Das Geheimnis der blauen Folie – Testplatinen mit PCB-Transferfolie

Am Anfang steht natürlich der Entwurf eines Platinenlayouts mit einem dafür geeigneten CAD-Programm. Wie kriegt man diesen fertigen Entwurf ätzresistent auf eine Rohplatine? Der übliche Weg ist, ein Positiv auf Folie auszudrucken, eine photopositiv beschichtete Platine mit UV-Licht zu belichten, zu entwickeln und anschließend zu ätzen. Mit Hilfe der Press-n-Peel PCB-Transferfolie wird dieser Prozess abgekürzt und um einiges einfacher. Voraussetzung ist, dass man einen Laserdrucker hat oder Zugriff auf einen hat. Notfalls hilft jeder Copyshop mit einem Photokopierer weiter.

Die Folie kommt aus Amerika und ist in Deutschland erhältlich über Jan Wüsten:

Frag’Jan zuerst – Ask Jan First GmbH & Co. KG
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Und so geht’s:

Schritt 1: Die Press-n-Peel PCB-Transferfolie kommt in Bögen im amerikanischen Letter-Format, das etwas breiter geschnitten ist als das europäische DIN-A4-Format. Meist braucht man keinen ganzen Bogen für eine Platine. Deshalb schneidet man ein Stück zu, das das gewünschte Platinenformat an allen Seiten um rund einen Zentimeter überragt. Ein solches Stück würde vom Kopierer oder Drucker nicht mehr sicher transportiert. Deshalb muss es auf einem Träger im üblichen DIN-Format montiert werden.

Schritt 2: Als Träger verwenden wir einen ausdruckten Bestückungsplan, der genau an der Stelle auf dem Blatt steht, an der später auch das Platinenlayout ausgedruckt wird. Ich verwende dazu das äußerst preisgünstige und sehr einfach zu bedienende PCB-Programm Sprint-Layout von ABACOM (www.abacom-online.de). Von ABACOM gibt es eine Demoversion des Programms und einen kostenfreien Viewer, mit dem man Layouts ausdrucken kann. Nach dem Testausdruck dürfen keine Einstellungen am Druck- oder Layoutprogramm mehr verändert werden. Das gilt natürlich auch für die Arbeit mit einem Photokopierer. Hier sollte die Vorlage nicht mehr bewegt werden.

 

Schritt 3: Die aktive Seite der Folie ist matt. Diese Seite soll bedruckt werden und kommt nach oben. Sie sollte nach Möglichkeit nicht berührt oder verschmutzt werden, damit der Laserausdruck gute Haftung hat.

Schritt 4: Die Folie wird auf dem Papierausdruck mit gleichem Überstand nach allen Seiten ausgerichtet und mit zwei Streifen Tesafilm befestigt.

Dieses Blatt kann nun in den Laserdrucker oder einen Photokopierer eingelegt und wie üblich bedruckt werden. Ich verwende einen Drucker, der nach meinem Eindruck keineswegs besonders satt druckt, aber es funktioniert trotzdem wunderbar. Die ätzresistente Schicht auf der Platine wird keineswegs nur vom Toner gebildet, sondern auch von einem Teil der blauen Folie – insofern ist die Bezeichnung „Transfer-“ vielleicht etwas irreführend. Deshalb kann die Folie übrigens auch nicht mehrfach verwendet werden. Trotz der recht hohen Kosten für die Folie ist die Gesamtlösung noch preisgünstig, denn das Verfahren verzichtet auf photopositiv beschichtete Platinen. Es gibt daher auch keine Lagerprobleme, denn die Photoschicht solcher Platinen bleibt nur rund ein Jahr frisch.

Wenn der Drucker das zulässt, dann schaltet man am besten auf einen Papierauslass um, der sich für Couverts und steifere Papiere eignet, damit die Folie auf ihrem Träger nicht zu stark gerollt wird. Kritisch ist das nach meiner Erfahrung allerdings nicht.

Schritt 5: Es hat geklappt: Der Ausdruck der Kupferseite ist „richtig herum“ – nämlich seitenverkehrt, so, als würde man von der Bestückungsseite aus durch die Platine hindurch auf die Kupferseite schauen – auf der blauen Folie, die von ihrem Trägerbogen gelöst werden kann.

