Platinen Ätzen

etched another shiny new PCB

ACHTUNG: Diese Anleitung dient nur der Wiederauffrischung. Beim ersten Mal bitte von einem Platinenätzbeauftragten einschulen lassen! Momentan sind dies:

1. anlumo
2. Christian

Vorbereitung

Vom Platinenätzinteressierten zu besorgen:

1. Eine positiv beschichtete Platine („Presensitized Board“). Marke Bungard ist schwerstens zu empfehlen (alle billigeren, die wir bisher probiert haben, haben nur in Tränen geendet).
2. Eine Overheadfolie (Karl Theodor eignet sich zum Ausdrucken vor Ort)
3. ~1.5h Zeit

Die bisher mit dem Setup geätzten Platinen stammen alle aus KiCad, aber jede PCB-Software sollte sich dafür eignen. anlumo kann etwas helfen dabei, wenns Schwierigkeiten mit der Bedienung gibt.

Schritt-für-Schritt

1. Die Vorlage (nur front bzw. back copper layer, schwarz = Leiterbahn, transparent = keine Leiterbahn) auf die rauhe Seite einer Transparenzfolie drucken. Dabei muss eine möglichst gute Deckung erreicht werden. Ein akzeptables Ergebnis erhält man, wenn man das ganze 2x ausdruckt und genau übereinander klebt (siehe 1. Bild in der Gallery). Wenns wirklich gut sein soll, kann man im Nähsalon das ganze auf einem speziell für so etwas modifizierten Drucker ausdrucken lassen (kostet halt etwas). Achtung: Nach dem Ausdruck im Nähsalon sollte man die Folie eine weile trocknen lassen (minimum 15mins, besser ein paar Stunden), da das ein Tintenkleckser ist!
2. Folie auf die Größe des Boards zurechtschneiden (ein paar cm Rahmen lassen, damit mans angreifen kann ohne Fingerabdrücke auf den Leiterbahnen zu hinterlassen).
3. Die UV-Lampe unter den Belichtungstisch beim Eingang vom WEL platzieren und einschalten. Braucht ein paar Minuten zum Warm werden (wenn man nicht mehr reinschauen kann, dann ist sie warm. Tipp: Sonnenbrille verwenden!).
4. Schutzfolie vom PCB abziehen, und auf die korrekt platzierte Overheadfolie face down auf die Glasscheibe im Belichtungstisch legen. In den Tisch integrierte Abdeckung drauf, und etwas sehr schweres auf die Abdeckung (damit die Abdeckung direkt auf das PCB drückt). Ziemlich genau 3 Minuten belichten (die UV-Lampe hat einen Timer!). Danach muss die Platine vor der Behandlung mit der Fixierflüssigkeit möglichst wenig Licht ausgesetzt werden, Zeit ist daher kritisch!
5. Die weiteren Arbeitsschritte finden im Chemielabor statt:
6. Ätzlösung (250g Natriumpersulfat pro Liter, Kanister mit fertigen Mischungen stehen bereit! Sind an der knallig blauen Flüssigkeitsfarbe leicht zu erkennen) so weit in die Ätzstation einfüllen, dass das Heizelement des Heizstabes vollständig eintaucht. Gerät aufdrehen (Verteilerstecker ist vermutlich notwendig). Es muss ~40-45°C Temperatur erreichen, was ~25mins dauert. Daher sollte man damit schon während des vorigen Schritts anfangen, und der nächste Schritt kann dazwischen erfolgen:
7. Einweghandschuhe anziehen! Fixierflüssigkeit (~1g Natriumhydroxid auf 100ml 50°C Wasser — Warmwasser vom Wasserhahn reicht, wenn es etwas Zeit hatte zum Erwärmen) in eine Plastikschale geben und die Platine reinlegen, bis sich die dunkle Schicht von dem belichteten Bereich gelöst hat. Mit einem gut ausgewaschenen Pinsel vorsichtig drüberwischen. Dauert ~10sec (danach sollten die Leiterbahnen gut sichtbar sein), dann rausnehmen. Flüssigkeit mit viel Wasser in den Abfluss leeren, Pinsel gut auswaschen und zum Trocknen daneben aufhängen.
8. Platine gut mit Wasser abspülen.
9. Das Board in der Halterung der Ätzstation einspannen, mit einem Gummiringerl unten fixieren (siehe Foto), die Luftpumpe einstecken und — sobald die Ätzflüssigkeit ~40°C warm ist — etwa 20 Minuten ätzen. Zur Sichereit immer wieder ansehen und erst entfernen, wenn wirklich alle kleinen Kupferbrücken weggeätzt sind (viel zu lange drinnen lassen hat keine negativen Auswirkungen). ACHTUNG: Flüssigkeit sollte nie mehr als 50°C bekommen! Die Heizung hat keinen Thermostat eingebaut, d.h. wenn das Bad länger verwendet werden soll, ab und zu checken und wenn es 50°C erreicht hat, sie abstecken!
10. Gut mit Wasser abspülen.
11. Azeton auf ein Papierhandtuch geben und damit die Platine abwischen.
12. Ergebnis bewundern! Aber nur kurz, weil jetzt kommt das Aufräumen:
13. Alles abstecken.
14. Ätzlösung über das Kunststoffrohr auf der Seite wieder in den Behälter leeren (das dauert eine Weile).
15. Alle Gerätschaften verstauen.
16. Etwaige Flüssigkeitstropfen gründlich entfernen (nicht zu lange warten damit, sonst bleiben Kupferrückstände bei der Ätzflüssigkeit bzw. Löcher bei der Fixierflüssigkeit).
17. Danach die Platine im Mikroskop kontrollieren, ob sich irgendwo Fehler eingeschlichen haben (wenn sie nicht mit dem freien Auge schon offensichtlich sind).
18. There's no step 18!

