Bei einigen Projekten verwende ich selbst hergestellte Leiterplatten, welche mit der sogenannten Fotopositiv-Methode hergestellt werden. Dabei wird das Leiterbild durch Belichten auf einen lichtempfindlichen Lack, mit welchem die kupferkaschierte Platine beschichtet ist, übertragen. Der Lack wird entwickelt, wobei er sich an den belichteten Stellen löst, so dass das Kupfer dort weggeätzt werden kann.

Dieser Artikel stellt keine allumfassende Anleitung zur Leiterplattenherstellung dar. Er beschreibt lediglich meine gesammelten Erfahrungen zum Thema. Bei der Leiterplattenherstellung wird mit Chemikalien hantiert, welche bei falscher Behandlung eine Gefahr darstellen können. Beim Umgang mit diesen Chemikalien sollte man unbedingt eine Schutzbrille sowie Schutzhandschuhe tragen. Auch sollte man die Gefahren- und Sicherheitshinweise zu den verwendeten Chemikalien gelesen und verstanden haben.

Basismaterial

Das Basismaterial stellt eine Art „Platinen-Rohling“ dar, welcher in den folgenden Schritten bearbeitet wird. Es besteht meistens aus Hartpapier (Materialart FR2) oder Epoxidharz-Glasfasergewebe (Materialart FR4) und ist ein- oder doppelseitig mit einer Kupferauflage versehen. Das Basismaterial ist in verschiedenen Stärken und mit verschiedenen Kupferauflagen erhältlich, wobei 1,5 mm mit 35 µm Kupfer als Standard anzusehen ist. Bei fotobeschichtetem Basismaterial ist die Kupferauflage zusätzlich mit einem UV-empfindlichen Lack (Fotolack) beschichtet.

Für die hier beschriebene Vorgehensweise wird einseitig fotopositivbeschichtetes Basismaterial benötigt. Ich verwende FR4-Basismaterial von BUNGARD (u.a. bei Reichelt Elektronik erhältlich), daher sind auf das Basismaterial bezogene Informationen in diesem Artikel eventuell nicht auf Basismaterial anderer Hersteller übertragbar. Wenn das Basismaterial nicht in der passenden Größe erhältlich ist, muss es zunächst auf die benötigten Maße zugeschnitten werden. Ich verwende hierfür eine Bügelsäge mit einem Eisensägeblatt.

Zusägen des Basismaterials
Zusägen des Basismaterials
Das Basismaterial sollte auf voller Länge und möglichst nah am Sägeschnitt festgespannt werden. Um einen geraden Schnitt zu erhalten, sollte die Säge in einem flachen Winkel zum Basismaterial gehalten werden, damit das Sägeblatt in dem bereits vorhandenen Schnitt geführt wird. Damit der Schnitt genau parallel zur angezeichneten Linie verläuft, kann man das Sägeblatt mit dem Daumen zusätzlich führen. Der potentiell lungenschädliche Staub kann z.B. durch Besprühen der Platine mit Wasser größtenteils gebunden werden. Die Kanten der Platine sollten nach dem Sägen mit einer Schlichtfeile entgratet bzw. geglättet werden.

Das Basismaterial ist mit einer selbstklebenden blauen Lichtschutzfolie versehen, welche den Fotolack vor ungewünschter Belichtung schützt. Trotzdem empfiehlt es sich, das Basismaterial möglichst dunkel zu lagern. Auch sollte es keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden, da dies den Fotolack schädigen kann.

Vorlage

Die Vorlage wird benötigt, um das Leiterbild auf die Platine zu übertragen. Die Vorlage muss an den Orten, an denen sich später Kupfer auf der Platine befinden soll, undurchlässig für UV-Strahlung sein. Meistens werden Transparentfolien verwendet, die mit dem Tintenstrahl- oder Laserdrucker bedruckt werden. Der Druck sollte so erfolgen, dass die Vorlage bei der Belichtung mit der bedruckten Seite auf der Platine aufliegt, damit bei schmalen Leiterbahnen keine „Unterleuchtung“ durch schräg einfallendes Licht erfolgen kann. Bei Verwendung von Laserdruckern können Probleme mit größeren schwarzen Flächen (Masseflächen) auftreten, die sich durch zu geringe Schwärzung bemerkbar machen. Aus diesem Grunde sind sogenannte Tonerverdichter erhältlich, mit denen der Ausdruck besprüht werden kann.