Schritt 6: Vorläufig letzter Schritt der Folienbearbeitung: Die Folie wird mit geringem Überstand über das spätere Platinenmaß ausgeschnitten.

Schritt 7: Jetzt brauchen wir eine passend zugeschnittene Rohplatine aus unbeschichtetem Epoxy-Basismaterial. Wenn die lieferbaren Standardformate nicht passen, muss gesägt werden. Zum Markieren des Sägeschnitts eignet sich gut eine Anreißnadel mit Hartmetallspitze (im Werkzeughandel). Angerissen wird auf der Epoxy-Seite der Platine. Auf dem ungeschützten Kupfer sollten man so wenig wie möglich herumfingern.

Schritt 8: Platinen-Rohmaterial lässt sich mit einer fein gezahnten normalen Eisensäge gut schneiden. Dazu wird die Platine an einer Arbeitsplatte festgeklemmt, damit sie beim Sägen ruhig liegt.

Schritt 9: Nach dem Zuschnitt wird die Sägekante mit einer nicht zu feinen Feile begradigt und sorgfältig entgratet.

Schritt 10: Vor der Weiterverarbeitung muss die Kupferoberfläche gereinigt werden. Wenn die Platine sauber und trocken gelagert worden ist, genügt dazu im Regelfall etwas Aceton oder ein anderes Lösungsmittel auf einem Blatt Küchenkrepp, mit dem Fettspuren, Staub und Fingerabdrücke beseitigt werden.
Ich habe mit Stahlwolle (00, ohne Zusatz) beste Erfahrungen gemacht. Auf Aceton kann man dann getrost verzichten. Das Reinigen dauert nur wenige Minuten. Stahlwolle ist in jedem Fall immer dann angesagt, wenn die Platine hartnäckig verschmutzt oder oxydiert ist. Die Platine wird immer in einer Richtung poliert, bis sie gleichmäßig glänzt.

Schritt 11: Jetzt kommt der entscheidende Schritt: Das Bügeleisen – kein Dampfbügeleisen; ich habe mir ein altes Schätzchen aus Schwiegermutters Reserven besorgt – wird auf eine mittlere Temperatur eingestellt. Damit muss man am Anfang ein bisschen experimentieren. Bei mir geht es mit einer Einstellung halbwegs zwischen Seide und Wolle am besten.
Eine Zwischenlage ist nach meiner Erfahrung nicht erforderlich, wenn das Eisen eine ausreichend glatte Sohle hat. Ohne Zwischenlage sieht man besser, was man macht. Ob man „bügelt“ (im Sinn von hin und herfahren) oder nur andrückt („plettet“, um im Bild zu bleiben) ist weitgehend egal und auch von der Größe der Platine abhängig (größere Platinen kann man nicht in einem Stück andrücken). Die Hauptsache ist, dass der Toner überall soweit erhitzt wird, dass er sicher schmilzt und gegen das Kupfer gedrückt wird.

Zum Aufbügeln wird das Eisen vorgeheizt, dann setzt man das Eisen ganzflächig auf und hält es zunächst für ein paar Sekunden still, damit die Folie über eine Anfangshaftung daran gehindert wird, noch einmal zu verrutschen. Anschließend bügelt man die Transferfolie rund ein bis zwei Minuten sorgfältig auf – darauf achten, dass man überall hingekommen ist und der Toner geschmolzen ist. Man erkennt das daran, dass das Platinenbild besser durch die Folie scheint als im nicht gebügelten Zustand.

Danach die Platine mit kaltem Wasser abschrecken und die Transferfolie vorsichtig abziehen. Unter dem Wasserstrahl löst sich die Folie an einer Seite meist ganz von allein und kann dann problemlos nach oben weggezogen werden. Sobald das Wasser darunter kommt, löst sie sich großflächig sehr leicht ganz ab. Im Fall der Fälle kann noch nachgebügelt werden, wenn sich gleich die erste Leiterbahn abheben sollte. Bei mir ist das allerdings noch nie passiert. Sollte nach dem Abziehen der Folie noch Reste der blauen Beschichtung zwischen einzelnen Leiterbahnen stehen geblieben sein, so können diese Reste mit etwas Tesafilm abgezogen werden. Auch das ist bei mir bisher noch nicht passiert – wahrscheinlich sind meine Leiterbahnen zu breit dazu.

