Presensitized PCBs: Der definitive Design- & Fertigungsleitfaden

Was ist ein Presensitized PCB?

Eine PCB, auch als gedruckte Leiterplatte bekannt, erfüllt zwei Hauptzwecke für die Funktion automatisierter Geräte: Sie dient als Montageplatz für Komponenten und stellt die elektrische Konnektivität zwischen den Komponenten her.

Es gibt derzeit verschiedene Arten von PCBs auf dem Markt. Was sind aber presensitized PCBs? Konventionelle PCBs und presensitized PCBs. Ein presensitized PCB ist eine werkseitig gefertigte oder professionell hergestellte PCB, deren Oberfläche mit einer photoempfindlichen Emulsion beschichtet ist.

Heute verwendet fast jedes elektronische Produkt, das auf dem Markt erhältlich ist, presensitized PCBs. Presensitized PCBs gehören zu den am häufigsten verwendeten elektronischen Geräten in zahlreichen aktuell verkäuflichen elektronischen Komponenten.

Design- und Fertigungsprozess

Denken Sie darüber nach, Ihre PCB so zu erstellen oder aufzubauen, wie es professionelle Unternehmen tun? Vielleicht haben Sie ein Elektronikprojekt im Sinn. Wenn ja, dann entspannen Sie sich, denn Sie sind auf der richtigen Seite gelandet. Folgend finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Erstellung Ihrer eigenen PCB-Platine. Legen wir los!

2.1 Benötigte Materialien (Items to Buy)

Fühlen Sie sich bereit genug, Ihr presensitized PCB zu erstellen? Falls ja, gibt es mehrere Dinge, die Sie kaufen müssen. Hier ist eine Aufschlüsselung dessen, was Sie benötigen:

• Belichtungskasten (Exposure box)
• Bohrer (Drill bits)
• FeCl₃ (Eisen(III)-chlorid)
• NaOH (Natriumhydroxid)
• Schutzbrille (Goggles)
• Zinnlösung (Tin solution)
• Presensitized Epoxidharz (Presensitized epoxy)
• Netzteil (Power supply)
• Staubmantel (Dust coat)
• Timer
• Eimer für Chemikalien (Buckets for chemicals)
• Lötzinn (Solder)

2.2 PCB zeichnen (Draw your PCB)

Angenommen, Sie haben die Designvorstellung, wie Ihr fertiges Produkt (presensitized PCB) aussehen soll, können Sie zum nächsten Schritt übergehen. Falls nicht, lesen Sie weiter.

In den meisten Fällen wird Proteus-Software zum Zeichnen von PCBs verwendet, aber die Fritzing-Software ist eine großartige Alternative, um die gleiche Funktion zu erreichen, falls Sie Proteus nicht haben. Der Vorteil ist dann, dass sich das gezeichnete Design einfach in eine .pdf-Datei exportieren lässt.

Viele bevorzugen den Export in PDF-Dateien, da eine PDF-Datei die echte Größe beibehält. Das bedeutet: Wenn Sie Ihre Daten im Maßstab 1:1 anlegen, brauchen Sie nach dem Drucken keine Skalierungsprobleme zu befürchten.

2.3 Artwork-Druck (Artwork Printing)

Da die transparenten Folien nun Ihr PCB-Design enthalten, müssen Sie sicherstellen, dass Sie mindestens drei Kopien Ihres gewünschten Artworks drucken. Warum? Dadurch sichern Sie bessere Ergebnisse, da die Deckkraft korrekt für den nächsten Schritt ist.

Es kann notwendig sein, Ihr Bild zu spiegeln, um sicherzustellen, dass alle Texte korrekt auf den transparenten Folien erscheinen. Um sicherzugehen, dass Sie den gewünschten Schaltkreis drucken, müssen Sie möglicherweise nur Top Layer, Dimension, Vias und Pads aktivieren.

Nach korrekter Ausführung des obigen Schritts ist das Layout nun bereit für die weitere Bearbeitung.

