Herstellung einer elektronischen Schaltung auf kupferbeschichtetem Basismaterial nach der Fotopositivmethode.
Geräte:
flache Schale oder anderes Gefäß zum Entwickeln
Greifzange (z.B. alte Grillzange)
Schutzbrille
(Schaum-)Ätzgerät / alte Kaffeemaschine / Großes (Becher-)Glas
evtl. Membranluftpumpe
Platinenhalter (evtl. aus Heißklebesticks selber machen)
Belichtungsgerät oder UV-Lampe mit 340-420nm (zur Not tut es auch eine Energiesparlampen oder eine Leuchtstoffröhre)
Glasplatte / Belichtungsrahmen
kleine Bohrmaschine (z.B. Dremel Multi o.ä.)
Bohrer 0,8 - 1mm
Latex-Einmal-Handschuhe
Papiertücher
klare Kopierfolie/Laserdruckerfolie
Layout-Transfersymbole
Fotobeschichtetes Basismaterial (Epoxyd- oder Hartpapier-Leiterplatten)
Chemikalien:
Aceton
Natriumhydroxid
Natriumpersulfat
Vorbereitungen:
Zuerst muss das Layout der Schaltung erstellt werden. Dies kann mit einem Layoutprogramm am PC, manuell mit sog. Transfersymbolen oder per Kopiergerät aus Zeitschriften erfolgen. Am PC erstellte Leiterbahnen lassen sich mit einem Laserdrucker (Tintenstrahldrucker sind NICHT geeignet) direkt auf Folie drucken. Erstellt man das Ganze mit Transfersymbolen, werden diese z.B. mit einem Stück Holz oder einer Geldmünze auf die Folie übertragen. Peinlichst genau sollte man beim manuellen Anfertigen des Layouts auf die richtige Seitenlage achten und Löt- und Bestückungsseite nicht vertauschen. Es empfiehlt sich das Layout so anzufertigen, dass die Transfersymbole später direkt auf der Fotolackschicht liegen, d.h. man erstellt das Layout von der Bestückungsseite (!) aus gesehen. Nun platziert man die Lötaugen oder Leiterbahnen wie gewünscht, reibt vorsichtig, aber nicht zu schwach, mit dem Stück Holz oder der Münze über die Vorlage und überträgt die Symbole auf die Layoutfolie.
Stammt die Schaltung aus einer Elektronikzeitschrift, reicht es das Layout mit einem Kopierer auf Folie zu kopieren. Eventuell braucht man zwei Kopien, da eine allein etwas zu durchlässig für Licht sein kann. Oder man benutzt sog. "Pausklar-Spray", welches man im Elektronikfachhandel erwerben kann. Man sprüht es einfach auf eine Kopie, die auf normalen Papier erstellt wurde. Dieses wird dadurch Lichtdurchlässig genug für den Belichtungsvorgang.
Man fertigt sich (Schutzbrille!) eine Natronlauge mit 7 g (!) Natriumhydroxid auf einem Liter Wasser. Dies ist die Entwicklerlösung.
Für das Ätzbad löst man 200 g Natriumpersulfat pro Liter in kaltem Wasser. Danach kann sie schon in das Ätzgerät bzw. die alte Kaffeekanne gegeben und
auf 40°C bis 50°C geheizt werden. Es sollte vermieden werden die Lösung über 55°C zu erwärmen, da sich bei höheren Temperaturen das Natriumpersulfat zersetzt. Man sollte sich die Lösungen immer schon in der Vorbereitungszeit anfertigen, weil es sonst zu Problemen mit der lichtempfindlichen Fotoschicht kommen kann, wenn man erst noch auf das Auflösen des Natriumpersulfats oder das Abkühlen der Entwicklerlösung warten muss.
Durchführung:
1. Belichten:
Man entfernt zuerst die Schutzfolie von der Leiterplatte und legt die Layoutfolie mit der richtigen Seite (!) auf die fotolackbeschichtete Platte.
Es sollten dabei Fingerabdrücke vermieden werden, Handschuhe sind hier von Vorteil, aber nicht dringend nötig. Man platziert das Ganze dann mit Folie und Fotoschicht nach unten auf dem Belichtungsgerät. Wer so etwas nicht besitzt, behelfe sich mit einer Glasscheibe, die auf die Layoutfolie gelegt wird. Hier zeigen Fotolackschicht und Folie natürlich nach oben. Nun wird die Lichtquelle oder das Belichtungsgerät eingeschaltet.
Beim Belichtungsautomat kann man die Belichtungszeit einstellen, sie beträgt meist 2 Minuten. Mit anderen UV-Lichtquellen muss man die Zeit etwas verlängern, sie beträgt dann zwischen 5 und 10 Minuten. Auf keinen Fall sollte man länger als 15 Minuten belichten, da es sonst zu Unschärfen bei sehr schmalen Leiterbahnen kommt. Beim Verwenden einer normalen Energiesparlampe dürfen es aber auch schonmal 30 Minuten Belichtungszeit sein.
