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Platinen ätzen im HCl/H2O2-Verfahren [Tutorial]

Vorwort

Dieses Tutorial beschreibt die Herstellung eines gedruckten Platinenlayoutes auf einer Fotoplatine im Ätzverfahren mit Salzsäure (HCl) und Wasserstoffperoxid (H2O2) in mehreren Schritten:

1. Requisiten und Beschaffung
2. Ausdrucken
3. Belichten
4. Entwickeln
5. Ätzen
6. Reinigen

Anschließend gibt es Informationen zu

7. Lagerung und
8. Entsorgung der der Chemikalien.

Der grobe Ablauf lässt sich wie folgt skizzieren: Das Layout wird in schwarz auf eine transparente Folie gedruckt. Diese wird auf die mit Fotolack beschichtete Platine - das Basismaterial - gelegt und dort fixiert. UV-Licht aus einer Glühlampe mit hohem UV-Anteil oder einem Gesichtsbräuner durchdringt nun die Folie an deren ungeschwärzten Stellen und härtet den darunterliegenden Fotolack aus. Dieser wird in einem Entwicklerbad entfernt und es bleibt ein Abbild des Layouts auf dem Basismaterial zurück. In einem Ätzbad wird nun das Kupfer von allen unverfärbten Stellen der Basismaterialoberfläche entfernt. Das stehengebliebene Kupfer entspricht dem entworfenen Layout und muss abschließend nur noch auf einfache Weise gereinigt werden.

Ich erspare mir im Folgenden chemische Hintergrundinformationen, die ich - und das gebe ich ganz offen zu - größtenteils auch nicht in besonderem Maße besitze. Mit diesem Wissen wird die Platine auch nicht schneller fertig, und die meisten werden vermutlich sowieso darüber hinweglesen. Stattdessen soll an den entsprechenden Stellen auf Gefahren und Sicherheitsvorkehrungen hingewiesen werden, damit am Ende eine saubere Platine und ein unbeschädigter Bastler herauskommen. Wer sich dennoch für die genauen chemischen Hintergründe interessiert, darf sich an Google wenden.

Es wird davon ausgegangen, dass bereits ein fertiges Layout am Computer erstellt wurde, da das Layouten den Rahmen dieses Tutorials sprengen und gut und gerne ein Eigenes füllen würde.

Ein letzter Hinweis: Es existiert nicht zu jedem einzelnen Schritt ein Bild. Daher bitte nicht nur Bilder gucken, sondern auch ganz genau lesen.

Haftung

Bevor es hier nun aber richtig losgeht, muss klargestellt werden, dass ich keinerlei Haftung für jegliche Personen- und Sachschäden übernehme, die aus Durchführung der in diesem Tutorial gegebenen Ratschläge und Methoden resultieren.

Es gilt das Impressum von mosfetkiller.de.

Worte der Warnung

Die Herstellung von Platinen im HCl/H2O2-Verfahren ist vermutlich nichts für Diejenigen, die nur hin und wieder oder auch nur einmalig eine Platine ätzen wollen, da die Beschaffung der verwendeten Chemikalien problematisch sein kann und die Benutzung und Lagerung selbiger einige nicht zu unterschätzende Gefahren aufwerfen. Gerade unerfahrene Bastler sollten lieber erst auf weitaus ungefährlichere (im großen Stil allerdings ineffektivere) Ätzverfahren mit Natriumpersulfat oder Eisen(III)-chlorid zurückgreifen (bei Interesse bitte Google fragen).

Alle drei in diesem Tutorial verwendeten Chemikalien Salzsäure (ca. 37%), Wasserstoffperoxid (ca. 30%) und Natronlauge (ca. 10%) haben ätzende Wirkung. Wasserstoffperoxid hat dazu brandfördernde Wirkung.

Auf daraus resultierende Gefahren und erforderliche Sicherheitsmaßnahmen wird an den entsprechenden Stellen hingewiesen.