2.4 Chemikalien-Einrichtung (Chemical Setup)

Die Chemikalieneinrichtung ist einer der kritischsten Schritte, bei dem Sie äußerste Vorsicht walten lassen müssen. Hier müssen Sie sicherstellen, dass Sie Schutzhandschuhe und -brille tragen und Ihr Arbeitsbereich gut belüftet ist.

Warum diese Vorsichtsmaßnahmen? An diesem Punkt handhaben Sie starke Säuren und Basen, von denen einige schneller verdunsten als andere. Da ein Eisenchlorid-Fleck schwer zu reinigen ist, sollten Sie während dieses Verfahrens einen Laborkittel tragen.

Nach Abschluss des obigen Schritts können Sie eine weitere Eisen(III)-chlorid-Lösung (FeCl₃) vorbereiten. Wenn Sie die Reaktion beschleunigen wollen, können Sie die Reaktion von Kupfer und Säure (FeCl₃) katalysieren. Ohne Katalysator können die Ergebnisse etwas enttäuschend ausfallen.

Zuletzt müssen Sie ein Wasserbad einrichten; ein Destillatwasserbad ist vorzuziehen, um Ihre PCB zwischen allen Schritten zu waschen. Sie sollten saugfähiges Papier bereithalten, da Sie eventuell überschüssiges Wasser von Ihrer PCB abtropfen lassen müssen.

2.5 PCB-Belichtung (PCB Exposure)

Der UV-Belichtungskasten muss eingerichtet werden. Dies blockiert UV-Strahlen daran, die schwarzen Linien Ihres Designs zu durchdringen. Danach befestigen Sie Ihr erstes Artwork sorgfältig mit Klebeband an der Scheibe. Anschließend fügen Sie die restlichen Designs hinzu, was die Gesamtdeckkraft verbessert.

Nach Abschluss arbeiten Sie mit einem photosensitiven Harz, was erfordern kann, dass Ihr Arbeitsplatz ein Bereich mit reduzierter Helligkeit ist.

Mit großer Vorsicht ziehen Sie die Schutzfolie der PCB ab, während Sie die empfindliche Seite positionieren und diese mit Klebeband an einer Stelle befestigen. Stellen Sie sicher, dass Sie sie alle mit der empfindlichen Seite zu den UV-Röhren in den Belichtungskasten legen. Vergessen Sie nicht, ihn zu verschließen.

Danach stellen Sie den Timer auf 2' bis 2'30'' ein und überschreiten diesen Bereich nicht. Während dieser Zeit tragen Sie Handschuhe. Sobald die Zeit abgelaufen ist, schalten Sie den Belichtungskasten aus und entnehmen Ihre PCB.

2.6 PCB-Entwicklung (PCB Development)

Bei diesem Schritt legen Sie Ihre PCB so schnell wie möglich in ein Natriumhydroxid-Bad (NaOH) mit der empfindlichen Seite nach oben. Sofort erscheint eine blau-violette Farbe, manchmal auch grau.

Schütteln Sie das Bad vorsichtig, sodass das Design nach ca. 30″ bis 60″ sichtbar wird. Danach legen Sie die PCB in das Wasserbad und spülen sie ab.

2.7 Presensitized PCB – Ätzen (Engraving Your PCB)

Hier ist die Photosensitivität Ihrer PCB nicht mehr minimal, und Sie können das Licht bedenkenlos einschalten. Platzieren Sie Ihre PCB mit der Kupferschicht nach oben in das FeCl₃-Säurebad und schwenken Sie es vorsichtig.

Die Lösung muss in Bewegung sein, um die Reaktion zu ermöglichen. Nach ca. 20′ bis 40′ – abhängig von der Wassertemperatur des Bades – löst sich die Kupferoberfläche auf. Entfernen Sie die PCB sofort, spülen Sie sie in einem separaten Wasserbad und lassen Sie sie trocknen.

