Die Welt der Leiterplatten:
Von PCB-Grundlagen bis zur High-Tech-Entwicklung

PCB klingt fast wie Gift… Darum geht es aber bei uns hier definitiv nicht! Die englische Abkürzung PCB steht auch für Printed Circuit Board, umgangssprachlich gerne „Platine“ oder „Leiterplatte“ genannt, und beschreibt ihren Sinn und ihren Einsatz:
Kunstvoll arrangierte „gedruckte“ Leiterbahnen auf Epoxydharz- oder Pertinaxplatten sind der Ersatz für wild verdrahtete Kabel zwischen Bauteilen elektronischer Schaltungen und stellen quasi die Straßen für den Strom und die Signale zwischen den Pins ihrer elektronischen Komponenten dar.

Einfache Breadboards – vom Entwurf zum Prototyp

Du kennst die sogenannten Experimentier-Breadboards bereits von deinen Basteleien mit RaspBerry Pi, Arduino und Co. und hast vielleicht schon einmal LEDs auf Ihnen zum Leuchten gebracht oder kleine Zusatzschaltungen auf ihnen aufgebaut?
Dann weißt du auch, dass du vor dem Stecken der Bauteile und ihrer Verkabelung ein bisschen vorausschauend bauen musst: So möchtest Du weder zu viele Kabelbrücken einsetzen noch zu lange Kabel verbauen. Du musst die Bauteile dafür geschickt und logisch auf deinem Breadboard verteilen und räumst den Stromversorgungsleitungen besondere Priorität durch ihre Lage und Verdrahtung ein.

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PCB Platinenlayout – eine Wissenschaft für sich

All das gilt es auch bei der Entwicklung einer Leiterplatte zu beachten: Die Wege für Strom und Signale sollten möglichst kurzgehalten werden. Größen von Bauteilen und ihr Pinabstand sind zu berücksichtigen und Stromversorgungsleitungen sind dicker auszuführen, als Signalleitungen auf denen kaum Strom fließt.
Das kann zuweilen ein heikles Unterfangen in Planung und Durchführung sein: So ist es noch ein leichtes eine PCB Platine für eine Leuchtdiode und einen Vorwiderstand zu entwickeln, je mehr Pins bei den Bauteilen jedoch verdrahtet werden müssen, umso unübersichtlicher und chaotischer kann diese Aufgabe aber ausfallen. Stell dir mal einen Microcontroller mit seinen über 40 Anschlusspins vor: Seine Pins wollen oft alle beschaltet werden und die Anzahl drumherum liegenden Bauteile ist, je nach Einsatzgebiet, oft gewaltig. Da verliert man leicht den Überblick! Möchtest Du also dein Breadboard dauerhaft auf eine von dir selbst entwickeltes PCB umziehen, so gilt es einiges schon in der Entwicklung und Vorarbeitsphase zu beachten. Doch du bist bei der Planung deiner Platine auch nicht allein. So gibt es hier einige Hilfsmittel in Form von PCB-Routing Software für Deinen PC, die dir helfen, Ordnung in das Chaos von Dutzenden oder gar Hunderten bis Tausenden von Leiterbahnen zu bringen. So helfen sie dir dabei, feine Leitungen unter den Umrissen darüberliegender Bauteile hindurchzuschlängeln und Signalwege dennoch so kurz wie möglich zu halten.

