Platinenherstellung

Auf den folgenden Seiten fasse ich meine Erfahrungen zur Platinenherstellung zusammen.

Wer öfter mal einen Schaltplan entwickelt oder eine Schaltung nachbauen will, wird früher oder später sich seine Platine selbst herstellen wollen. Auf Lochrasterplatinen Schaltungen aufzubauen ist auf Dauer umständlich und wenn man mit SMD arbeiten möchte, ist das sehr schwierig. Gerade bei SMD hat man den Vorteil sich das Bohren sparen zu können.
Bei Widerständen und Kondensatoren geht das auch als SMD-Bauteil auf einer Lochrasterplatine noch recht gut. Aber sobald Schaltungen komplexer werden und ICs in SMD-Bauweise verwendet werden sollen, ist das kaum möglich und man stößt bei dieser Art der Platinenherstellung schnell an seine Grenzen. Und das experimentelle “Freiluftverdrahten” hat halt so seine Tücken :-D Auch wenn das immer wieder spannend ist und es auch gerne mal raucht.
Wenn eine Platine bzw. Schaltung aber länger im Einsatz sein soll, dann geht das so natürlich kaum auf Dauer. Auch Fehler schon während der “Verdrahtung” lassen sich schwer finden und auch Defekte die mit der Zeit auftreten können, lassen sich so kaum entdecken oder analysieren.

Fehler bei der Platinenherstellung:

Die Fehlerquellen bei der Platinenherstellung sind vielfältig. Die einzelnen Beschreibungen auf den folgenden Seiten dienen dazu, diese Fehler zu vermeiden. Denn meistens merkt man erst beim oder nach dem Ätzen, dass man einen Fehler gemacht hat, sofern nicht vorher schon beim Entwickeln ein Fehler aufgefallen ist. Ich persönlich vermeide das Belichten und anschliessende Entwickeln wenn es geht, da hier am Ehesten Fehler passieren. Bei grösseren Schaltungen allerdings kommt man nicht immer um das Belichten und Entwickeln herum.

Hochqualitative Leiterplatten selbst gemacht

Auch im heutigen Zeitalter der immerwährenden Verfügbarkeit durch industrielle Fertigung und Lieferung in Kleinstückzahl oder gar Einzelanfertigung, sprechen viele Gründe für die eigene Herstellung einer Platine. Da wären der schnelle Nachbauwunsch ohne auf eine Lieferung des Herstellers warten zu müssen, die Realisierung eigener Entwürfe oder die professionelle Prototypen- oder Einzelstückanfertigung, sowie die überschaubaren Kosten bei Einzelstücken sind weitere Gründe für eine eigene Platinenherstellung. Auch ein Grund ist, dass man frei in der Wahl seines bevorzugten Layoutprogramms ist und auch beim Design des Layouts hat man freie Hand und muss keine Vorgaben eines kommerziellen Platinenherstellers beachten. So kann man seine eigene Platine eben sehr gut nach den eigenen Wünschen und Vorstellungen fertigen.

Und der “Elektroniker” verzichtet ohnehin nicht auf das eigene Herstellen einer Platine von Anfang bis Ende mit Ätzen, Verzinnen, eventuelles “Veredeln” wie eine Lötstoppmaske sowie einen Bestückungsdruck aufbringen, und Bohren.

Es ist schon was Tolles eine Platine in den Händen zu halten, die man selbst hergestellt hat ;-)

Auf dieser und den nachfolgenden Unterseiten, die immer wieder erweitert werden, werde ich die verschiedenen Schritte bis zur fertigen Platine beschreiben. So sonderlich schwierig ist die Platinenherstellung nicht, wenn man ein paar Grundregeln einhält und passendes Ausgangsmaterial hat.

Der erste Schritt:

Als erstes beginnt es natürlich mit der Erstellung des Layouts, welches ich hier beschreibe, und danach kommt im zweiten Schritt der Druck des Layouts. Das ist der Grundstein zur Platinenherstellung. Ohne entsprechendes Layout, also einer guten Vorlage, kann das Vorhaben eigentlich nicht gelingen.