Da mein Laserdrucker (HP LaserJet 5M mit Original-Toner) beim Druck auf Folie keine brauchbaren Ergebnisse lieferte, habe ich mich für die Verwendung von Transparentpapier entschieden, auf welchem normalerweise technische Zeichnungen angefertigt werden. Auch hier muss der Toner nachträglich verdichtet werden. Aufgrund der Verfügbarkeit verwende ich dazu den Etikettenlöser „Solvent 50“ von KONTAKT CHEMIE, welcher ebenso als Tonerverdichter verwendbar ist. Die bedruckte Seite der Vorlage wird vorsichtig mit Solvent 50 eingesprüht, bis der bedruckte Bereich vollkommen bedeckt ist. Dazu wird mit aufgestecktem Sprühröhrchen auf die Vorlage gesprüht. Wenn man aus einem flachen Winkel auf die Vorlage schaut, sind noch nicht bedeckte Stellen leicht erkennbar. Nun muss die Vorlage noch trocknen, was einige Stunden in Anspruch nehmen kann. Um sicherzustellen, dass sich das Solvent 50 vollständig verflüchtigt hat, lasse ich die Vorlage vor der weiteren Verwendung mindestens 24 Stunden lang trocknen.

Fixiervorrichtung
Fixiervorrichtung
Es ist empfehlenswert, die Vorlage vor der Behandlung zu fixieren, damit sie sich nicht wellt. Dazu habe ich die Vorlage mit Leimzwingen auf ein Holzbrett aufgespannt.
Kontrastvergleich
Kontrastvergleich
Das Bild demonstriert den Unterschied der Schwärzung vor und nach der Verdichtung. Links ist die Vorlage noch unbehandelt, rechts oben wurde ein Tropfen Solvent 50 aufgebracht. Die leicht bräunliche Färbung der behandelten Seite auf dem Foto ist auf den durchscheinenden Hintergrund zurückzuführen, und wird nicht etwa durch das Solvent 50 verursacht, wie man fälschlicherweise annehmen könnte.

Belichtung

Wenn die Vorlage bereit und das Basismaterial zugeschnitten ist, kann die Belichtung beginnen. Bei der Belichtung muss der Fotolack an den Stellen, die später vom Kupfer befreit werden sollen, mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Dazu wird die Vorlage plan aufliegend auf der mit Fotolack beschichteten Seite der Platine angebracht, und diese Anordnung dann einer UV-Quelle ausgesetzt. Als UV-Quelle ist im Grunde jede Lichtquelle geeignet, welche genügend Licht im UV-A-Bereich abstrahlt. Die optimale Belichtungszeit ist von vielen Faktoren abhängig und wird daher meistens experimentell ermittelt. Bei Verwendung von professionellen Belichtungsgeräten, die mit UV-Röhren bestückt sind, kann als Richtwert eine Belichtungszeit von 90 s bei Folien oder 180 s bei Transparentpapier angenommen werden. Beim Entwickeln zeigt sich, ob die richtige Belichtungszeit gewählt wurde.

Ich verwende zur Belichtung die UV-Lampe „Ultra-Vitalux“ von OSRAM mit einer Leistung von 300 W. Damit der Fotolack nicht ungewollt belichtet wird, werden die folgenden Schritte bei gedämpftem Tageslicht durchgeführt. Zuerst wird die Schutzfolie von der Platine abgezogen, wobei der Fotolack nicht berührt werden sollte, um keine Fettrückstände zu hinterlassen. Dann wird die Vorlage mit der bedruckten Seite auf die Platine gelegt. Nachdem die Vorlage richtig ausgerichtet wurde, wird eine Glasplatte auf die Anordnung gelegt, damit die Vorlage plan aufliegt. Ich verwende hierfür eine Glasplatte von einem rahmenlosen Bilderhalter. Plexiglasplatten sind hierfür ungeeignet, da sie meistens undurchlässig für UV-Licht sind. Die Lampe wird in einem Abstand von 40 cm zur Platine angebracht. Da die Lampe erst nach ein paar Minuten ihre volle Leistung erreicht, lasse ich sie vor der eigentlichen Belichtung 5 Minuten vorheizen, wobei die Platine mit einem Stück Pappe abgedeckt ist. Wenn die 5 Minuten verstrichen sind, wird die Pappe entfernt, womit die eigentliche Belichtung beginnt. Die ideale Belichtungszeit liegt bei meiner Kombination (BUNGARD-Basismaterial mit Transparentpapier und besagter Lampe bei 40 cm Abstand) bei 300 s bzw. 5 Minuten. Wenn die Belichtungszeit verstrichen ist, wird die Lampe ausgeschaltet und die Platine wird wieder mit Pappe abgedeckt.

