Eine Leiterplatte für mein Projekt

Vorwort

Auf der Suche nach nach Elektronikprojekten stößt man im Internet häufig auf Lösungsvorschläge mit Steckbrettern. Das ist in vielen Fällen eine ideale Möglichkeit neue Baugruppen, Schaltungen oder Software zu testen. Für ein praxistaugliches Gerät ist solch ein Aufbau allerdings ungeeignet.

Hierfür ist seit jeher die klassische Leiterplatte die beste Lösung. Das Ziel kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden.

Zum Einen gibt es Universal-Leiterpatten... Naja, geht schon mal, aber schön ist anders.

In den letzten Jahren kamen Anbieter auf den Markt, die auch Kleinmengen in Auftragsfertigung produzieren. Professioneller Qualität kommt das vermutlich am nächsten. Da ich diesen Anspruch nicht habe und mir Produktion und Versand viel zu lange dauern, habe ich mich mit dieser Möglichkeit noch nie ernsthaft beschäftigt.

Bleibt noch der Weg der Eigenproduktion. Das Verfahren der Zukunft dürften mechanisches Fräsen von Halbzeugmaterial sein. Brauchbare Maschinen zu Hobbypreisen sind allerdings noch nicht Sicht.

Somit dürfte das Ätzverfahren immer noch der bevorzugte Weg des Hobbyelektronikers sein. Grundsätzlich hat sich bei mir in den zurückliegenden 50Jahren wenig geändert. Nur der Weg ist ein anderer.
Das Zeichnen mit Scribent, Lack und ruhiger Hand wurde ersetzt durch CAD, Laserdrucker und Basismaterial mit Fotobeschichtung. Aber das eigentliche Ätzen läuft noch so ab wie bei meinen ersten Versuchen Anfang der 70'er.

Beim Einstieg in die Thematik muss man sich darüber bewusst sein, dass der erste Versuch nicht zum Erfolg führen wird. Dazu gibt es zu viele Schrauben, an denen gedreht werden kann, vom Design bis zur Belichtung und Fotoentwicklung. Ganz zu schweigen vom Ätzvorgang selbst.
Jeder Arbeitsschritt hängt vom eingesetzten Werkzeug und Material ab. Hat man ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt, sollte man dabei bleiben. Bei einem Wechsel des Materials, weil man vielleicht etwas billigeres im Netz gefunden hat, ginge das experimentieren u.U. wieder von vorn los.

Im folgenden mein Weg zum Ziel. Dabei handelt es sich nicht um den Stein der Weisen!

Noch ein Hinweis im Eigeninteresse:
Jeder ist herzlich eingeladen, die Schritte nachzuvollziehen, zu variieren oder völlig neu zu erfinden. In keinem Fall werde ich Haftung für Schäden übernehmen. Insbesondere sind die Augen vor UV-Licht zu schützen und ist ein sorgsamer Umgang mit Chemikalien erforderlich. Vorrang haben in jedem Fall die Vorschriften der Hersteller.

Design

Auswahl und Bedienung der CAD-Programme sind nicht Thema dieses Artikels. Das Ergebnis des Design-Prozesses muss sich drucken oder besser als pdf-File ausgegeben lassen. Das ist mit den üblichen Verdächtigen wie KiCad, Eagle & Co. möglich.
Programme mit zu vielen Designregeln und Eigenintelligenz können im Hobbybereich hinderlich sein. Ich möchte selbst entscheiden, wie ich Punkt A mit B verbinde !

Nachdem man sich einen Überblick über die zu routenden Verbindungen verschafft und die Bauelemente grob platziert hat, fällt die Entscheidung wie viele Kupferebenen benötigt werden. Als Bastler kann man sich zwischen einer und zwei Ebenen entscheiden. In meinen früheren Projekten fiel das Layout meist komplex aus, sodass die Entscheidung i.d.R. für zweiseitiges Design ausfiel.
In letzter Zeit ist das zentrale Schaltungselement meist ein SOC (ESP8266/ESP32) in Modulform. Hier hat die komplexen Aufgaben bereits der Modul-Hersteller erledigt und es bleibt nur ein wenig Außenbeschaltung der Masse-, Vcc- und Resetpins, sowie der benötigten GPIO. Daher entscheide ich mich aktuell meist für einseitige Platinen. Die weiteren Arbeitsschritte vereinfachen sich damit deutlich.