Single- oder Multilayer

Abhängig von der Komplexität gibt es unterschiedliche Fertigungstechniken von Platinen. Gab es vor der Einführung von integrierten Schaltungen und Computertechnik fast ausschließlich Platinen, welche auf ihrer Vorderseite die Bauteile beherbergten und auf ihrer Rückseite die Leiterbahnen mit ihren Lötstellen präsentierten, so ist dieses Bild im Lauf der Zeit völlig anders geworden. Heute findet man manchmal auch einzelne Bauteile auf der (Löt-)Rückseite der Platine und Leiterplatten beherbergen heute längst nicht mehr nur eine Schicht von Leiterbahnen auf der Rückseite (Single-Layer), sondern beherbergen weitere Zwischenschichten mit Leiterbahnen (Multi-Layer). So ist die Fertigungstechnik heute in der Lage, Mehrfachlayer-Platinen mit bis zu 24 Layern herzustellen, was auch eine dringende Notwendigkeit bei der Komplexität moderner Computerschaltungen darstellt. Natürlich sind solche Multilayer-Platinen nicht nur sehr komplex, sondern auch sehr teuer in ihrer Herstellung.

Wir möchten uns daher in diesem Artikel verständlicherweise hauptsächlich über die Single-Layer Platinen unterhalten, denn nur diese schaffen wir auch problemlos zu Hause zu entwicklen, zu ätzen, zu bohren und zu verlöten.

Routing – oder der Weg der kurzen Wege

Neben industriell gefertigten Leiterplatten, welche mittels Siebdruckes und ähnlichen aufwendigen Verfahren hergestellt werden, bietet sich durchaus auch für den engagierten Bastler und Elektroniktüftler die Möglichkeit seine Platinen selbst anzufertigen.

Dafür sind verschiedene Schritte notwendig:



Der Plan – die Grundlage einer guten Arbeit

Hier steckt das meiste Gehirnschmalz bei der Entwicklung eines PCB hinter: Du musst dir bewusst werden, wie du die Bauteile möglichst günstig miteinander verdrahten kannst.
Denke daran, Leitungen der Versorgungsspannung etwas dicker als einfache Signalleitungen auszulegen und verwende freie Flächen gerne als Masseleitung (Minuspol). Die Masseleitung hat dabei immer eine besondere Bedeutung: Sie hilft dir bei der Abschirmung deiner Schaltung gegen elektromagnetische Störeinflüsse von außen oder auch von Störsignalen auf deinem eigenen Bord. Wo immer du im Laufe der Entwicklung zusätzliche Masseflächen auf Deiner Platine unterbringen kannst, sind sie aus elektrischer Hinsicht willkommen.
Auch solltest du darauf achten, Signalleitungen so kurz wie möglich zu halten: Wie du sicher weißt, fließt Strom sehr schnell. Genaugenommen liegt die Geschwindigkeit auf dem Niveau der Lichtgeschwindigkeit. Da könnte man meinen, es macht keinen Unterschied, wie lang Leitungen ausfallen. Doch das ist leider ein Trugschluss und hat mit den sehr hohen Taktfrequenzen moderner Bauteile im Gigaherz-Bereich, wie Prozessoren, Speichern und Controllern zu tun. Auch mit diesem Wissen kannst du natürlich nicht vermeiden, dass sich Leiterbahnen kreuz und quer über Platinen schlängeln, du kannst das nur so gut wie möglich optimieren und zu lange Wege im Planungsprozess vermeiden.
Bei diesem teilweise durchaus schwierigen Planungsprozess bist du aber nicht alleine: So kannst du dir Hilfe in Form von Software besorgen, die dir in diesem Optimierungsprozess unter die Arme greift. Es handelt sich dabei um sogenannte PCB-Wiring Tools oder Platinenlayoutprogramme wie zum Beispiel das legendäre, damals ziemlich allein dastehende „EAGLE“, welches ich sogar noch aus meiner frühen Jugend kenne und sehr schätzen gelernt habe. Doch es hat sich einiges getan und so gibt es heute genügend Alternativen. Eine Übersicht über freie PCB Layout Software findest Du zum Beispiel hier.

