PCB-Ätzen: So ätzen Sie eine Leiterplatte

Um das kupferkaschierte Laminat einer leeren Leiterplatte in eine funktionsfähige elektronische Schaltung zu verwandeln, muss unerwünschtes Kupfer sorgfältig entfernt werden, sodass nur die gewünschten Leiterbahnen und Pads übrig bleiben. Dieser wichtige Fertigungsschritt wird als PCB-Ätzen oder Leiterplattenätzen bezeichnet. Er stellt einen entscheidenden Schritt bei der Leiterplattenherstellung dar und überträgt das PCB-Layout in eine physische Form. 

Während industrielle Hersteller auf komplexe chemische Ätzgeräte zurückgreifen, können Bastler einfache Platinen zu Hause mit kostengünstigen Materialien ätzen. 

Dieser umfassende Leitfaden behandelt alles rund um das Ätzen von Leiterplatten – die wesentliche Aufgabe, eine inerte Platte in das Verdrahtungsrückgrat eines elektronischen Geräts umzuwandeln. 

In den nächsten Minuten besprechen wir verschiedene Methoden, Verfahren und Phasen des Herstellungsablaufs zum Ätzen von PCBs, Sicherheitsmaßnahmen beim Umgang mit Chemikalien und geben Tipps zur Behebung häufiger Ätzprobleme. 

Also gut, fangen wir an, ja? 

Was ist PCB-Ätzen?

Beim PCB-Ätzen wird selektiv Kupfer aus dem Laminat entfernt, sodass nur das gewünschte Leiterbahnmuster und die Pads übrig bleiben. Dadurch wird die kupferkaschierte Rohplatte in eine funktionsfähige Leiterplatte umgewandelt. 

Beim Ätzen werden Chemikalien verwendet, um die unerwünschte Kupferfolie aufzulösen und gleichzeitig die Bereiche abzudecken, damit sie intakt bleiben.

Die gängigste Ätztechnik basiert auf der Fotolithografie. Dabei wird ein ultraviolett-empfindlicher Fotolack auf die Leiterplattenschicht aufgetragen, bevor ein Fotowerkzeugfilm mit dem gewünschten Schaltungslayout verwendet wird.
 
Durch Lichteinwirkung wird der Resist vernetzt und gehärtet, während unbelichtete Bereiche löslich bleiben. Durch die chemische Entwicklung werden diese löslichen Bereiche weggespült, sodass eine schützende Resistmaske zurückbleibt, die die gewünschten Kupferstrukturen abschirmt.

Anschließend wird die Leiterplatte mit flüssigen Ätzmitteln wie Eisenchlorid oder Ammoniumpersulfat geätzt, wodurch das gesamte freiliegende Kupfer entfernt wird. Abschließend wird durch Entfernen der verbleibenden Fotolackmaske das gewünschte Leiterbild freigelegt, das dem ursprünglichen Schaltungslayout entspricht. 

Die geätzte Platine kann anschließend gebohrt, galvanisiert, mit einer Lötmaske versehen und weiteren Fertigungsschritten unterzogen werden. Das Ätzen trägt dazu bei, die Kupferfolie in das eigentliche Grundgerüst der Schaltungsverdrahtung umzuwandeln.

Arten des PCB-Ätzens

Es gibt zwei Hauptkategorien für PCB-Ätzverfahren: Nassätzen und Trockenätzen. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile. 

Die Wahl der richtigen Ätztechnik hängt vom Typ der Leiterplatte, der gewünschten Auflösung und Linienbreite, der Materialverträglichkeit, den Kosten und Umweltaspekten ab.

Nassätzen

Beim Nassätzen wird die kupferkaschierte Laminat-Leiterplatte in eine chemische Ätzlösung getaucht, die das unerwünschte Kupfer entfernt und nur die geschützten Leiterbahnen und Pads zurücklässt. Es handelt sich um ein kostengünstiges Verfahren, das häufig für die Leiterplattenproduktion in großen Stückzahlen eingesetzt wird. 

Die zwei Haupttypen von Nassätzlösungen sind saure und alkalische.

1. Säureätzen

Beim sauren Ätzen ist Eisenchlorid (FeCl3) das am häufigsten verwendete Ätzmittel in Industrie und Hobby. Es löst Kupfer aggressiv und isotrop auf, d. h. es ätzt gleichmäßig in alle Richtungen. Daher eignet sich Eisenchlorid gut zum Ätzen komplexer Konturen und von Leiterplatten mit Innenlagen.