Belichtung
Belichtung
Unten ist die Platine mit der darauf liegenden Vorlage und Glasplatte zu erkennen. Die Zangen dienen zur Beschwerung der Glasplatte. Es wurde ein Lüfter zur Kühlung der Lampe angebracht, da die Lampenfassung nur für 100 W ausgelegt ist.
Hilfsmittel für doppelseitige Belichtung
Hilfsmittel für doppelseitige Belichtung
Bei der Belichtung von doppelseitigem Basismaterial müssen die Vorlagen möglichst deckungsgleich ausgerichtet werden. Der gezeigte Flachwinkel wurde aus einem Platinenrest ausgesägt und erleichtert die Ausrichtung erheblich. Die Vorlagen werden am Winkel ausgerichtet und dann mit Klebeband an diesem fixiert. Dann wird das Basismaterial zwischen die Vorlagen gelegt und in die Ecke des Winkels geschoben. Nun kann die Belichtung einer Seite erfolgen. Vor der Belichtung der zweiten Seite wird das Basismaterial erneut in die Ecke geschoben, um sicherzustellen, dass sich das Basismaterial in der selben Position wie bei der Belichtung der ersten Seite befindet.

Entwickeln

Nach dem Belichten muss die Platine entwickelt werden. Dabei wird der belichtete Fotolack entfernt, so dass das darunter befindliche Kupfer blank liegt. Das Entwickeln erfolgt mit Natronlauge, die durch Lösen von Natriumhydroxid (NaOH) in Wasser hergestellt wird. Es werden 10 g NaOH pro Liter Wasser angesetzt. Die Entwicklerlösung arbeitet bei Zimmertemperatur und muss daher nicht beheizt werden.

Ich setze zum Entwickeln 250 ml Leitungswasser mit 2,5 g NaOH in einer flachen Schale an. Dies tue ich bereits vor der Belichtung, damit die Platine sofort nach der Belichtung entwickelt werden kann. Die belichtete Platine wird in die Schale gelegt. Bereits nach wenigen Sekunden ist das Leiterbild zu erkennen. Sobald sich die belichteten Stellen dunkelrot gefärbt haben, streiche ich mit einem Pinsel über die Platine, damit sich der belichtete Fotolack restlos von der Platine löst. Nachdem die Platine zwei Minuten im Entwickler verbracht hat, wird die Platine in eine Schale mit Wasser gelegt, um den Entwickler abzuspülen. Danach wird die Platine noch ausgiebig unter fließendem Wasser gespült. Auch hier sollte man keine Fettfingerabdrücke hinterlassen.

Wenn sich der belichtete Fotolack nicht richtig löst, ist entweder die Belichtungszeit zu kurz oder die Konzentration des Entwicklers zu gering. Wenn sich der Fotolack auch an den unbelichteten Stellen von der Platine löst, ist entweder die Konzentration des Entwicklers zu hoch oder es liegt eine Überbelichtung vor. Eventuell ist auch die Schwärzung der Vorlage zu gering. Bei einer absolut lichtdichten Vorlage wäre eine Überbelichtung unmöglich.

Entwicklungsvorgang
Entwicklungsvorgang
Auf der Bilderserie ist der Entwicklungsvorgang zu erkennen. Unten links wird die Verweilzeit der Platine im Entwickler angegeben. Nach 10 s ist das Leiterbild zu erkennen, nach 25 s hat sich der belichtete Fotolack dunkelrot gefärbt.
Platine entwickelt
Platine entwickelt
Die mit Fotolack bedeckten Stellen heben sich farblich vom blanken Kupfer ab.