Schritt 12: Beinahe perfekt! Wenn doch noch kleine Fehler aufgetreten sind, können sie mit einem Radiermesser oder Skalpell und einem ätzfesten Stift (z.B. von Edding) korrigiert werden.

Schritt 13: Geätzt wird wie üblich – hier in der Homebrew-Methode. Zur Erwärmung des Ätzmittels Ammoniumpersulfat dient ein Wasserbad auf dem heimischen Herd (Vorsicht: Definitiv kein Kontakt mit Lebensmitteln!). Die Ätzküvette war mal eine stylische Vase aus dem Schlussverkauf. Als Thermometer dient ein altes Bratenthermometer, dessen Fühler im Wasserbad, nicht im Ätzmittel steht.

Die richtige Temperatur ist wichtig: Zu kalt, und das Ätzmittel greift das Kupfer nicht an. Zu warm, und die blaue Platinenbeschichtung löst sich ab – schließlich ist der Toner aus dem Laserdrucker so etwas wie ein Heißkleber, der sich bei höheren Temperaturen auch wieder löst! Rund 50 Grad sind ideal. Dazu muss eine elektrische Heizplatte ungefähr auf Stufe 2 gestellt werden – ausprobieren. Das Ganze dauert rund 20 bis 30 Minuten.

Zum Abschluss wird die Platine entschichtet. Dazu kann man wieder Aceton nehmen. Die Lötfähigkeit – und Optik – der Platine werden entscheidend verbessert, wenn man mit feiner Stahlwolle nachpoliert. Viel Glück beim Experimentieren.

Schneller und häufig auch präziser geht das Ätzen mit Salzsäure. Weil Salzsäure allein nicht stark genug ist, um das verhältnismäßig edle Metall Kupfer ausreichend schnell anzugreifen (wohl aber Haut!), muss man dem Ätzbad zusätzlich Wasserstoffperoxid zusetzen. Wasserstoffperoxid ist ein starkes Bleichmittel, das in sehr viel geringeren Konzentrationen, als wir es hier verwenden, auch Bestandteil von Blondiermitteln und Wäschebleichern ist. Also Vorsicht mit der Kleidung und den eigenen Haaren, sonst verpasst man sich leicht die ultimative Blondierung! Wegen der Säure sollte man unbedingt auch Gummihandschuhe und eine Schürze tragen.

Die Chemikalien gibt es in der Apotheke und im Chemikalienhandel; Anbieter findet man auch im Internet (www.omikron-online.de/cyberchem; www.koehlerchemie.de). Wir benötigen technische Salzsäure mit einer Konzentration von rund 30 Prozent. Der Liter kostet etwa 4 Euro. Wasserstoffperoxid gibt es ebenfalls in einer Konzentration von 30 Prozent, der Liter zu rund 10 bis 12 Euro. Zum Ätzen werden zwei Teile Wasser mit zwei Teilen Salzsäure und einem Teil Wasserstoffperoxid gemischt – und zwar, indem man immer (!) zuerst das Wasser in das Mischgefäß (aus Kunststoff oder Glas, kein Metall!) füllt und dann langsam die Säure und das Wasserstoffperoxid zugibt. So mischt man zum Beispiel 200 ml Wasser mit 200 ml Säure und 100 ml Wasserstoffperoxid.

Vorteil dieser Mischung ist, dass das Bad nicht temperiert zu werden braucht. Die Mischung ätzt bereits bei Zimmertemperatur hervorragend. Meist ist der Ätzvorgang, den man die ganze Zeit beobachten sollte und das Bad dabei in Bewegung hält, bereits nach wenigen Minuten abgeschlossen. Auf Heizstäbe und eine Luftpumpe zur Blasenentwicklung oder eine Sprühätzanlage kann bei Einzelanfertigungen ohne Probleme verzichtet werden. Die Unterätzungsgefahr ist wegen des schnellen Ätzvorgangs sehr gering.

Neben der beschriebenen Schutzkleidung gilt dabei auch für die eigene Nase einige Vorsicht: Salzsäuredämpfe sind stark ätzend, deshalb keinesfalls direkt über der Ätzflüssigkeit einatmen und am besten draußen oder unter einer starken Dunstabzugshaube und mit etwas Sicherheitsabstand arbeiten. Nach dem Ätzen wird die Platine gründlich mit klarem Wasser abgespült.