2. Entwickeln:
Dabei sollte man eine Zange benutzen und Handschuhe sowie eine Schutzbrille tragen. Wenn einem mal die Leiterplatte aus der Hand in die Lösung platscht kann es böse ins Auge spritzen! Man gibt Entwicklerlösung (bei Zimmertemperatur) in eine Schale oder ein anderes geeignetes Gefäß und taucht die belichtete Leiterplatte in die Lösung. Dabei bewegt man die Schale oder die Leiterplatte etwas, was den Prozess ein wenig beschleunigt. Die Entwicklungszeit darf nicht länger als 2 Minuten betragen, sonst war die Belichtungszeit zu kurz und die Platte ist Ausschuss, da sich dann auch schon die unbelichteten Stellen des Fotolackes lösen. Bei korrekter Belichtung sind bereits nach wenigen Sekunden die ersten Umrisse der Leiterbahnen zu erkennen. Nach spätestens 2 Minuten holt man die Platine aus dem Entwicklerbad und spült reichlich mit Wasser ab.
3. Ätzen:
Auch hier sollten Handschuhe und Schutzbrille getragen werden! Die Leiterplatte wird in ein Platinenhalter eingespannt und in das vorgeheizte Ätzgerät / Kaffeemaschine gehängt, wobei die Kupferbeschichtung nach unten in die Ätzlösung hängt. Im Idealfall sollte man die Platte nicht lose in das Ätzbad geben, da so eine ausreichende Zirkulation des Ätzmittels nicht gegeben ist. Bei käuflichen Ätzgeräten gibt es hierzu eine Membranluftpumpe, bei der „Kaffeepottmethode“ kann eine Membranluftpumpe aus dem Aquarienfachhandel herhalten. Die Luftpumpe bringt Luft in die Lösung und beschleunigt das Ätzen erheblich. Zwingend nötig ist sie aber nicht. Der Vorgang dauert je nach Konzentration der Ätzlösung, Höhe der Temperatur und Stärke der Belüftung zwischen 15 und 30 Minuten. Wenn die Leiterbahnen deutlich freigeätzt sind nimmt man die Platine aus dem Bad und spült sie mit Wasser ab. Sollte man ohne Luftpumpe ätzen dauert der Vorgang viel länger, geht aber auch gut. Eventuell treten dann aber Unterätzungen auf.
4. Reinigen und Bohren:
Zum Entfernen des Fotolacks auf den Leiterbahnen kann man Aceton benutzen. Es reicht aus ein Papiertuch etwas mit Aceton zu tränken und über die Leiterplatte zu wischen. Nach dem Reinigen der Platine muss nur noch gebohrt werden, wenn man auf sog. SMD Bauteile setzt oder das Layout auf die Oberflächenmontage der Bauteile ausgelegt hat (wird oft in der Hochfrequenztechnik gemacht) kann man sich diesen Schritt ersparen. Beim Bohren von IC-Pinlöchern sollte man sehr sorgfältig arbeiten, da es sonst beim bestücken Probleme geben kann. Sitzt nur ein Loch nur einen Millimeter daneben, passt das ganze Bauteil nicht mehr richtig. Eine Tischbohrmaschine oder ein Tischständer für Handbohrmaschinen helfen hier sehr.
Erklärung:
Belichten und Entwickeln:
Der Fotolack besteht meist aus Harz und polymeren Diazoverbindungen als lichtempfindlicher Komponente. Durch das UV-Licht (340 nm-420 nm) wird der Lack an den belichteten Stellen weich und kann durch das Natriumhydroxid gelöst werden, während die unbelichteten Stellen hart und schwer löslich bleiben.
Ätzen:
Das Natriumpersulfat ist das Natriumsalz der Peroxodischwefelsäure. Beim Lösen in Wasser entstehen 2 Na+ und S2O82- Ionen. Letztere oxidieren das metallische Kupfer zu Cu2+ Ionen, und es bildet sich Kupfer(II)-sulfat (CuSO4) sowie Natriumsulfat (Na2SO4)
Gleichung:
S2O82-(aq) + Cu(s) --> Cu2+(aq) + 2 SO42-(aq)
Entsorgung:
Die Entwicklerlösung sollte zu den lösemittelhaltigen Abfällen gegeben werden, da sie noch gelösten Fotolack enthält.
Die Ätzlösung enthält nach dem Gebrauch umweltgefährliches Kupfer(II)-sulfat, welches mit Natriumhydroxid als Kupferhydroxid ausgefällt werden kann.
Nach dem Ausfällen und Filtrieren kann die nun farblose Lösung in den Ausguss entsorgt werden.
Bilder:
Transfersymbole zur einfachen Layoutherstellung
Ein mit Transfersymbolen erstelltes Leiterbahnbild auf Kopierfolie
Die Platine beim Belichten (mit einer einfachen 17W Energiesparlampe)
Die fertig belichtete und entwickelte Platine. Deutlich kann man das Layout aus nicht gelöstem Fotolack erkennen.
Platine im Ätzbad. Hier ein altes Gurkenglas. (Ätzbeginn)
...während des Ätzens bildet sich Kupfer(II)-sulfat, an der blauen Farbe unten im Glas gut zu erkennen.
Am Schluß ist die Ätzlösung deutlich blau gefärbt...
Die fertig geätzte Platine...
...wurde mit Aceton von den Fotolackresten befreit...
...und gebohrt. Fertig zum Bestücken.
