Von der Schaltungsidee zur fertigen Platine

Von der Idee zum Schaltplan

Herzlichen Glückwunsch! Sie haben eine Idee für eine neue Schaltung, dann sollten Sie diese am besten erstmal Handschriftlich zu Papier bringen. In der Regel ergeben sich jetzt noch Änderungen, wenn Sie die Schaltung komplett vor sich liegen sehen.
Bevor Sie die Schaltung in ein Layout Programm wie z.B. Eagle eingeben ist es sinnvoll sich erst eine Stückliste zu erstellen. Hier sollten alle Bauteile aufgeführt sein, welche Sie später verwenden möchten. Dies ist notwendig, da die Layout Programme bereits beim erstellen des Schaltplanes die Gehäuse Form des Bauteils wissen müssen und Änderungen hier später nur mögliche Fehlerquellen sind. Geben Sie also auf der Stückliste die Bauteile mit Gehäuseform, Wert und am besten Bestellnummer an, falls Sie es nicht bereits Vorrätig haben.
Ist die Stückliste fertig gestellt, können Sie mit dem Schaltplan beginnen. Der Schaltplan ist der wesentliche Teil der Dokumentation einer elektrischen Schaltung. Er sollte Übersichtlich und Eindeutig gestaltet sein, damit sich Bauteile und Signale leicht finden lassen. Bei einer späteren Fehlersuche ist der Schaltplan oft die einzige Hilfe die Sie haben! Sie sollten ihn aufbauen, wie Sie ein Buch lesen. Das heißt alle Eingänge der Schaltung sollten links stehen und Ausgänge rechts. Des Weiteren versuchen Sie die Schaltung in kleine Funktionsgruppen aufzuteilen. Es ist so später für Sie oder auch für andere Personen leichter die Funktion der Schaltung zu erkennen. Die Funktion einiger kleinen Schaltungen lässt sich nun mal leichter erkennen, als ein großer Haufen von Bauteilen. Hier ließen sich noch viele Hinweise und Tipps geben, aber belassen wir es bei diesen Grundregeln die Sie unbedingt befolgen sollten.
Wenn Sie beginnen die Schaltung in ein Layout Programm einzugeben, fangen Sie mit den Bauteilen an. Also platzieren Sie die Widerstände, Kondensatoren Transistoren etc. Achten Sie hier unbedingt auf die richtige Gehäuse Form des Bauteils. Sie können sich hier jede Menge Ärger beim bestücken der Platine ersparen. Erst nachdem Sie alle Bauteile platziert haben, ist es sinnvoll sie miteinander zu verbinden. Sind die Verbindungen noch nicht gelegt, ist es leichter die Bauteile zu verschieben um so eine bessere Übersicht des Schaltplans zu erzielen. Wenn Sie die Bauteile miteinander verbinden, achten Sie stets darauf keine Verbindung unbeabsichtigt mit einem bereits existierenden Namen zu legen. Diese Verbindungen werden auch später im Layout miteinander verbunden sein. Bei den Versorgungsspannungen können Sie dies aber gezielt nutzen. Verwenden Sie zum Beispiel für die Masse Verbindungen den Namen GND. Alle Anschlüsse, der Bauteile, an den Sie nun die Verbindung GND zeichnen, werden im Layout mit einer Leiterbahn verbunden.
Ist der Schaltplan soweit fertig, empfiehlt es sich für Dokumentationszwecke noch sämtliche Eingänge und Ausgänge zu beschriften. Geben Sie zum Beispiel die Werte der Eingangsspannung an oder sonstige Informationen die später bei einer Fehlersuche hilfreich sein könnten.