Übertragen der Leiterbahnen auf die PCB Platine

Bei ganz einfachen Schaltungen kannst Du hier noch manuell und nicht so perfektioniert vorgehen. Du kannst Dir einen ätzmittel-festen Filzstift besorgen (Edding 780 oder Lumocolor Permanent Spezial in verschiedenen Stärken) und die Leiterbahnen unter Berücksichtigung der Lochabstände der Bauelemente und Leiterbahnführungen auf die Kupferseite der Platine aufmalen. Aber Vorsicht! Zunächst musst Du erst einmal die Kupferoberfläche Deiner Platine gut reinigen und fettfrei machen. ATTA war hierzu früher immer das Hausmittel der Wahl: So half es Lagerungs-Korrosionsrückstände und Fette durch z.B. Fingerabdrücke vom Kupfer zu entfernen und sie frisch und schön metallisch erstrahlen zu lassen. Spiritus hilft ebenfalls beim Entfetten. Achte auch darauf, beim anschließenden „Bemalen“ keine neuen Fingerabdrücke zu erzeugen.

Bei komplexeren Single-Layer Platinen hilft die Filzstift-Methode nicht mehr weiter. Werden doch die Leiterbahnen viel zu dünn und die Führung der Bahnen viel zu unübersichtlich, bietet sich ein anderes Verfahren zum Übertragen des zuvor erschaffenen Layouts auf die Platine an:

Das Phototransfer-Verfahren – Positivität ist gefragt

Nur mit diesem Verfahren gelingt es dir, auch komplizierte Routings auf die Leiterplatten-Rückseite zu übertragen.
Was benötigst Du dafür? Zunächst einmal einen Positiv-Film deines erschaffenen Platinenlayout-„Kunstwerkes“: Die meisten PCB-Layout Software-Pakete bieten dir die Möglichkeit, das errechnete Leiterbahnergebnis im Maßstab 1:1 auszudrucken. Das ist sehr hilfreich. Bist Du in der Lage mit deinem Drucker womöglich sogar Folien mit lichtundurchlässigem (!!!) Schwarz zu bedrucken, wird es recht einfach für dich, denn du kannst den nötigen Film direkt selbst ausdrucken. Wähle dabei immer die höchstmögliche Druckerauflösung beim Druck.
Viele Drucker sind jedoch weder in der Lage Folien zu bedrucken noch mit ihrer Tinte oder dem Toner auf Folie wirklich lichtdicht zu drucken. Hier kann es helfen, das Resultat auf gewöhnliches Druckerpapier zu drucken und die weißen Flächen vor dem Transferprozess mit einem speziellen Spray vorübergehend durchsichtig erscheinen zu lassen. Im Notfall geht das sogar mit Speiseöl. Sollte Dein Schwarzdruck nicht wirklich lichtundurchlässig sein, kannst Du auch zwei Ausdrucke mit hoher Passgenauigkeit übereinanderlegen und verwenden.

Belichtung – ins rechte Licht gerückt

Der nächste Schritt beschäftigt sich mit der phototechnischen Übertragung des Bildes vom erschaffenen Film auf die Platine

Basismaterial: Gut gereinigte und fettfreie, kupferbeschichtete Pertinax- oder Epoxydharzplatine
Die Platine wird zunächst mit Photospray (Kontakt: „Positiv 20“) aus einer Entfernung von ca. 30-50 cm in schlängelnden, bahnartigen Bewegungen gleichmäßig und nicht zu dick eingesprüht. Achtung: Du solltest diesen Vorgang nicht bei hellem Raum- oder gar Sonnenlicht durchführen! Je dunkler, desto besser. Das Spray ist, wie der Name es vermuten lässt, photosensitiv – sprich lichtempfindlich. Also, lass so wenig Licht wie eben möglich oder nötig beim Beschichten der Platine und ihrer späteren, beschichteten Lagerung an das Material heran. Das ist wichtig für ein gutes Ergebnis. Du kannst im Bedarfsfall übrigens auch bereits fertig photobeschichtete und mit einer licht-undurchlässigen Folie versiegelte Kupferplatinen in gewünschter Größe im gut sortierten Elektronik-Fachhandel kaufen.

