Platinen selber ätzen: Es geht mit einfachsten Mitteln, man muss es nur üben!

Ziel dieser Seite:

Informationen vermitteln, die erlauben, sich in den Prozess der Leiterplattenherstellung einzuarbeiten. Es gibt im Netz viele Anleitungen in dem Stil "Mach es genau so oder so", die m. E. aber nicht zum gewünschten Erfolg führen können, weil man nicht die gleichen Geräte oder das Geschick hat. Nichts ist frustrierender als Zeit und Geld zu investieren und sofort eine größere Platine von einer fremden Vorlage zu erstellen und nach dem Ätzen festzustellen: Platine ist unbrauchbar. Deshalb werden hier Zusammenhänge erläutert und Hinweise für eine Einarbeiten in die Technik gegeben. Wer gerne kocht, weiß, das ein Rezept die eine Sache ist, zum Fertigstellen eines gut schmeckenden Gerichts aber noch viel mehr gehört. Genauso ist das mit dem Herstellen einer Leiterplatte.

Wie man an meinen Projekten sieht, bin ich eigentlich für die Endfertigung
selbst entworfener Schaltungen inzwischen ein großer Freund von Lochrasterstreifenplatinen.

Das war nicht immer so, meine Anfänge in den 1960er Jahren, als ein Transistor noch DM 6 kostete (dafür konnte man an drei Sonntagen nachmittags ins Kino gehen) war auch ganz schnell die Anfertigung einer gedruckten Leiterplatte dabei. Ich glaube, mich erinnern zu können, dass
damals der einfachste Weg darin bestand, die Kupferfläche mit einer selbstklebenden Plastikfolie (dc-fix) abzukleben und mit einem feinen Messer die wegzuätzenden Flächen freizulegen. Jahre später wurden die Platinen dann klassisch-technisch hergestellt, der Entwurf wurde mit Bleistift auf Transparentpapier gezeichnet, weil man so schön radieren kann, dann in Tusche ausgezogen, mit Plan-Reprolithfilm und dem Vergrößerer in der Dunkelkammer abfotografiert, dann auf denselben Plan-Reprofilm maßhaltig zurückvergrößert und man hatte eine vortreffliche Ätzvorlage, knackscharf, extrem kontrastreich mit einer hohem optischen Dichte durch das metallische Silber in den schwarzen Teilen der Vorlage. Der Fotolack kam aus einem Fläschchen und wurde mit einem Rakel aus Samt aufgetragen, belichtet wurde unter einer normalen Neonröhre.

Trotzdem wurde mir dieses Arbeiten im Laufe der Zeit zu aufwändig, schon wegen der Losgröße 1, denn im privaten Bereich macht meine keine Serienfertigung. Und so wurden zunehmend entworfene Schaltungen auf Lochrasterstreifenplatinen realisiert, zuerst nach Entwürfen auf karierten Papier, aber so richtig schön wird das erst mit dem Programm Lochmaster der Fa. ABACOM, was für die Entwurfsarbeit sehr zu empfehlen ist. Das ist keine Freeware, aber gut ausgegebenes Geld!

Aber, nun steht ein Projekt an, für das eine sehr kleine Platine erforderlich ist und SMD-Technik eingesetzt werden muss. Das geht ohne geätzte Platine nicht mehr. Aber wie hinkommen? Die Reprofilme sind, wegen der Digitalisierung der Druckvorbereitung kaum noch zu bekommen und sehr teuer, die Dunkelkammer ist auch nicht mehr vorhanden, dieser Weg kann also nicht mehr so schnell begangen werden. Wie also die Belichtung einer mit Fotolack beschichteten Platine hinbekommen?

Sucht man im Web rum, so gibt es viele Anleitungen, wie man an eine gedruckte Platine kommt. Die eine Schiene ist der klassische Weg über die Belichtung, der andere Weg geht über das Aufbügeln einer mit einem Laserdrucker ausgedruckten Vorlage. Der übertragene Toner, der jetzt fest auf dem Kupfer klebt, dient als Abdeckung beim Ätzen. Hört sich erst mal vielversprechend an, aber ein Laserdrucker ist nicht vorhanden. Glücklicherweise es gibt einen guten Freund, der die Rolle des Dienstleisters übernahm.

Noch ein Aspekt: Es gibt für fast alles, was im Weiteren beschrieben wird, professionelle Geräte. Für den Hobbyisten sind diese aber eigentlich unerschwinglich teuer, groß und Platz verzehrend. Mein Ansatz ist anders: Zuerst einmal mit Basismitteln arbeiten. Hat man Übung und den Bedarf, schneller oder genauer zu werden, dann kann man über die Beschaffung professioneller Geräte für einzelne Aufgaben nachdenken und das Portemonnaie (weit) öffnen.

Erforderliches Material bzw. Geräte:


Eine Methode: Aufbügeln der Leiterbahnen


Das sieht nicht gut aus! Der Toner wird zwar übertragen, aber selbst nach langem Einweichen in mit Spülmittel versetztem warmen Wasser kann man die noch am Toner festsitzenden Fasern nicht abrubbeln, denn treibt man das zu weit, ist auch kein Toner mehr auf dem Kupfer.

Im Web macht einer der Vorschlag, auf dünnem Katalogpapier zu drucken. Ich habe einer zweiten Person mit Laserdrucker ein paar Seiten eines Katalogs per Post geschickt. Am Telefon haben wir dann besprochen, wie vorzugehen ist. Ich hörte noch, wie der Drucker das Papier einzog, aber dann war das Papier weg und kam nicht wieder raus. Es hängt jetzt irgendwo im Drucker, man kann seltsamerweise wieder auf normalem Papier drucken. In der Anleitung des Druckers fand sich später eine detaillierte Anleitung, wie der Drucker auseinander zu nehmen ist, um nach Papier zu suchen. Irgendwo fand sich dann die verschwundene Seite völlig zerknüllt.

