Dieses Ätzgerät ermöglicht das Ätzen von Leiterplatten und sorgt dabei für die Beheizung und Umwälzung der Ätzlösung. (Februar 2011, überarbeitet Januar 2014)
Bisher habe ich Platinen in einer Küvette geätzt und dabei einen Platinenhalter aus Plexiglas verwendet, wie im Artikel Platinenherstellung beschrieben wird. Ich musste dabei jedoch feststellen, dass dies eine ziemlich schmutzige Angelegenheit ist. Mit dem Platinenhalter, dem Luftschlauch, der Heizung und dem Thermometer befinden sich viele Gegenstände im Ätzbad, die nach dem Gebrauch herausgenommen und aufwändig gereinigt werden müssen. Dabei war es kaum zu vermeiden, dass Ätzmittel auf Arbeitsfläche und Kleidung gelangt und dort seine ätzende, alles zersetzende Wirkung entfaltet.
Bei meiner Suche nach einer saubereren Methode bin ich auf die Ätzmaschine von Jürgen Woetzel gestoßen. Diese Ätzmaschine verwendet eine flache, beheizte Schale, die zur Umwälzung des Ätzbades von einem Motor geschwenkt wird. Beim Ätzvorgang kommt nur die Schale mit der Lösung in Kontakt, so dass die Reinigung stark vereinfacht wird. Zudem kann die Ätzlösung bei jeder Benutzung neu angesetzt werden, da nur eine sehr geringe Menge benötigt wird. Damit werden Probleme durch verbrauchte Ätzlösung vermieden. Der Ätzmittelverbrauch ist trotzdem nicht nennenswert höher als beim Küvettenätzen. Aufgrund dieser Vorteile habe ich mich dazu entschieden, ein Ätzgerät nach dem oben genannten Vorbild zu bauen.
Ätzgerät
Das erste Bild zeigt das Ätzgerät in der Gesamtansicht. Die obere Sperrholzplatte ist an der linken Seite mit einem Scharnier mit dem Unterbau verbunden. Dadurch kann die rechte Seite der Platte von dem Getriebemotor auf und ab bewegt werden. Durch diese Schwenkbewegung wird die Umwälzung des Ätzbades erreicht.
Die Ätzlösung wird in die weiße Kunststoffschale (Bestellnummer 530247 bei Conrad Electronic) eingefüllt. Die innere Grundfläche der Schale ist mit 180×105 mm ausreichend für eine Platine im Euroformat. Mit einer Füllung von 100 ml wird eine Füllhöhe von etwa 5 mm erreicht. Unter der Schale befindet sich eine Heizplatte zur Erwärmung des Ätzbades.
Das zweite Bild zeigt eine der beiden Haltevorrichtungen für die Schale. Die Schale wird von zwei Kabelkanal-Deckeln gehalten, die am Rand eingehakt werden. Mittels Zugfedern wird die Schale an die Heizplatte angedrückt. An jedem Deckel ist eine Zündkerzenmutter als Griff angeschraubt.
Der Schwenkmechanismus wird von einem alten Scheibenwischermotor angetrieben. Auf der abgeflachten Welle des Motors ist ein Exzenterarm angebracht, der vier durchgängige M5-Gewindebohrungen mit verschiedenen Abständen zum Mittelpunkt aufweist. Die Gewindebohrungen dienen der Verbindung mit dem Pleuel. Durch Auswahl einer bestimmten Bohrung ist die Hubhöhe stufenweise einstellbar. Die Pleuelschraube wird durch eine Kontermutter auf der Rückseite fixiert.
Das Pleuel besteht aus einem M5-Gewindebolzen, der mit zwei Endstücken versehen ist. Beide Endstücke besitzen ein Querloch für die Verbindung mit Exzenterarm und Oberteil sowie eine längs verlaufende, nicht durchgängige M5-Gewindebohrung zur Aufnahme des Gewindebolzens. Letzterer wird am oberen Endstück durch eine Kontermutter fixiert. Das untere Endstück ist mit einer deutlich längeren Bohrung versehen, die eine stufenlose Einstellung der Pleuellänge ermöglicht.
Die Heizplatte ist ein 88×163 mm großes Aluminiumblech mit einer Dicke von 2 mm. An der Unterseite der Schale befindet sich ein umlaufender, erhabener Rand, der eine rechteckige Vertiefung bildet. Mit den genannten Abmessungen passt die Heizplatte exakt in diese Vertiefung. Damit liegt die Schale vollflächig auf der Heizplatte auf und ist gleichzeitig gegen Verrutschen gesichert.
An der Unterseite der Heizplatte sind sechs 11-W-Lastwiderstände mit je 15 Ω angebracht, von denen je zwei Stück in Reihe geschaltet sind. Diese Reihenschaltungen werden parallel an 24 V betrieben, womit sich eine Heizleistung von 57,6 W ergibt. Die Widerstände werden von einem Aluminium-U-Profil an die Heizplatte angedrückt. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung wurden die Widerstände vor der Montage mit Wärmeleitpaste bestrichen. Zwischen dem U-Profil und den Widerständen befinden sich plattgedrückte Silikonschläuche als elastische Zwischenlagen, um die geringfügig unterschiedlichen Maße auszugleichen. Zwischen dem zweiten und dem dritten Widerstand von rechts befindet sich ein Temperaturfühler, der von einem aufgebogenen Kabelschuh an die Heizplatte angedrückt wird.
