Doppelseitige Leiterplatte selber ätzen

Kleine Platinen selber zu erstellen und auch zu fertigen ist für den Aufbau von Funktionsmustern und Prototypen essentiell. Es ist einfach eine große Zeitersparnis. Man kann sie auch mit relativ einfachen Equipment herstellen. Im wesentlichen brauch man nur einen UV-Belichter, Ein Ätzbad, eine kleine Ständerbohrmaschine und eine Lötstation.

Belichtungsschablone drucken

Ich benutze für das zeichnen von Schaltplänen und zum Layouten das Programm Altium Designer. Im Rahmen von Forschung und Lehre an der Technischen Universität Ilmenau kann ich dieses über eine Netzwerklizenz kostenfrei nutzen. Meine Entscheidung zur Nutzung von Altium Designer kam damals durch die Möglichkeit 3D Platinen zu exportieren. Seitdem bin ich dabei geblieben.

Altium Designer

https://www.altium.com/altium-designer/de *

Es gibt natürlich noch weitere Alternativen, wie zum Beispiel das weit verbreitete EAGLE.

Autodesk EAGLE

https://www.autodesk.de/products/eagle/overview *

Diese Software steht auch in einer kostenlosen Version zur Verfügung. Diese Version ist zwar im Funktionsumfang etwas eingeschränkt, reicht aber für viele Projekte durchaus aus.

Ablauf vom Layout zur Folie

1. Neues PCB-Dokument erstellen „Print.pcb“
2. Öffne das PCB-Layout zum Drucken
3. Ziehe Linien als Begrenzung (links und oben)
4. Ziehe Linie als Begrenzung genau darüber 
5. Kopiere obere Linie in Bottom Layer (strg+c+punkt makieren
   ->PCB Inspektor (Reiter links unten bei Projekten)
   ->Layer
   ->Bottom Layer   ankreuzen. Überprüfe ob alles passt
6. Schalte alle Layer außer Top Layer aus mit Shift+S (2x)
7. Makiere alles strg+c+Punkt makieren
8. Kopiere in Print.pcb + spiegeln->strg+v->x (spiegeln)
9. Widerhole Schritt 6-8 für den Bottom Layer (alles außer Bottom und mechanical ausschalten) WICHTIG: Kein Spiegeln beim Kopieren
10. Layer ausschalten unter File+Page Setup+Advanced…+doppelklick auf layer und dann hide all
11. File+Page Setup + Color Set auf Mono
12. Setze Scale-Faktor auf 1.0
13. Überprüfe in der Vorschau, ob alles so stimmt
14. Drucken: a) unter Printer Setup -> Medientyp Normalpapier und Quelle Kasette 1
15. Print Properties + Erweitert + Papiergröße A4
    Drucken: b) unter Properties-> Quelle Universalzufuhr und Medientyp Folie

Beim Umgang mit den frisch bedruckten Overheadfolien gilt es vorsichtig zu sein, da der Toner durch mechanische Einwirkung sehr leicht abgekratzt werden kann, was wiederum zu Fehlern auf der Platine führen kann.

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Platine belichten

Mein Tipp: Jetzt ist ein guter Zeitpunkt das Ätzbad schon einzuschalten, damit dieses sich schon erwärmen kann.

Zum Belichten sollten immer zwei Folien übereinander gelegt werden, damit eine ausreichende Schwärzung gewährleistet ist. Dabei muss sehr genau auf eine optimale Überlappung der Folien geachtet werden. Das Platinen-Rohmaterial wird dafür grob mit der Hebelschere zugeschnitten. Man sollte aber noch etwas Rand lassen, da hier der Fotolack trotz Schutzfolie meist schon mit Licht exponiert wurde. Durch einen etwa 1cm großen Rand verhindert man hierbei böse Überraschungen. Es empfiehlt sich auch der Einsatz von Tonerverdichter. Dieser wird aus etwa 25cm Entfernung aufgesprüht, ist farblos und verbindet die Tonerpartikel zu einer dunkleren Beschichtung und erhöht sichtbar die Schwärzung.

Tonerverdichter

https://www.reichelt.de/tonerverdichter-lf-a-400-ml-tvd-lf-a-p89770.html *

Trotz Tonerverdichter sollten bei den einfachen glänzenden Overheadfolien diese doppelt verwendet werden. Dabei gilt es, auf den richtigen Typ zu achten, da es Folien für Tintenstrahldrucker als auch spezielle für Laserdrucker zu kaufen gibt.

