Herstellung von Leiterplatten

Einleitung

Für die ersten Gehversuche bei der Erstellung elektronischer Schaltungen eignen sich Steckbretter sehr gut. Wenn es dann etwas dauerhafter sein soll bietet sich der Aufbau auf Lochraster-Platinen an. Manchmal muss es aber doch eine "echte" Leiterplatte sein, z.B. weil man Bauteile mit einem Footprint hat, der nicht wirklich gut auf Lochraster passt (SMD-Bauteile, SubD-Stecker, etc.), oder einfach weil es schick aussehen soll. Außerdem bieten Leiterplatten den Vorteil, dass man bereits bei der Erstellung Verdrahtungsfehler ausschließen kann, was insbesondere praktisch ist, wenn man mehrmals die gleiche Platine herstellen möchte.

Leiterplatten kann man profesionell herstellen lassen. Auf Mikrocontroller.net gibt es eine umfangreiche Liste von Platinenherstellern. Ich habe früher gelegentlich bei PCB Pool bestellt und kam meistens so bei 40 EUR raus. Da ich mir das damals als Student nicht beliebig oft leisten konnte, habe ich damit angefangen selbst Leiterplatten zu ätzen. Ich glaube allerdings, wenn ich damals schon Platinenbelichter.de gekannt hätte, wäre es nicht so weit gekommen. Hier bekommt man für rund 15 EUR eine doppelseitige Platine (ohne Durchkontaktierung und Lötstopplack) die einer selbst gemachten Leiterplatte mindestens ebenbürtig ist. Wenn es dann doch mal etwas Hübsches mit Lötstopplack und evtl. sogar Bestückungsdruck sein soll, dann kann man immer noch auf einen anderen Anbieter von der oben genannten Liste zurückgreifen.

Inzwischen ätze ich gar nicht mehr selbst, möchte aber meine gesammelten Erfahrungen zur Verfügung stellen.

Ein Überblick

Die Herstellung einer Leiterplatte umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte:

  1. Erstellung des Layouts
  2. Herstellung der Belichtungsmaske
  3. Belichtung
  4. Entwicklung
  5. Ätzen
  6. Reinigung
  7. Sägen, bohren, fräsen, durchkontaktieren

Die Erstellung des Layouts ist wohl in den meisten Fällen der zeitaufwändigste Teil. Das Ergebnis ist eine Schwarz-Weiß-Zeichnung der gewünschten Kupferflächen. Zur Erstellung solcher Layouts gibt es zahlreiche Programme, ich selbst benutze den EAGLE Layout Editor (ehemals Cadsoft, jetzt Autodesk). Von diesem Programm gibt es eine kostenlose (eingeschränkte) Version, die für Hobby-Bastler meistens prima ausreicht.

Die Übertragung des Layouts auf die Platine erfolgt fotografisch. Das Basismaterial ist mit einem Lack überzogen, der bei Kontakt mit UV-Licht zerstört wird. Die Belichtungsmaske hält das UV-Licht von den Bereichen fern, in denen das Kupfer erhalten bleiben soll. Durch den Entwicklungsvorgang werden die zerstörten Anteile abgelöst, sodass die darunter liegende Kupferschicht frei wird. Insgesamt hat dieser Vorgang große Ähnlichkeit mit der Schwarz-Weiß-Fotografie, auch was die Werkzeuge betrifft: flache Schalen und Pinzetten aus Kunststoff.

Beim eigentlichen Ätzvorgang werden die freiliegenden Kupferflächen aufgelöst, wodurch die vom Layout definierten Bahnen zurückbleiben. Nach einem Reinigungsschritt erfolgt die mechanische Bearbeitung wie z.B. das Bohren der Löcher für die Bauteile.

Bei doppelseitigen Platinen müssen noch die Leiterbahnen von Ober- und Unterseite verbunden werden. Im einfachsten Fall über die Beine von Bauteilen, die man später einfach auf beiden Seiten anlötet. Ansonsten bieten sich abgeknipste Bauteilbeinchen oder andere kurze Drahtstückchen an. Es gibt auch Verfahren, bei dem Niete benutzt werden (z.B. Bungard Favorit), aber damit habe ich keine Erfahrung. Außerdem kosten diese Geräte in der Anschaffung erst mal viel (so ab 200 EUR aufwärts).