2.8 Presensitized PCB – Waschen (Washing of your PCB)

Das noch auf dem Schaltkreis haftende Harz muss abgekratzt werden. Um dies leichter zu machen, legen Sie die PCB langsam in ein Acetonbad. Wenn Sie aufmerksam sind, werden Sie bemerken, dass das Aceton gelb wird.

Nach ca. 10″ bis 20″ wird das verbleibende Kupfer freigelegt. Legen Sie die PCB nun vorsichtig in Wasser und schrubben Sie sie.

2.9 Presensitized PCB – Verzinnen (Tinning Your PCB)

Verzinnen ist optional und Sie können es weglassen. Dennoch sollten Sie es tun, da es nützlich ist, besonders wenn Sie Ihre Bauteile löten und Korrosionsschäden an Ihrer PCB vermeiden möchten.

Dafür legen Sie die fast fertige PCB in ein leeres Bad und bestreuen sie vorsichtig mit einer Zinn(II)-chlorid-Lösung.

Haben Sie den obigen Schritt abgeschlossen? Dann haben Sie eigenhändig ein presensitized PCB hergestellt, das einsatzbereit ist.

2.10 PCB bohren (Drill the PCB)

Sie sollten einen Ständerbohrer in Kombination mit einem 0,8-mm-Bohrer verwenden, um alle Löcher in Ihrer PCB zu bohren. Es gibt jedoch einige Fälle, in denen der 0,8-mm-Bohrer im Vergleich zu den hindurchzuführenden Komponenten nicht ganz ausreicht.

Falls Sie auf das obige Szenario stoßen, geraten Sie nicht in Panik. Solche Fälle sind häufig. Wenn das Bauteil zu groß für das Loch ist, hilft ein 1,2-mm-Bohrer, das erste Loch in Ihrer PCB zu erweitern. Auch hier ist Vorsicht geboten.

Wie man Presensitized PCBs ätzt

PCB-Ätzen ist einer der wichtigsten Schritte in der chemischen Verarbeitung subtraktiver PCBs. Dieser Prozess besteht in der Entfernung von Kupfer, um die gewünschten Schaltkreismuster zu erreichen. Beim PCB-Ätzen sollten Sie alles Kupfer entfernen, außer den Schaltkreisen, die durch die Zinnbeschichtung geschützt sind und deren Anwendung in der vorherigen Behandlung der PCB-Fertigung entscheidend ist.

Das Ätzen von presensitized PCBs kann zu einer der kompliziertesten Aufgaben werden, aber in Wirklichkeit ist es nicht so schwierig, wie Sie sich vorstellen. Nachdem Sie alle Materialien gesammelt haben, drucken Sie das Layout und beginnen mit dem Drucken Ihres Schaltkreislayouts. Um sicherzustellen, dass alles wie gewünscht herauskommt, müssen Sie das Design möglicherweise auf ein transparentes Material wie Acetat schreiben.

Der Druck auf Acetat muss mit einem Laserdrucker erfolgen, nicht mit einem gewöhnlichen Tintenstrahldrucker, den viele bevorzugen. Das Gute an Laserdrucker-Toner auf Acetat ist, dass er nicht klebt und keine unerwünschten Ergebnisse liefert.

Toner von Laserdruckern erledigt den Job ebenfalls gut. Falls Sie zu Hause keinen Laserdrucker haben, können Sie nach dem nächsten Kopierladen suchen und nach einem Acetat-Kopieren fragen.

Lokale Ätzlösungen wie Eisen(III)-chlorid liegen als Pulver oder Lösung vor. Der Entwickler kommt als Pulver, das Sie mit warmem Wasser auflösen müssen – hier haben Sie einen universellen PCB-Entwickler! Bei Staub wenden Sie denselben Prozess mit dem Entwickler an, und nach Abschluss ist Ihre Platine bereit.

Presensitized PCB – UV-Photoresist

Der ultraviolette Photoresist ist eines der wichtigsten Merkmale in der Trockenfilm-Entwicklung. Das ist eine unkomplizierte chemische Reaktion, die durch UV-Licht ausgelöst oder initiiert wird, daher der Name UV-aktivierter Photoresist.

