Platinen-Anleitung

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                                                                                                                         Wels, am 2012-06-20


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892_b_Anleitung-x_VHS5.3.00  +++ Platinenherstellung nach der Fotomethode, die einzelnen Arbeitsschritte _1a.doc

1) Erstellen der Layoutvorlage


Das Erstellen einer Platine beginnt damit, dass der Schaltplan in ein Layout- Programm eingegeben wird, mit dem das Platinenlayout, also die Platzierung der Bauteile und das Verlegen der Leiterbahnen, durchgeführt wird. Ein solches Programm ist Eagle oder Sprint- Layout Für Windows und Linux gibt es eine kostenlose Version von Eagle, die auf eine

maximale Platinen Größe von 100x80 mm beschränkt ist, was aber für einfache Projekte vollkommen ausreicht.

Der Vorteil beim Einsatz eines solchen Werkzeugs ist, dass der Designprozess durch den Computer unterstützt und kontrolliert wird. Die Gehäuseformen gängiger Bauteile liegen bereits als Bibliotheken vor, sodass der Benutzer sich nicht um Details wie die Position und die Belegung der Anschlüsse, den Durchmesser der Anschlussdrähte und ähnliches kümmern muss. Eine Reihe von Tests überprüft die Schaltung auf einfache Fehler und untersucht das Leiterbahnlayout auf die Einhaltung definierbarer Designregeln. Viele Fehler, die beim manuellen Layouten leicht passieren können, werden dadurch effektiv verhindert. CADsoft bietet eine Reihe von Tutorials an, die eine gute Einführung in die Bedienung des Programms darstellen. Ein gutes Layout damit zu erstellen, erfordert aber einige praktische Erfahrung. Wie sich viele der häufigsten Fehler vermeiden lassen, beschreiben die folgenden Punkte.

Beim Entwurf der Schaltung sollte bereits das spätere Layout bedacht werden. Querverbindungen in der Schaltung führen oft zu sich überkreuzenden Leiterbahnen, vor allem bei räumlich getrennt liegenden Funktionsgruppen. Sie sollten vermeiden werden, wo immer dies möglich ist.

Wenn die Platine in das Gehäuse eingebaut werden soll, müssen dessen Eigenheiten möglichst früh in das Layout mit einbezogen werden. Dazu gehören die Platinengröße, Aussparungen, Bohrungen für Befestigungsschrauben und die Position der Anschlüsse.

Die Bauteile dürfen anfangs nicht zu dicht gepackt werden. Kleine Änderungen wie die Anpassung einer Gehäuseform oder Modifikationen an der Schaltung wären sonst mit sehr vielen Korrekturarbeiten verbunden. Das Layout sollte daher zunächst großzügig angelegt und später bei Bedarf verkleinert werden.

Einige Baugruppen wie Anschlüsse, Bedienelemente, Jumper oder Trimmer brauchen ausreichend freien Platz um sich herum, damit sie bedienbar bleiben. Dies muss beim Layout bedacht und möglichst mit einem Modell der Platine überprüft werden.

Die Anordnung der Bauteile gibt vor, wie viele Leiterbahnen sich im Layout überschneiden. Es lohnt sich also, Zeit in eine gute Planung zu investieren.

Es ist eine gute Strategie, zuerst alle Bauteile zu platzieren, die an festen Positionen liegen sollen (Bedienelemente, Anschlüsse und ähnliches). Dann werden die restlichen Teile in Funktionsgruppen aufgeteilt, die untereinander möglichst wenig verbunden und getrennt layoutet sind. Anschließend werden Funktionsgruppen im Layout zusammengefügt.

Bauteile wie Widerstände und Dioden können sowohl stehend als auch liegend eingelötet werden. Bei liegender Montage brauchen sie mehr Platz, sind aber stabiler gegenüber mechanischer Belastung. Hier muss je nach den Anforderungen abgewogen werden.

Bauteile wie bei der Eingabe des Schaltplans wird für jedes Bauteil die Gehäuseform abgefragt Hier sollte möglichst gleich die Form ausgewählt werden, die später auch tatsächlich eingelötet wird. Andernfalls kann sich hier ein Fehler einschleichen, der erst sehr spät bemerkt wird. Davon sind insbesondere Elektrolytkondensatoren betroffen, deren Formen erheblich variieren können.

Der Autorouter kann die Leiterbahnen weitgehend automatisch verlegen, liefert aber ein schlechteres Ergebnis als manuelles Layout (jedenfalls bei semiprofessionellen Programmen wie Eagle). Das Ergebnis hat unnötig viele Visa und ist oft nur schlecht lötbar.