1. Requisiten und Beschaffung

Geräte:

• Laser- oder Tintenstrahldrucker (Schwarzweiß reicht)
• Kleine, saubere Glasplatte (aus altem Scanner, Bilderrahmen o. Ä.)
• UV-Lampe, Gesichtsbräuner oder andere starke Quelle für UV-Licht
• (Stopp-)Uhr
• Verschließbares Plastikgefäß (Fassungsvermögen 1 Liter)
• Plastikpinzette
• Flache Schale, mindestens Platinengröße, ca. 3 cm hoch (Plastik oder Glas, kein Metall!)
• Verschließbare, säurebeständige Flasche (Plastik oder Glas, kein Metall!)
• Papiertücher gegen Spritzer
• Küchenschwamm oder Wischlappen mit Aceton

Verbrauchsmaterial:

• Transparente OHP-Folie (hält das gedruckte Layout)
• Fotoplatine ("Basismaterial")
• Leitungswasser

Chemikalien:

• Natriumhydroxid
• Salzsäure (ca. 37%)
• Wasserstoffperoxid (ca. 30%)

Natriumhydroxid gibt es für wenig Geld z.B. bei Reichelt als "Entwickler" oder "Ätznatron" zu kaufen.

Salzsäure und Wasserstoffperoxid lassen sich in der Apotheke erwerben. Vorraussetzungen für den Erwerb sind jedoch erstens die Volljährigkeit und zweitens der Eindruck, den der/die ApothekerIn von einem bekommt. Terrorgefahr und B0mbenbasteln sind heutzutage in aller Munde, und die verwendeten Chemikalien *könnten* ja eine Rolle bei der Vorbereitung terroristischer Anschläge dienen. Der/die ApothekerIn wird fragen, wofür die Chemikalien benötigt werden, ob Vorkenntnisse vorhanden sind und Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden. Wer eine nette Apotheke findet, sollte dort nach glaubwürdiger, kurzer Erklärung bekommen, was er möchte. Ansonsten muss man eben einmal durch die Stadt fahren und jede Apotheke einzeln abklappern. Der Preise pro Flasche beider Substanzen sollten sich im Bereich um 10€ bewegen.

Sicherheit:

• Schutzbrille
• Plastikhandschuhe
• Arbeitsklamotten/Overall (Fleckengefahr!)

2. Layout drucken

Das Layout wird in Originalgröße (!!!) auf eine transparente OHP-Folie gedruckt. Dabei konnte ich bei meinen Ätzversuchen keinen Unterschied zwischen mit einem Laser- und einem Tintenstrahldrucker gedruckten Layouts feststellen. Beides erreichte bei mir stets gute Ergebniss mit genügend hoher Deckkraft. Letztere erhöhen manche - so las ich an diversen Stellen im Internet - übrigens, indem sie ihre Layouts in doppelter Ausführung ausdrucken und beide Folien dann übereinanderlegen. Persönlich erachte ich diese Maßnahme in den meisten Fällen als nicht erforderlich.

Vor dem Ausdrucken ist es natürlich notwendig, alle unerwünschten Komponenten des Layouts - das sind z.B. Bauteilnamen, Pinnummern oder die Platinenumrandung - in der Layoutsoftware auszublenden.

Außerdem muss das Layout spiegelverkehrt ausgedruckt werden. Die Erklärung dafür folgt sogleich.

3. Belichten

Die Fotoplatine (auch Basismaterial genannt) wird von ihrer Schutzfolie befreit und mit der so freigelegten Fläche nach oben auf einen freien Platz auf dem Tisch gelegt. Achtung! Ab jetzt ist die Fotoschicht der Platine dem Sonnen- und Umgeungslicht ausgesetzt, ein sehr langsamer Belichtungsprozess hat also bereits begonnen. Daher sollte man die "offene" Fotoplatine vor dem eigentlichen Belichten (kommt gleich) überhaupt nicht lange herumliegen lassen.

Das spiegelverkehrt ausgedruckte Layout wird nun richtig herum auf die Fotoplatine gelegt. Auf diese Weise liegt die bedruckte Fläche der Folie direkt auf der Fotoplatine auf und es entsteht kein Zwischenraum zwischen Lasertoner und Fotoplatine, was den Belichtungsprozess - wenn auch nur minimal - positiv beeinflusst.

