Platinenherstellung

Winfried Mueller, www.reintechnisch.de, Start: 19.11.2004, Stand: 05.03.2006

Im Grunde machen es alle ähnlich und doch hat jeder wieder sein spezielles Rezept, Platinen herzustellen. Hier ist meine erprobte Methode. Damit kann man durchaus SMD-Platinen mit 0.3mm Leiterzugdicke herstellen.

  • Platinenmaterial: Bungard ist so mit das Beste und weil ich mich auf gleichbleibende Qualität verlassen möchte, nehme ich dieses. Ich stelle auch nicht so viele Platinen her, dass sich eine Kostenoptimierung lohnen würde. Ich nehme photobeschichtetes Material, kaufe es i.d.R. bei Reichelt.
  • Layout erstellen: Das Layout erstelle ich mit Eagle. Eagle gibt es in einer kostenlosen Einstiegsversion. Eagle ist sicherlich nicht das Non-Plus-Ultra, aber man kann sich dran gewöhnen. Ich mag es, weil es auch eine Version unter Linux gibt und die Firma auch günstige Versionen für freie Entwickler anbietet. Wichtig: Damit sich später besser bohren lässt, habe ich den Bohrdurchmesser bei allen Pads auf etwa 0.4mm verringert. Damit zentriert sich der Bohrer dann schön.
  • Ausdruck: Prinzipiell funktionieren sowohl Laser- wie auch Tintenstrahldrucker. Laserdrucker arbeiten oft präziser, haben aber mitunter Probleme, Leiterzüge durchweg zu schwärzen. Kleinste Löcher in Leiterzügen wirken sich schon negativ aus. Tintenstrahler sind meist etwas unsauberer, die Tinte verläuft aber, wodurch mit Löchern im Layout kaum zu rechnen ist. Pigmentierte Tinte ist zudem sehr tief schwarz und verbessert die Ergebnisse. Viele neuere Modelle mit Einzeltanks nutzen pigmentierte Tinte. Ich drucke auf normalen 80g/m2 Papier aus. Ausdruck Top spiegelverkehrt, Bottom normal. Bei zweiseitigen Platinen wird Top mit etwa 2 cm Überstand vom Platinenrand ausgeschnitten und exakt mit Bottom verklebt. In der Art, dass die Tonerschicht innen liegt. Verkleben mit dünnen Tesafilm auf 2 Seiten (links, unten). Hier kommt es darauf an, genau zu arbeiten, Tesa darf nicht verknittert aufgeklebt werden, sonst kann später die Platine nicht ordentlich gepresst werden. Auch darf kein Staub, Haare usw. dazwischen liegen. Für die Ausrichtung von Top und Bottom empfiehlt sich ein Lichttisch.
  • Belichtungsrahmen: Um das Papier gut auf die Platine zu drücken, verwende ich einen selbstgebauten Belichtungsrahmen. 2 Glasscheiben von 4mm Dicke, etwa 150x200mm groß, an den Kanten mit Aluprofilen verstärkt (aufgeklebt).
  • Einspannen: Die Platine genau passend in die Tasche legen, die durch das zusammengeklebte Layout entstanden ist. Bei einseitiger Platine einfach das Layout nur auf eine Seite legen. Nun die Glasplatten des Belichtungsrahmen unten und oben auflegen und mit Plastik-Halteklammern aus dem Baumarkt fixieren. Ich benutze dabei etwa 8 Klammern, um gut Druck draufzugeben. Das ist wichtig, damit das Layout wirklich direkt auf der Platine aufliegt. Wenn das nicht der Fall ist, wird mehr belichtet, als einem lieb ist. Der Druck darf aber auch nicht zu hoch sein, weil sonst die Scheibe brechen würde. Ein stabiler Alurahmen ist wichtig.
  • Belichten: Zum Belichten verwende ich einen UV-Gesichtsbräuner. In diesem sind 4 Philips-UV-Röhren mit etwa 30cm Länge eingebaut. Insgesamt 75 Watt. Abstand zur Platine etwa 6 cm. Belichtungszeit 12 Minuten. Nachdem eine Seite belichtet ist, umdrehen und die andere Seite belichten. Die Belichtungszeit hängt von vielen Bedingungen ab und kann sich im Bereich von 90 Sekunden und 20 Minuten bewegen. Am besten macht man eine Belichtungsreihe. Hierzu fixiert man auf einem Stück Basismaterial irgendeine Layoutvorlage. Auf diese Layoutvorlage kommt am besten jeden Zentimeter ein Querstrich. Man deckt dann z.B. mit einem Stück Platinenmaterial ab und legt alle 30 Sekunden einen Streifen von ca 1cm weiter frei. So bekommt man Streifen, die abnehmend lange belichtet sind. Bei der nachfolgenden Entwicklung sieht man, wo die optimale Belichtungszeit liegt. Dran denken dass Abstand zu den Röhren, evtl. dazwischenliegende Glasplatten, Alter des Basismaterials, Hersteller des Basismaterials, Durchlässigkeit der Papier/Filmvorlage und Temperatur des Entwicklers beeinflussende Faktoren sind.
  • Entwickeln: Ich verwende normales NaOH, 10g pro Liter. Korrekt belichtet ist, wenn innerhalb von 1-2 Minuten fertig entwickelt ist, also der überschüssige Lack heruntergewaschen ist. Maximal sollte man nicht länger als 5-7 Minuten entwickeln.
  • Ätzen: Ich ätze derzeit mit Natriumpersulfat. Ammoniumpersulfat sollte man nicht verwenden, weil es giftiger ist. Eisen-III-Chlorid ist vom Ätzverhalten oft gutmütiger, hinterlässt aber rostbraune Flecken, wenn man es verschüttet. Wenn man Natriumpersulfat ordentlich erhitzt und frisch ansetzt, funktioniert es ganz gut. Da ich oft recht kleine Platinen herstelle, habe ich mir ein kleines Ätzbad gebaut, wo nur etwa 0.1 Liter Ätzmittel reinkommen. Das entsorge ich dann nach dem Ätzen. Der Ätzbehälter hat eine beheizte Aluplatte im Boden, die über einen Mosfet beheizt wird. Die Aluplatte ist mit Silikon eingeklebt und lackiert. Mit etwa 20-30 Watt Heizleistung ist das Bad bei 50-60 Grad. Dann dauert das Ätzen etwa 7 Minuten (Ammoniumpersulfat) bzw. 18 Minuten (Natriumpersulfat), wenn man die Platine permanent bewegt.
  • Bohren: Ich bohre mit einer Hobbydrill im Ständer. Hartmetallbohrer.
  • Säubern: Nach dem Ätzen wird die Platine ordentlich abgespült und mit Aceton der Lack entfernt. Dann mit Kolophonium-Lack bestrichen. Diesen kann man sich selber herstellen, einfach Kolophonium in Isopropanol auflösen. Kolophonium gibts z.B. bei Conrad, Isopropanol in der Apotheke. Es wird so viel Kolophonium reingegeben, bis sich nichts mehr löst oder man die passende Konsistenz erreicht hat. Von Spiritus anstatt Isopropanol wird abgeraten, weil es mitunter verunreinigt ist. Das gilt ebenfalls fürs Säubern von Platinen.

