PCB (1-2/2)

Die mit dem Platinenlayoutprogramm entworfene Platine kann auf mehrere Arten hergestellt werden:

Variante 1, Auftragserteilung an Firma: Das ist die einfachste, aber sicherstes Variante. Es gibt eine Reihe von Anbietern in Europa und v. a. in China, die Platinen sehr kostengünstig in Kleinserien herstellen. In der Regel sind einige Tage bis zur Lieferung einzukalkulieren. Für fritzing ist das besonders einfach, es ist schon ein Anbieter fest verdrahtet.

Die Platinenhersteller verlangen in der Regel ein spezielles Exportformat, das Gerber heißt. Jedes Layoutprogramm kann die nötigen Dateien erzeugen. Manchmal ist es auch möglich, die Originaldatei des Layoutprogramms hochzuladen (z. B. bei fritzing).

Variante 2: Man kann die Platine auch mit einer CNC-Fräsmaschine herstellen. Dazu werden die Umrisse der Leiterbahnen frei gefräst. Für die Ansteuerung sind verschiedene Arbeitsschritte und eine eigene "Toolchain" notwendig, abhängig auch von der Fräsapparatur.

Variante 3: Die Leiterbahnen werden mit einem geeigneten Ätzmittel frei geätzt. Dazu müssen die Leiterbahnen auf die rohe Kupferplatine übertragen werden und selber ätzfest sein. Als Ätzmittel eignen sich u. a. Eisen-III-Chlorid, Salzsäure oder Natriumpersulfat. Bei allen drei Chemikalien sind besonders im schulischen Einsatz die nötigen Sicherheitsmaßnahmen (Brille, Handschuhe und Laborschürze) zu beachten. Da Salzsäure etwas gefährlicher ist und Eisen-III-Chlorid unangenehm riecht und nicht transparent ist, so dass der Ätzfortschritt nicht gut mitverfolgt werden kann, ist Natriumpersulfat das Mittel der Wahl.

Im ersten Schritt müssen die Leiterbahnen des Layouts auf die Platine gebracht werden.

Die simpelste Methode und bei einfachen Platinen auch durchaus möglich, ist das Nachzeichnen der Leiterbahnen mit säurefesten Stiften (Nagellack tut's übrigens auch). Dazu am besten den ausgedruckten Entwurf als Bohrschablone nutzen und zuerst die Löcher in die Rohplatine bohren. Diese dienen dann als Ankerpunkte für die Zeichnung.

Vielfach wird die sogenannte Thermo-Transfer-Methode vorgeschlagen. Dabei wird der Entwurf mit einem Laserdrucker auf ein leicht wasserlösliches Papier ausgedruckt (es werden häufig Katalogseiten von Elektronikversandhäusern empfohlen). Der Ausdruck wird dann z. B. mittels Bügeleisen (ca. 150 Grad) auf die sauber geputzte Platine aufgebügelt. Das Papier dann im warmen Reinigungsmittelbad langsam auf- und abgelöst.

Für anspruchsvollere Aufgaben kann auch eine photopositiv beschichtete Platine verwendet werden. Das Platinenlayout wird dabei auf eine transparente Folie oder dünnes Papier ausgedruckt und auf die belichtungsempfindliche Platinenschicht aufgelegt. Zur Belichtung wird UV-Licht benötigt. Die Belichtungszeiten sind je nach verwendeten Materialien und Lichtquellen am besten experimentell zu ermitteln. Sonnenlicht funktioniert auch, es ist allerdings schwierig hier konstante Bedingungen zu schaffen. Diese Methode wird im Folgenden näher beschrieben.

Platine belichten und entwickeln

Das auf Folie gedruckte Platinemlayout wird mit der bedruckten Seite auf die Platine gelegt, damit das Licht nicht unter die gedruckte Leiterbahn kommt. Mit einer Glasscheibe wird dafür gesorgt, dass die Folie plan anliegt.

[Folienausdruck mit UV-LEDs bestrahlt]

Positivlacke bestehen meist aus Harz (Novolak), einer fotoaktiven Komponente (z. B polymere Diazoverbindungen) und einem Lösungsmittel. Beim Belichten bricht die fotoaktive Komponente auf und kann mit einem Bad in Entwicklerflüssigkeit, Ätznatron (Natriumhydroxid, NaOH), entfernt werden. Die bei der Belichtung abgedeckten Teile bleiben stehen. Beim Ausdruck mit Laserdrucker auf Klarsichtfolien (Overhead-Folie) ist die Deckkraft des Toners oft zu gering für gute Ergebnisse, es empfiehlt sich die Folie in doppelter Ausführung übereinandergelegt zu verwenden.

Folgende Zahlen dienen als Richtwerte:

• 10-15 g Entwickler pro 1 Liter Wasser
• Arbeitstemperatur ca. 20 °C
• ca. 60 Sekunden Entwicklungszeit

[Fertig entwickeltes ATTiny 13 Experimentierboard]

Platine ätzen mit Natriumpersulfat

Nach dem Entwickeln empfiehlt sich eine Sichtkontrolle der Platine, man kann hier Brücken zwischen Leiterbahnen noch mit einem geeigneten Werkzeug (Messerchen) auftrennen und fehlerhafte Verbindungen mit einem säurefesten Stift (Permanentstift) ausbessern.

Die Platine gut abwaschen, bevor sie in das Ätzbad kommt, damit die verwendeten Chemikalien nicht miteinander reagieren.