Die Folie wird exakt positioniert und anschließend von einer sauber geputzten (Mikrofasertuch!), auf die Folie und Fotoplatine gelegten Glasscheibe fixiert.

Nun kann belichtet werden. Das Belichtungsgerät - eine leistungsstarke Lampe mit hohem UV-Anteil oder wie in meinem Fall ein Gesichtsbräuner mit vier UV-Röhren - wird über dem ganzen Aufbau platziert und eingeschaltet.

Entscheidend für ein erfolgreiches Belichten ist die Intensität des UV-Lichtes, welches im Belichtungsprozess die von der mit dem Layout bedruckten Transparenzfolie unverdeckten Stellen auf der Fotoplatine aushärtet.

Die Intensität selbst hängt nun von der Belichtungszeit, dem Abstand zwischen Platine und Lichtquelle und deren Leistung ab. In meinem Fall beträgt der Abstand ca. 20 cm, die Belichtungszeit ca. 3 Minuten.

Für optimale Ergebnisse mit dem eigenen Equipment wird man wohl nicht ums Experimentieren herumkommen; man muss seine eigene Belichtungszeit bei fixem Lampenabstand finden. Ob man lange genug belichtet hat, zeigt sich leider erst im nächsten Schritt (mehr dazu gleich).

4. Entwickeln

Achtung! Wie oben bereits gesagt, findet auch bei Tageslicht eine schwache Belichtung statt. Daher sollte das nun im Folgenden beschriebene Entwicklerbad bereits VOR dem Belichten hergestellt/vorbereitet werden, damit die Platine nicht lange ungeschützt herumliegt. Sollte sich letzteres nicht verhindern lassen, ist es ratsam, die Platine dann lichtgeschützt, also z.B. in einer Schublade, zwischenzulagern.

Als Entwickler kommt wässrige Natriumhydroxidlösung (schwache Natronlauge) zum Einsatz. Zur Herstellung der Entwicklerlösung werden 10 Gramm Natriumhydroxid in einem Liter Wasser (Raumtemperatur) aufgelöst.

Angerührt und gelagert werden kann die Entwicklerlösung z.B. in jedem beliebigen, verschließbaren Plastikgefäß. Dieses wird gekennzeichnet und an einem für unerfahrene Personen (vermutlich alle außer einem selbst) unzugänglichen Ort aufbewahrt werden. Hautkontakt ist bitte zu vermeiden. Falls man doch einmal mit der schwachen Natronlauge in Berührung gekommen sein sollte, macht sich dies durch schmierige Finger (wie Seife) bemerkbar. Aufgrund der niedrigen Konzentration sollte es allerdings ausreichend sein, sich nach Hautkontakt gründlich die Hände zu waschen. Nach Kontakt mit den Augen sollte jedoch ein Arzt aufgesucht werden - da hört der Spaß auf. Deshalb bitte auch unbedingt eine Schutzbrille tragen!

Die Entwicklerlösung kann viele Male verwendet werden. Sollte sie doch einmal verbraucht sein, finden sich die Entsorgungshinweise im Schritt 8 (Entsorgung).

Die Platine wird mit einer Pinzette gegriffen - bitte nur am Platinenrand, sonst kann es Kratzer geben - und in die Entwicklerlösung gegeben. Man kann die Platine entweder mit der Pinzette eintauchen, oder einfach die ganze Platine in den Entwicklerbottich schmeissen.

Wichtig ist nur die Zeit, die die Platine in der Entwicklerlösung verbringt. Diese hängt von der Konzentration der Entwicklerlösung und der im vorigen Schritt bereits angesprochenen Belichtungsintensität ab. Ich entwickle meine Platinen stets über einen Zeitraum von 3 Minuten. Dies kann ein Richtwert für eigene Belichtungsversuche sein, oder eben auch nicht. Ich muss mich wiederholen: Es muss vorher immer ein wenig experimentiert werden, bis man für sein Equipment die richtige Belichtungszeit gefunden hat.

Nach einiger Zeit erscheint wie von Geisterhand das zuvor auf die Platine belichtete Layout auf selbiger. Man muss nun den richtigen Zeitpunkt abwarten, an dem man die Platine wieder aus der Entwicklerlösung herausnimmt. Die Linien auf der entwickelten Platine werden nie komplett schwarz, sondern nehmen langsam eine dunkelbraune Farbe an.