Alternative: Handmalerei

Wer nur mal eben eine kleine Platine fertigen will, für den ist die Belichtungs-Methode vielleicht zu aufwändig. Hier hat sich für mich die handgemalte Platine immer wieder bewährt. Eine kleine Platine hat man innerhalb von 10-30 Minuten gemalt.

Gut geeignet ist dies Methode vor allem für die, die noch keine Belichtungs-Ausrüstung haben.

Wenn man diese Methode perfektioniert, kann man damit auch feine Leiterzüge und aufwändige Platinen hinbekommen, irgendwo ist aber der Punkt erreicht, wo belichten einfach zeitgünstiger ist. Ich habe jedenfalls mit diesem Verfahren schon Europakarten große doppelseitige Platinen mit Prozessor und Pheripherie hergestellt, an denen ich einen Tag lang gemalt habe. Damals in Ermangelung einer Belichtungsanlage.

Und so gehts:

  • Layout erstellen, z.B. mit Eagle.
  • Layout ausdrucken (Bottom-Layer gespiegelt) und auf ein Stück Platinenmaterial legen, welches man zuvor passend zugesägt hat. Das Layout wird auf der Rückseite mit einem Klebestift bestrichen und auf die Platine aufgeklebt.
  • Nun wird anhand des aufgeklebten Layouts die Platine gebohrt.
  • Von der gebohrten Platine wird das Layout entfernt. Die Grate der Bohrlöcher können ggf. mit einer Rasierklinge weggeschnitten werden (Vorsicht, nicht in die Finger schneiden!).
  • Die Oberfläche wird mit Wasser und Seife gesäubert. Dann wird mit sehr feinem Nass-Schleifpapier (400-800er Körnung) die Oberfläche angeschliffen. Gerade so viel, dass die Oxydschicht abgetragen wird. Nachträglich nochmal mit Feuerzeug-Benzin reinigen.
  • Mit einem "edding 780" Lackmalstift kann man nun die Lötaugen und Leiterzüge malen. Wer genau arbeiten möchte, kann ein stabiles Holz-Lineal zur Hilfe nehmen, wo man Füße drunterklebt, so dass es gerade nicht auf die Platine aufsetzt. Das würde nämlich die bisher gemalten Leiterzüge beschädigen. Mit diesem Lackmalstift kann man Leiterzüge ab 0.6-1mm Dicke gut zeichnen. Zwischen 2 Lötaugen im 2.54er Raster sollte man keine Leiterzüge routen. Der Lack ist sehr stabil gegenüber dem Ätzmittel. Angeblich sollen auch andere Permanent-Marker funktionieren, damit hatte ich jedoch nie Glück gehabt.
  • Wenn das Layout fertig erstellt ist, kann geätzt werden. Wichtig ist, zügig zu ätzen. Meine Erfahrung ist, dass der Lack nach etwa 20 Minuten partiell angegriffen wird.
  • Nach dem Ätzen mit Aceton den Lack entfernen und mit Kolophonium-Lötlack bestreichen.
  • Eine Alternative zum Lackmalstift sind Tuschestifte bzw. Tuschefüller, die eine Art Röhrchen als Spitze haben (z.B. Rotring Rapidograph). Es gibt sie in Durchmessern von 0.13mm - 2mm, kosten etwa 12-25 Euro. Günstig bekommt man sie gebraucht bei Ebay. Ein 0.5er Durchmesser ist in der Regel gut geeignet. Man muss jedoch die innere Nadel entfernen, damit der dickere Lack auch durchfließt. Bei der Auswahl des Lackes muss man experimentieren. Er darf auch nicht zu dickflüssig sein.