Je kleiner und enger die Strukturen auf der Leiterbahnseite der Platine sind, desto schwieriger wird das Löten. Insbesondere steigt die Gefahr, benachbarte Leiterbahnen zu verbinden.

Das Bohren von Löchern wird wesentlich einfacher, wenn die späteren Löcher von einem Kupferring umrandet sind. Der Bohrer wandert dadurch beim Ansetzen in die Mitte des Loches und zentriert sich so von selbst. Eagle erstellt bei vielen Bauteilanschlüssen diese Form automatisch.

Visa müssen einen ausreichenden Durchmesser haben, um von Hand gelötet werden zu können. Die Standardeinsteilungen sind für chemisches Durchkontaktieren ausgelegt und damit zu klein, sie müssen also deutlich vergrößert werden. Eine bessere Alternative ist, die Anschlüsse von Widerständen und Dioden als Visa zu benutzen.

Drahtbrücken bei einseitigen Platinen können als Leiterbahnen auf der sonst nicht vorhandenen Oberseite realisiert werden. Die von Eagle beim Wechsel zwischen Ober- und Unterseite erzeugten Visa bilden dann die Lötaugen für die Drahtbrücke.

Die Versorgungsleitung sollten so breit wie möglich sein, damit sie nur einen geringen Widerstand haben und auch größere Ströme transportieren können.

In unbenutzten Bereichen der Platine sollte die Kupferschicht stehen bleiben und möglichst mit Masse verbunden werden. Dies schont die Säure, weil weniger Kupfer weggeätzt werden muss, und verbessert zudem die Störempfindlichkeit der Schaltung.

Leiterbahnen, die Hochfrequente Signale transportieren, können bei Bedarf durch benachbarte Messleitungen abgeschirmt werden, um Strömungen zu minimieren.

Viele potentielle Probleme der Platinenform und der Anordnung der Bauteile lassen sich auf dem Monitor nur schlecht erkennen. Ein realistisches Modell der Platine hilft da deutlich weiter. Ein einfacher aber sehr evektiver Trick ist, das Layout auf Papier oder dünnen Karten zu drucken, die Bohrlöcher mit einer Nadel zu durchstechen und alle Bauteile in die Löcher zu drucken. Auf diese Weise entsteht ein realistisches Modell, in dem Designfehler sichtbar werden, bevor eine echte Platine hergestellt ist.


Wenn das Platinenlayout in Ordnung ist, wird der Kupferlayer maßstabsgetreu auf eine Transparentfolie gedruckt. Die bedruckte Seite sollte später direkt auf der Platine aufliegen, damit Lichtreflexionen in der Folie nicht zur Belichtung eigentlich abgedeckter Stellen führen. Beim Ausdrücken ist besonders wichtig, die dunklen Bereiche der Folie möglichst undurchlässig für UV-Licht zu bekommen. Gleichzeitig muss der Ausdruck konturscharf sein und darf nicht verwischen. Je nach Art des verwendeten Druckers sind dafür verschiedene Einstellungen nötig.

Laserdrucker liefern ein gutes Druckbild, erreichen häufig aber nur eine mittelmäßige Deckung, die über Treibereinstellungen nur wenig erhöht werden kann. Sollte das nicht reichen, muss die Folie zweimal übereinander gedruckt werden. Die Auswahl der Folie ist unproblematisch, besonders gut eignet sich zum Beispiel Zweckform 3491 (Laserfolien für die Druckvorlagenerstellung) .

Tintenstrahldrucker erreichen eine deutlich bessere Deckung. Die Einstellung des Druckertreibers sollten auf höchstmögliche Auflösung und Qualität sowie monochromen Druck eingestellt sein. Zusammen mit der richtigen Folie entsteht dann ein sehr guter Ausdruck. Die Folie darf keinen optischen Aufheller enthalten und sollte leicht aufgeraut und staubfrei sein. Nach einer ausreichend langen Trockenzeit, die von der Tintenmenge abhängt, ist die Folie einsetzbar.

Die Folie wird in hellem Gegenlicht auf Deckungsgrad und eventuelle Lichtdurchbrüche kontrolliert. Kleine Fehler lassen sich notfalls mit einem Folienstift ausbessern, dann wird die Folie mit großzügigem Rand ausgeschnitten.