Die Entwicklerlösung kann aufbewahrt und mehrfach verwendet werden, wenn sie in einem luftdicht verschlossenen Behälter gelagert wird. Ich setze jedoch jedes Mal neuen Entwickler an, da man damit eine Fehlerquelle – nämlich verbrauchten Entwickler – ausschließen kann. Die gebrauchte Entwicklerlösung kann in geringen Mengen in den Ausguss gegeben werden.

Ätzen

Hinweis: Die hier beschriebene Vorgehensweise zum Ätzen wird von mir mittlerweile nicht mehr verwendet (siehe Artikel Ätzgerät).

Nach dem Entwickeln wird die Platine geätzt. Dabei wird das blanke Kupfer entfernt, während das durch den Fotolack geschützte Kupfer bestehen bleibt. Als Ätzmittel wird Natriumpersulfat (NaPS) verwendet, welches zu 200 g pro Liter in Wasser aufgelöst wird. Im Gegensatz zum Entwickler muss die Ätzlösung beheizt werden. Die optimale Arbeitstemperatur beträgt 45 °C. Ab ca. 60 °C beginnt das NaPS sich unter Abgabe von Sauerstoff zu zersetzen. Der Ätzvorgang kann durch Umwälzung der Lösung, z.B. durch Schwenken oder Einblasen von Luft, erheblich beschleunigt werden.

Ich setze einen Liter Wasser mit 200 g NaPS in einer Glasküvette (eigentlich eine Blumenvase) an. Es ist empfehlenswert, destilliertes Wasser zu verwenden, da das NaPS beim Lösen in Leitungswasser immer eine trübe, undurchsichtige Lösung gebildet hat. Dies ist vermutlich auf den Kalkgehalt zurückzuführen. Der Lösungsvorgang nimmt bei mir ca. 20 Minuten in Anspruch. Die Ätzlösung wird mit einem 100-W-Aquariumheizstab beheizt, bei welchem die Temperaturregelung außer Kraft gesetzt wurde, um die geforderte Temperatur von 45 °C zu erreichen. Die Regelung erfolgt durch manuelles Ein- und Ausschalten des Heizstabes bei Unter- bzw. Überschreiten der Temperatur. Wenn die Ätzlösung auf Temperatur gebracht ist, wird die Platine eingetaucht. Ich verwende eine Aquarium-Membranpumpe, um die Lösung mittels Luftbläschen umzuwälzen. Der Ätzvorgang nimmt je nach Zustand der Lösung 5 bis 20 Minuten in Anspruch. Sobald das gesamte freiliegende Kupfer verschwunden ist, wird die Platine aus der Ätzlösung genommen und abgespült.

Ist zwischen Leiterbahnen mit besonders geringem Abstand etwas Kupfer verblieben, kann eine zu kurze Belichtungs- oder Entwicklungszeit die Ursache sein. Wenn ein Teil der Platine einwandfrei ist und ein anderer Teil fehlerhaft, weist dies auf eine ungleichmäßige Ausleuchtung beim Belichten hin.

Platinenhalter
Platinenhalter
Ich habe mir einen Platinenhalter mit integriertem Luftausströmer aus Plexiglas gebaut. Mit dem quer verlaufenden Plexiglasstreifen wird der Halter in das Gefäß gehangen. Am unteren Ende befindet sich der Luftausströmer, bestehend aus einem Plexiglasstreifen mit einer durchgehenden Bohrung sowie vielen 0,5-mm-Löchern im Abstand von 5 mm an der Oberseite. Die Platine wird mit einem Plexiglasteil mit einer abgeschrägten Kante festgeklemmt, welches durch das offene Langloch und durch Versetzen der Kunststoffschraube stufenlos verstellbar ist.
Regulierventil
Regulierventil
Um die Luftblasenbildung beeinflussen zu können, habe ich ein Regulierventil gebaut. Unten befindet sich eine durchgehende Bohrung, in deren Enden die Schläuche zur Membranpumpe und zum Ausströmer stecken. Parallel dazu verläuft eine M5-Gewindebohrung, die seitlich von den vier 1-mm-Bohrungen getroffen wird. Die zwei erstgenannten Bohrungen sind durch eine weitere Bohrung verbunden, die am Ende mit einer Schraube und einer Gummidichtung verschlossen wurde. Durch Verstellen der Innensechskantschraube in der M5-Gewindebohrung kann eingestellt werden, wie viel Luft über die 1-mm-Bohrungen verloren geht.
Ätzvorgang
Ätzvorgang
Die bläuliche Färbung der Ätzlösung wird durch das gelöste Kupfer (Kupfersulfat) verursacht. Die Küvette steht in einem alten Schaltkastendeckel aus Plexiglas, damit die Ätzlösung im Falle eines Glasbruchs aufgefangen wird.

