F. Satzger

Elektronik, PC und Technik

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wissen:platinenaetzen

Platinen ätzen

Die hier vorgestellten Methoden erfordern höchste Sorgfalt, da mit teils gefährlichen Chemikalien hantiert wird. Ich übernehme keine Verantwortung für Schäden an Personen, Tieren oder Dingen. Alles was hier steht, basiert auf Erfahrungen, die ich selbst bei der Durchführung gemacht habe. Nachmachen also auf eigene Verantwortung!

Überblick

Jeder Hobby-Elektroniker kommt früher oder später an den Punkt, an dem ihm Streifenraster auf den Keks gehen ;). Spätestens dann geht er entweder ins Internet und kippt dann wegen horrender Preise aus dem Sessel (zumindest wenn er Student ist ;)) oder aber er überlegt sich direkt, sie selbst herzustellen.

So weit war ich auch schon mal vor Jahren, allerdings - äh - nicht so erfolgreich. Nachdem ich in letzter Zeit wieder viel mit Elektronik gemacht habe, ists natürlich auch mal wieder so weit.

Bevor man die Platine herstellen kann, muss man zuerst ein Layout erstellen. Dies kann man per Hand oder - weit bequemer - am PC erledigen. Software gibt es hier genug, beispielhaft genannt seien KiCAD als OpenSource-Lösung oder Eagle, welches es auch in einer Freeware-Version gibt, welche für die meisten Privatnutzer ausreichend sein sollte.

Verbreitet sind grundsätzlich zwei Methoden, Platinen selbst herzustellen:

  • Fräsen
  • Ätzen

Fräsen von Platinen

Das Fräsen von Platinen ist mit weniger Fallstricken und „Anfängerproblemen“ verbunden, wie das Ätzen von Platinen. Man kann per Hand fräsen - mit Minifräsern, idealerweise mit Welle. Allerdings kann man damit keine sonderlich feinen Leiterbahnen herstellen und relativ anstrengend und aufwendig ist die Methode obendrein. Sehr viel besser geht es mit einer CNC-Fräse. Jedoch ist man hier selbst mit einem DIY-Gerät mit mindestens 250€, eher sogar 400€ dabei. Auch benötigt man relativ häufig neue Fräser, welche auch schnell ins Geld gehen.

Ätzen von Platinen

Ätzen ist dagegen relativ günstig - dafür allerdings recht aufwendig und mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Grundmaterialien und -geräte bekommt man für rund 20€, davon abgesehen kostet eine Europlatine dann zwischen 3 und 10€ je nach verwendetem Verfahren.

Das Ätzen besteht aus 3 Schritten:

  1. Anpassen oder aufbringen von ätzresistentem Material
  2. Ätzen
  3. Bohren

Ätzresist

Für den 1. Schritt gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die üblichste ist die Nutzung von mit Fotolack beschichteten Platinen. Dabei wird das Layout im Dunklen und möglichst lichtundurchlässig aufgebracht, meist indem eine bedruckte Folie auf die Platine legt. Danach wird belichtet und entwickelt. Bei allen genannten Schritten ist hier einiges an Erfahrung nötig. So muss man erstmal eine möglichst lichtdichte Schablone herstellen. Dann muss die Belichtungs- und Entwicklungszeit genau passen, da sonst später evtl. zu wenig oder zu viel weggeätzt wird. Das Problem ist dabei, dass man erst nach dem ätzen sieht, obs funktioniert hat. Dazu sind die beschichteten Platinen vergleichsweise teuer sind, sodass Fehlversuche besonders ärgerlich sind. Im Gegenzug erhält man erfahrungsgemäß mit dieser Methode das beste Ergebnis - wenn mans mal kann.

Eine etwas jüngere Methode ist die Toner-Transfer-Methode, mit der auch ich arbeite. Die Grundidee ist hierbei, das Layout mit einem Laserdrucker zu drucken, und dann den Toner mittels Hitze auf die Platine zu übertragen. Toner ist ätzresistent, sodass man an dieser Stelle fertig ist. Vorteile dieser Methode sind die relativ einfache Vorgehensweise, die äußerst kostengünstige Herstellung (unbeschichtete Platinen sind sehr günstig) und die Möglichkeit mit dieser Methode auch Bestückungsdruck zu erstellen. Außerdem sieht man direkt, ob das Layout sauber übertragen wurde und kann fehlgeschlagene Tonertransfers mit Aceton oder Terpentin(-ersatz) oder noch einfacher mit Stahlwolle rückgängig zu machen ohne dabei die Platine einzubüßen. Nachteil ist, dass man laut Aussagen aus dem Internet nicht ganz so feine Leitungen wie mit der Fotomethode hinbekommt. Außerdem sind saubere Masseflächen nur sehr schwer möglich.

Beachten muss man hier, wie man das Layout ausdruckt. Hier gibts häufig Knoten im Hirn wegen den Spiegelungen. Erstellt man am PC das Layout, so erstellt man es meist (z.B. bei CadSoft Eagle) von der Bauteilseite aus. D.h. wenn man auf den Bildschirm schaut, sieht man die Platine, wie sie später von OBEN her aussieht. Würde man das Ganze dann direkt auf die Platine drucken, wäre das Layout für die Toner-Methode spiegelverkehrt, für die Belichtung richtigrum.