Fotochemisches Erzeugen der Leiterbahnen

Die Leiterbahnlayout kann jetzt mit Hilfe von UV-haltigem Licht von der Vorlagenfolie in den Fotolack der Platine übertragen werden. Damit die Ausleuchtung gleichmäßig und unter konstanten Bedingungen erfolgen kann, ist eine entsprechende Apparatur nötig, ein sogenannter Belichter. Er besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle und einer Möglichkeit, Platine und Folie zu fixieren.


Aufbau eines Belichters

Bei der Konstruktion eines Belichters ist es wichtig, den UV-Anteil im Licht möglichst hoch zu halten. Diese beginnt mit der Auswahl einer Lichtquelle, die eine möglichst hohen UV-Anteil im Spektrum haben sollte. Beim Abstand der Lichtquelle zur Platine muß ein Kompromiß gefunden werden. Das Licht ist zwar um so intensiver, je geringer der Abstand zur Lampe ist, andererseits erwärmen Platine und Folie sich auch stärker und das Licht verteilt sich weniger gleichmäßig. Schließlich dürfen alle Bauteile im Lichtweg möglichst kein UV-Licht absorbieren. Dies gilt insbesondere für die Glassplatten, die es Teilweise mit UV-Filter zu Kaufen gibt.

Das UV-haltige Licht wird von Sieben Werkstattlampen erzeugt, die eine 8 W-Leuchtstoffröhre und die nötige Vorschaltelektronik enthalten. Die Röhren sind zu einem Paket zusammengefügt und werden in das Gehäuse eines Flachbettscanners eingebaut. Der Scannerdeckel ist mit schwarzen Filz beklebt, um zu verhindern, dass bei Doppelseitigen Platinen die Rückseite mit belichtet wird. Außerdem sorgt der Deckel durch sein Gewicht für den nötigen Anpressdruck. Der Aufbau hat einige Vorteile: Er ist kein und

verfügt über ein robuste Gehäuse. Die Folie kann nicht verrutschen und die Bedingungen beim Belichten sind immer gleich. Insbesondere können externe Lichtquellen durch die Klappe den Belichtungsvorgang nicht stören. Die Stromverbrauch ist mit 56 W relativ gering, die Röhren entwickeln kaum Wärme und Die Belichtungszeit beträgt nur zwischen fünf und zehn Minuten, obwohl es sich nicht um spezielle UV-Röhren handelt.


Belichten der Platine

Die Belichtungsdauer hängt von der emittierten Wellenlänge, Anzahl und Leistung der verwendeten Lichtquelle und deren Abstand zur Platte ab. Zum Belichten wird das Licht im Raum gedämpft, die Lichtundurchlässige Schutzfolie von der Platine abgezogen und die Platine mit Folie zügig in den Belichter gebracht Dabei sollte nicht zu viel Zeit vergehen, um die Platine nicht dem Umgebungslicht auszusetzen Der Belichter wird eingeschaltet und die Platine so lange wie nötig. Die belichteten Partien der Platte zeigen einen Farbumschlag von gelbgrün nach blaugrün. Überbelichtung ist bei gutem Filmmaterial unkritisch. Unterbelichtung erschwert hingegen ein einwandfreies Entwickeln der Platte.




Die optimale Belichtungsdauer

Die Dauer der Belichtung ist entscheidend für die Platinenherstellung. Sie hängt von vielen Faktoren wie dem Platinenmaterial und dem Aufbau des Belichters ab. Es ist daher nicht möglich, allgemeingültige Richtwerte anzugeben, stattdessen muss die Zelt mit einer Messreihe ermittelt werden. Dazu kann beispielsweise eine Folie mit zehn nummerierten Breichen ausgedruckt und auf einen

Streifen Fotoplatine geklebt werden. 3M Graukeil verwenden.. Ein Lichtundurchlässiges Stück Papier wird zwischen Platine und Folie geschoben und alles zusammen in den eingeschalteten Belichter gebracht Jetzt kann das Stück Papier in regelmäßigen Abständen ein wenig weiter herausgezogen werden, so dass ein weiterer Bereich dem Licht ausgesetzt ist. Zu Jedem Bereich wird protokolliert, wie lange er genau belichtet wurde, also die Zeit zwischen dem Freilegen des Bereiches und des Ende der Messreihe. Anschließend wird die Platine genau eine Minute lang entwickelt. Dabei sollten idealerweise unter- und überbelichtete Bereiche an den Rändern sowie ein brauchbarer Bereich in der Mitte herauskommen. Ist das nicht der Fall, wird die Reihe für kürzere bzw. längere Zeiten wiederholt oder die Abstände werden entsprechend angepasst. Ist der Optimale Bereich gefunden, lässt sich mit Hilfe des Protokolls die dazugehörige Belichtungszeit ermitteln. Sie ist nur für das beim Messen verwendete Platinenmaterial und den benutzten Belichter richtig. Sobald sich einer nur dieser Parameter ändert, muss eine neue Messreihe durchgeführt werden.