Erstellen des Layouts

Das Layout entscheidet mit, ob oder wie gut eine Schaltung funktioniert. Lassen Sie sich also auch hier Zeit und überdenken Sie Ihre Aktionen genau. Um ein Layout von Ihrer Schaltung zu erstellen benötigen Sie den Schaltplan der Schaltung. Drucken Sie ihn am besten aus.
Bevor Sie mit dem layouten beginnen sollten Sie zunächst ein paar Fragen klären. Als erstes wäre da, die Größe der Platine. Das Standart Format einer Platine ist 160x100mm, je nach Anwendung können Sie aber natürlich davon abweichen. Ändern Sie also die Einstellungen Ihres Layout Programms falls Sie ein anderes Format wünschen. Des Weiteren überlegen Sie sich, ob Sie das Layout beidseitig erstellen möchten oder ob Sie nur eine Seite nutzen. Bei kleineren Schaltungen ist das Verlegen der Leiterbahnen auf nur einer Seite zu empfehlen. Als letztes bevor Sie mit dem Layouten beginnen stellen Sie das Rastermaß der Arbeitsfläche auf 2,54mm. Haben Sie alle Bauteile platziert oder arbeiten Sie mit SMD Bauteilen können Sie hier auch kleinere Werte wählen.
Da die meisten Autorouter zurzeit nur sehr bescheidene Ergebnisse erzielen, erstellen Sie das Layout am Besten von Hand. Beginnen Sie damit, mit Hilfe des Schaltplans die Bauteile zu platzieren. Ordnen Sie die Bauteile so an, dass möglichst nur kurze Leiterbahnen entstehen. Bei umfangreicheren Schaltungen werden Sie hier des Öfteren die Bauteile verschieben müssen um bessere Ergebnisse zu erzielen. Haben Sie alle Bauteile platziert und richtig angeordnet, können Sie damit beginnen die ersten Leiterbahnen zu verlegen. Es erklärt sich von selbst, dass im Layout keine Kreuzungen von Leiterbahnen möglich sind. Deshalb wird es sich auch nicht vermeiden lassen, die Position von einzelnen Bauteilen nochmals zu ändern. Lassen sich Kreuzungen dennoch nicht vermeiden, müssen Sie eine andere Lage wählen. Legen Sie also zum Beispiel eine Brücke auf der Oberseite. Welche Anschlüsse Sie miteinander verbinden müssen erkennen Sie an den Airlines. Bei welchem Bauteil Sie beginnen ist grundsätzlich egal, es ist allerdings sinnvoll als erstes die Betriebsspannungen zu verlegen. Hierbei gilt insbesondere darauf zu achten welche Ströme später durch die Leiterbahnen fließen werden. Insbesondere zwischen Gleichrichter und Ladekondensator sollten Sie dicke Leiterbahnen wählen! Oft wird hier auch die Masseleitung vergessen. Bedenken Sie, dass der Strom auch wieder zurück fließen muss. Haben Sie sich also für eine Leiterbahnstärke bei der Betriebsspannung entschieden, wählen Sie die gleiche Stärke auch für die Masse Verbindung. Für die Masseleitungen können Sie auch, wenn Sie alle anderen Verbindungen gelegt haben, eine Fläche erstellen. Dies ist in vielerlei Hinsicht Vorteilhaft. Verwenden Sie in Ihrem Layout grundsätzlich nie die dünsten Leiterbahnen wenn Sie genug Platz auf dem Layout haben. Beim Verlegen der Leiterbahnen vermeiden Sie 90° Winkel. Knicken Sie die Verbindungen lieber zweimal um 45° um bei schnellen Signalen Reflektionen in den Leitungen zu vermeiden.
Sobald alle Leiterbahnen verlegt sind, erstellen Sie ein Textfeld auf dem Layout mit dem Namen der Schaltung und anderen Informationen die später Hilfreich sein können. Der Text muss spiegelverkehrt auf dem Layout stehen, da die Platine beim späteren belichten gespiegelt wird.
Nach diesem Schritt können Sie das Layout auf eine Transparent Folie drucken. Hierbei achten Sie darauf, die beste Auflösung Ihres Druckes einzustellen. Eine Hohe dpi Zahl erhöht stark das Ergebnis der geätzten Platine.

Vorbereitungen / Belichten mit dem Vakuum UV – Belichtungsgerät

• Die Funktion des UV – Belichtungsgerätes muss gewährleistet sein.