Die beschichtete Platine muss jetzt noch belichtet werden:
Am besten eignet sich eine Lampe mit einem starken UV-Anteil für die Belichtung der Platine. So gibt es sogar spezielle UV-Lampen, die ihren Dienst hier besonders gut tun (z.B. Osram Vitalux 300W). Grundsätzlich gilt: Es geht auch mit anderen Lampen, jedoch sind die Platinen hier deutlich länger zu belichten. Braucht man mit der Osram Vitalux hier 2-3 Minuten, so dauert es mit Lampen mit einem niedrigeren UV-Anteil eher 20-30 Minuten. Man muss hier also die ersten Male ein wenig mit der Belichtungszeit experimentieren, bevor man die gewünschten Ergebnisse für sich erhält. Einfache Teststreifen sind eine gute Option, bevor man sich an komplexe Platinenprojekte wagen sollte.

Entwicklungshilfe für unsere belichteten Platinen

Nach der Belichtung muss die Platine dann auch noch entwickelt werden:
Hierzu benötigt man eine Schale mit warmen Wasser (30-50 Grad) und etwas NaOH (Natriumhydroxid). Dieses kannst du in der gutsortierten Drogerie oder Apotheke deines Vertrauens kaufen. Meist erhälst du es in Form von kleinen, weißen Plättchen in einem 1kg Behälter, welchen Du trocken lagern solltest. Für unser Entwicklerbad benötigen wir aber nur einige Plättchen dieser Salzkristalle (ca. 33 Stück oder 7g auf ein Liter).

ACHTUNG!!! Natriumhydroxid ist stark ätzend! Bitte arbeite in eigenem Interesse immer mit Gummihandschuhen und Schutzbrille! Wir übernehmen keine Haftung für dein Handeln.

Nach der Belichtung wird die immer noch fotoempfindliche Platine unter weitestgehendem Ausschluss von Licht nun ohne den Film in die angerichtete kleine Wanne oder Schale mit dem Entwickler gelegt: Die Strukturen auf der belichteten Kupferoberfläche treten nun, auch für das Auge sichtbar, langsam hervor.
Unter mäßigen Bewegungen des Entwicklerbades entsteht nach und nach ein Bild der Platine: Die Leiterbahnen treten dunkel im Bild hervor, während das später zu entfernende Kupfermaterial metallisch glänzend wiederzuerscheinen beginnt. Der Entwicklungsvorgang sollte so lange in Gang gehalten werden, bis sich nichts mehr am Bild verändert und es stabil erscheint (20-30 sec.). Dann aber schnell raus aus dem Bad: Tauchen Wolken auf und das Bild verschwindet wieder, hast Du entweder zu lange belichtet oder die Platine zu lange im Entwicklerbad behalten. Ist so weit alles o.k., so kann die Platine aus dem Entwicklerbad herausgenommen und kurz unter fließendem Wasser abgespült werden. In keinem Fall solltest du wischen oder gar schrubben, nur fließend abspülen.

Ist das ätzend… – die Kunst der Kupferentfernung

Nun folgt der eigentliche Prozess des „Platine-Ätzens“. Das überflüssige Kupfer muss nun zwischen den Leiterbahnen von der Pertinax- oder Epoxyd-Oberfläche entfernt werden. Hierzu brauchst Du ein Ätzbad, in welches du die Platine legst.

ACHTUNG!!! Ätzen ist ein nicht ungefährlicher Prozess: Arbeite immer mit Gummihandschuhen und einem Augenschutz, der Dich vor Spritzern schützt. Atme die entstehenden Dämpfe nicht ein und sorge für gute Abluft. Wir übernehmen keine Haftung für dein Handeln.