Grundausstattung und benötigte Werkzeuge

Die benötigten Werkzeuge findet man oft bereits im Haushalt oder kann sie günstig beschaffen.

Wer möchte kann die Layouts auch direkt auf Transparentpapier zeichnen, wie man es früher gemacht hat. Ich habe bisher immer mit einem Laserdrucker gearbeitet. Anfangs auf Overheadfolien (Achtung: nicht für alle Drucker geeignet!), später auf Transparentpapier. Ich würde letzteres empfehlen, klappt meistens besser und ist billiger. Damit die Belichtungsmaske sauber aufliegt sollte man sie mit einer Glasscheibe beschweren. Hierzu eignen sich die Scheiben billiger Bilderrahmen bestens. Aber aufpassen: hochwertige Bilderrahmen haben Scheiben mit UV-Schutz, damit die Fotos nicht ausbleichen. Dieses Feature ist für unseren Zweck natürlich kontraproduktiv.

Zum Erhitzen der Flüssigkeiten habe ich eine Camping-Herdplatte und einen Erlenmeyerkolben benutzt. Erlenmeyerkolben und Thermometer bekommt man beim Laborbedarf (z.B. Carl Roth) oder auch bei Amazon oder eBay. Beim Thermometer reicht ein Temperaturbereich bis 100 °C aus, darüber hinaus werden die schnell recht teuer.

Als Schalen habe ich sehr gute Erfahrung mit Einsätzen für Besteckschubladen gemacht. Die waren spottbillig und haben ein ideales Ausgussverhalten. Was die Größe betrifft sollte man sich an der Größe der geplanten Leiterplatten mit etwas Spielraum zum Greifen mit der Pinzette orientieren. Ist man hier zu großzügig benötigt man später mehr Flüssigkeit um einen geeigneten Füllstand zu erreichen.

Zur Belichtung selbst habe ich immer einen Gesichtsbräuner mit 4 x 15 Watt benutzt. Um jedes Mal die gleiche Belichtungsstärke zu erzielen habe ich eine Halterung aus Holzplatten gezimmert, die einen Abstand von ca. 25 cm einhält. Während des Belichtungsvorgangs sollte man die Augen ggf. mit einer UV-Brille schützen oder den Raum verlassen/wegschauen.

Ein heikles Thema ist die mechanische Bearbeitung. Abhängig vom Basismaterial (Hartpapier vs. Epoxyd) entsteht zum einen eine Menge Dreck, zum anderen benötigt man geeignetes Werkzeug. Beim Bohren der Löcher sollte man unbedingt einen Bohrständer benutzen, sonst ist die Gefahr groß dass man beim hundertzehnten Loch ein Stück Leiterbahn wegkratzt und die Platine futsch ist. Ich hatte einen Bohrständer von LUX bei Amazon für ca. 25 EUR gekauft und war in Verbindung mit einer bereits vorhandenen Bosch-Bohrmaschine sehr zufrieden.
Die speziellen Platinenbohrer scheinen auf den ersten Blick unverschämt teuer, aber gerade wenn man Epoxyd-Platinen herstellt lohnt es sich schnell, da hierbei normale HSS-Bohrer wegsterben wie die Fliegen. Außerdem haben die besseren Platinenbohrer meistens ein dickeres Ende für das Bohrfutter, was das Einspannen erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht.

Tipps zu den einzelnen Schritten

Erstellung des Layouts

Zur Erstellung guter Layouts könnte man sicher Bücher füllen. Ich habe es mir im Wesentlichen selbst beigebracht und wage es daher nicht hier Lektionen zu erteilen. Aber ein paar Ratschläge kann ich mir nicht verkneifen:

Herstellung der Belichtungsmaske

Wichtig ist, dass die schwarzen Anteile wirklich gute Deckkraft haben. Beim Drucken auf Overheadfolie ist dies oft nicht gegeben und erfordert einen zweiten Druck auf die gleiche Folie, was wiederum oft mit einem leichten Versatz verbunden ist. Daher habe ich später immer Transparentpapier benutzt, da ist ein einzelner Druck meistens ausreichend.

