Platinen Herstellung

Sonntag, den 09. Mai 2010 um 10:33 Uhr Michael Fauth
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Natürlich gibt es Leiterplattenhersteller, die zu durchaus vertretbaren Preisen Ihre Dienste anbieten. Jedoch muss man sich dann mit Lieferzeiten in der Größenordnung mehrerer Tage abfinden. Morgens layouten - Mittags ätzen - Abends löten ist dann nicht möglich. Nicht zu letzt würde mir auch das tolle Gefühl fehlen, eine fertige Platine in der Hand zu halten und sagen zu können "Hab ich selber gemacht!"

Meinen Herstellungsprozess konnte ich im laufe der Zeit so weit optimieren, dass ich doppelseitige,durchkontaktierte PCBs mit einer kleinsten Strukturbreite 0,2 mm für mich ausreichend zuverlässig herstellen kann. Für die Serienfertigung taugt das natürlich nicht, für Einzelstücke - und mehr fällt bei mir ohnehin nicht an - reicht es aber.

Vorweg: Das erreichbare Ergebnis sieht etwa so aus:

Um die Proportionen etwas zu erklären: Die meisten sichtbaren Leiterbahnen haben eine Breite von 0,2 mm. Der Footprint des großen ICs am unteren Rand gehört zu einem QFN64 - also gar nicht so schlecht für Bastler Bedingungen.

Doch von Vorne...


Vorarbeiten

Meine Filme drucke ich auf einem Oki B430dn. Es werden Filme für die Vorder- und Rückseite der Leiterplatte benötigt, jeweils getrennt für die eigentlichen Leiterzüge und das Lötstopplaminat.
Das verwendete Lötstopplaminat, das ich von Oktamex beziehe, stellt erhöhte Anforderungen an die Lichtdichtigkeit der Vorlage. Daher verwende ich für diesen Vorgang 2 Folien, die ich später deckungsgleich übereinander ausrichte und mit Tesafilm fixiere.

Was hierbei extrem wichtig ist: Beim Belichtungsvorgang muss die bedruckte Seite des Films auf der Platine aufliegen, nicht umgekehrt! Ansonsten wird der Fotolack der eigentlich unter einer Leiterbahn des Films liegt, durch seitlich einfallendes Licht belichtet. Das führt bestenfalls nur zu einem unscharfen Abbild der Vorlage, schlimmstenfalls dazu, dass feine Strukturen gar nicht mehr abgebildet werden.

Es ist daher nötig, beim Drucken der Vorlage die Oberseite der Platine zu spiegeln. Dadurch ergibt sich später dass die mit Toner beschichtete Seite direkt auf der Platine anliegt. Die Unterseite kann dagegen seitenrichtig gedruckt werden.

Um den Verzug der Transparentfolie im Drucker zu minimieren, lasse ich die Folie vor dem eigentlichen Druckvorgang ein mal eine Runde durch den Drucker drehen. Hierzu in einem beliebigen Textverarbeitungsprogramm ein leeres Dokument ausdrucken. Die Folie verzieht sich durch die thermische Einwirkung so schon bevor das eigentliche Layout gedruckt wird, dadurch wird eine höhere Passgenauigkeit erreicht. Möglicherweise lässt sich dieser Arbeitsschritt mit anderen Transparentfolien, die sich weniger verziehen umgehen...




Aus den beiden Folien für die Ober- und Unterseite forme ich eine Art Tasche aus. Fixiert wird das ganze durch ein paar Streifen Tesafilm. Nicht vergessen eine Seite der Tasche offen zu lassen, irgendwie muss schließlich auch noch die Platine rein ;)

Zum ausrichten der beiden Folien orientiert man sich am besten an Bohrungen und Durchkontaktierungen, da diese auf beiden Seiten sichtbar sind.

Für die Filme die der Belichtung des Lötstopplaminats dienen, ist es nicht nötig eine Tasche zu bauen, da zu dem Zeitpunkt an dem diese zum Einsatz kommen, bereits eine Struktur auf der Leiterplatte vorhanden ist, welche die Ausrichtung für jede Seite getrennt ermöglicht.

 


 

Belichten

Nachdem die Platine passend zugeschnitten und entgratet ist, wird sie in der Tasche platziert und nacheinander vorder- und Rückseite belichtet. Insbesondere das Entgraten ist wichtig! Steht der Grat an der Seite der Platine nach oben, verhindert er das satte Anliegen des Film am Basismaterial. Da die Belichtungszeit von vielen Faktoren (Lichtdurchlässigkeit der Vorlage, Typ des Belichtungsgeräts, Art und alter des Basismaterials) abhängt, muss jeder seine eigenen Erfahrungen machen. Bei meiner Ausrüstung hat sich eine Belichtungszeit von 80 Sekunden als optimal herausgestellt.