Nimmt man die Platine zu früh heraus, deckt die Farbe nicht genügend und es tritt die sogenannte Unterätzung auf, bei der die Säure zu viel Kufper von der Platine entfernt und somit Linien verstümmelt und Flächen löchrig werden lässt.

Ruht die Platine zu lange im Entwicklerbad, so tritt genau das Gegenteil ein. Die Platine bekommt nach dem Entwickeln dunkle Schlieren und Flecken, die später nach dem Ätzen unerwünschtes Kupfer auf der Platine stehenlassen.

Nachdem man die Platine aus dem Entwicklerbad genommen hat, wäscht man sie in einem Wasserbad leicht ab. Achtung! Die Platine nur mit der Pinzette (und nur am Platinenrand anfassen, wie gesagt) halten und im Wasser schwenken. Patscht man mit den Fingern draufherum, kann die Platine im Nachhinein noch leicht verschmieren, da sich noch gelöste Partikel der Fotoschicht auf der Oberfläche befinden, die zuerst weggeschwemmt werden müssen.

Das Entwicklerbad kann mehrmals verwendet werden und sollte nach Gebrauch wie oben geschildert wieder eingelagert werden.

5. Ätzen

Jetzt geht es ans Eingemachte. Wir benötigen eine Ätzschale (am besten Plastik, aber nie Metall!), in der sich der gefährlichste Prozess der Platinenherstellung abspielt.

Tut euch selbst den Gefallen und tragt bitte auf jeden Fall eine Schutzbrille. Das ist wirklich das Minimum an Sicherheitsvorkehrungen. Dazu am besten einen dicken Overall und Schutzhandschuhe gegen Spritzer. Wer eine Atemschutzmaske hat, drauf damit.

Es wird nie in geschlossenen Räumen geätzt. Natürlich aber auch nicht direkt im ungeschützten, windigen Freien. Eine geöffnete Garage oder Terasse bieten sich an.

Die Platine wird in die Ätzschale gelegt. Letztere wird anschließend ca. einen Zentimeter hoch mit Salzsäure befüllt. Wie sie sehen, sehen sie nichts; los geht es erst, wenn wir Wasserstoffperoxid hinzugeben.

Dieses wird in kleiner Menge - vielleicht 20 ml pro 10 cm² - über die gesamte Platinenfläche verteilt in die Ätzschale gegeben. Es fängt sofort an zu sprudeln und man kann zusehen, wie sich die Säure blitzschnell durch das Kupfer nagt - der Ätzvorgang hat begonnen. Ab jetzt besteht Spritzgefahr und Gasentwicklung - unter anderem auch Chlorgas!!! Daher ist für genügend Abstand zur Ätzlösung und ausreichend Belüftung zu sorgen. Schutzbrille auf, Handschuhe anziehen (falls noch nicht geschehen)!

Die genaue Menge Wasserstoffperoxid ist unkritisch, bestimmt aber, wie lange die Säure an einer Stelle arbeiten kann. Meistens muss man noch mehrmals etwas Wasserstoffperoxid nachschütten, bevor die Platine wirklich komplett fertig ist, da es im Ätzvorgang verbraucht wird.

In kürzester Zeit wird die Säure das gewünschte Layout aus der Kupferoberfläche der Platine herausfressen, während sich das Ätzbad zunehmend grün färbt.

Nun entscheidet sich, ob Belichtung und Entwicklung erfolgreich waren und die Farbe auf der Platinenoberfläche die entsprechenden Kupferpartien vor der Säure beschützen kann.

Die Schale sollte übrigens leicht hin- und hergeschwenkt werden, um einen etwas gleichmäßigeren Ätzvorgang zu erreichen.

Die Platine darf in kleinen Intervallen kurz mit der Pinzette (richtig, Platine wieder nur am Rand fassen!) herausgenommen werden, um den Ätzfortschritt und die Qualität der Leiterbahnen zu begutachten. Ist die Platine fertig, darf und sollte diese sofort gereinigt werden, was im nächsten Schritt beschrieben wird.