Es wurden mehrere Versuche durchgeführt, um die optimale Heizplattentemperatur zu ermitteln. Dabei hat sich herausgestellt, dass die geforderte Badtemperatur von 45 °C nur mit abgedeckter Schale erreicht werden kann. Bei einer Heizplattentemperatur von 62 °C (gemessen am Temperaturfühler) werden 100 ml Wasser innerhalb von 15 Minuten von 20 auf 45 °C erwärmt. Die Temperatur kommt nach weiteren 15 Minuten bei 50 °C zum Stillstand, was ebenfalls noch im zulässigen Bereich liegt.
Das erste Bild zeigt die Platine des Temperaturreglers und die Bananenbuchsen zum Anschluss der Betriebsspannung. Die Heizung wird mit 24 V versorgt. Der Motor wird mit einer variablen Spannung von 3 bis 6 V versorgt, um die Geschwindigkeit einstellen zu können. Das Ätzgerät wird mit zwei Labornetzgeräten betrieben, die am Arbeitsplatz ohnehin vorhanden sind.
Die zweite Abbildung zeigt den Schaltplan des Temperaturreglers. Es handelt sich um einen einfachen Schmitt-Trigger mit dem Operationsverstärker LM741. Der nichtinvertierende Eingang wird über einen Spannungsteiler auf die halbe Betriebsspannung gelegt. An X1-2 und X1-3 wird der Temperaturfühler angeschlossen. Letzterer ist ein NTC-Widerstand mit 1,5 kΩ bei 25 °C (Bestellnummer 220650 bei Pollin Electronic). Der Temperaturfühler bildet zusammen mit R4 bis R7 einen weiteren Spannungsteiler, dessen Ausgangsspannung am invertierenden Eingang anliegt. An R6 wird die Solltemperatur eingestellt. R3 sorgt für eine Hysterese von etwa 2 °C. Der MOSFET BUZ11 schaltet die Heizung gegen Masse. Mit R8, LED1 und D3 wird die Gate-Spannung des MOSFETs auf 14 V begrenzt. Gleichzeitig zeigt die LED an, dass die Heizung eingeschaltet ist. Schaltplan und Layout als EAGLE-Dateien können hier heruntergeladen werden: temperaturregler.zip.
Im Nachhinein muss ich sagen, dass diese Schaltung ein wenig problematisch ist, auch wenn sie in meinem Fall einwandfrei arbeitet. Weil der NTC, der mit zur Verfügung stand, relativ niederohmig ist, konnte ich den Spannungsteiler aus NTC, R6 und R7 nicht direkt an 24 V legen, da sonst die Verlustleistung und Eigenerwärmung des NTCs viel zu groß wäre. Deshalb habe ich den Spannungsteiler um die Widerstände R4 und R5 erweitert. Diese sind jedoch vehältnismäßig groß gegenüber dem NTC, R6 und R7, weshalb es nur geringer Toleranzen bedarf, um den Temperatureinstellbereich in unbrauchbare Bereiche zu verschieben. Außerdem wäre eine zusätzliche Überwachung des Temperaturfühlers sinnvoll, denn mit der aktuellen Schaltung würde die Heizung bei unterbrochener Fühlerleitung dauerhaft eingeschaltet bleiben.
Benutzung
Zuerst werden 100 ml destilliertes Wasser mit einem Messbecher abgemessen und in die Schale gefüllt. Dann werden 20 g Natriumpersulfat mit einem Dosierlöffel abgemessen und in die Schale gegeben. Die Ätzmittelmenge kann natürlich reduziert werden, wenn die freizuätzende Fläche verhältnismäßig klein ist. Zuletzt wird die Schale mit einem Plexiglasdeckel abgedeckt. Vor Beginn der Belichtung werden Heizung und Motor eingeschaltet. Der Motor wird zunächst mit 3 V betrieben, um eine langsame Umwälzung zu erreichen, die erfahrungsgemäß die Aufheizzeit merklich verkürzt.
Nach der Belichtung und Entwicklung ist die Ätzlösung aufgeheizt. Die Platine wird in die Schale gelegt und die Betriebsspannung des Motors auf 6 V erhöht. Der Ätzvorgang dauert 10 bis 15 Minuten. Wenn das zu entfernende Kupfer vollständig weggeätzt ist, wird die Platine aus der Schale genommen und abgespült. Die verbrauchte Ätzlösung wird in einem Behälter gesammelt und später fachgerecht entsorgt.
Das Bild zeigt das Ätzgerät beim Ätzen einer doppelseitigen Leiterplatte. Normalerweise ist die Schale beim Ätzvorgang abgedeckt; der Deckel wurde nur zum Fotografieren abgenommen. An eine Kante der Leiterplatte wurde ein aufgeschnittener Dübel geklemmt, damit die Unterseite ebenfalls mit der Ätzlösung in Kontakt kommt und nicht am Schalenboden scheuert. Trotzdem sollte man doppelseitige Platinen gelegentlich wenden.
Beim Ätzen ist nebenbei ein interessanter Effekt zu beobachten: Kanten von Leiterbahnen und -flächen, die quer zur Bewegungsrichtung der Ätzmittelwelle velaufen, werden viel schneller freigeätzt, als solche, die längs zur Bewegungsrichtung verlaufen. Dies ist vermutlich damit zu erklären, dass sich die im Fotolack abgebildeten Strukturen um einige Mikrometer von der Kupferfläche abheben und an den demnach vorhandenen Kanten Verwirbelungen auftreten, die den Kupferabtrag in diesen Bereichen beschleunigen. Weil die Kanten mit fortschreitendem Kupferabtrag immer stärker hervortreten, verstärkt sich auch dieser Effekt von selbst.