 

Wer wie ich nicht über ein zweiseitiges Belichtungsgerät verfügt, dem sei an dieser Stelle höchste Vorsicht beim drehen der Platine angeraten! Verrutscht die Platine in der Tasche auch nur minimal, stehen die Chancen gut, das man noch mal von Vorne anfangen darf.

 


 

Entwickeln

Wer bis hier hin keine Fehler gemacht hat, hat jetzt so gut wie nichts zu befürchten. Entwickelt wird in ein NaHo Lösung (ca. 10g/L). Diese Brühe hat sich bei mir als sehr ergiebig erwiesen, man darf sich nur nicht durch eine starke Braunfärbung abschrecken lassen. Die Platine so lange im Bad schwenken, bis sich der Fotolack an den Belichteten Stellen gelöst hat. Diese Prozedur sollte nach 10-60 Sekunden abgeschlossen sein, ich habe es jedoch noch nie geschafft, eine sauber belichtete Platine auch durch deutlich längeres "baden" (bis zu 5 Minuten...) zu ruinieren.

Wer Handschuhe an hat, kann durch leichtes reiben über die Platine des Prozess beschleunigen. Nach kräftigem spülen mit Wasser sollte das Ergebnis etwa so aussehen.

 


 

Ätzen

Wie schon zuvor gilt auch hier; wer sauber gearbeitet hat, kann wenig falsch machen. Ich ätze mit eine Natriumpersulfatlösung (ca. 250g/L). Dauer je nach Verbrauchsgrad der Lösung ca. 5-12 Minuten. Die Lösung sollte dabei auf einer Temperatur von 45-50 °C gehalten werden. Da ich ein Feigling bin, und mich mit den vielerorts vorgeschlagenen Aquarienheizungen nicht anfreunden konnte (230V am Heizelement, das Glas bricht, und ich rühr da mit meinen Fingern rum - nein danke) habe ich kurzerhand eine 12V/100W Halogenleuchte in ein Reagenzglas geschoben, und das ganze mit Sand aufgefüllt -> fertig ist die Heizung, entsprechendend kräftiges Netzteil vorausgesetzt.



Sobald die Platine augenscheinlich fertig geätzt ist, warte ich noch ca. 1 Minute, um irgendwelchen "gerade doch noch vorhandenen" Verbindungen vorzubeugen, bei denen man sich später garantiert zu tode sucht. Auch hier sollte man anschließen wieder mit Wasser abspülen, und kann dann sein hoffentlich zufriedenstellendes Ergebnis bewundern.

 


 

Bohren

... oder auch: Der Moment der Wahrheit. Denn hier stellt sich erstmals heraus, wie deckungsgleich die beiden Platinenseiten tatsächlich geworden sind. Um größeren Frust zu vermeiden mache ich stets ein paar Testbohrungen über die ganze Platine verteilt, und kontrolliere anhand dieser Bohrungen, wie weit ich auf der anderen Seite daneben liege. Erst dann werden die restlichen Löcher gebohrt.

An dieser Stelle möchte ich auch mal das Vorurteil aus der Welt schaffen, man könne mit HM-Bohrern unmöglich frei Hand bohren. Da ich es immer noch nicht übers Herz gebracht habe genug Geld in die Hand zu nehmen um eine anständige Standbohrmaschine mit entsprechender Drehzahl zu kaufen, muss ich nach wie vor frei Hand mit einem Dremel-Clon bohren. Selbst bei den miserablen Rundlaufeigenschaften dieses Geräts, ist es mit etwas Übung problemlos möglich einen 0,6 mm HM-Bohrer an seine Standzeitgrenzen zu führen!



Anschließend wird der restliche Fotolack von der Platine entfernt. Dazu verwende ich wieder eine NaHO Lösung, diesmal jedoch ungleich stärker. (Wie stark genau weiß ich nicht, beim Anrühren wurde frei nach dem kipp-schütt-schätz Verfahren gearbeitet ) Anschließend sollte die Platine Kupferfarben glänzen. Damit das auch so bleibt, habe ich mir selbst ab jetzt eine strickte Handschuhpflicht auferlegt, denn jeder Fingerabdruck erschwert später die chemische Verzinnung.