Die Ätzlösung kann selbstverständlich mehrfach verwendet werden, wobei die Ätzgeschwindigkeit mit zunehmendem Kupfergehalt abnimmt. Im Gegensatz zum Entwickler darf die benutzte Ätzlösung aufgrund des Schwermetallgehaltes keinesfalls in den Ausguss gegeben werden! Stattdessen kann die Ätzlösung unter Angabe der Abfallschlüsselnummer 52721 („Kupferätzlösungen“) bei einer entsprechenden Schadstoffsammelstelle abgegeben werden. Die Ätzlösung darf nicht in einem gasdichten Behälter gelagert werden, da sie Sauerstoff freisetzt, was zum Bersten des Behälters führen kann!

Fotolack entfernen

Nach dem Ätzen sind die Leiterbahnen nach wie vor mit Fotolack bedeckt. Um die Leiterbahnen lötbar zu machen, muss der Fotolack entfernt werden. Dies kann beispielsweise mit Aceton oder durch erneutes Belichten und Entwickeln erfolgen. Bei letztgenannter Methode wird die Platine ohne Vorlage der UV-Strahlung ausgesetzt, so dass sich der Fotolack auf den Leiterbahnen beim Entwickeln löst. Es ist empfehlenswert, den Fotolack erst kurz vor der weiteren Verwendung der Platine zu entfernen, da er das Kupfer vor Oxidation schützt.

Ich wische den Fotolack mit einem mit Aceton getränkten Papiertuch ab. Bei dieser Vorgehensweise sollte man den Fotolack unbedingt vor dem Bohren entfernen, da sonst das Papiertuch viele kleine Papierfasern am Grat der Bohrungen hinterlässt. Das BUNGARD-Basismaterial ist auf der Oberseite mit einem Lack o.ä. beschichtet, welchen man nicht mit Aceton in Berührung kommen lassen sollte, da die Oberfläche sonst ein unschönes Aussehen annimmt.

Bohren

Nun müssen noch die Löcher für die Anschlussdrähte der Bauelemente gebohrt werden.

Ich verwende zum Bohren einen „Industrie-Bohrschleifer IB/E“ von PROXXON in einem Bohrständer. Als Bohrer verwende ich u.a. HSS-Mikrobohrer von PROXXON mit 2,35 mm Schaftdurchmesser (Reichelt-Bestellnummern: „PROXXON 28864“ für 0,5 mm, „PROXXON 28852“ für 0,8 mm, „PROXXON 28854“ für 1 mm und „PROXXON 28856“ für 1,2 mm). Zuerst werden alle Bohrungen mit 0,5 mm vorgebohrt. Dann werden die Bohrungen auf die gewünschten Durchmesser aufgebohrt. Verhältnismäßig große Bohrungen, z.B. 3,5 mm für M3-Schrauben, werden mit dem Akkubohrer aufgebohrt.

Bohren
Bohren
Die Platine wird mit einer kleinen Glühlampe von unten beleuchtet, damit die Lötaugen besser zu erkennen sind. Die Bohrmaschine war bei der Aufnahme dieses Bildes selbstverständlich ausgeschaltet, da die Platine sonst vom Bohrer mitgenommen wird. Damit die Mittelpunkte besser zu treffen sind, wurden die Bohrungen in EAGLE mit dem User-Language-Programm „drill-aid.ulp“ auf 0,5 mm verkleinert.

Ergebnisse

Ergebnisse
Ergebnisse
Die linke Bildhälfte zeigt einen Ausschnitt einer Platine, die mit der hier beschriebenen Vorgehensweise hergestellt wurde. Die Leiterbahnen, die zwischen den quadratischen Lötaugen durchgeführt wurden, haben eine Breite von 0,3 mm. Die kleinsten sichtbaren Lötaugen haben einen Durchmesser von 1,27 mm und eine Bohrung von 0,5 mm. Die rechte Bildhälfte zeigt eine Testplatine, mit der die minimalen Abstände und Restringe ermittelt wurden.