Dieser Weg wird also verworfen.

Es muss doch mit Fotolack gearbeitet werden.

Das Herstellen einer Leiterplatte ist ein technischer Prozess, dessen einzelne Vorgänge gelingen müssen und von Parametern abhängig sind.

1. Erstellen der Belichtungsvorlage.
2. Optional: Beschichten der kupferkaschierten Rohplatine, wenn es nicht beim Hersteller erfolgt.
3. Belichten der lichtempfindlichen Fotolackschicht.
4. Entwickeln der Fotolackschicht, legt die wegzuätzenden Flächen frei.
5. Entfernen der Kupferschicht an den gewünschten Stellen durch Ätzen.


Man kann beschichtete Platinen kaufen, die inzwischen nur geringfügig teurer als unbeschichtetes Material sind. Das war früher ganz anders. Die beschichteten Platten sind der bequemste Weg. Aber ich habe noch eine große kupferbeschichtete Pertinax-Platte, die fast 50 Jahre alt ist und auf Verwendung wartet. Und, kurios, einen Fotolack Positiv 20 mit Verfallsdatum 10/89, also über 30 Jahre alt.

Kann man damit noch arbeiten? Ja, geht noch! Warum wird dann, wie ich an einer neu beschafften beschichteten Platine sehen konnte, für den Fotolack eine Haltbarkeit von ca. 2 Jahren angegeben? Das liegt an der professionellen Benutzung. Dort werden Prozesse wie Belichten und Entwickeln automatisiert.
Verhält sich dann ein überlagerter Fotolack auch nur etwas anders als frischer, dann können diese Prozesse zu fehlerhaften Ergebnissen führen.

1. Erstellen der Belichtungsvorlage

Heutzutage benutzt man für die Erstellung der Belichtungsvorlage den Computer mit einem geeigneten Grafikprogramm. Man kann es versuchen mit Powerpoint oder Visio von Microsoft, von Draw in Libreoffice, mit einem allgemeinen CAD-Programm oder einem Programm wie InkScape oder einem Fachidioten für Elektronik wie KiCad, Eagle oder auch anderen Programmen zum Erstellen von Platinenvorlagen. Für meinen Teil benutze ich InkScape zum reinen Zeichnen bzw. Malen, ziehe aber das komplexe KiCad für Platinenvorlagen vor, obwohl die Benutzung voraussetzt, dass der Schaltplan im entsprechenden Modul eingebracht wird, was nicht trivial ist. Der
Einarbeitung in KiCad erfordert Zeit!

Oder man hat eine Vorlage von anderen, gedruckt in einem Buch oder einer Zeitschrift, als Datei oder was auch immer. Vorlagen auf Papier sollte man einscannen.

Drucker: Ich hatte Zweifel, dass ein Inkjet-Drucker ausreichenden Kontrast und Dichte in den schwarzen Stellen liefert, musste mich aber eines besseren belehren lassen. Mein Drucker hat keine schwarze Pigmenttinte, sondern ein Schwarz, das aus zwei bis drei Farbstoffen zusammengemischt ist, genauso wie in schwarzen Kugelschreiberminen. Es funktioniert, wenn die Druckqualität auf Hoch eingestellt wird, weil dann mehr Tinte als für die Standard-Qualität verspritzt wird. Die optische Dichte wird gesteigert.

Die ersten Versuche wurden mit üblichen Druckerpapier gemacht, die Einstellung für den Druck wurde unter "Einstellungen" gesetzt auf "Tatsächliche Größe drucken", Papier: Normalpapier, Druckqualität: Hoch. Es erwies sich aber beim Ätzen, dass das übliche Druckerpapier (80 g/m²) nur bedingt geeignet ist. Wie unten zum Abschluss gezeigt, hat das Papier einen großen Einfluss auf das Endergebnis. Kurz gesagt: je dünner, desto besser! Auf der Suche nach Alternativen bin ich in meinem Lager auf ein altes Tütchen mit feinem Schreibmaschinenpapier (ZETA Mattpost, 70 g/m²) gestoßen, was in der Durchsicht im Vergleich zu Druckerpapier sehr homogen und viel lichtdurchlässiger aussieht. Die weitere Suche nach dünnem Papier führte zu einem Stapel von DIN C6  Umschlägen, die einmal als Aktionsangebot beim Discounter erworben wurden. Dünnes, glattes Papier, ohne Futter und ohne graue Innenbedruckung, alles andere als edel, für den Zweck hier aber hervorragend geeignet. Solche Angebote gibt es manchmal auch für größere Formate in C5 und C4. C sind Übermaße zu den A-Formaten, eben für Kuverts. Mein Lieblingspapier aber ist ein alter Block mit Luftpostpapier, aus der Zeit, als Luftpostbriefe noch in Portostufen à 5 g bezahlt werden mussten. Dieses Papier ist hauchdünn und sehr homogen, die leicht blaue Einfärbung stört nicht. Vielleicht finden sich auch noch Blätter des ehemaligen Durchschlagpapiers (es ist noch im Handel).

Beim Suchen wurden auch ein paar bedruckbare Folien für die Overhead-Projektion gefunden. Diese sind einseitig mit einer dünnen wasseraufnehmenden Schicht versehen, in der die Tinte eintrocknet. Auf den ersten Blick sieht ein Ausdruck darauf toll aus, schaut man im Detail mit einer Lupe nach, kommt die Ernüchterung: Flächen haben teildurchlässige blasige Einschlüsse, die beim Belichten nicht dicht sind und beim Ätzen Löcher entstehen lassen (s. u.). Also waren diese Folien auch kein gangbarer Weg.