Für das Belichten wird eine Seite der Schutzfolie abgezogen und die Platine an der Hilfslinie platziert. Das Anlegen sollte recht zügig erfolgen um eine scharfe und saubere Belichtung sicher zu stellen. Dann wird der Deckel geschlossen und die Platine für etwa 1:20 bis 3:00 Minuten belichtet. Die optimale Zeit muss man mit einer sogenannten Belichtungstreppe bestimmen. Das ist abhängig vom Fotolack und somit dem Platinenhersteller. Ich kaufe aus diesem Grund immer bei der selben Firma.

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Danach gilt es die Leiterplatte zu wenden und auf die andere Seite zu platzieren. Abweichungen in der Deckungsgleichheit haben vor allem bei Durchkontaktierungen, wie Via‘s, große Auswirkungen. Eine zusätzliche Hilfslinie entlang einer langen Seite eignet sich hervorragend als Spiegelachse. Sie sollte einen Abstand von mindestens 4 mm zum späteren Platinenrand haben, damit Die Platine dann sauber herausgeschnitten werden kann. Diese sollte man bereits bei der Erstellung der Folien im Layout mit erzeugt haben und Top- und Bottomlayer sollten sich decken.

Sicherheitshinweis: Bitte auf entsprechende Schutzkleidung (z.B.: Schutzbrille, Kittel, Handschuhe, etc.) achten! Die verwendeten Chemikalien sind gefährlich und genau die Anweisungen der Hersteller beachten! Beim ätzen kann es zu gesundheitsschädlichen oder giftigen Dämpfen kommen. Eine Belüftung bzw. Absang sollte unbedingt in Betracht gezogen werden. Bitte auch auf eine sachgemäße Lagerung (z.B.: für Kinder unzugänglich) und Entsorgung der Chemikalien achten! Für eine unsachgemäße Handhabung wird keine Haftung übernommen!

Leiterplatte entwickeln

Nachdem die Leiterplatten belichtet wurden, sollten sie Lichtgeschützt aufbewahrt werden. Ich benutze dafür immer einen kleinen Karton. Vorsitzende, der Lack ist kratzempfindlich. Kratzer sollte man möglichst vermeiden, da der lack ja das Kupfer vor dem Ätzbad schützt und somit ein Kratzer später dann eine Unterbrechung ergibt. Dies kann dazu führen, das Leiterbahnen oder sogar Flächen unterbrechen oder teilen können. Auch nach dem Entwicklen bleibt der Lack noch kratzempfindlich und es gilt immer noch etwas Vorsicht, damit dieser auch während des Reinigens und Einspannen in die Leitterplattenhalterung nicht zerkratzt.

Leiterplatte ätzen

Wir benutzen ein sehr einfach Tauch-Ätzbad bei dem die Platinen an einer Halterung befestigt in das Ätzmittel eingetaucht werden. Für die Bewegung der Flüssigkeit sorgen Luftblasen, welche von unten in das Ätzgefäß einführt werden. Dazu dient eine einfache elektrische Membran-Luftpumpe aus der Aquaristik. Die Temperatur wird hierfür mit Hilfe einer Aquariumheizung auf etwa 45-50° C angehoben. Ich lasse das Ätzbad immer etwas vorwärmen, indem ich es bereits vor dem Drucken der Folien und dem Belichten einschalte.

Platinen Ätzgerät

https://www.reichelt.de/platinen-aetzgeraet-1-bis-max-235x170mm-platinen-aetzgeraet-1-p23418.html?&trstct=pos_2

Hier eine Zeitrafferaufnahme zum Ätzprozess. Man erkennt deutlich wie das Kupfer zunehmen verschwindet.

Die fertigen Platinen werden aus dem Ätzbad gehoben und und gereinigt. Dabei sollte man darauf achten, kein Metallspülbecken zu benutzen, da dieses durch die Ätzlösung angegriffen werden könnte.

Löcher bohren

Bevor man man mit dem Bestücken und Löten der Leiterplatte beginnt, sollte man alle Löcher bohren. Dafür benutze ich eine kleine Ständerbohrmaschine. Alternativ kann man auch eine kleine „Dremel“-Handbohrmaschine verwenden und diese in einen Bohrständer einspannen. Große Standbohrmaschinen haben eventuell nicht die Laufruhe und die kleinen dünnen Bohrer könnten so schnell abbrechen.