Natürlich gilt hier wie immer beim Ätzen: Die Ätzflüssigkeiten gehören nicht ins Abwasser, weil sie giftige Kupferverbindungen enthalten: Also in einem deutlich beschrifteten Behälter sammeln, für Kinder unzugänglich aufbewahren und bei Gelegenheit zum Schadstoffmobil mit den Resten. Meist nehmen auch die örtlichen Deponien und Entsorgungsbetriebe Chemikalienreste in kleinen Mengen kostenfrei an.

Nach dem Ätzen lässt sich die Beschichtung problemlos mit etwas Aceton abwischen. Vor der Weiterverarbeitung kann man die Leiterbahnen noch einmal mit Stahlwolle auf Hochglanz bringen. Durch eine Verzinnung der Oberfläche lässt sich die Lötbarkeit der Platine erheblich verbessern, gerade auch dann, wenn sie nicht direkt weiter verarbeitet werden soll. Dazu kann ein chemisches Zinnbad eingesetzt werden, dass auf galvanischem Weg eine dünne Zinnschicht abscheidet. Diese Schichten sind glänzend und kratzfest. Ich verwende dafür Glanzzinn Extra Nr. 3211 von Seno, dass zum Beispiel bei Conrad erhältlich ist. Wem die nur 5 Mikrometer dicke Schicht nicht genügt, sollte die Fittinglötpaste Rosol 3 von Rothenberger versuchen. Das ist eine zähflüssige graue Paste, die eigentlich als besonders hochwertiges Flussmittel für die Verlötung von Kupferrohren im Sanitärbereich hergestellt wird. Sie wird mit einem Pinsel dünn auf die Kupferschicht aufgetragen und mit einer leistungsfähigen Heißluftpistole auf rund 300 Grad erhitzt. Dabei verwandelt sich der graue Schlamm in eine glänzende dicke Zinnschicht, die außerordentlich gut gelötet werden kann. Was zu viel ist, kann im heißen Zustand mit einem feuchten Tuch abgewischt werden. Ein 100 Gramm Döschen Rosol 3 kostet im Baumarkt (bei Lötgeräten und Gaskartuschen) rund 8 Euro und reicht für etliche Platinen aus. Auch partielle Verzinnungen sind möglich, zum Beispiel um die Kontaktzonen für Platinenstecker zu verbessern.

Laserprinter Toner-Transfer mit Papier – die Variante zum Ausprobieren

Wer das Laserprinter Toner-Transfer Verfahren zunächst einmal ausprobieren will, ohne gleich die Folie zu ordern, der kann das fast kostenfrei, wenn er bereits einen Laserdrucker hat. Dazu wird das Platinen-Layout zunächst auf einen Papierträger ausgedruckt und anschließend der Toner auf die gereinigte Kupferseite der Rohplatine aufgebügelt, genau wie  bereits in der Anleitung beschrieben. Wichtig ist die Auswahl eines geeigneten Papiers. Im Internet gibt es eine mehr als ausführliche Foren-Diskussion und diverse Anleitungen über die Frage, welches Papier man am besten verwenden soll. Das Papier muss vergleichsweise hohe Temperaturen aushalten, es muss so dicht und glatt sein, dass der Toner auf der Oberfläche stehen bleibt und nicht zwischen die Fasern einzieht und es muss sich schließlich in Wasser auflösen, damit man den Träger nach dem Aufbügeln des Toners wieder entfernen kann. Andererseits muss der Toner an der Oberfläche aber auch haften, sonst erhält man kein klares Druckbild. Die Konturenschärfe der Press’n Peel Folie wird allerdings nicht erreicht. Wenn man mit etwas breiteren Leiterbahnen ab rund 1 mm arbeitet, ist das bei Experimentierplatinen und Prototypen aber keine wesentliche Einschränkung.

