erforderlich ist, da das Ätzen sonst zu lange braucht und das Leiterbahn-Bild 'unscharf' wird.

Daher ist eine Ätzmaschine sehr zu empfehlen. Diese muss man keineswegs für teures Geld im Elektronik Fachhandel erwerben - man kann sich auch mit einfachen Mitteln eine Ätzmaschine selber bauen.
Im Grunde braucht man nur ein säurefestes, dichtes Behältnis und eine kleine Pumpe, die für Bewegung in der Flüssigkeit sorgt.

Alle Teile bekommt man im Zoohandel bzw. Aquaristik-Fachgeschäft:

• 1 Mini-Aquarium (nach Salzwasser-Beständigkeit fragen)
• 1 Glasscheibe + Silikon zum Reinkleben
• 1 Luftpumpe + Schlauch (kein PVC - auch hier nach Salzwassereignung fragen)
• 1 Aquarium-Heizung > 30W

Bei meiner Version habe ich Küvette für die Säure so dimensioniert, daß ich auch bei größeren Platinen mit möglichst wenig Säure auskomme (das ganze Aquarium mit 10 Litern Säure zu füllen finde selbst ich übertrieben). Die Europlatine (160x100mm) auf dem nebenstehenden Foto schwimmt in 1 Liter Säure.


Hinweise zum Gebrauch der Säure:
Den Liter Säure kann man nach dem Ätzen ganz gut in eine Plastik- oder Glasflasche füllen, damit sie nicht bei längerem stehen verdunstet. (keine Metallverschlüsse verwenden!)
Es kommen bei mir entweder Amoniumpersulfat oder Eisen-3-Chlorid als chemische Substanzen zum Einsatz. Davon löse ich 250g in 1 Liter warmen Wasser auf und erhalte damit eine gebrauchsfertige Lösung die für einige Ätzvorgänge ausreicht. Das ist natürlich immer von der Menge der zu zusetzenden Kupferfläche abhängig. Generell gilt: bei starker Trübung (z.B. blau/grün bei Amoniumpersulfat) ist die Lösung komplett zu ersetzen - Nachwürzen ist unsinnig. Die alte Lösung bitte umweltgerecht entsorgen! Es sei noch erwähnt, daß Eisen-III-Chlorid eine ziemliche Sauerei ist, da sich Flecken nur sehr aufwändig entfernen lassen. Hautkontakt sollte wenn möglich natürlich vermieden werden, ist aber im Gegensatz zur vorher verwendeten Natronlauge bei weitem nicht so aggressiv. Auch beim Ätzen haben sich Latex-Untersuchungshandschuhe bewährt. Wenn das Säurebad mit Luftblasen umgewälzt wird, sollte man eine Abdeckung auflegen, damit die feinen Spritzer nicht überall hingelangen.

Da das Säurebad eine höhere Temperatur haben sollte, ist der Einsatz eines Heizstabes sehr zu empfehlen, da sich sonst die Ätzzeiten bis auf 2 Stunden ausdehnen können - was u.a. auch zu Unterätzungen führen kann.
Der Heizstab sollte natürlich ebenfalls säurefest sein, also am besten in einem Glaszylinder Stecken (wie die meisten Aquariumsheizstäbe). Alternativ tut es auch ein Reagenzglas mit einem Keramikstab, der mit Constantandraht (Widerstandsdraht) umwickelt ist, welches man noch mit Sand füllen kann.

Da das Aufheizen relativ lange dauert bediene ich mich vor dem Befüllen der Küvette gerne einer anderen Methode:

Ich fülle die Hälfte der Säure aus der Aufbewahrungsflasche in eine Plastikschale (NICHT RANDVOLL!) und stelle diese mit einem Papiertuch abgedeckt für kurze Zeit in die Microwelle. (Das Papiertuch ist wichtig, damit die Säuredämpfe nicht das Metall des Küchengerätes angreifen). Dann schütte ich die heiße Säure vorsichtig in die Glasküvette.


Jetzt muss nur noch die Platine reingehängt werden und es kann losgehen. Nach einigen Minuten fängt das blanke Kupfer an sich gelblich matt zu verfärben. Dies ist aber noch längst nicht der Moment die Platine herauszunehmen. Die ersten Risse in den Kupferflächen bilden sich erst viel später und sind am einfachsten zu erkennen, wenn man eine Lampe von hinten durch die Platine leuchten läßt. Sowohl Expoxid wie auch Hartpapier Platinen lassen sich gut durchleuchten, die Kupferschicht nicht. So kann man am einfachsten erkennen, wann die Platine fertig geätzt ist. Dies kann u.U. auch eine Stunde dauern, wenn die Säure halb gesättigt und die Temperatur zu niederig ist.

Fertig?!

Nun ist die Platine fertig geätzt.
Sie sollte jetzt unter fließendem Wasser gespühlt, und anschließend mit Papiertüchern abgetrockenet werden. Jetzt sollte man für langlebige Resultate noch den restlichen Fotolack strippen, d.h. entfernen.
Dazu nimmt man entweder einen Lappen mit Aceton o.Ä. oder man belichtet die ganze Fläche einfach nochmal und spühlt den verbliebenen Fotolack mit Natronlauge runter.
Dannach wieder gründlich mit Wasser spülen (Scheuerpulver ist auch erlaubt). Hautkontakt ist dabei zu vermeiden, da das blanke Kupfer dann später recht schnell anläuft.
Zu guter letzt sprühe ich noch Lötlack auf und trockne diesen mit Heißluft. So bleiben die Leiterbahnen geschützt und dennoch Lötfähig. (Den Sprühkopf der Lötlackdose dannach mit Alkohol reinigen)

Es kann nun gebohrt und bestückt werden, aber das ist nicht mehr Gegenstand dieses Artikels.
(Ein Tip: erst die kleien Bauteile mit Kreppband auf der Oberseite fixieren und die Großen Teile zuletzt verlöten. Teure ICs sockeln!)

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