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  Eine Vorlage

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  Setup, um das Folien-Alignment zu beheben

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  Schlechtes Alignment

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  Gutes Alignment

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  Natriumhydroxid-Bad

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  Ätzbad

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  Oh noes, ein Kurzschluss! Kann mit unserem PCB-Skalpell behoben werden.

Sicherheitshinweise

tl;dr: Du wirst eines grausamen Todes sterben.

Die Natriumhydroxid-Lösung ist sehr ätzend. Ein menschlicher Finger hält es ca. 5sec da drin aus (dabei wird der natürliche Fettfilm abgebaut, bis nichts mehr da ist), danach wird die Grundstruktur angegriffen. Definitiv nicht zum Trinken geeignet.

Die Natriumpersulfat-Lösung ist weniger problematisch. Kontakt mit der Haut ist in einem normalen Zeitraum kein Problem. Trinken ist aufgrund des hohen Kupfergehalts wohl aber auch nicht zu empfehlen. Weiters sollte diese Flüssigkeit auch nicht in den Abfluss geleert werden (muss vorher per Elektrolyse gereinigt werden).

Azeton verdunstet relativ schnell, die Dämpfe sollte man eher nicht einatmen. Direkter Hautkontakt ist kein Problem, da es zu schnell verdunstet, um groß Schaden anzurichten.

Edge Cases

• Der einzige zeitkritische Bereich ist beim Folie Abziehen von der Platine bis zum Herausnehmen aus der Natriumhydroxid-Lösung, danach kann mans wieder ohne Panik angehen.
• Wenn die Folie gut lichtdicht ist, gibt es kein oberes Limit für die Belichtungsdauer.
• Wenn die Platine zu lange in der Natriumhydroxid-Lösung ist (sollte nicht mehr als ca. 10sec sein!), löst sich beim Ätzen dann das Kupfer nicht!
• Die Natriumhydroxid-Lösung muss nur beim Vermischen der beiden Zutaten 50°C haben, danach funktioniert sie auch bei Raumtemperatur. Wenn sie aber zu trübe ist nach ein paar Verwendungen, funktioniert es nicht mehr!
• Es macht nichts, die Platine in die Natriumpersulfat-Lösung zu tauchen, wenn diese weniger als 40°C hat, aber es passiert halt auch nichts. D.h. wenns noch zu kalt ist, kann mans trotzdem schon reinstecken, und die Flüssigkeit weiter aufheizen lassen, inzwischen was anderes machen.
• Wenn man die Platine etwas länger in der Natriumpersulfat-Lösung lässt, machts auch nichts.
• Nachdem beim Natriumpersulfat-Schritt die beiden Kanten an der Einspannung nicht mitgeätzt werden, empfiehlt es sich, die Platine mal um 90° zu drehen, falls an denen sich etwas Wichtiges befindet.

Kostenaufstellung (Stand August 2013)

anlumo hat alles hier finanziert und bittet daher bei Verwendung um eine Kostenbeteiligung!

1. Ätzstation mit Heizstab und Blubberschlauch+Pumpe €116.87
2. Azeton 1l (vom Baumarkt) €?
3. UV-Belichtungseinheit (gebraucht) €2
4. Natriumhydroxid 5kg: €11.59 + €7.49 Versand
5. Natriumpersulfat 1kg: €15.25
6. Overheadfolien für Laserdrucker, 100Stk. €18.99 (Libro)
7. Latex-Handschuhe 100 Paar, Large €16.70 (Apotheke)

Tipps für KiCad

Einstellungen für die Ground Plane, die gut funktioniert haben:

1. Clearance: 0.35 mm
2. Minimum width: 0.3 mm
3. Corner smoothing: None
4. Pad connection: Thermal relief
5. Thermal Reliefs
   1. Antipad clearance: 0.5 mm
   2. Spoke width: 1 mm
6. Fill mode: Polygon
7. Segments / 360 deg: 16
8. Outline slope: Arbitrary
9. Outline style: Hatched

Tracks mit 0.3 mm sind überhaupt kein Problem, da kann man vermutlich noch runter gehen.

See also: PCB etching notes in English