Testobjekte zum Üben gibts hier zum Download als PDF-Datei oder als SVG-Datei.

Wichtig: Man tut sich was Gutes, wenn man auf dem Ausdruck eine längere bemaßte Strecke unterbringt, an der man nachmessen kann, ob der Ausdruck maßhaltig ist. Manche Druckertreiber denken da zu schnell mit und fangen an, beim Drucken zu skalieren.

Die gedruckte Vorlage muss seitenverkehrt vorliegen, weil die Belichtung von hinten, der unbedruckten Seite aus, erfolgt!

2. Beschichten der Rohplatine mit Fotolack

Wer mit bereits beschichtetem Material arbeitet, kann diesen Abschnitt überspringen.

Umgebung: Sonnenlicht wegsperren! Der nicht unerhebliche UV-Anteil belichtet sonst den Fotolack. Mäßiges Kunstlicht aus Glüh- oder LED-Lampen ist zulässig, so lange sich die Lichtquelle weiter (> 1 m) von der Platine entfernt befindet. Man muss also nicht in einer Dunkelkammer arbeiten. Ebenso schädlich: Staub! Man muss keine Reinraumbedingungen herstellen, aber sollte auf möglichst staubfreie Umgebung achten, sonst bleiben u. U. unerwünschte Kupferbrücken stehen.

Werkzeug: Spraydose mit Fotolack, kleine Säge zum Beschneiden der Rohplatine, Haushaltsscheuermittel, ggf. Lösungsmittel, Tageszeitung zum Unterlegen.

Aus oben genannten Gründen wollte ich das Beschichten auch beherrschen. Man sollte die Platine schon vor dem Beschichten zurecht sägen. Nicht exakt auf Maß, sondern mit 2 - 3 mm Übermaß, weil man dann nach dem Ätzen mit Säge und/oder Feile eine evtl. verrutschte Vorlage korrigieren kann. Nichts ist ärgerlicher, als wenn eine dünne Leiterbahn am Rand durch eine verrutschte Vorlage nicht oder nur halb existiert.

Die Kupferschicht wird jetzt gereinigt, am besten mit einem üblichen Haushaltsscheuermittel (ATA & Co.). Die Schicht muss metallisch blank sein und blank bleiben! Nicht mit den Fingern berühren, weil Hautfett die homogene Verteilung des Fotolacks sofort stört! Am besten die gereinigte und noch nasse Platine mit einem Blatt Küchenpapier trocknen und in diesem Papier zum Auftragen des Fotolacks bringen.

Zum Auftragen des Fotolacks lege ich eine aufgeklappte Tageszeitung auf die Werkbank, so, dass der obere Teil hinten vertikal steht und der vordere Teil aufliegt. Dann wird die zu beschichtende Platine mittig auf den flachliegenden Teil gelegt. Die Spraydose wird etwas geschüttelt und in kurzem Abstand zum vertikalen Teil kurz auf den Sprühknopf gedrückt, um mit diesem kurzen "Zisch" die Düse  zu reinigen. Dann sprühe ich aus ca. 20 cm Entfernung mit einem Ritsch-Ratsch von links nach rechts und wieder zurück über die Platine. Der Lack zeigt zuerst mal ein pockiges Aussehen, wird aber nach wenigen Sekunden glatt. Auch entstandenen Luftbläschen platzen in dieser Zeit. Gibt es Bereiche, auf denen der Lack nicht verläuft sondern Kügelchen bildet? Bleiben am Rand Einbuchtungen ohne Fotolack zurück? Dann ist Fett auf das Kupfer geraten, Lack mit Lösungsmittel wegwischen und wieder von vorne anfangen.

Bildet sich am Rand eine kräftige Kante, dann ist zu viel Lack auf die Platine geraten. Den Lack mit Lösungsmittel und Küchen- oder Klopapier abwischen und wieder sprühen. Bildet sich gar keine Kante, dann besteht die Gefahr, dass der Lackauftrag zu gering war. Nach meiner Erfahrung hat man genau die richtige Dicke gesprüht, wenn die Kante dünn ausgeprägt sichtbar ist.

Die Düse der Spraydose reinigen, in dem man die Spraydose auf den Kopf stellt und ein paar Sekunden sprüht, bis nichts Sichtbares mehr aussprüht.

Letzte Prüfung: Ist Staub auf oder in die Lackschicht geraten?  Genau hingucken, am besten mit einer Lupe. Wenn ja, auch dann mit Lösungsmittel den Lack wegwischen und von vorne anfangen.

Trocknen bzw. Einbrennen/Härten des Fotolacks

Man tut dem Lack was Gutes, ihn bei erhöhter Temperatur zu trocknen. Die Anleitungen sagen, man soll dabei 70 °C nicht überschreiten, und das stimmt. Entweder verliert er Empfindlichkeit oder er wird zu hart, jedenfalls zeigen sich Probleme bei der nachfolgenden Entwicklung.


Man benötigt eine lichtdichte Kammer, ein Thermometer und eine Wärmequelle
. Früher hab ich das Trocknen abends im Backofen vorgenommen, aber dessen Thermostatregelung ist viel zu ungenau, die Ergebnisse streuten gewaltig. Heute benutze ich einen Topf mit Grillhaube aus den 1960er Jahren, deren 700 W mit einer Phasenanschnittsteuerung (Dimmer) gebremst werden. Die Temperatur wird mit dem schon erwähnten Thermometerfunktion des DVM gemessen, und ein Schalter zum Ein- und Ausschalten erlaubt mir mit dem auf Minimum eingestellten Dimmer eine manuelle Zweipunktsteuerung, mit der ich den Temperatur zwischen 69 °C und 70°C sauber für 15 Minuten halten kann. Das Anheizen verläuft schön langsam, es dauert mehrere Minuten, bis die 70 °C erreicht sind, die gesamte Prozesszeit beträgt bei mir 20 Minuten.