Das Ziel der Belichtung ist eine möglichst scharfe, gut konturierte Abbildung zu erzeugen. Da die UV-Strahlen aus der Lampe nicht parallel sind gibt es viel Streulicht. Unter solchen Bedingungen wird die schärfste Abbildung dann erreicht, wenn die Maske direkt auf der Leiterplatte aufliegt. Dazu dienen zwei Maßanhmen:

Die Vorlage mit der Druckseite nach unten aufzulegen erscheint auf den ersten Blick vielleicht etwas paranoid, aber man muss bedenken, dass das diffuse Transparentpapier das Licht stark streut, und das will man hinter der Maske definitiv nicht mehr haben.

Die Beschwerung mit der Glasplatte dient einerseits um das Aufwölben der Vorlage zu verhindern, zum anderen aber auch einfach damit sie während der Belichtung nicht durch einen Windhauch verschoben wird.

Belichtung

Die wichtigste Größe bei der Belichtung ist die Belichtungszeit. Eine zu kurze Belichtungszeit resultiert in einer schlechten Abbildung und es bleibt zu viel Kupfer stehen. Eine zu lange Belichtungszeit führt zu löchrigen Kupferflächen. In die ideale Belichtungszeit gehen viele Faktoren ein, z.B. die Art des Basismaterials (also im Wesentlichen die Empfindlichkeit des Photolacks), die Art und der Zustand der UV-Lichtquelle (bei Leuchtröhren ggf. auch deren Alter), der Abstand von der Platine sowie die Lichtdurchlässigkeit von Glasscheibe und Trägermaterial.

Um diesem komplexen System beizukommen sollte man eine Belichtungsreihe anfertigen. Dazu erstellt man eine Vorlage, die von der Auflösung der Strukturen in etwa den späteren Layouts entspricht. Diese deckt man teilweise mit einem Stücke Pappe ab, die man nach und nach wegzieht und somit Bereiche unterschiedliche Belichtungsdauer erhält. Nach dem Entwickeln und Ätzen dieser Probeplatine kann man sich für eine geeignete Belichtungsdauer dieses Systems entscheiden.

Da die Belichtung mit dem Abziehen der Schutzfolie vom Basismaterial beginnt, sollte man auf eine dunkle Umgebung achten und zügig arbeiten. Typische Belichtungszeiten liegen bei 3-5 Minuten.

Entwicklung

Der Entwicklungsvorgang schließt sich direkt an die Belichtung an. Hierbei wird die belichtete Platine in ein Entwicklerbad gegeben, typischerweise ca. 1%ige Natriumhydroxid-Lösung. Die genaue Beschaffenheit entnimmt man der Anleitung des Basismaterials, meistens sollte die Lösung Zimmertemperatur haben. Im Entwicklerbad bleiben die zerstörten Teile des Photolacks zurück, es sollte daher nicht zu oft oder besser noch gar nicht wiederverwendet werden.

Um eine Kontamination der Ätzlösung mit Resten der Entwicklerlösung zu vermeiden sollte die Platine vor dem nächsten Schritt in einem Wasserbad gereinigt werden. Hierzu nimmt man die Kunststoff- oder Holzpinzette und greift die Platine möglichst nur am Rand. In diesem Zustand ist die Platine noch sehr empfindlich; ein versehentliches Kratzen über die Oberfläche hat später Spuren in den Kupferflächen zur Folge!

Verbrauchte Natriumhydroxid-Lösung kann über das normale Abwasser entsorgt werden. Bei anderen Entwicklern entsprechende Entsorgungshinweise beachten.

Ätzen

Der Ätzvorgang dauert ca. 20-30 Minuten, je nach verwendetem Ätzmittel. Hier gibt es im Wesentlichen das Verfahren mit Natriumpersulfat und das mit Eisen(III)-Chlorid. Ich habe mit beiden gearbeitet und ziehe das Eisen(III)-Chlorid vor, weil es von der Verarbeitungstemperatur einfacher zu handhaben ist und die Lösung in der Lagerung stabiler ist. Ätzlösung verwendet man üblicherweise solange, bis sie keine guten Ergebnisse mehr erzielt, und hier ist Eisen(III)-Chlorid ziemlich ergiebig.