Entwickeln der Platine

Während der Belichtungszeit kann bereits die Lösung zum Entwickeln vorbereitet werden. Dazu wird Natriumhydroxid in Wasser, aufgelöst, die Dosierung liegt in der Regel bei 1 g auf 100 ml Wasser. Beim Umgang mit der Lösung ist Vorsicht geboten, sie ist ätzend und greift auch Haut und Kleidung an. Es lohnt sich nicht, Entwickler auf Vorrat herzustellen, da die Lösung beim Kontakt mit dem Kohlendioxid der Luft zerfällt. In einer luftdicht verschlossenen Flasche ist sie aber einige Tage haltbar. Am Ende der Belichtungszeit wird der komplett gelöste Entwickler in eine Kunststoffschale gegossen und die Platine aus dem Belichter entnommen. Bei vielen Platinensorten sind die belichteten Stellen im Lack bereits an schwachen Farbunterschieden zu erkennen. Die Platine wird mit der Kupferseite nach oben für etwa eine Minute in die Entwicklerlösung gelegt. Währenddessen wird die Schale vorsichtig hin- und hergeschwenkt, so dass die Platine umspült wird. Am Ende der Minute müssen die belichteten Konturen hervortreten und deutlich erkennbar sein. Dabei kann eine Reihe von Fehlern auftreten.

Das Layout wird nicht sichtbar: die Konzentration des Entwicklers ist zu schwach, die Belichtungszeit war zu kurz oder das Wasser war nicht warm genug.

Das Layout erscheint sehr schnell und verschwindet wieder: die Belichtungszeit war zu lang, oder die Konzentration des Entwicklers ist zu hoch.

Das Layout ist unscharf: Die Vorlagenfolie ist nicht deckend genug oder wurde nicht fest genug auf die Platine gedrückt.


Das Layout ist fleckig: Wahrscheinlich ist der Fotolack nicht mehr in Ordnung.

Das Layout lässt sich kaum herausarbeiten: Möglicherweise ist das Platinenmaterial zu alt und der Fotolack funktioniert nicht mehr einwandfrei.

Wenn Teile der Platine sofort und andere fast gar nicht erscheinen, kann die Platine unter Umständen noch gerettet werden. Dazu wird die Entwicklerlösung über den noch nicht sichtbaren Teilen des Layouts vorsichtig mit einem sehr weichen Pinsel bewegt Der Vorgang beschleunigt sich dadurch lokal. Die Konturen müssen scharf und deutlich herausgearbeitet werden, bevor der Entwickler den nicht belichteten Fotolack angereift Die fertige Platine wird mit einer Zange aus dem Bad geholt und mit klarem Wasser abgespült.

Nach dem Entwickeln wird die Platine in einen beheizbaren Ätztank gehängt, der mit einer Lösung von Natriumpersulfat gefüllt ist Die Konzentration der Lösung liegt bei 270g auf einen Liter Wasser, sie ist klar und verfärbt sich nach mehreren Benutzungen blau.

Die Temperatur im Tank muss um 50°C liegen. Unter 40°C ätzt die Lösung fast gar nicht, und bei mehr als 60°C kristallisiert sie aus. In der Regel ist in einen solchen Tank auch eine Reihe von Düsen eingebaut, mit denen Luft in die Lösung geblasen werden kann. Dadurch wird das Ätzmittel durchmischt und Sauerstoff eingebraucht, was die chemische Reaktion beschleunigt. Die Bauteile für einen Ätztank gibt es zwar im Aquarienhandel zu kaufen, allerdings ist ein fertiger Tank unwesentlich teurer als die Einzelteile, so dass sich ein Selbstbau nicht lohnt.


Ammoniumpersulfat" Chemische Formel (NH4) 2S2O8, Kurzbezeichnung: Ätzsulfat ist leicht wasserlöslich und farblos. Der Ätzvorgang verläuft nach folgender Gleichung: Cu + (NH4)2 S2O8 CuSO4 + (NH4)2SO4


Um einen Liter Ätzlösung zu erhalten, mischen wir folgendes: 770 ml Wasser (40°C) 200 ml konz. Salzsäure HCI (ca. 35%) 30 ml konz. Wasserstoffperoxid H2O2 (ca. 30%) Die entwickelte Platine wird an Kunststoffklammern aufgehängt und in den vorbereiteten Ätztank gehängt.