Für die Temperaturmessung wurde ein kleines Loch für den Sensorstab in den unteren Topf gebohrt, die Sonde misst die Lufttemperatur. Das sollte genau genug sein.

Aber diese Grillhaube ist nicht allgemein verfügbar.

Man suche also eine
Blechdose, vielleicht sogar verschließbar, die als beheizte Trockenkammer dienen kann und Platz bietet für die größte Platine, die man für sich vorstellen kann (für mich wäre Postkartengröße schon sehr groß!).

Hat man ein traditionelles Thermometer, bohrt man seitlich ein Loch in die Dose, in das man das Thermometer einsteckt, möglichst tief, aber die 70 °C -Marke muss gerade noch ablesbar sein. Hat man das Thermometer nicht, kann man das auch selbst bauen, wie auf der Seite über Messvorsätze gezeigt.

Beispiel: Diesen Mini-Backofen aus einer Corned-Beef-Dose kann man mit einem Fön anblasen und auf einer Innentemperatur von 70 °C halten, gemessen mit einer Sonde wie in dem Artikel beschrieben. In die Dose kann man eine Platine bis zu 65 mm x 50 mm einlegen. In eine 700 ml Konservendose, liegend und mit Alufolie verschlossen, passt schon eine wesentlich größere Platine.

3. Die Belichtung

Die maximale Empfindlichkeit des Fotolacks liegt bei 395 nm (360 nm - 410 nm). Der sichtbare Lichtbereich liegt zwischen 400 nm - 750 nm, UV-A zwischen 315 nm und 380 nm. Als übliche Lichtquellen haben nur Neon-Röhren eine Ausstrahlung bis in den UV-Bereich, denn das Plasma in der Röhre strahlt vorwiegend im UV, was durch die weiße Leuchtstoffbeschichtung und deren Fluoreszenz in den sichtbaren Bereich übertragen wird. Wie immer, gibt es dabei einen Wirkungsgrad und die Umsetzung beträgt nicht 100 %, so dass im abgestrahlten Licht noch ein UV-Anteil enthalten ist. Andere vielleicht im Haushalt vorhandene UV-Strahler können sein: Höhensonne, Gesichtsbräuner, Geldschein-Prüfer mit UV-Lampe, usw. Man muss sich also für etwas davon entscheiden. Hat man nichts davon, dann muss man etwas kaufen, meine Wahl würde dann auf eine Schwarzlicht-LED-Taschenlampe fallen, die ich bei dem Versender meines Vertrauens gesehen habe. Oder mal auf einen Flohmarkt gehen. Es gibt auch eine Lampe von OSRAM, die für ca. € 30 im Handel ist, die für mich aber nicht in Frage kommt. Schon wegen der 300 W, die eine besondere Keramikfassung erfordern. Andere Lampen mit UV-Anteil werden im Terraristik-Handel angeboten. Suchen nach Reptilienlampe.

Die UV-Leuchte:


Meine Wahl ist erst mal auf eine vorhandene Energiesparlampe gefallen, in einer  Architektenleuchte, deren Schim sich leicht abnehmen lässt. Man sieht hier, dass der Abstand zu den kleinen Testtreifen gering ist, nur ca. 5 cm. Für größere Platinen muss er vergrößert werden. Es zeigte sich, dass die Intensität so stark abnimmt (mit dem Quadrat der Entfernung), dass eine vernünftige Belichtungszeit nicht mehr erreicht werden konnte.

Es musste also ein Reflektor her, um möglichst viel Licht auf die Vorlage strahlen zu können.
Der Reflektor besteht aus zwei Seitenteilen aus Wellpappe, die parabelförmig zugeschnitten sind. Zum ersten Mal seit meiner Schulzeit habe ich sechs Parabelpunkte mit Zirkel und Lineal auf einem Blatt A4 konstruiert. Das wurde zuerst in der Mitte parallel zur langen Seite einmal gefaltet. Die Falte war dann die Mittellinie auf dem wieder aufgefalteten Blatt. Die Punkte wurden dann nur in der oberen Hälfte konstruiert, mit einer Achsenlänge von 40 mm, die Öffnung für die Lampe hat einen Durchmesser von 37 mm. Dann wurde das Blatt wieder gefaltet und ausgeschnitten. Das ausgeschnittene Teil diente als Vorlage zum Anreißen. Die Wellpappe wurde mit einem Japanmesser geschnitten.
 
Die nutzbare Länge der Lampe beträgt 55 mm. In dieser Breite wurde ein Streifen aus dünnem Karton geschnitten und mit selbstklebendem Aluband (Breite 50 mm) beklebt. Mit Hilfe von Weißleim und vier Stecknadeln wurde das Ganze zusammengebaut.

Man sieht hier schön, wie die reflektierten Sonnenstrahlen auf den Brennpunkt zusammenlaufen.