Das Ätzbad kann mehrere Male verwendet werden, wird aber nach öfterem Benutzen unbrauchbar. Die korrekte Aufbewahrung und Entsorgung des gefährlichen Ätzbads ist sehr wichtig und wird im übernächsten Schritt (7) erläutert.

6. Reinigen

Die Platine wird nun mit einer Pinzette (!!!) vorsichtig aus dem Ätzbad entnommen, in ein paar Lagen Küchenpapier eingewickelt und in die Küche unter den Wasserhahn transportiert. Dort wäscht man sie zuerst gründlich unter fließendem Wasser ab (hier lege ich meine Schutzhandschuhe meist schon ab), um sie von Säureresten zu befreien.

(Auch die Ätzschale wird entsprechend gereinigt und darf dann wieder im Regal verstaut werden.)

Nun kann mithilfe eines Küchenschwammes und Wasser (Achtung, rauht die Oberfläche an) oder Aceton und eines Lappens (hier gilt man allerdings sofort als Terrorist) die Platinenoberfläche vom gehärteten Entwickler befreit werden, sodass das blanke Kupfer zum Vorschein kommt.

Die Platine ist nun fertig. Vom Bohren und Bestücken mal abgesehen, versteht sich.

7. Aufbewahrung

Die Lagerung des Entwicklerbads im verschließbaren Plastikbottich wurde bereits in Schritt 3 erläutert.

Die Aufbewahrung des Ätzbads hingegen ist etwas kritischer. Hier muss unbedingt ein säurebeständiges Gefäß verwendet werden. Ich persönlich verwende eine alte Plastikflasche, in der vorher 37%ige Salzsäure lagerte. In den Plastikdeckel der Flasche muss unbedingt ein kleines Loch gepiekst werden, denn die Säure entwickelt auch nach dem Gebrauch in der Ätzschale noch Gase, die in der Flasche einen gefährlichen Überdruck aufbauen würden.

Das Säuregefäß ist in jedem Falle ausreichend zu kennzeichnen und absolut sicher, unzugänglich für Kinder, aufzubewahren. Erwachsene Personen im Haushalt bitte aufklären, damit das Zeug nicht mit einem Mal in der Toilette landet ("Ich hab da so ne olle Pulle mit Brackwasser gefunden und weggeschmissen...").

8. Entsorgung

Die Entsorgung der Entwicklerlösung ist recht unkritisch. Sie muss lediglich ausreichend verdünnt werden und darf dann in die Kanalisation gegeben werden.

Entsorgen möchte man auch seine Ätzlösung z.B., wenn sie verbraucht ist und nicht mehr effektiv ätzt. Also weg damit. Aber auf keinen Fall in die Toilette, und auch nicht in den Wald oder Muttis Blumenbeet!

In manchen Städten gibt es ein Schadstoffmobil, welches herumfährt und kostenlos Giftmüll einsammelt. Wer in einer entsprechenden Stadt lebt, hat es natürlich leicht und muss nur auf besagtes Plörretaxi warten.

In meiner Stadt (Uelzen) gibt es soetwas nicht; hier muss man sich selbst ins Auto schwingen und seinen Behälter beim örtlichen Wertstoffhof persönlich abgeben. Achtung: Das sind alles Behören, machen also zeitig Feierabend. Am besten vorher einmal durchrufen, bevor man mit seinem Schadstoffbehälter in der Hand  vor geschlossenen Toren steht.

Der Behälter muss vor dem Abgeben in jedem Falle ausreichend gekennzeichnet (Inhaltsstoffe, Warnsymbole) und, wie in 6. ("Aufbewahrung") geschildert, entsprechend verschlossen sein. Sind diese Bedingungen erfüllt, sollte es problemlos möglich sein, sich an den oben genannten Stellen seiner Ätz-Altlasten zu entledigen.

Wer jedoch meint, seine Giftmülle nicht fachgerecht entsorgen lassen zu müssen und/oder zu faul ist, zum Wertstoffhof zu fahren, der hat das Ätzen bleiben zu lassen und darf sich per Google einen Platinendienst suchen. Danke!