Das freiliegende Kupfer wird sehr schnell matt und verfärbt sich dunkelrot Es dauert einige Minuten, bis die Kupferschicht an den ersten Steilen ganz verschwunden ist, dann löst der Rest sich innerhalb kurzer Zeit auf.

Wenn die Leiterbahnen komplett herausgearbeitet sind, wird die Platine in klarem Wasser abgewaschen und vorsichtig getrocknet

Beim Ätzen entstehen Gase, so daß für eine gute Belüftung gesorgt sein sollte. Die lagernde Säure bildet ebenfalls Gase, so dass sie nicht in einem luftdichten Bettälter aufbewahrt werden darf. Das Ätzmittel darf nicht mit Haut oder Kleidung in Kontakt kommen und muss, wenn es verbraucht ist, als Sondermüll entsorgt werden.

Die Ätzverfahren kann man in drei Gruppen klassifizieren:

Tankätzung Schaumätzung 3 Sprühätzung.



Bohren, Beschriften und Versiegeln

Nach dem Ätzen folgen noch einige mechanische Bearbeitungsschritte. Als erstes werden die erforderlichen Löcher in die Platine gebohrt Dazu ist eine schnell drehende Bohrmaschine mit Präzisionsbohren (Voll-Hartmetall-Bohrer) und einem Bohrständer unbedingt erforderlich. Wenn jede Bohrstelle von einem Kupferring umgeben ist, richtet der Bohrer sich selbst in der Lochmitte aus. Es reicht dann, die Platine mit der Hand unter den Bohrer zu führen und mit wenig Druck und viel Gefühl zu bohren.



Falls erforderlich, wird die Platine noch mit Feinwerkzeugen in die endgültige Form gebracht Schließlich wird sie vom Bohrstaub befreit und ein letztes Mal gereinigt Der verbleibende Fotolack lässt sich mit Spiritus entfernen.

Die Platine kann anschließend mit einer Beschriftung versehen werden. Diese wird in Layoutprogramm vorbereitet und dann mit einem Laserdrucker spiegelverkehrt auf entsprechendes Transfermaterial gedruckt.

Mit Hilfe eines möglichst stark aufgeheizten Bügeleisens wird der Toner vom Transfermaterial auf die Platine übertragen. Geeignete Transfermaterialien sind zum Beispiel Backpapier und die Trägerbögen, auf denen Aufkleber vertrieben werden. Der Prozess erfordert einige Übung, bevor die Beschriftung brauchbar wird. Das Bügeleisen wird zügig und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit über den Träger gezogen, wobei ständig ein gewisser Druck ausgeübt werden muss. Anschließend wird das Bügeleisen auf die Seite gestellt und der Träger von einer Ecke aus langsam angehoben. Ist ein der Beschriftung noch nicht übertragen, wird an dieser Stelle gezielt mit der Spitze des Bügeleisens nachgebessert.

Um die Oberflächen der Platine vor Korrosion der Leiterbahnen und Abrieb der Beschriftung zu schützen, wird sie auf beiden Seiten dünn mit Sprühlack überzogen. Die Kupferseite wird mit Lötlack versiegelt, der die Leiterbahnen schützt und die Lötbarkeit sicherstellt. Auf der Beschriftungsseite kann jeder Lack verwendet werden, der den Toner nicht ablöst, also zum Beispiel Lötlack oder Transparentes Plastikspray. Die Lackschichten sollten die ganze Platine bedecken, dabei aber so dünn wie möglich sein. Beide Seiten müssen gründlich trocknen, dann kann die Platine bestückt werden.


Bestücken der Platine

Wenn das Platinenlayout gut gewesen ist, sollte es beim Bestücken keine Probleme geben. Die Bauteile

müssen natürlich frei von Oxidschichten sein, notfalls können diese mit Schmirgelpapier oder einer feinen Drahtbürste entfernt werden. Wichtig ist auch, dass die Platine beim Löten nicht zu stark erhitzt wird, damit die Kupferschicht sich nicht vom Trägermaterial ablöst.

Nach dem Löten ist die Platine voll einsatzbreit. Wenn der Prototyp auf der Steckplatine funktioniert hat und alle Schritte in der Platinenherstellung ohne Fehler ausgeführt wurden, wird die Platine mit großer Wahrscheinlichkeit auch funktionieren. Nach einem kurzen Test kann die Platine an ihrem Bestimmungsort eingebaut und in Betrieb genommen werden.





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Impressum: Fritz Prenninger, Haidestr. 11A, A-4600 Wels, Ober-Österreich
ENDE


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