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Als Bohrer gibt es spezielle Hartmetallbohrer. Diese sind entsprechend scharf geschliffen und eignen sich genau für diese Form der Anwendung. Generell aber muss man mit ihnen sehr vorsichtig und sorgsam vorgehen, damit man diese nicht ständig abbricht. Sie liegen im Preis so bei 2,70 bis 3,90 € bei diversen Elektronikversandhändlern. Bei Amazon sind die Importe etwas günstiger, über die Qualität kann ich da aber weniger was sagen, da ich meine immer bei den typischen Elektronik-Distributoren beziehe. Es empfiehlt sich auch lieber immer ein paar Ersatz zur Hand zu haben.

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Leiterplatte nachbereiten

Nachdem die Platine gebohrt wurde, kann und muss noch der restliche Fotolack ab. Dafür kann man sehr gut Brennspriritus verwenden. Es empfiehlt sich auch hierbei Handschuhe zu tragen. Dabei sollte man den Spiritus ruhig großzügig einsetzen. Nach diesem Schritt hat man das blanke Kupfer frei liegen und und kann mit dem Löten beginnen.

Via’s fertigen

Die Via’s fertige ich manuell mit Hilfe einer einfachen Draht-Durchkontaktierung. Die Bohrung dafür hat einen Durchmesser von 0,6 mm und das Pad sollte 1,6 mm Durchmesser haben. Ein schmaleres Pad geht zwar auch, allerdings kann es dann passieren das das Pad sich beim Bohren oder Löten vom Leiterplatte ablöst. Zudem hat sich diese Größe auch bei größeren Platinen als von Vorteil herausgestellt, da bei Double-Layer die beiden Seiten etwas zueinander verdreht sein können

Dann wird ein passender Draht großzügig hindurch gesteckt und von beiden Seiten verlötet. Anschließend werden sie mit dem Seitenschneider abgeknippst.

Leiterplatte Bestücken und Löten

Bei Bestücken sollte man möglichst mit den kompliziert ICs beginnen. Sollte der Einsatz einer Infrarot- oder Heißluftlötstation notwendig sein, empfiehlt es sich, immer damit zu beginnen. Oft halten Plastikelemente an mechanischen Steckverbindern die Hitze nicht so gut aus.

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Sind die komplexen ICs auf die Leiterplatte aufgelötet kann man mit den passiven Bauelementen weiter machen. Ich arbeite dabei viel mit der SMD-Baugröße 0603. Das lässt sich mit einem feineren Lötkolben noch ganz gut per Hand löten. Etwas Flussmittel wie in Alkohol aufgelöstes Kolofonium ist dabei wirklich sehr zu empfehlen. Falls ihr noch keinen Vernünftigen Lötkolben habt, empfehle ich den Kauf einer temperaturgeregelten Lötstation. Dabei solltet ihr euch auch etwas vernünftiges kaufen. Die Leistung in Watt ist hierbei nicht ganz unwichtig und es ist wirklich sehr vorteilhaft eine Temperatur vorwählen zu können.

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Für die Entwicklung von komplexen Funktionsmustern, hat sich die Nutzung von Breadboards als Vorteilhaft herausgestellt. Die Platinen werden als Funktionsgruppe so aufgebaut, dass sie direkt ausgesteckt werden können. Ich nutze dann noch einfache Brücken zum Verbinden.

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Transparenz

Es gab zu diesem Post keine Kollaboration mit einer Firma oder ähnlichen. Die genannten/aufgeführten Produkte wurden mir nicht kostenlos zur Verfügung gestellt. Die Nennung der Marken könnte man als Werbung auslegen, daher kennzeichne ich diesen Beitrag als solche. Ich übernehme auch keine Garantie auf Richtigkeit und Vollständigkeit meiner Aussagen. Für daraus resultierende Schäden wird keine Haftung übernommen. Der Umgang mit elektrischer Spannung/Strom wird nur Experten empfohlen. Bei Unsicherheiten einfach die Finger davon lassen.

Die von mit einem * markierten Links sind von mir freiwillig eingefügte Links. Kein Auftrag, keine Kooperation, kein Vorteil für mich.