Es geht los – Der Entwurf des Layouts zur Platinenherstellung:

Bei der Platinenherstellung beginnt es zunächst am PC. Andere Verfahren wie das Zeichnen von Hand mit Tusche oder das Kleben von Folien und andere manuelle Verfahren sind längst veraltet. Daher widmen wir uns nur dem am Computer entworfenen Layout als Basis zur Belichtungsvorlage.

Hinweise und Einstellungen zum Layoutprogramm:

Beim Erstellen des Layouts sollte man schon darauf achten, dass man hinterher auch technisch in der Lage ist, das Layout auf die Platine zu bringen und man mit einem guten Ergebnis rechnen kann. Zwischendurch sollte also immer Mal wieder ein Probedruck 1:1 erstellt werden, um zu schauen ob Leiterbahnen stark genug sind, ob Abstände zwischen Leiterbahnen und Stellen wo gelötet wird, breit genug sind. Hier kann man ruhig etwas großzügiger arbeiten.
Ebenso sollten vor der Erstellung des Layouts alle Bauteile entweder vorhanden sein oder deren Maße bekannt sein. Natürlich müssen diese auch verfügbar sein. Das Rastermaß sollte bei 0.5 oder 1/20 Inch liegen. Mit diesem Maß sollte man alle Bauteile platzieren und mit Leiterbahnen erreichen können. Wenn man das Rastermaß ändert, dann immer in 1/10 Schritten. Somit ist gewährleistet, dass man nicht aus dem Inch-Raster rausrutscht.

Bei einer doppelseitigen Platine werden auf einer Seite, z.B. auf dem Top-Layer, die Leiterbahnen senkrecht angeordnet. Auf dem Bottom-Layer dagegen waagerecht. Das erspart einiges an Platz für die Platine und hält auch die Leiterbahnen kurz. Allerdings erhöht sich so die Anzahl der Durchkontaktierung was bei der Platinenherstellung schon allein wegen des Bohrens ein wenig “lästig” ist. Ich bohre so wenig wie möglich, daher arbeite ich auch viel mit SMD bei einer Platine.

Für die Bohrungen der Lötpads gilt, dass der Durchmesser des Lötpads doppelt so groß sein sollte wie der Durchmesser der Bohrung selbst. Das heisst bei einer Bohrung von 0,8 mm ergibt sich ein Durchmesser des Lötpads von 1,6 mm.
Neben den eigenen Fähigkeiten beim Herstellen und späteren Bohren und Löten der Platine ist bei den Abständen der Leiterbahnen und Pads auch auf eine Spannungsüberschlagsfestigkeit zu achten. Als Richtwert kann man hier bei 20V einen Abstand von 0,5 mm und bei 230 V einen Abstand von 5 mm nehmen.

Bei einem Probedruck des Layouts kann dann jeder entscheiden, ob er die Platine noch von Hand bestücken und löten kann. Dazu einfach mal das Layout auf die Platine legen, das eine oder andere Bauteil dazu nehmen und schauen ob das denn so machbar ist, was am PC so gut aussieht.

Theoretisches Wissen:

Noch ein weiterer Punkt den man bei der Platinenherstellung beachten sollte: Leiterbahnen sollten nie rechtwinkelig verlegt werden. Beim Platzieren der Bauteile auf der virtuellen Platine am PC muss man das also mit Einplanen.
Es gibt dafür mehrere Gründe. Die Stromdichte ist bei einem rechten Winkel in der Leiterbahn einfach wesentlich höher. Bei höheren Strömen brennt da dann genau dort die Leiterbahn durch, auch wenn sonst der Querschnitt prima ausreichen würde. Für Datenleitungen ist die Stromdichte natürlich nicht wirklich relevant. Aber auch die Signallaufzeit ist ein wenig höher bei einem rechten Winkel. Und bei Frequenzen gibt es entsprechende Reflexionen oder auch Abstrahlungen. Ein rechter Winkel wirkt da quasi als Antenne. Physikalisch gesehen müssen die Elektronen außen bei einer Leiterbahn den grösseren Weg zurücklegen, was sich bei einem rechten Winkel natürlich noch verstärkt. Üblicherweise werden daher Leiterbahnen im 45° Winkel abgeknickt. Die Leiterbahnen sollten so kurz wie möglich sein.