Ätzen kannst Du zum Beispiel mit dem guten, alten Eisen-III-Chlorid Ätzbad. Eisen-III-Chlorid bekommst Du im Elektronik-Fachmarkt in Form von ca. 1cm großen schwefelfarbigen Kügelchen in Platiktütchen. Diese löst Du in einem beheizten Wasserbad auf (ca. 30-50 Grad) und gibst später die fertig belichtetet und entwickelte Platine für den Ätzvorgang hinzu. Am effektivsten ätzt Du in einer gesättigten Eisen-III-Chlorid Lösung. Hierfür verwendest Du rund 500-800g der Kügelchen aufgelöst in 1 Liter Wasser. Du kannst die Lösung auch mehrfach verwenden.

Auch mit einer Natrium-Persulfat-Säure (200-250g auf 1 Liter, 30-50 Grad Temperatur) lässt sich prima ätzen. Gegenüber dem Ätzen mit Eisen-III-Chlorid bietet es den Vorteil, dass es weniger zur Unterätzung neigt und dadurch feinere Strukturen erzeugen kann. Die Lösung lässt sich ebenfalls mehrfach verwenden. In diesem Fall ist aber dringend darauf zu achten, auf keinen Fall eine luftdicht verschlossene Flasche zur Aufbewahrung zu verwenden. Es entstehen weiterhin Gase, welche ein Gefäß aufblähen oder platzen lassen können, wenn die Gase nicht entweichen können.

Je nach Temperatur und Sättigung deiner Lösung kann der Ätzprozess zwischen 2 Minuten und bis zu einer Stunde dauern. Der Prozess lässt sich aber gut beobachten. Sobald das Kupfer zwischen den Flächen der Leiterbahnen weggeätzt ist und das nackte Platinenbasismaterial freigelegt wurde, kann die Platine aus dem Ätzbad entnommen und abgespült/gereinigt werden. Reste des Fotolacks lassen sich mit Spiritus leicht abwischen oder erneut mit Atta oder ähnlichem abschrubben.

Die Platine ist fertig! Nun darf an den Kontaktstellen der Bauteile gebohrt werden, um sie anschließend mit den Bauteilen zu bestücken und später zu verlöten. Wenn du möchtest, kannst du auch noch speziellen Lötlack (Kontakt: „Lötlack SK10“) aufsprühen, der die Leiterbahnen vor Korrosion schützt und der zudem auch noch die Lötfähigkeit verbessert.
Je nach Temperatur und Sättigung deiner Lösung kann der Ätzprozess zwischen 2 Minuten und bis zu einer Stunde dauern. Der Prozess lässt sich aber gut beobachten. Sobald das Kupfer zwischen den Flächen der Leiterbahnen weggeätzt ist und das nackte Platinenbasismaterial freigelegt wurde, kann die Platine aus dem Ätzbad entnommen und abgespült/gereinigt werden. Reste des Fotolacks lassen sich mit Spiritus leicht abwischen oder erneut mit Atta oder ähnlichem abschrubben.

Geschafft – ran an Bohrer und Lötkolben

Die Platine ist fertig! Nun darf an den Kontaktstellen der Bauteile gebohrt werden, um sie anschließend mit den Bauteilen zu bestücken und später zu verlöten. Wenn du möchtest, kannst du auch noch speziellen Lötlack (Kontakt: „Lötlack SK10“) aufsprühen, der die Leiterbahnen vor Korrosion schützt und der zudem auch noch die Lötfähigkeit verbessert.

Fazit

Wer seine Platinen selbst ätzen möchte, kann dies bei Single-Layer Platinen problemlos selbst tun. Vom Leiterplatten-Layout über das Ätzen, bis hin zum Bohren, Bestücken und Verlöten sind es einige Prozesse, die es zu beherrschen gilt. Doch sind das nicht nur kleine Herausforderungen auf dem langen Wege eines Vollblut-Makers? Auf jeden Fall macht es Spaß und ist auch bestenfalls mit vielen Erfolgserlebnissen verbunden. Stell dir vor, du wirst zum echten Hardware-Entwickler und planst und fertigst deine Tüfteleien von Anfang bis Ende komplett selbst. Macht das nicht Laune auf mehr?