Beispiel01 Beispiel01

Beispiel eines Sensormoduls
Ein BME680-Board wird über die 6-pol Buchse am rechten Bildrand angesteckt. Die Pin-Leiste am oberen Bildrand dient dem Flashen des ESP-Moduls.
Das Huckepack-Modul links unten ist der StepUp-Regler der Batteriestromversorgung.


Das 50mil-Raster (50/1000 inch => 1,27mm) des ESP32 ist ebenso wie SMD der Baureihe 0603 noch mit 60+ recht gut beherrschbar, für ein Erstlingswerk allerdings nicht zu empfehlen.
Leiterzüge für allgem. Signale zeichne ich mit 0,6mm Breite. Beim Durchführen zwischen zwei Lötpads (min. 100mil) wird auf 0,4mm verjüngt.
GND und VCC-Leitungen bekommen min. 0,8mm spendiert. Freie Bereiche werden, wenn möglich, mit Masseflächen gefüllt.

Einen besonderen Kompromiss gehe ich bei der Bestückung mit Lötpads des SOC ein. Von den 38 Pins eines ESP32 werden 8 Stück in Standardbeschaltung immer benötigt. Einige, am unteren Modulrand, sind intern belegt und für Anwenderschaltungen nicht nutzbar. Die restlichen GPIO stehen dem Entwickler zur Verfügung, wobei nur selten eine größere Anzahl belegt wird.
Um Platz für Leiterzüge unterhalb des SOC zu haben, setze ich Lötpads nur dort, wo sie benötigt werden. Das Modul wird dann "schwebend" eingelötet, um Kurzschlüsse mit fremden Signalen zu verhindern.

Und wenn es mal eine Drahtbrücke sein muss, mach ich mir auch nichts draus.

Ich bin Bastler, ich darf das !

Belichtungsvorlage

Ergebnis des Design-Prozesses sollte eine pdf-Datei mit exakten Abmessungen sein. Vorteil gegenüber der direkten Druckerausgabe ist die Möglichkeit der Langzeitarchivierung. Außerdem lässt sich das Ergebnis nochmal vergrößert am Bildschirm kontrollieren.

Da es sich im weiteren um das Foto-Positiv-Verfahren handelt, ist auch eine Positiv-Vorlage zu drucken. Leiterzüge sind schwarz und wegzuätzende Bereiche bleiben frei.

Das Layout wurde im CAD in der Draufsicht geroutet. Beim späteren Belichten muss die Fotoschicht auf der Druckseite der Vorlage liegen. Das bedeutet, dass die obere Ebene (Top-Layer / Bestückungsseite) beim pdf-Export gespiegelt werden muss. Die Unterseite (Bottom-Layer) dagegen wird "normal" benötigt.

Das Betriebssystem meiner Wahl ist Linux. Es bietet i.A. alles, was ich benötige. Geht es allerdings daran pdf-Dateien mit einigen Raffinessen zu drucken, stößt man gleich auf zwei Probleme. Zum Einen haben die Druckertreiber unter Linux oft nicht die Qualität, die die Hersteller den Windows-Versionen spendieren und zum Anderen reichen die pdf-Tools unter Linux nicht an den Adobe-Reader heran.
Für diesen speziellen Fall muss Windoof in einer VM herhalten.

Damit steht die erste Materialentscheidung an. In unzähligen Experimenten war ich der Meinung, dass der beste Kontrast mit Klarsichtfolien vom Overhead-Projektor o.ä. zu erzielen ist. Allerdings waren die Schwarzbereiche weder mit Tintenstrahler noch mit Laserdrucker zufriedenstellend zu füllen. Bei nur geringen Abweichungen von Belichtungs-, Entwickler-, oder Ätzzeit kam es häufig zu Aus- und Unterätzungen. Ich habe es auch mit Tonerverdichter probiert (Liebe Hersteller, soll das ein Scherz sein ?).

Erst mit Transparentzeichenpapier stellten sich durchweg zufriedenstellende Ergebnisse ein.
Hier war schon der erste Versuch mit Zanders T2000 60g/m² ein Erfolg, sodass in dieser Richtung keine weiteren Experimente folgten.