Zusammengefasst: Toner-Resist-Layouts nicht spiegeln, Belichtungs-Layouts spiegeln! Bei SMD genau umgekehrt.

Inzwischen habe ich einige Platinen geätzt, wenn auch noch nicht alle ideal geworden sind. Hin und wieder muss man mit dem Lötkolben etwas nacharbeiten. Ich verwende einen HP Color Laserjet 2550 mit „Billigtoner“, also rebuilt-Kartuschen - das Ergebnis wird mit „teurem“ Originaltoner wahrscheinlich besser (zumindest wenn man anderen Erfahrungsberichten glaubt). Die Platine muss gut gereinigt werden, hier verwende ich erst Terpentinersatz, dann Spiritus um alles Fett zu entfernen. Wenn es erstmal entfernt ist, sollte natürlich auch kein neues draufkommen, also möglichst Platine und Folie nicht antapschen! Ich habs mir hier einfach gemacht und Einweg-Handschuhe besorgt. Auch das bedruckte Papier wische ich vorsichtig nochmal mit Spiritus ab. Dann wird das ganze ausgerichtet und in den umgebauten Laminator geschoben. Der läuft im Moment bei rund 170˚C. Ich schiebe die Platine rund 5-10 mal durch, um sie möglichst gleichmäßig heiß zu bekommen. Danach ab unter kaltes Wasser, Papier abziehen und Ergebnis begutachten ;). Sollte es zu heiß oder zu viel Druck gewesen sein, sind die Bahnen verlaufen (das sieht man recht deutlich). Auf der anderen Seite war es wahrscheinlich nicht heiß genug (nicht oft genug durchgeschoben?), falls sich große Teile wieder ablösen. Man kann bei der bedruckten Platine übrigens relativ „grob“ rubbeln, um eventuelle Papierreste wegzukriegen und somit ein sauberes Layout zu haben.

Die Methode eignet sich übrigens auch gut, um Bestückungsdruck (dann natürlich auf der anderen Seite) zu erstellen!

Ich habe festgestellt, dass ich das Papier des Magazins „Myself“ (danke an meine Freundin ;)) sich super eignet - der Toner haftet schön und das Papier löst sich im Prinzip von selbst von der Platine. Viele schwören auf spezielle Transferfolien (hab ich nicht getestet), Overheadfolien (haben bei mir zu viel wieder mit weggezogen) oder Katalogseiten (haben den Toner bei mir zu gut aufgesaugt) - hier kommt es wohl häufig auf die Papier-Drucker-Kombination an.

Ätzmethoden und Ätzmittel

Wie schon zu vermuten ist, gibt es auch für das Ätzen selbst mehrere Möglichkeiten. Diese unterscheiden sich vor allem in den verwendeten Ätzmitteln. Verbreitet sind hier vor allem

  • Eisen-3-Chlorid
  • Natriumpersulfat
  • Salzsäure + Wasserstoffperoxid

Eisen-3-Chlorid ist zwar sehr verbreitet weil billig, jedoch nicht gerade ideal. So muss man es auf ca 40-60°C erhitzen und idealerweise in Bewegung halten. Dann dauert der Ätzvorgang mehrere Minuten, wobei man aufgrund der Farbe und Konsistens der Lösung die Platine nicht erkennen kann. Daneben hat diese Methode den Nachteil, dass sie Lösung stark färbt und kaum weggeputzt werden kann. Insgesamt also eine ziemliche „Sauerei“. Auch Natriumpersulfat (teilweise auch als Feinätzkristall bekannt) muss/sollte erhitzt und bewegt werden, allerdings ist das Ätzen einfacher, da man die Platine sehen kann. Auch hat man deutlich weniger Probleme beim aufputzen. Es gibt auch noch die möglichkeit, Kaliumpersulfat zu verwenden, allerdings ist diese Variante kaum verbreitet. Die dritte Methode ist Salzsäure + Wasserstoffperoxid.

Diese Methode ist durch die entstehenden Gase deutlich gefährlicher als die restlichen, und sollte definitiv nur bei sehr guter Belüftung, also mit einem Abzug oder draußen, evtl auch mit Atemmaske durchgeführt werden.

Vorteile sind die sehr hohe Ätzgeschwindigkeit (meist deutlich unter 1 Minute), keine Unterätzung, Sichtbarkeit der Platine, und gute Steuerbarkeit der Reaktion. Auch muss die Lösung nicht erhitzt oder groß bewegt werden, da sie exotherm ist.

Wichtig ist, hier die richtige Reihenfolge einzuhalten:

  1. Wasser
  2. Salzsäure
  3. Wasserstoffperoxid

Erfahrungsgemäß funktioniert es mit etwa 1/4 Salzsäure(33%) auf 3/4 Wasser recht gut. Dann kommt die Platine rein und man kann durch Zugabe von Wasserstoffperoxid die Reaktion steuern. Man sollte hier (je nach Lösungsmenge) mit einigen Tropfen anfangen, und dann nach „Augenmaß“ zugeben, bis man die gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit erreicht hat.