Beim Ätzen ist die Temperatur der Lösung wichtig und der Anleitung zu entnehmen. Bei Eisen(III)-Chlorid habe ich meist ca. 50 °C benutzt, wobei die Lösung über die Zeit natürlich abkühlt. Wenn die Platine erst mal in der Ätzlösung liegt sind die zeitkritischen Schritte erledigt und man kann etwas verschnaufen, ich nutze die Zeit dann meist schon zum Aufräumen. Man sollte die Schale gelegentlich etwas bewegen, damit die Ätzlösung gut durchmischt bleibt und sich keine Zonen bereits gesättigten Ätzmittels bilden. Auch wenn die Dauer des Ätzvorgangs nicht so kritisch wie bei der Belichtung ist, sollte die Platine dennoch nicht unnötig lange in der Lösung verweilen. Obwohl die zu erhaltenden Kupferschichten von oben her durch den Photolack geschützt sind, kann das Ätzmittel dennoch von den Seiten her angreifen und die Leiterbahnen zerstören.

Nach dem Ätzen wird die Platine abermals mit Wasser gespült, aber hier ist sie bereits unempfindlich, sodass man diesen Schritt auch am Wasserhahn durchführen kann. Achtung: das Ätzmittel selbst darf nicht einfach weggekippt werden, da dieses Metallsalze enthält, die stark gewässerschädigend sind. Bei uns im Ort nimmt die Schadstoffsammelstelle verbrauchte Ätzlösung im haushaltsüblichen Maßstab kostenlos an.

Reinigung

Der "nasse" Teil ist fast geschafft, jetzt muss nur noch der verbliebene Photolack entfernt werden. Dazu eignet sich ganz normaler Brennspiritus. Entweder als Bad in einer flachen Schale (kann mehrfach benutzt werden), oder mit einem gut getränkten Stück Küchenpapier. Danach noch ein letztes Mal unter dem Wasserhahn abspülen und fertig.

An dieser Stelle prüfe ich die Platine auf Beschädigungen, die eine weitere Bearbeitung hinfällig machen würden. Dazu benutze ich eine Tischlupe wie z.B. PB.5040 von euromex.

Sägen, bohren, fräsen, durchkontaktieren

Bei der mechanischen Bearbeitung ist Ruhe und Sorgfalt gefragt. Hier kann man sehr schnell die ganze Vorarbeit ruinieren. Viele kleine Pannen kann man zwar flicken, aber besser ist sie unterlaufen erst gar nicht. :-)

Zum Bohren sollte man unbedingt einen Bohrständer benutzen. Selbst billige Bohrständer sind genauer als aus der Hand zu bohren. Außerdem sollte man immer "von Kupfer nach Leiterplatte" bohren, da sonst die Gefahr besteht, dass man die Kupferschicht abhebt. Bei beidseitigen Platinen hilft es ein Holzbrettchen unterzulegen und die Platine ggf. mit einer Leimzwinge fest anzupressen. Die Art der Bohrmaschine selbst ist nicht so entscheidend, zu wenig Drehmoment gibt es bei den kleinen Durchmessern eigentlich nicht. Auch bei der Geschwindigkeit habe ich keine so großen Unterschiede bemerkt, aber das kann wohl variieren, denn gerade dieser Punkt wird oft kontrovers diskutiert. Bei den Bohrern selbst würde ich keine Kompromisse eingehen und die guten Platinenbohrer kaufen. Ich habe ein paar in den gängigen Größen bei Conrad gekauft und war sehr zufrieden.

Ich habe fast ausschließlich Hartpapier-Platinen von Bungard benutzt, aber die gab es nur einseitig und inzwischen glaube ich gar nicht mehr. Bei der Verarbeitung von Epoxyd-Platinen gibt es mehr feinen Dreck, der außerdem auf Grund der Glasfasern ungesund ist. Beim Bohren weniger ein Problem, dafür aber umso mehr beim Sägen bzw. "Dremeln". Ich hatte mir Feinstaubmasken aus Papier besorgt, aber fand sie als Brillenträger recht unpraktisch (Brille ist ständig durch den Atem beschlagen).

Bezüglich Durchkontaktierung beidseitiger Platinen kann ich nur jedem raten freistehende Vias so gut es geht zu vermeiden und auf natürliche Durchkontaktierungen wie Beinchen von Bauteilen zurückzugreifen. Die paar wenigen Vias, die ich bisher gesetzt habe, habe ich meistens bereut. Am wenigsten schlecht hat sich folgendes Verfahren erwiesen:

Wenn alles geklappt hat, dann sieht man von beiden Seiten nur einen kleinen Huppel. Oft ist das so glatt, dass man solche Vias auch unter anderen Bauteilen platzieren kann (zumindest DIL, SMD vielleicht eher weniger).


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