Richtwerte für die Arbeit mit Natriumpersulfat:

• 200-250 g Ätzmittel auf 1 Liter Wasser
• 40-50 °C Arbeitstemperatur
• 10-20 Minuten Ätzzeit, abhängig von der Schichtdicke des Kupfers

Das Ätzbad sollte etwas in Bewegung gehalten werden, was die Gleichmäßigkeit beschleunigt. Das Kupfer löst sich gemeinhin vom Rand her, zentrale Bereiche brauchen länger.

Die chemischen Vorgänge beim Ätzen mit Natriumpersulfat sind hier im Detail beschrieben.

[Platine im Atzbad, die freien Kupferstellen färben sich rosa]

Bohren und Bestücken

Die meisten Bohrlöcher auf THT-Platinen (Through Hole Technology), wie die des ATTiny 13 Experimentierboards haben den Durchmesser von 0,8 mm, einige von 1,2 mm. Es gibt die entsprechenden Bohrer mit dickerem Schaft, so dass sie auch in normale Bohrmaschinen eingespannt werden könnten. Am besten eignet sich natürlich eine Miniaturbohrmaschine mit Bohrständer.

Vor dem Löten empfiehlt es sich, die Platine z. B. mit Aceton von Lackresten zu befreien, um sie besser lötbar zu machen.

Kleinere Fehler auf der Platine können jetzt noch ausgebessert werden, unterbrochene Leiterbahnen können mit Lötzinn oder dünnen Drähtchen überbrückt werden. Unbeabsichtigte Brücken zwischen den Leiterbahnen können mit einem scharfen Messer aufgetrennt werden.

[Ein verirrter Fingerabdruck mit Folgen]

Beim Bestücken fängt man am besten mit den flachen Bauteilen an, insbesondere den Drahtbrücken, und arbeitet sich dann in der Bauhöhe voran. Es wird oft empfohlen die Beinchen der Bauteile vor dem Löten auf das richtige Maß zu bringen, um mechnische Belastungen durch Abzwicken zu vermeiden. Die Praxis zeigt, dass das selten ein Problem ist.

[Fertig bestückte Platine]

Für das Projekt kann auf verschiedene frei verfügbare Layoutprogramme zurückgegriffen werden, die sich in Komplexität und Aufwand deutlich unterscheiden. Allen gemeinsam ist, dass sie die Möglichkeit bieten, den Schaltplan mit Elementen aus Bauteilebibliotheken zu zeichnen. Diese Bauteile mit den entsprechenden Maßen und Verbindungen untereinander werden dann zu einer funktionierenden Platine "entflochten". Professionelle Programme machen das halb- oder bei entsprechenden Einstellungen auch vollautomatisch ("Autorouter").

Durch die Verknüpfung von Schaltplan und Platinenlayout werden Fehler vermieden, z. B. vergessene Verbindungen.

Schaltplaneditoren

Wer quasiprofessionelles Layouten mit gutem Autorouter haben möchte, kann auf "Eagle" der Firma Autodesk zurückgreifen. Die Lizenz ist Teil der "Fusion 360-Lizenz" und als Educational-Variante gratis, muss aber jedes Jahr per Nachweis, dass man einer Bildungseinrichtung angehört, erneuert werden. Das lohnt sich wohl nur, wenn auch andere Software des Fusion-360-Pakets benutzt werden, z. B. der CAD-Editor für 3D-Drucke.

KiCad ist ebenfalls für gehobene Ansprüche eine gute Wahl und ist als Open-Source-Software kostenfrei downloadbar.

Die einfachste Variante ist fritzing. Ursprünglich von der Fachhochschule Potsdam entwickelt, ist die Weiterentwicklung nach längerer Pause jetzt wieder im Gange. Die aktuelle Version kann gegen einen einmaligen Obulus heruntergeladen werden, der Quellcode ist aber Open Source. Allerdings sind ältere Versionen weiterhin verfügbar und können im Gegensatz zur aktuellen Version uner Windows nach einfachem Entpacken z. B. auch vom USB-Stick gestartet werden. fritzing bietet zusätzlich eine für den Unterricht gut nutzbare "Steckbrettansicht" der Schaltung.

Hier ein Schnelleinstieg in fritzing:

[Eine Einführung in fritzing von StartHardware]

ATTiny-Experimentierboard

Der folgende Schaltplantvorschlag für ein ATTiny 13 Experimentierboard bietet Folgendes:

• 10pin ISP-Anschluss
• Schraubklemme für Stromanschluss
• 2 LEDs für Statusanzeigen
• 1 Taster für Eingabe
• 1 aushängbares Potentiometer für analoge Messungen
• Steckleiste für die Ausgänge PB0 - PB4, VCC und GND, um exteren Bauteile zu verbinden

 Stückliste:

• R1, R3: 220Ω 1/4 Watt
• R2: Trimmer 10kΩ 1/4 Watt, 0,6 mm
• R4, R5: 10KΩ 1/4 Watt
• C1: 100nF 16V
• U1: ATTiny 13 PDIP
• LED1, LED2: 3mm
• S1: Taster mit 4 pins 5mm
• J1: Stiftleister 7pins
• J2: Stiftleister 2 pins
• J3: Schraubklemme lötbar 5 mm
• ISP-10: Wannstecker 2x5 pins
• Einseitige Platine (top view)

 Bei der Bestückung der einseitigen Platine die sieben Drahtbrücken (gelb) nicht vergessen:

[Bestückungsplan Experimentierboard]