Hier das Ergebnis beim Belichten einer Platine. Der abgenommene Leuchtenschirm dient als Unterlage. Die endgültige Belichtungszeit liegt bei 20 Minten

Vorlage transparent machen:

Das kann man mit TRANSPARENT 21 machen, es gibt aber auch leicht beschaffbare oder gar vorhandene Haushaltsmittel. Ausprobiert wurde farbloses Lampenöl, was nichts anderes als gereinigtes Petroleum ist, und ein dünnflüssiges Nähmaschinen- bzw. Fahrradöl. Beides funktioniert genauso gut, keine Spraydose nötig, wieder was für die Umwelt getan. Und es gibt noch einen weiteren Vorteil: TRANSPARENT 21 scheint eine verfliegende Komponente zu haben. Die Lampe strahlt auch Wärme aus, bei langen Belichtungszeiten verdunstet die Komponente und die Transparenz lässt nach. Dieses Verfliegen hat aber auch eine andere Folge: Über Nacht sind die Papiervorlagen praktisch fettfrei und lassen sich gut aufbewahren. Lampenöl und Konsorten verdunsten nicht.
Auch das "normale" Ballistol-Öl sollte geeignet sein. Mutige versuchen es auch mit Salatöl.

Man legt die Vorlage mit der bedruckten Seite nach unten, also zur Kupferfläche auf dieselbe und sprüht oder tröpfelt das Transparenzmittel darauf. Nach wenigen Sekunden sieht man den Effekt und auch evtl. eingeschlossen Luftblasen, die man mit  einem Finger zur Seite herausdrückt. Dann ggf. noch einen Tropfen des Mittels aufbringen. Die Vorlage muss auf der ganzen Fläche, auch am Rand(!) satt auf dem Kupfer aufliegen. In der Anleitung zum Spray wird gesagt, dass man auch zuerst des Mittel auf des Kupfer aufsprühen kann, um dann die Vorlage darauf zu legen, Wenn man diesen Weg geht, muss man die Vorlage mit dem Finger auf dem Kupfer glatt streichen, damit der Abstand zwischen Vorlage und Kupfer klein wird. Es ergeben sich sonst unscharfe Kanten.

Probebelichtungen:

Die Belichtungsdauer kann nicht mit einem Belichtungsmesser bestimmt werden, weil der UV-Anteil maßgebend ist. Für diesen ist der Belichtungsmesser blind. Man muss sich also an die richtige Zeit herantasten, indem man die Platine sukzessive abdeckt. Mit dunklem Papier, Karton oder einem Stück Blech. Man kann versuchen, diese Abdeckung aufzulegen, bei dem gewählten Intervallende anzuheben, um 5 mm - 10 mm zu verschieben und wieder auflegen. Die Wahrscheinlichkeit, die Vorlage dabei zu verschieben, ist hoch! Will man das vermeiden, dann muss man sich was einfallen lassen. Die Zeitintervalle wählt man exponentiell, z. B. 1 / 2 / 4 / 8 Minuten, oder 3 / 6 / 12 / 24, was, wie Fotografen sagen, eine Steigerung um je eine Blende darstellt. Will man feiner testen, wäre eine Reihe z. B. 1 / 1,4 / 2 / 3 / 4 / 6 / 8 oder 3 / 4,5 / 6 / 9 / 12 / 18 / 24 Minuten, was pro Schritt
in etwa 1/2 Blende entspricht. Ausgeführt wird das, in dem man mit dem Startwert die ganze Platine belichtet, die erste Stufe abdeckt, und danach für jeden Schritt nur noch die Differenz zur vorherigen Belichtung ausführt, also 1 / 1 / 2 / 4 oder 3 / 3 / 6 / 12, und immer weiter abdeckt.

Transparentflüssigkeit entfernen:

Das TRANSPARENT 21 soll sich mit Wasser und Spülmittel entfernen lassen. Meine ausprobierten Alternativen sind damit sicher nicht lösbar, weshalb die Flüssigkeit mit einem mit Waschbenzin getränktem Abriss eines Blatts Küchenpapier entfernt wurden. Waschbenzin löst den Lack nicht oder nur ganz langsam an.

4. Entwickeln der belichteten Platine

Nun kommen Schälchen ins Spiel, die man im gelben Sack findet: Fleischsalat, Fischmarinaden, Käse und vieles andere wird in flachen Schalen aus Polystyrol (PS) oder Polypropylen (PP), seltener aus PET oder Polyethylen verpackt. Diese Verpackungen eignen sich gut als Schälchen zum Entwickeln und Ätzen. Mein bisher benutztes Schälchen kann Platinen bis zu 110 mm x 80 mm aufnehmen bei einer Flüssigkeitsmenge von 60 ml - 80 ml.

Der Entwickler wird mit Ätznatron (Natriumhydroxid, NaOH) angesetzt, in einem Gewichtsverhältnis 1 : 100. Angegeben wird 10 g/l, was aber nicht bedeutet, dass man 1 Liter ansetzen muss. Ganz im Gegenteil: Der Ansatz kleinster Mengen ist vorzuziehen.


Wie abmessen? Es gibt für teuer Geld Ätznatron abgepackt in 10 g Tütchen, größere Gebinde sind weitaus preiswerter. Meine erste Plastikflasche mit 1 kg konnte ich in den 1970er Jahren noch für geringes Geld in einer Drogerie kaufen und hat mich für 30 Jahre versorgt. Auch für allgemeine Reinigungen im Sanitärbereich. So groß ist der Bedarf im Alltag also nicht. Dieses Ätznatron war in Kügelchen von ca. 1 mm Durchmesser konditioniert.