Bei der Platinenherstellung gilt der Grundsatz Leiterbahnen, Lötpads und Vias so groß wie möglich und so klein wie nötig anzulegen.
Die Kupferauflage einer Platine ist meistens 35 µm dick. Wenn eine Leiterbahn von 1 mm Breite mit einem Strom von 3 Ampere durchflossen wird, so errechnet sich ein Temperaturanstieg von ca. 20° Kelvin gegenüber der Raumtemperatur. Hier habe ich eine Formel, noch aus meiner Ausbildungszeit, zur Berechnung des Richtwertes zur Strombelastbarkeit für außenliegende (also auf Top- oder Bottom-Layer) Leiterbahnen:

I=0.048∗dT^0.44∗A^0.725

Hier eine Tabelle zur Strombelastbarkeit der Leiterbahnen bei einer Schichtstärke des Kupfers von 35 µm und Basismaterial vom Typ FR4:

Sauber und durchdacht arbeiten:

Wenn man den Schaltplan recht logisch erstellt hat und er gut nachzuvollziehen ist, sollte man das beim Layout ebenfalls machen. Ich mag es, wenn ich direkt anhand der Platine erkenne, wo ich bei einem Fehler genau schauen muss. Also nehmt Euch entsprechend Zeit bei der Umsetzung des Layouts.
Die meisten CAD-Programme zur Platinenherstellung wie z.B. EAGLE, Target 3001, Express PCB, Ranger, Cadstar, Easy-PC, Kicad oder Sprint Layout, um nur einige zu nennen, bieten die Funktion Bauteilnamen und Werte entsprechend auf der Platine zu platzieren. Das geht natürlich auch einfach mit Text den man entsprechend anordnet. Dieser Bestückungsdruck sollte so platziert werden, dass er lesbar ist, wenn die Platine bestückt ist. Das hilft zum Einen beim späteren Bestücken und Löten und zum Anderen, wenn mehrere Wochen oder Monate oder gar Jahre vergangen sind und  dann ein Fehler auftritt, hat man einfach schneller den Überblick. Hier mal ein Beispiel vom meinem USB-AVR-Programmiergerät mit einigermaßen gut platzierten Bestückungsdruck:

 
Noch genauer muss man dabei für die Platinenherstellung von doppelseitigen Platinen arbeiten. Sonst verliert man später ganz den Überblick. Ich vermeide es allerdings so gut es geht auf dem Top-Layer Leiterbahnen ziehen zu müssen. Die wenigen, die dann mal nötig sind, werden dann später bei der Platinenherstellung zu einfachen Drahtbrücken. Das deckungsgleiche Übertragen des Layouts von Top-Layer und Bottom-Layer auf die Platine ist nicht unbedingt leicht. Und wenn da ein Versatz von auch nur 1 mm ist, dann hat man kaum eine Chance die Platine hinterher zu benutzen. Bohrungen passen einfach dann nicht mehr. Hier bei meinem Beispiel hätte man schnell beim Bohren einer Durchkontaktierung in die Leiterbahn der anderen Seite gebohrt oder in die Lötfläche eines Bauteils auf der anderen Seite.

Polygonflächen:

Das Erstellen von Polygonflächen bei der Platinenherstellung hat mehrere Vorteile. Erstens dauert der Ätzvorgang nicht so lange, denn es muss längst nicht soviel Kupfer weggeätzt werden. Ein weiterer Vorteil liegt im Umweltschutz, da die Ätzlösung nicht so schnell mit Kupfer gesättigt ist und man sie damit nicht so häufig entsorgen (bitte fachgerecht!!) muss.
Polygone dienen aber auch elektrisch zur Abschirmung und auch zur Kühlung von Bauteilen der gesamten Schaltung. Eine Polygonfläche kann mit einem Signal, wie zum Beispiel Masse (GND) oder auch der Versorgungsspannung, verbunden werden.
Natürlich muss man dabei den Isolationsabstand zu anderen Leiterbahnen und Pads beachten. In den meisten Programmen kann man dieses aber einstellen.

Sollte hier etwas falsch beschrieben sein, bitte ich um Information über das Kontaktformular oder über die Kommentarfunktion unten. Danke! Auch wenn bis hier hin noch Fragen auftreten, wendet Euch bitte an mich.
 
Zum Schluß hat man dann hoffentlich die funktionierende Platine mit der nach gebauten oder selbstentwickelten Schaltung :-)