Ist man soweit fertig, so muss man die Platine nur noch abspülen (mit klarem Wasser) und fertig. Idealerweise reinigt man die Platine danach auch nochmal mit Spiritus oder Aceton um Rückstände zu entfernen.

Die Ätzlösung (egal welche Methode) darf nicht ins Abwasser gekippt werden, da es Schwermetallionen enthält! Idealerweise in einem Gefäß sammeln, das entsprechend gekennzeichnet werden sollte (z.b. http://www.tuf-ev.de/workshop/aetzen/EntsorgungAetzen.htm ). Dieses Gefäß sollte natürlich säureresistent sein, aber auch belüftet, sodass eventuelle Nachreaktionen problemlos ablaufen können, ohne Druck zu erzeugen. Dieses Gemisch kann dann i.d.R. kostenfrei beim Schadstoffmobil abgegeben werden.

Bei meinem ersten Versuch mit Salzsäure/Wasserstoffperoxid hat wenig funktioniert, da die Lösung die Ätzschale (Kunststoff, bei den meisten Elektronikversendern zu bekommen) stark angegriffen hat. Deshalb war das Ätzmittel schon „verbraucht“ bevor es die Platine richtig ätzen konnte. Den zweiten Versuch habe ich deshalb in einer Glasschale unternommen, wo es super geklappt hat.

Bohren

Zu guter Letzt muss noch gebohrt werden. Auch das ist nicht ganz einfach, aber zu schaffen. Vor allem wichtig: Gutes Material. So sollte man einen Bohrständer und eine Hobbybohrmaschine (son kleines Teil das auch zum Fräsen, Schleifen, Geld drucken usw verwendet werden kann) besitzen und sich Hartmetallbohrer (kein HSS) zulegen. Ich habs aber auch schon ohne Bohrständer und mit einem einfachen 1er oder 1,5er Bohrer geschafft ;)

Ich würde mich über eure Erfahrungen und Tipps freuen - einfach unter Kontakt schreiben. Wenn ich was neues weiß, geb ich natürlich bescheid.

Eine interessante Anleitung zum Toner-Verfahren (s.o.) findet man auch bei Thomas Pfeifer

Löten und Nachbearbeitung

Was hat Löten mit Platinen ätzen zu tun? Außer, dass man auf geätzte Platinen später wahrscheinlich Bauteile lötet erstmal nichts. Aber genau dabei kann es zu Problemen kommen, falls man die Nachbearbeitung vernachlässigt.

Das Problem ist, dass geätzte Platinen sehr schnell oxidieren. Dann wird das Löten zur Qual - das Lötzinn haftet nicht mehr richtig, es kommt zu kalten Lötstellen oder sogar losen Lötstellen bzw. zu fehlenden Verbindungen.

Um dem vorzubeugen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die Günstigste ist hier nicht unbedingt die Beste:

Abschleifen. Am einfachsten und billigsten geht das mit Stahlwolle. Hier muss man aufpassen, dass man nicht versehentlich Leiterbahnen oder Pads abschleift. Alternativ kann man auch einfach direkt nach dem Ätzen löten, wenn die Platine noch „frisch“ ist. Trotzdem oxidiert die Platine nach dem Löten und wird zumindest unansehnlich - wenn nicht schlimmer.

Verzinnen. Je nach Methode etwas zwischen günstig und etwas teurer. Die Günstige Variante läuft hier mit Fittingslotpaste. Diese Methode ist bei Thomas Pfeifer sehr gut beschrieben: http://thomaspfeifer.net/platinen_verzinnen.htm. Beachten muss man dabei, dass man keine Hartpapierplatinen nutzen kann, diese vertragen die benötigte Temperatur nicht. Auch ist hier die Gefahr von Brücken und insbesondere von schwachen (nicht sicheren!) Verbindungen zwischen eigentlich getrennten Leiterbahnen. Der Widerstand zwischen getrennten Leiterbahnen beträgt dann zwischen 500kOhm und 1MOhm statt dem gewünschten Quasi-unendlichen Widerstand. Nach dem Verzinnen muss deshalb die Platine nochmal sehr sorgfältig gereinigt werden und idealerweise auch nocheinmal geprüft. Desweiteren finde ich persönlich, dass verzinnte Platinen nicht unbedingt professionell aussehen.

Löt(stopp)lack. Wahrscheinlich die Teuerste Methode, denn Lötlack ist nicht ganz billig. Dafür sind die Ergebnisse die Besten. Die Platine wird gut vor Korrosion geschützt, gleichzeitig dient der Lötlack als Flussmittel. Desweiteren hat man keine Probleme mit Brücken oder unerwünschten Verbindungen und als „Gimmick“ sieht die Platine mit Lötlack sehr professionell aus.

wissen/platinenaetzen.txt · Zuletzt geändert: 2013/11/14 15:54 von fsatzger