Heutzutage werden kleine Plätzchen hergestellt. Deren Größe folgt allerdings keiner Norm, weshalb diese Plätzchen in der Größe von Hersteller zu Hersteller variieren können. Man kann deshalb nicht sagen, nimm 5 Plätzchen für 100 ml. Hat man eine Flasche mit 250 g oder 500 g gekauft, dann muss man das Plätzchengewicht bestimmen, in dem man z  B. 20 Plätzchen abwiegt, oder z. B. 20 g abwiegt und dann die Plätzchen zählt. Hat man keine Briefwaage oder keine digitale Haushaltswaage (die i. d. R. bei 20 g eher einen Schätzwert abliefert), muss halt bei Nachbarn oder anderen Quellen mal danach fragen. Bei mir liegt das Durchschnittsgewicht der Plätzchen bei 0,2 g, mit der Folge dass die kleinste Entwicklermenge 20 ml ist, die nächste 40 ml u. s. w.

Festes und damit trockenes NaOH ist unkritisch, solange man dafür sorgt, kleine Bröckchen vom Körper, vor allem den Augen(!) fernzuhalten. Denn erst in der wässrigen Lösung bildet sich die stärkste Lauge, die man mit Alltagsmitteln herstellen kann, die auf Schleimhäuten und wieder den Augen schwere Verätzungen hervorrufen kann. Bekommt man einen Tropfen der Lauge auf die Hände, dann sofort mit Wasser verdünnen und abwaschen. Vorsichtige Leute tragen Gummihandschuhe und eine Schutzbrille beim Umgang mit der Lauge.

Abmessen der Entwicklerlösung, deren Ansatz und die Entwicklung

Um den Bedarf an Entwicklerlösung abzuschätzen, legt man die Platine erst einmal in das geeignete Schälchen und gießt soviel Wasser dazu, dass es nur ein paar Millimeter über der Platine steht. Diese Menge misst man in einem Messbecher ab und weiß dann, wieviele Plätzchen man zufügen muss, um die erforderliche Konzentration zu erreichen. Die Platine nimmt man dann aus dem Schälchen heraus, gibt das Wasser zurück und die Plätzchen hinzu und schwenkt das Schälchen sanft, bis die Plätzchen sich vollständig aufgelöst haben. Das ist wichtig, denn kommen noch feste Reste NaOH auf die Fotolackschicht der Platine, dann wird der Lack dort gelöst, ob belichtet oder nicht! In den fertigen Entwickler lässt man die Platine gleiten, Fotolack oben und bewegt die Schale wieder durch leichtes Schwenken. Nach kurzer Zeit, max. 120 s, sieht man die ersten Wölkchen an den belichteten Stellen aufsteigen und das blanke Kupfer wird immer sichtbarer. Normalerweise ist die Entwicklung nach weiteren 90 s bis 120 s abgeschlossen, aber eher einen Tick länger als zu kurz behandeln. Die verbliebenen Fotolackflächen sollten sich deutlich vom helleren Kupfer abzeichnen. Man entnimmt die Platine mit einer geeigneten Pinzette und geht direkt unter den Wasserhahn oder einen bereitstehenden großen Joghurtbecher, der gut mit Wasser gefüllt. Ist die Platine für die Pinzette zu groß und schwer, hebt man ein Ende an und packt mit der Flachzange, möglichst an einer Ecke, wo oft Platz für Befestigungsbohrungen gelassen wird und taucht die Platine samt Zange in eine bereitstehende Schüssel mit reichlich Wasser. Später unter fließendem Wasser nochmal abspülen. Den Entwickler erst mal parken, z. B. in einem leeren Joghurtbecher. Man weiß ja nie, vielleicht braucht man ihn gleich wieder, für den zweiten Versuch!

Nun prüft man die Platine mit einer Lupe:

Sind alle Unterbrechungen auch wirklich frei? Sieht man noch vereinzelte Brücken, kann man den Lack ggf. wegkratzen.

Sind evtl. Kratzer im Fotolack? Diese kann man mit einem spitzen Filzstift, z. B. Edding 140 s, abdecken.

Oder ist dieser teilweise verschwunden? Stellt man große Fehler fest, dann hilft nur, den Fotolack mit Lösungsmittel wegzuwischen und wieder von vorne zu beginnen. Hat man nur beschichtetes Material vorrätig, muss man neues einsetzen. Hier hat man mit der eigenen Beschichtung aus der Spraydose einen Vorteil.


Hilfsmittel zum Abmessen


Zum Abmessen von Wasser und den Chemikalien (Ätzmittel) sind solche Messbecher aus dem Medizinbereich vorteilhaft. Links ein kleiner, der bis zu 20 ml fasst, rechts ein größerer für 120 ml. Der linke stammt von Hustensaft, vom rechten weiß ich nicht mehr, wie er mir zugestoßen ist. Im Krankenhaus dürfte das Standardausrüstung für die Verteilung flüssiger Medikamente sein. Vielleicht gibt's sowas auch in der Apotheke, die ja oft auch Arztpraxen beliefern.

Man kann sich solche Messbecher auch selbst aus transparenten Trink- oder Joghurtbechern herstellen, in dem man auf einer Waage in z. B. 10 g Schritten Wasser einfüllt und die jeweilige Füllhöhe mit einem permanenten Filzstift markiert.

Pulverförmige oder salzartige Chemikalien lassen sich mit für diese Zwecke hier ausreichender Genauigkeit über das Schüttmaß "abwiegen". Das Schüttmaß eines Feststoffes ist die Dichte in Gewicht pro Volumeneinheit, also z. B. kg/l oder t/m³. Bei den NaOH-Plätzchen ist das nicht sinnvoll, beim Ätzmittel (s. u.) schon mehr.

Zum Entwickeln wurden hier im rechten Becher 60 ml abgemessen, dem dann in der Schale 3 meiner Plätzchen NaOH beigefügt wurden.