• Das Ätzbad sollte kurze Zeit vor Beginn angeschaltet werden.

• Leiterplatten – Je nach verwendetem Layout ein- oder beidseitig mit einer Kupferschicht bedeckt. (Diese Platten sind fotopositiv beschichtet und mit einer Schutzfolie versehen)

Das UV Licht dringt durch den schwarz gedruckten Bereich des Layoutes nicht hindurch und zerstört somit nur die Fotoschicht, die nicht bedeckt ist. Wichtig ist auf Unreinheiten und Staub an der Glasplatte, Layout oder Leiterplatte zu achten, da dies zu ungewollten Verbindungen zwischen den später entstehenden Leiterbahnen führen kann. Auch muss die Kupferschicht frei von Kratzern sein, da ansonsten genau der umgekehrte Effekt entsteht, nämlich Unterbrechungen der Leiterbahnen. Dies könnte zur Fehlfunktion der späteren Schaltung führen und eine lange Fehlersuche nach sich ziehen.

Entwickeln der belichteten Platine

- Es sollte eine Schale bereitstehen, um den Vorgang des Entwickels vor dem Ätzen durchführen zu können. (Diese muss säure -und laugenbeständig sein)
- Auch muss ein Kanister vorhanden sein, um die verbrauchte Flüssigkeit für die Entsorgung zu sammeln.
- Die Entwicklerflüssigkeit sollte fertig in einem Kanister bereitgestellt sein.
- Die Gummihandschuhe müssen vorhanden sein.
- Eine Klemme mit Schaumstofftupfer sollte in einer der Schalen bereit liegen.

Zum Entwickeln wird der fertig vorbereitete Fotoentwickler genutzt.

Mischungsverhältnis: In einem fünf Liter Kanister werden zu 50g Natriumhydroxyd (Ätznatron in Perlen für gedruckte Schaltungen) fünf Liter Wasser hinzu gegeben und dies vorsichtig gemischt, bis sich die Perlen vollständig aufgelöst haben. Interessant: Bei wenig Wasser wird der Kunststoffkanister durch die Reaktion sehr heiß.

Vorsicht: Behälter geschlossen halten. Feuergefahr bei Berührung mit anderen Stoffen. Von brennbaren Stoffen fernhalten. Gesundheitsschädlich beim Verschlucken. Sensibilisierung durch Hautkontakt oder Einatmen möglich. Bei Unfall oder Unwohlsein Arzt hinzuziehen und Etikett vorzeigen. Geeignete Schutzhandschuhe tragen.

Von der vorbereiteten Fotoentwicklerflüssigkeit wird etwas in die dafür vorgesehene Schale gegossen. Die Flüssigkeit sollte ausreichen, um genug von der auf der Leiterplatte befindlichen Fotoschicht aufnehmen zu können, welche durch das Vakuum UV – Belichtungsgerät zerstört wurde.
Wenn der Timer des Belichtungsgerätes abgelaufen ist und die UV Lampen aus sind, wird die Leiterplatte aus dem Gerät genommen. Bei genauer Betrachtung der Platine sind schon die Umrisse der Leiterbahnen zu erkennen. Es wird empfohlen für weiteres Vorgehen Schutzhandschuhe zu tragen. Die Leiterplatte wird nun in die Schale mit dem Fotoentwickler gelegt. Zu beobachten ist jetzt ein chemischer Vorgang, wobei sich die durch das UV Licht zerstörte Fotoschicht langsam von der Kupferschicht löst und das Kupfer, welches später weggeätzt werden soll, freilegt. Es sollte auf jeden Fall solange entwickelt werden, bis das freigelegte Kupfer vollkommen klar erscheint. Auch kleinste Schleier von Fotolack verhindern ein einwandfreies Ätzen. Beschleunigen kann man diesen Vorgang, indem man vorsichtig mit der Klemme und dem Schaumstofftupfer über die Leiterplatte streicht und die Fotoschicht vorsichtig entfernt. Wenn nun die Leiterbahnen klar zu erkennen sind, kann man die Leiterplatte der Entwicklerschale entnehmen und diese zum weiteren vorgehen ins Ätzbad hängen. Wenn der Ätzvorgang nicht gleich im Anschluss erfolgt, so muss die Leiterplatte mit klarem Wasser abgespült werden und so hingestellt werden, dass keine Kratzer die Platine zerstören. Die verwendete Entwicklerflüssigkeit wird in den dafür vorgesehenen Kanister zur weiteren umweltgerechten Entsorgung geschüttet. – Nicht in den Ausguss, da dies zu Umweltschäden führt!