Ätzmittel

Natriumpersulfat

  • Dosierung 200-250g pro Liter
  • Optimale Temperatur 45-50 Grad
  • Ergiebigkeit: ca. 800 cm2 Kupferfläche pro Liter (2,5 Europlatinen doppelseitig)

Tipps & Tricks

Manche empfehlen, das Papier, auf dem das Layout ist, mit Öl einzureiben, damit es durchsichtiger wird. Dann geht das Belichten schneller und evtl. sind so auch feinere Strukturen möglich. Ich würde ein Öl aus der Küche empfehlen. Wichtig ist dann jedoch, vor dem Entwickeln Ölreste auf der Platine mit Spülmittel zu entfernen. Auch Waschbenzin funktioniert z.B. bei Bungard-Material ganz gut. Wer das Layout öfters verwenden will, nimmt lieber ein härtendes Holzhartöl (gibt es in jedem Baumarkt, meist auf Leinöl-Basis, Hersteller z.B. Kreidezeit, Livos). So ein Hartöl ist nach ca. 24 Stunden staubtrocken, Öl gelangt dann nicht mehr auf die Platine. Durch die Ölbehandlung verbessert sich auf jeden Fall das Kontrastverhältnis und damit wird der ganze Herstellungsprozess unproblematischer. Man muss z.B. Belichtungs- oder Entwicklungszeiten nicht so genau einhalten.

Um in Eagle den Bohrdurchmesser auf 0.3-0.5mm zu reduzieren, braucht man nicht bei jedem Bauteil Änderungen vornehmen. Der geringe Bohrdurchmesser ist ja beim manuellen Bohren praktisch, weil sich so der Bohrer zentriert. Für diesen Zweck ruft man unter Datei > ULP das Skript drill-aid.ulp auf. Dieses legt auf Layer 116 ein Bohrmaske, wo man einen entsprechenden Bohrdurchmesser angibt. Wenn man diese später mit ausdruckt, erscheint der Lochdurchmesser verrringert.

In Foren las ich, dass manche ein Layout 2 mal übereinanderdrucken, damit die Deckkraft besser ist. Ich hatte das gleich als Unsinn verworfen, weil ich glaubte, dass man damit nie eine ausreichende Deckungsgleichheit erreichen kann. Der Drucker zieht ja immer etwas anders ein. Dann habe ich es doch mal spaßeshalber gemacht, mit einem Canon Pixma IP4300. Ich war völlig verblüfft und konnte es nicht glauben. Selbst bei einer 0.1mm dicken Linie ist in X und Y Richtung kein Versatz sichtbar. Das grenzt schon an Magie. Mit dieser Methode, wenn sie denn mit dem eigenen Drucker funktioniert, kann man die Deckkraft tatsächlich enorm erhöhen. Gerade bei Tintenstrahldruckern sieht man unter dem Mikroskop immer Löcher, wo keine schwarze Tinte hingekommen ist. Diese werden mit einem zweiten Druck deutlich reduziert.

Eine andere Möglichkeit, zu lichtdichteren Ausdrucken zu gelangen, ist, das Layout zweimal auszudrucken und übereinanderzulegen. Hierbei ergibt sich ein Vorteil: Die Fasern des Papiers sind mitunter so geformt, dass auch bei einem zweiten drüberdrucken die Tinte nicht in bestimmte Zwischenräumen fließen will. Wenn man dagegen auf einem neuen Papier druckt, fließt dort die Tinte ganz anders. Die Wahrscheinlichkeit, das auf beiden Papieren bestimmte Stellen weiß bleiben, ist dabei dann viel geringer.

Natürlich hängt auch viel vom Papier ab. Ausreichende Ergebnisse für einfache Platinen erreichte ich mit einem Standard 3 Euro pro 500 Blatt Papier (Xerox Performer Laser Copier) sowohl mit einem Canon Pixma 4300 wie auch mit einem alten HP840 Tintendrucker.

Bei Tintenstrahldruckern ist Original-Tinte oft besser, als Tinte von Drittherstellern. Das muss aber auch nicht sein. Es gilt, hier gut auszuwählen und Tests zu machen. Neben der Deckkraft gibt es auch das Phänomen, dass schlechte Tinte verläuft oder viele Fehlspritzer produziert.

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