5. Das Ätzen

Beim Ätzen werden von den Ionen des Ätzmittels dem Kupfer Elektronen entrissen. Es wird dadurch löslich. Geeignete Mittel bieten i. d. R. die Händler an, bei denen man auch die Platinen kaufen kann. I. d. R. ist das heute Natriumpersulfat, vereinzelt wird auch noch Eisen-3-Clorid angeboten. Wie schon beim Entwickeln, dem ersten Ätzvorgang, mit dem der belichtete Fotolack entfernt wird, kann man auch beim Ätzen mit minimalen Flüssigkeitsmengen auskommen. Für Natriumpersulfat werden 200 g bis 250 g pro Liter Wasser angegeben, nach meiner Erfahrung kommt man mit der Hälfte aus, wenn man etwas längere Zeit in Kauf nimmt. Ich werde versuchen, diese Konzentration noch weiter zu reduzieren.

Abwiegen: Wie oben schon erwähnt, geht das am Einfachsten mit dem Schüttmaß. Ich habe mir eine Flasche mit 600 g bestellt. Die Flasche hat ein rechteckiges Format, bei dem sich leicht Tiefe, Breite und Füllhöhe abmessen lässt (Innenmaß, auf den Millimeter kommt's nicht an). Dann teilt man die Menge, 600 g, durch das gemessene Volumen, was bei mir dann 1,4 g/cm³ als Dichte des Pulvers ergibt. Für den Ansatz von 80 ml Ätzbad brauche ich, bei 100 g/l, 8 g des Ätzmittels, das sind 5,7 cm³, sagen wir 6 ml. Das lässt sich gut und ausreichend genau mit dem kleinen Messbecher abmessen. Die 80 ml Wasser kommen in das gespülte Schälchen und das Ätzmittel wird eingestreut. Es löst sich erstmal nur schwer.

Die Ätzung läuft bei erhöhter Temperatur von 40 °C bis 45 °C weitaus schneller ab. Diese Temperatur kann man fühlen. Stellt man in der Dusche den Thermostaten mal auf 40 °C oder etwas mehr ein, dann kommt einem das Wasser zum Duschen bei eingeschwungener Temperatur schon zu heiß vor. Oder man mischt sich aus dem warmen Wasserhahn mal in einem Becher Wasser mit 42 °C an, gemessen mit einem Fieber-Thermometer, und fühlt, wie warm das ist.


Erwärmung im Wasserbad

Dazu benutze ich eine Induktionsplatte, die mal preiswert beim Discounter erstanden wurde. Dazu habe ich eine ausgediente Pfanne mit 28 cm Durchmesser. Diese wird nur ca. 5 mm hoch mit Wasser gefüllt und das Schälchen hineingestellt. Dann schalte ich die Kochplatte ein, gehe auf maximale Leistung und fühle mit dem Finger die Wärme im Wasser. Dabei wird das Schälchen durch leichtes Anheben einer Ecke bewegt. Kommt mir die Wärme des Wassers ausreichend vor, schalte ich die Platte wieder aus.

Das einstreute Ätzmittel braucht einige Zeit bis zur völligen Auflösung. Sieht man keine Kristalle mehr, gibt man die entwickelte Platine dazu und bewegt weiter das Schälchen. Kommt mir bei der Fingerprobe das Wasser zu kalt vor, wird die Platte wieder für 10 s - 15 s eingeschaltet. Die Plattenleistung kann bis zu 200 W zurückgestellt werden, aber das ist für einen kontinuierlichen Betrieb zu viel, das Wasser wird zu heiß, das Ätzmittel zersetzt sich.

Man sieht dann sehr schnell an den freiliegenden Kupferflächen eine Farbveränderung, das Kupfer wird heller. Der Prozess wird fortgeführt mit Schaukeln und gelegentlichem Nachheizen. Beim Schaukeln fasst man immer wieder mal eine andere Ecke des Schälchens an. Nach mehreren Minuten sieht man dann, meist am Rand, dunkle Stellen auftauchen. Dort ist das Kupfer dann schon abgetragen. Man setzt den Prozess fort, bis keine hellen Stellen mehr zu sehen sind. Dann sollte die Platine fertig sein. Herausnehmen, abspülen, und mit der Lupe prüfen.

So, was kann alles schief gehen? Viel!




Hier die meisten Versuchsergebnisse beim Herantasten an die richtigen Parameter meines Prozesses. Mit dem grünen Hintergrund sind es Testmuster mit frisch gekauften beschichteten Platinen, braun sind die Proben mit der uralten Pertinax-Platte beschichtet mit dem uralten Fotolack.

In der Mitte sieht man Proben, bei denen fast kein Kupfer nach dem Ätzen übrig blieb. Zu lange belichtet? Nein! Nach mehreren Durchgängen kam ich auf die Idee, die Konzentration des Entwicklerbads zurück zu nehmen, auf ca. 7 g Ätznatron pro Liter. Und, siehe rechts, der Fotolack schwamm mir nicht mehr davon. Auch die neuen Platinen ließen sich mit dieser geringeren Konzentration entwickeln, es dauert nur etwas länger.


Wie sind diese Teststreifen entstanden?


Zu sehen ist: 1 = Eine Unterlage. 2 = Zwei Leistenreste, die einen Abstand nach oben für die Abdeckung 5 herstellen. Bei 3 liegt ein Prüfmuster ausgedruckt auf Folie auf, bei 4 liegen Prüfmuster ausgedruckt auf zwei unterschiedlichen Papierarten auf. Die Prüfstreifen wurden halbiert, einer davon ist mit K (Kuvertpapier) markiert. 5 ist die Abdeckung, die bei den ersten 3 Minuten nicht auflag, und dann in der Folge 1,5, 1,5, 3, 6, 6 Minuten um je einen halben Siemensstern nach rechts verschoben wurde.