Gedruckt wird mit einem Laser Kyocera P5021CDN aus dem Niedrigpreis-Segment des Handels. Für normale Arbeiten im Heimbüro durchaus zu gebrauchen, aber etwas zickig bei der Papierführung.

Traegerpapier
Das Transparentpapier wird auf passende Größe mit genügend Rand zugeschnitten. Größe A6 hat sich als ressourcenschonend bewährt. Zur Vermeidung von Einzugsproblemen verwende ich einen normalen 80g-A4-Bogen als Trägermaterial und befestige das Transparentpapier mit zwei Tesastreifen am oberen Rand (und nur am oberen Rand !). Das Ausrichten erfolgt mit Hilfe eines vorherigen Probedruckes, der deckungsgleich unter das Trägerpapier gelegt wird. Aber nicht den Probedruck gleich als Trägerblatt verwenden, da beim Druck der Toner vom Träger zusätzlich auf die Rückseite der Belichtungsvorlage gebügelt werden würde.

Sinnvoll ist es, die pdf-Datei in A4 zu erstellen und den Druckbereich auf dem Blatt zu zentrieren.

Die Druckereinstellungen weichen nur wenig vom Standard ab:

  • Medientyp: Pergament
  • Farbe: Schwarz
  • Überfüllen: Sehr stark

Vorlage01
Das Trägerblatt kommt in die Universalzufuhr, Tranparentpapier nach oben und Klebestreifen nach vorn. Nach dem Druck die Klebestreifen nicht abziehen, da sich dabei das Papier dehnen kann. Einfach das Blatt am oberen Rand abschneiden.

Das Ergebnis sollte im Gegenlicht betrachtet werden.

Belichtung

Vor dem Start dieses Arbeitsschrittes steht wieder eine Materialentscheidung. Zur Gewährleistung gleichbleibender Qualität entscheide ich mich für Platinen der Firma Bungard.

Übliche Trägermaterialien sind Hartpapier FR2 und Epoxidharz FR4. Hartpapier ist preisgünstiger, während Epoxidharz deutlich bessere mechanische und elektrische Eigenschaften aufweist.
Die Standardmaterialstärke beträgt 1,5mm. Dünneres Material (0,5/0,8mm) lässt sich für Kleinplatinen verwenden oder um zwei Einzelplatinen zu einer doppelseitigen zu verkleben.
Die Standardstärke der Cu-Schicht beträgt 35µm.

belichter Zur Belichtung ist eine gleichmäßige Ausleuchtung mit UV-Licht erforderlich. Den optimalen Wellenlängenbereich gibt der Platinenhersteller mit 350-450nm an. Gut geeignet sind Belichtungsgeräte aus dem Elektronikhandel. Die Preise verleiten allerdings dazu, über einen Eigenbau nachzudenken. Im Bild ist ein 25 Jahre altes Gerät zu sehen, das in gleicher Bauform immer noch erhältlich ist, nur zu angepassten Preisen. Bei allen Arbeiten mit UV-Licht sind die Augen zu schützen. Direktes hineinsehen in die eingeschaltete Lichtquelle ist zu vermeiden. UV-Licht ist nicht sichtbar !
Die Belichtungsvorlage wird mit der Tonerseite nach oben gelegt. Zum Belichten der oberen Platinenseite wird eine gespiegelte Vorlage benötigt!
Das Abziehen der Schutzschicht kann bei gedämpften Kunstlicht erfolgen. Direktes Sonnenlicht ist zu vermeiden. Die Fotoschicht wird auf die Tonerseite des Papiers gelegt und die Platte ungefähr ausgerichtet. Die optimale Belichtungszeit beträgt in meinem Aufbau 140sek.

Zur Ermittlung des Optimums wird die Streifenmethode empfohlen, bei der auf einer Testplatine vergleichbare Bereiche abgedeckt und mit unterschiedlichen Zeiten belichtet werden.

Bei einseitigen Platinen lässt sich so kaum etwas falsch machen. Für doppelseitige Platinen sollten bereits beim Design vier Zentrierbohrungen im Randbereich vorgesehen werden.
Diese Löcher werden vor den Abziehen der Folie gebohrt. Das Ausrichten zur Vorlage hat sich bei gedämpften Licht allerdings immer als schierig erwiesen.