Der gesamte Prozess beginnt mit der Beschichtung des Substrats mit einem lichtempfindlichen organischen Material. Ein Lösungsmittel, allgemein als Entwickler bekannt, wird dann sorgfältig auf die Oberfläche aufgetragen. Danach wird ein gemustertes Material langsam und sorgfältig auf die Oberfläche aufgebracht, um Licht zu blockieren, was sicherstellt, dass nur die unmaskierten Bereiche der PCB dem Licht ausgesetzt sind.

Bei einem positiven Photoresist-Ereignis wird ein photosensitives Material durch Licht abgebaut. Der Entwickler löst die belichteten Bereiche auf und hinterlässt eine Beschichtung auf dem Bereich, der die Maske hatte. Bei einem negativen Photoresist wird das photosensitive Material durch Licht gehärtet. Der Entwickler löst die nicht belichteten Bereiche auf und hinterlässt eine Beschichtung in Bereichen, wo die Maske keine Reichweite hatte.

Viele presensitized PCBs und andere Trockenfilm-Entwickler nutzen dasselbe Prinzip. Die Platine wird mit einem bestimmten blauen oder ähnlichen Farbton-Pigment-Tinte beschichtet, die während der Lagerung im Dunkeln stabil ist und positiv auf eine mit ihr gemischte Aktivatorlösung reagiert, wenn sie UV-Licht ausgesetzt wird. Die Reaktion bewirkt eine vollständige Ablagerung der Tinte auf der PCB, die die Rolle eines Photoresists spielt.

Presensitized PCB – Vorteile von Presensitized PCBs

Mehrere Vorteile sind mit presensitized PCBs verbunden, was sie zur perfekten Wahl für viele Hersteller oder Produzenten von elektronischen Instrumenten, Geräten und Komponenten überall macht. Die Vorteile von presensitized PCBs sind wie folgt:

• Kompakt und drahtsparend – Presensitized PCBs zeichnen sich durch Verbindungen zwischen Komponenten über Kupferbahnen statt durch mehrere Kabel aus, die Strom führen. Die Verbindungen sind weniger voluminös.
• Einfache Reparatur – Bei Defekt sind presensitized PCBs sehr einfach zu prüfen und defekte Komponenten gezielt auszutauschen. Die elektronischen Bauteile und ihre Polaritäten sind korrekt designed und deutlich auf der Platine beschriftet.
• Zeitersparnis bei der Montage – Traditionelle PCBs brauchen viel Zeit für die Bauteilverbindung. Presensitized PCBs benötigen deutlich weniger Zeit, weshalb viele sie bevorzugen.
• Erschütterungsunempfindlich – Die meisten Bauteile in presensitized PCBs haben einen festen Halt auf der Platine. Durch das Lötzinn, das Bewegung verhindert, bleiben sie stabil.
• Hohe Zuverlässigkeit – In puncto Zuverlässigkeit und Leistung bieten presensitized PCBs einige der besten Ergebnisse, weshalb viele Elektrohersteller sie konventionellen PCBs vorziehen.

Fazit

In letzter Zeit gibt es einen überwältigenden Anstieg in der Verwendung von presensitized PCBs. Erstens ist die Herstellung dieser Geräte nicht so kompliziert, wie es klingen mag, sofern man alle notwendigen Schritte sorgfältig von Anfang bis Ende befolgt. Neben Design und dem gesamten Fertigungsprozess von presensitized PCBs gibt es mehrere Vorteile, wie bereits erwähnt, weshalb so viele Elektronikhersteller weltweit sie konventionellen PCBs vorziehen. Presensitized PCBs können ein perfektes Testboard für Experimente sein, basierend auf niedrigen Kosten und wenigen Fertigungsschritten. Wir bei WellPCB sind sehr daran interessiert, mit Ihnen zusammenzuarbeiten und Ihre Presensitized-PCB-Bestellung auszuliefern!