Ätzen der Leiterplatten

- Ein Schutzkittel muss an der Wand hängen.
- Es muss ein Kanister vorhanden sein, um die verbrauchte Flüssigkeit für die Entsorgung zu sammeln.

Das Ätzbad sollte schon vor Beginn der Leiterplattenbearbeitung eingeschaltet werden. Dadurch wird erreicht, dass sich das Wasser mit dem Ätzsulfat auf etwa 40°C erwärmt. Des Weiteren versorgen zwei Pumpen die Lösung mit ausreichend Sauerstoff. Diese beiden Punkte dienen dem Beschleunigen des Ätzvorganges.

Mischungsverhältnis: Es werden 600g Ätzsulfat abgewogen. Nun gibt man 200g in einen Messbecher und füllt diesen mit einem Liter Wasser. Das Gemisch wird gut verrührt und in das gereinigte Ätzbad gegeben. Dieser Vorgang wird noch zweimal wiederholt. Nun sollten die Pumpen und der Heizstab angeschaltet werden, um die Lösung optimal zu vermischen.

Vorsicht: Es bestehen dieselben Sicherheitshinweise wie bei Ätznatron.

Brandfördernd

Gesundheitsschädlich

Nach Anlegen der Schutzkleidung, d.h. Schutzhandschuhe und Kittel, nimmt man die Halterung aus dem Ätzbad / Küvette und hängt die Platine ein. Vorsichtig wird die Halterung in das Ätzbad zurückgehängt um ein herausfallen der Platine zu verhindern. Liegt sie erst mal am Boden des Bades, ist es schwierig, sie wieder zu entnehmen, ohne die Leiterplatte dabei zu verkratzen.
Wenn die Lösung frisch aufbereitet wurde, ist sie farblos und der Vorgang ist durch die Glasscheibe gut zu beobachten. In den ersten fünf Minuten geschieht kaum etwas. Dann beginnt das Lösen des Kupfers von der Leiterplatte. Innerhalb der nächsten fünf Minuten sollte sich das restliche Kupfer aufgelöst haben. Die Lösung nimmt nun eine bläuliche Farbe an. Die Platine zeigt nur noch die Leiterbahnen, welche von der Fotoschicht bedeckt werden. Die Leiterplatte sollte aus dem Bad genommen werden, um ein Unterätzen der Leiterbahnen zu verhindern. Durch Abspülen und Abtrocknen der Platine wird das weitere Bearbeiten der Platine vorbereitet. Nimmt man die Platine während des Ätzvorganges aus dem Bad sieht man sehr schön die rötliche Färbung des Kupfers.
Das Ätzbad ist nun auszuschalten und die Sauerstoffzuführung zu unterbinden. Ein Liter Ätzlösung nimmt etwa 30g Kupfer auf. Das entspricht etwa 50 Platinen im DIN-Format (100 x 160 mm).
Auch diese Lösung muss nach ihrer Sättigung umweltgerecht entsorgt werden.
Die Sättigung (keine weitere Aufnahme von Kupfer / Flüssigkeit ist kräftig blau) ist erreicht, wenn der Vorgang des Ätzens länger als ca. 20 Minuten dauert. Die Lösung sollte dann erneuert werden.

	Nach ca. 6 min		Nach ca. 8 min
	Nach ca. 9 min		Nach ca. 9,5 min