Entspannter lässt sich das Ziel erreichen, indem zwei einseitige Platinen mit halber Materielstärke verwendet und nach dem Ätzen mit Epoxitharz verklebt werden.
Die Zentrierlöcher werden nach dem Ätzen möglichst exakt in die Einzelplatinen gebohrt. Die Rückseiten sind vor dem Verkleben mit Isopropanol zu reinigen und ein wenig aufzurauen.
Ausrichten lassen sich die Platten mittels passender Stifte oder Nadeln. Beim Verkleben ist auf eine plane Unterlage und gleichmäßigen Druck zu achten. Die restlichen Bohrungen und der Zuschnitt folgen im Nachgang.

Foto-Entwicklung

Die belichteten Platinen werden in Natronlauge entwickelt. Dazu wird NatriumHydroxid NaOH in Wasser gelöst. Der Stoff ist bspw. hier in bastlerfreundlichen Abmessungen erhältlich. Es werden 10g für 1 Liter Lauge benötigt. Die Menge ist so ergibig, dass sich die Aufbewahrung von gebrauchter Lösung nicht lohnt. Wichtig ist die trockene und möglichst luftdichte Lagerung des Pulvers.

Kritisch ist die Verarbeitungstemperatur der Lösung. Das Optimum liegt nach meiner Erfahrung bei 22-23°C. Der Hersteller gibt ca. 20°C an. Daraus resultieren zu lange Entwicklungszeiten.

Folgendes Vorgehen hat sich bewährt:
In einem Gefäß (Gurkenglas) werden 0,5l Wasser mit einer Temperatur von 21-22°C abgemessen. Darin werden 5g (1/2 Messlöffel) NaOH gelöst, wobei sich die Flüssigkeit um einige Grad erwärmt. Nach Umgießen in eine Fotoschale ruht die Lösung einige Minuten, bis sie auf die Zieltemperatur abgekühlt ist.

nach ca.60 Sek
nach ca.120 Sek


In der Anfangsphase wird bei indirektem Kunstlicht entwickelt. Nach 30-45Sek werden Konturen sichtbar und die belichteten Bereiche beginnen, sich in dunklen Wolken abzulösen. Mit einem weichen Malerpinsel leicht über die Platine streichen und dabei die abgelösten Partikel verwirbeln.
Nach 90-120Sek sollte der Ablöseprozess beendet sein. Jetzt kann das Ergebnis bei ausreichender Beleuchtung betrachtet werden.
Anschließend noch 30Sek in der Lauge belassen. Dann unter lauwarmen Wasser abspülen und mit einem Küchentuch trocken tupfen.


Sollte das Ausentwickeln deutlich länger als 3min dauern, muss mit längeren Belichtungszeiten experimentiert werden.

Länger gelagertes Platinenmaterial scheint in der Empfindlichkeit nachzulassen, auch wenn das Verfallsdatum noch nicht erreicht ist. Es lohnt sich, für gelagerte Chargen die Entwicklungszeiten zu notieren, um beim nächsten Mal ggf. mit längeren Belichtungszeiten gegensteuern zu können.

Nach Abschluss ist die Lauge stark verdünnt zu entsorgen und sind die Arbeitsgeräte zu reinigen.

Ätzen

Geätzt wird mit Eisen-(III)-Clorid-Lösung. Versuche mit Ammoniumpersulfat brachten in der Vergangenheit keine zufriedenstellenden Ergebnisse.

Eisen-III-Clorid ist zumeist in gelöster Form erhältlich. 40%-ige Lösung in 1L-Flaschen ist im einschlägigen Elektronikhandel erhätlich. Lt. Hersteller soll eine 30%-ige Lösung zum Ätzen optimal sein, sodass sich das Ganze noch mit 450ml Wasser verdünnen lässt.

Klarer Nachteil dieses Materials ist die Verschmutzungsgefahr. Jeder versehentliche Spritzer bleibt in Form eines Rostflecks als ewiges Andenken erhalten. Außerdem muss die Lösung vor dem Ätzen auf ca. 40°C erwärmt werden.

aetzschale
Eine Menge von 1L lässt sich für zahlreiche Ätzvorgänge verwenden. Die größte Gefahr, dass mal etwas daneben geht, besteht beim Umfüllen. Es hat sich daher bewährt, das Ätzgefäß gleich zur Aufbewahrung zu verwenden. Seit vielen Jahren verwende ich eine Frischhaltedose mit arretierbarem Deckel im Hochkantformat. Die Form ist platzsparend und günstig für den Ätzvorgang. Allerdings hat sich nach einigen Jahren die Dichtung aufgelöst. Vermutl. hat der Hersteller mit anderen Inhaltsstoffen gerechnet.