 


 

Durchkontaktieren

Jetzt kommt also der Schritt, vor dem sich viele Bastler fürchten. Leider sind sämtliche chemischen Verfahren, wie sie bei industrieller Leiterplatten Herstellung eingesetzt werden, im Hobby Bereich nur mit enormem Aufwand realisierbar. Also war der für mich einzig gangbare Weg, der Einsatz der Durchkontaktiernieten von Bungard. Von deren Einsatz hat mich lange Zeit der horrende Preis der nötigen Presse sowie der zugehörigen Werkzeuge abgeschreckt. Als jedoch der Zeitpunkt gekommen war, an dem ich mir ohne Durchkontaktierungen unter SMD Bauteilennur noch schwer zu helfen wusste, habe ich einfach mal einen 1000er Pack 0,6 mm Durchkontaktierungen gekauft - ohne Werkzeuge dazu. Die ersten Versuche haben recht schnell gezeigt, das es mit vergleichsweise geringem Aufwand möglich ist, diese Nieten sicher und sauber zu verarbeiten. Alles was hierfür nötig ist:

Der eigentliche Arbeitsschritt läuft dann etwa wie folgt ab

Niete in das Bohrloch stecken


Platine drehen. Die Seite, auf der die Niete ihren "Kopf" hat, auf eine harte Unterlage, vorzugsweise etwas Metallisches legen.
Den Körner ansetzen und mit einem gefühlvollen Hammerschlag die Niete zu einem Trichter biegen


Mit Hilfe von Durchschlag und Hammer diesen Trichter platt klopfen, so das sich auch auf diese Seite ein schöner Kopf ausbildet

Leider ist der Makro Modus meiner Kamera mit den Dimensionen in denen sich das abspielt etwas überfordert um das ganze wirklich sinnvoll darstellen zu können. Bisher hatte ich noch keine Kontaktprobleme, auch nicht bei Platinen die schon länger in Betrieeb sind. Möglicherweise ist dafür auch die nun folgende chemische Verzinnung verantwortlich, die - so die Theorie - eine dünne Zinn Schicht über Durchkontaktierung und Leiterbahn legt, und diese somit zusätzlich verbindet.

 


Verzinnen

Zu diesem Schritt gibt es im Prinzip nicht viel zu sagen, die Verzinnung ist in 2-3 Minuten abgeschlossen. Wer bei den vorangegangenden Schritten keinen Schmutz auf der Platine hinterlassen hat, darf sich über eine schöne Silberne Oberfläche freuen. Wer auf Nummer sicher gehen will, kann die gesamte Platine vor dem Verzinnen mit einem Schleifvlies leicht abschleifen.

 


Lötstopplack

Zuerst wird das Laminat grob zugeschnitten. Zu beachten bei der gesamten Verarbeitung ist die hohe UV Empfindlichkeit des Materials (deutlich hoher als der Fotolack auf dem Platinen Basismaterial!) Zu viel Licht sollte man daher bei der Verarbeitung vermeiden.

Bevor die erste Schutzfolie entfernt wird, lasse ich die Platine einige mal durch den heißen Laminator laufen, um sicher zustellen das keine Feuchtigkeit mehr vorhanden ist. Tut man dies nicht, hat man nach dem Laminieren schöne Blasen unter dem Laminat.

Die matte Schutzfolie löst man am besten mit Hilfe von 2 Streifen Tesa.

 

Anschließend wird das Laminat auf einer Seite auf die Platine gelegt und leicht fest gedrückt. Die restlicher Schutzfolie entferne ich erst kurz bevor die Walzen des Laminiergeräts Lötstop und Platine miteinander verbinden.

Nach einem weiteren Durchlauf sollte das Laminat absolut blasenfrei anliegen. Anschließend wird der Film ausgerichtet und mit einigen Streifen Tesa fixiert.

Die Belichtungszeit ist recht kritisch, hier muss wieder jeder selbst Erfahrungen sammeln, bei mir sind 20 Sekunden optimal. Nach dem Belichten muss die 2. Schutzfolie entfernt werden.

Danach ab ins Entwicklerbad (Natriumcarbonat). Wer ungeduldig ist, kann leicht über die Platine reiben, dass Laminat löst sich langsam in einem weissen Schleier auf. Es kann durchaus ein paar Minuten dauern bis dieser Prozess abgeschlossen ist.

Zum Abschluss sollte das Laminat noch im Belichtungsgerät gehärtet werden, 5 Minuten pro Seite reichen aus - je länger desto besser.

Nun, nach ca. 3 Stunden, darf man sich also endlich am Anblick der fertigen Platine erfreuen, wie sie schon zu beginn des Artiels gezeigt wurde. Hier noch eine Detailaufnahme... Gut zu sehen ist auch der leichte Versatz der Lötstopplaminats - nächstes mal sauberer Arbeiten ;)