Der derzeitige Favorit in den verschiedenen Anleitungen im Internet scheint Katalog- und Illustriertendruckpapier zu sein. Sehr gern wird das dünne Papier genommen, auf dem der Reichelt-Katalog gedruckt wird. Auch mit silikonbeschichteten Papieren wird experimentiert. Ich habe Backpapier ausprobiert, aber das Material ist so glatt, dass der Laserdruck-Toner meines Druckers (Samsung) überhaupt nicht darauf haftet. Sehr gut funktioniert das sogenannte Entwurfspapier, das – früher, muss man wohl sagen, in der Zeit vor CAD – von Technischen Zeichnern verwendet worden ist. Das ist ein Transparentpapier, ähnlich wie ein sehr gleichmäßiges Butterbrotpapier, mit rund 80 Gramm/Quadratmeter relativ dick und fest, mit einer sehr glatten und harten Oberfläche, damit die Zeichentusche nicht einzieht und verläuft, sondern sehr saubere Striche liefert: für unser Experiment ist das genau richtig. Das Papier ist in guten Schreibwarenläden erhältlich; notfalls hilft eine Google-Suche zum Stichwort „Transparentblock“ weiter. Auf dieses Papier kann problemlos mit dem Laserprinter gedruckt werden. Wenn man sich einen DIN A4 Block besorgt, kann man die Bögen direkt einlegen und erspart sich das Zuschneiden vor der Ausdruck – eine Kostenfrage ist das bei dem preisgünstigen Material nicht.

Alle weiteren Arbeitsgänge sind im Prinzip so, wie bereits in der Anleitung beschrieben. Mit der mittleren Einstellung des Bügeleisens habe ich gute Erfahrungen gemacht, die in den Foren beschriebenen hohen Temperaturen scheinen nicht erforderlich zu sein. Ich habe mit einem alten Bratenthermometer eine Temperatur von rund 120 Grad an der Sohle meines Bügeleisens gemessen.

Das Verfahren beruht darauf, dass der kunststoffhaltige Lasertoner ein weiteres Mal geschmolzen und dadurch auf die Kupferseite der Platine übertragen wird. Der Kunststoff bildet eine ätzresistente Schicht, die von üblichen Ätzchemikalien nicht angegriffen wird. Vor dem Aufbügeln muss die Platine sorgfältig von ihrer Oxidschicht und von Fett gereinigt werden. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Am Einfachsten – da trocken zu verwenden und deshalb sehr schnell in der Anwendung – wirkt ein Stück feine (Grad 000) Stahlwolle, mit der die Oberfläche des Kupfers auch gleich etwas aufgeraut wird. Das ist für die Haftung des Toners förderlich. Nach der Reinigung sollt man jede Berührung der Kupferfläche mit den Fingern vermeiden. Das mit dem Layout bedruckte Transparentpapier wird aufgelegt und für ein bis zwei Minuten mit gutem Druck gleichmäßig aufgebügelt.

Das Papier löst sich natürlich nicht so problemlos von der Platine wie die Press’n Peel Spezialfolie. Deshalb legt man die Platine für rund eine Viertelstunde in lauwarmes Wasser mit etwas Spülmittel. In der Zwischenzeit heizt man den heimischen Backofen auf 200 Grad vor. Danach ist das Transparentpapier durchgeweicht und kann mit den Fingerkuppen (nicht den Fingernägeln!) abgerubbelt werden. Die Tonerschicht auf der Platine ist nicht sonderlich empfindlich. Allerdings ist sie nach meiner Erfahrung auch nicht so deckend und dicht, wie man das mit der Press’n Peel Folie hin bekommt. Bei dieser Folie wird mit dem Toner eine dünne Schicht von der Folienoberfläche auf die Platine geklebt, die völlig homogen ist. So gut arbeitet die simple Papiermethode nicht. Bei genauem Hinsehen wird man entdecken, dass im Tonerauftrag kleine löchrigen Stellen zu erkennen sind. Wo das größere Löcher sind, kann man mit einem ätzresistenten Stift nachhelfen. Insgesamt hilft, dass die Tonerschicht für zehn Minuten im Backofen eingebrannt wird. Dabei schmilzt der Toner ein weiteres mal und verläuft etwas, so dass sich kleine Löcher schließen. Außerdem wird die Schicht sehr kratzfest – auf diese Weise kann deshalb auch ein Bestückungsaufdruck aufgebracht werden, der ziemlich dauerhaft ist. Meine Versuchsmuster habe ich mit einem Wasser, Salzsäure und Wasserstoff-Peroxid-Gemisch geätzt, dass den Toner nicht angreift.