Da die Lösung vor dem Ätzen erwärmt werden muss, ist es sinnvoll, mit diesem Schritt noch vor dem Drucken der Belichtungsvorlage zu beginnen. Folgendes Vorgehen hat sich bewährt:

  1. Arbeitskleidung anziehen
  2. Alles beiseite räumen, was nicht unbedingt benötigt wird
  3. Geschlossenen Behälter in einen Wassereimer stellen (aber nicht Muttis guten Putzeimer)
  4. und mit heißem Wasser aus dem Hahn füllen, bis der Behälter anfängt zu schwimmen
  5. Deckel lüften, um Überdruck zu vermeiden
  6. Nach Abkühlung das Ganze einmal wiederholen
Wichtig: Den Deckel nur öffnen, wenn sich der Ätzbehälter im Wasserbad befindet !!!

Die Leiterplatte wurde inzwischen belichtet und entwickelt. Sie sollte für die Vorbereitungsschritte nicht mehr nass ein. Ein Trocknen vor dem Ätzen ist allerdings nicht erforderlich.
Zur Einsparung von Ätzmittel können die Ränder, die später weggeschnitten werden, mit wasserfestem Isolierband abgeklebt werden. Dann noch 2 Löcher im Randbereich bohren und darin eine Drahtschlaufe befestigen.

aetzbad Die Platte wird an der Drahtschlaufe soweit im Ätzbad abgesenkt, dass die Oberkante überdeckt ist. Die Unterkannte sollte nicht auf dem Boden aufliegen, da sich dort Schlamm aus der chemischen Reaktion ablagert.

Cu + 2 FeCl₃ → CuCl₂ + 2 FeCl₂

Daher ist auch die senkrechte Position ideal. Reagiertes Material lagert sich so nicht auf der Kupferfläche ab.
Nach einer Minute sollte ein klarer Kontrastunterschied erkennbar sein. In Abständen von wenigen Minuten wird der Fortschritt kontrolliert. Bei frischer Lösung und ausreichender Temperatur kann der Vorgang nach 10-15min abgeschlossen sein. Bei verbrauchter Lösung kann es über 30min dauern. Bei deutlicher Verlängerung sollte über den Austausch des Ätzmittels nachgedacht werden. Gelegentliches Schwenken beschleunigt den Ätzvorgang. Es ist normal, dass der Prozess in unterschiedlichen Zonen der Platte unterschiedlich schnell abläuft.

Der Vorgang ist abgeschlossen, sobald in allen Bereichen die feinsten Strukturen herausgeätzt sind. Zur Kontrolle die Platte im Wasserbad abspülen, mit einem Papiertuch trocknen und im Gegenlicht mit einer Lupe betrachten.
Sind noch Reste sichtbar, wieder ab damit ins Ätzbad. Sind bereits Ausätzungen auf Leiterzügen erkennbar, war die Platte zu lange im Bad.
Ist beides vorhanden, muss beim nächsten Versuch in einem der vorhergehenden Schritten experimentiert werden.

Wenn alles ok ist, muss die Leiterplatte gründlich unter fließendem Wasser gereinigt werden. Dann die Ätzbaddose wieder fest verschließen und alle Arbeitsgeräte gründlich säubern.

Verbrauchtes Ätzmittel fülle ich incl. ausgespültem Schlamm in leere, großformatige und stabile Waschmittelflaschen um. Diese werden beschriftet und über die kommunalen Schadstoffsammelstelle kostenfrei entsorgt. So nimmt das Grüne Gewissen keinen allzu großen Schaden.

Die Chemikalien und Arbeitsgeräte werden in einer Kunststoffbox gelagert und alles wird ausschließließlich zur Herstellung von Leiterplatten verwendet.

Im letzten Arbeitsgang wird die Platine zugeschnitten, gebohrt und zum Abschluss mit Spiritus und Lappen gereinigt. Der Empfehlung des Herstellers, die verbliebene Fotoschicht als Lötlack zu verwenden, folge ich nicht.

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