Bei 3 sieht man die nach der Beschichtung auftretenden Ränder, in der Mitte eine kleine Bucht, da ist wohl mein Finger vor dem Aufbringen der Beschichtung auf die gereinigte Kupferfläche geraten. Man sieht, schon das Anfassen an der Kante kann Störungen des Lackauftrags verursachen.

Rechts sieht man ein Ergebnis einer Stufenbelichtung, diesmal auf vorbeschichtetem Platinenmaterial. Unten mit der Vorlage auf Folie F ausgedruckt, oben auf zwei verschiedenen Papieren P1 und P2.
  
Zu sehen ist, dass die Beschichtung unter der Folie viel härter reagiert, d. h. bei den kurzen Belichtungen zeigt sich noch keine Reaktion. Unter den transparent gemachten Papiervorlagen reagiert die Beschichtung schon bei 4,5 min. Bei der längsten Belichtung, 17 min, ist die Trennung bei dem groben, oberen Stern einwandfrei, bei dem engen noch verbesserungswürdig. Unter der Folienvorlage bleibt noch Material stehen, die Belichtung ist nicht ausreichend, der Folie absorbiert nennenswert UV-Licht.

Das Foto rechts lässt sich anklicken, um eine vergrößerte Darstellung zu erhalten. Zum Erschrecken! 

Hier ein anderes Beispiel, was erkennen lässt, welche Auflösung erreichbar ist. Diese Streifen sind aus der alten Leiterplatte gesägt und mit dem alten Fotolack beschichtet sowie gleich belichtet, also identische Parameter. Aber als Transparenzmittel für die Papiervorlagen wurde oben TRANSPARENT 21 und unten Lampenöl benutzt. Der Abstand zur Lampe war geringer als bei dem obigen Streifen.

Zu sehen ist, dass bei der langen Belichtung die Auflösung gut ist. Der Fächer des feinen Siemenssterns haben im Umfang eine Breite von ca. 1 mm. Geht man nach Innen, dann sieht man, dass Strukturen bis 0,2 mm getrennt wiedergegeben werden.

Das soll für meine Ansprüche reichen.



 
Das Ergebnis der ersten Forschungen: 2 Adapter für SO-Gehäuse an DIP-Steckerformat, um diese mal auf dem Steckbrett benutzen zu können. Kann man zwar in Säcken kaufen, nur brauche ich nicht so viele.

 So weit der Stand im Oktober 2020. Ich dachte, ich hätte meinen Prozess im Griff. Bis dann, 5 Monate später, der Bedarf für eine echte Platine auftrat.
 

Die Platinenvorlage war nun größer als meine Testvorlagen, ich musste die Lampe etwas weiter entfernen. 20 Minuten belichtet, aber nach dem Ätzen zeigte sich: Unterbelichtet. Am Rand, s. helle Stellen unten und in der oberen Mitte, lagen die Bahnen nicht frei. Man sieht auch noch Brücken.

Abhilfe: der Bau des oben gezeigten Reflektors.
 
 

Belichtung nun 15 min. Die Bahnen liegen alle schön frei. Aber viele der 0,8er Bohrungen sind verlaufen, weil beim Bohren die Sicht auf die Platine sehr eingeschränkt war. Zum Bohren wurde eine kleine Dremel-Like Maschine benutzt, mit einem 0,8er Bohrer an einem 3 mm Schaft. Eingespannt war die Maschine über einen Adapter in einen stabilen Bohr- und Fräsständer mit der üblichen 42 mm Aufnahme. Diese versperrte die Sicht von oben, ich konnte nur sehr schräg auf die Bohrstelle blicken.

Aber viel schlimmer: Die Bahnen haben Unterbrechungen! Den Grund sieht man in der unteren rechten Ecke. Die dunklen Stellen in der Vorlage waren nicht schwarz genug und haben UV-Stahlen durchgelassen. Unter der Lupe sah das Kupfer an vielen Stellen ganz schwammig aus.

Ursache: Benutzerfehler. Vergessen, die Druckqualität auf Hoch einzustellen!
 

Aber jetzt: Die Platine ist Tipp-Topp! Es sind sogar noch die Kratzspuren von der anfänglichen Reinigung mit Scheuermilch sichtbar.

Es wurde nicht nur die Vorlage erneuert, sondern auch beim Beschichten mit Fotolack ein Hauch mehr aufgebracht. Das sind jetzt Dinge, die man im Foto nicht vermitteln kann.

Die Löcher sind jetzt auch schön mittig, weil ich, nach uralter Schule mit meiner bestimmt 60 Jahre alten Handbohrmaschine gearbeitet habe. Da zentriert sich der 0,8er Bohrer schön
von selbst in den ausgeätzten Pünktchen in der Mitte der Lötaugen!
 

Fazit
: Mit über 30 Jahre altem Fotolack und wahrscheinlich 50 Jahre altem Platinenrohmaterial und einer 60 Jahre alten Bohrmaschine
kann man mit über 70 sehr gute Platinen herstellen. 😊  Aber es geht auch mit aktuellen vorbeschichteten Platinenrohlingen. Und wenn ich mal groß bin und zwei Platinen oder mehr in der Woche benötige, dann fange ich mal an zu denken an eine bessere UV-Lampe, eine Temperaturregelung der Trocknungsanlage, eine motorbetriebene Kippvorrichtung für die Schälchen und eine Heizungsregelung fürs Ätzen. Aber ich wachse kaum noch, eher umgekehrt. 😁
 


Version: 1.2 Copyright: Rolf Süßbrich, Dortmund, 06. 03. 2021