Weitere saure Lösungen sind Ammoniumpersulfat, Wasserstoffperoxid/Schwefelsäure und Kupferchlorid. Ihr isotropes Ätzen ermöglicht eine hohe Unterätzungskontrolle, kann aber bei mangelnder Überwachung zu einer Verdünnung der Leiterbahnen führen. Ein großer Nachteil saurer Ätzmittel ist ihre Umweltgiftigkeit, die eine ordnungsgemäße Entsorgung erfordert.

2. Alkalisches Ätzen

Alkalische Ätzmittel wie Natriumpersulfat und Ammoniumhydroxid ätzen Kupfer anisotrop, wodurch vertikale Seitenwände für eine präzise Musterübertragung entstehen. Dies ermöglicht eine feinere Strukturdefinition mit Linienbreiten und Abständen bis zu 25 μm. Alkalische Lösungen ätzen langsamer, bieten aber eine bessere Ätzkontrolle.

Da alkalische Ätzmittel in eine Richtung ätzen, ist für eine gleichmäßige Ätzung der gesamten Leiterplatte oft eine Bewegung durch Luftblasen erforderlich. Alkalische Ätzmittel sind weniger giftig als saure. Eine neutralisierende Spülung nach dem Ätzen bereitet die Leiterplatte auf Lötmasken- und Beschichtungsprozesse vor.

Das nasschemische Ätzen erzeugt zwar gefährliche Abfälle, ermöglicht aber das effektive Ätzen dünner Kupferschichten bis zu einem Gewicht von 1 g. Im Vergleich zum Trockenätzen von Leiterplatten ist es ein einfacherer Prozess.

Trockenätzung

Beim Trockenätzen wird anstelle flüssiger Ätzmittel Gasplasma oder Laserablation zum Entfernen von Kupfer verwendet. 

Es bietet eine höhere Präzision und Effizienz als das herkömmliche Nassätzen und eignet sich daher gut für HDI-Leiterplatten, die feine Geometrien erfordern. 

Allerdings ist das Trockenätzen aufgrund der gemusterten Masken und der dafür erforderlichen Ausrüstung wesentlich teurer.

1. Plasmaätzen

Beim Plasmaätzen wird das kupferkaschierte Laminat in eine mit Glimmentladungsplasma geflutete Vakuumkammer gelegt. Wenn die reaktiven Ionen des Plasmagases auf das Substrat treffen, greifen sie die freiliegenden Kupferbereiche chemisch an.

Beim Plasmaätzen können Sauerstoff, Schwefeldioxid, Chlor oder Fluorgase verwendet werden. Das Plasma ermöglicht hochanisotropes Ätzen zur Erzeugung vertikaler Seitenwände. Durch die Steuerung von Parametern wie Leistung, Druck und Dauer ist eine Ätzauflösung unter zehn μm möglich.

Der Hauptnachteil besteht darin, dass Plasma die Fotolackmasken beschädigen kann, was die Prozessflexibilität im Vergleich zum Nassätzen einschränkt. Komplexe Abgasbehandlungssysteme sind außerdem erforderlich, um giftige Nebenprodukte herauszufiltern.

2. Laserätzung

Die Laserablation bietet eine maskenlose Methode zur direkten Kupferstrukturierung mithilfe eines hochfokussierten Laserstrahls. Der intensive Laser erhitzt die Kupferschicht lokal, um Teile davon sauber zu verdampfen.

Präzise Bewegungen des Lasersystems ermöglichen das Ätzen von geraden Linien und Löchern bis zu 25 μm oder weniger, falls erforderlich. Der Prozess verursacht minimale Oberflächenschäden und vermeidet die Entstehung flüssiger Abfälle.

Allerdings ist das serielle Schreiben mit dem Laser langsamer als parallele fotolithografische Prozesse. Lasersysteme sind komplex, und die zonenweise Ablation kann zu ungleichmäßigem Ätzen der Leiterplatte führen. Thermische Einwirkung kann zudem Mikrorisse in dielektrischen Schichten verursachen.

Obwohl das Trockenätzen eine hervorragende Ätzqualität verspricht, erfordert es erhebliche Investitionen. Das nasschemische Ätzen bleibt die praktikabelste Option für die alltäglichen Anforderungen des PCB-Prototypings und der PCB-Produktion. 

Und natürlich können Hybridmethoden, die Nass- und Trockenätzen kombinieren, die Flexibilität und Präzision bieten, die für die Elektronik der Zukunft erforderlich ist.

In welcher Phase der Leiterplattenherstellung erfolgt das Ätzen von Leiterplatten?

Das Ätzen von Leiterplatten ist der entscheidende Schritt, bei dem das Schaltungslayout durch chemisches Entfernen unerwünschter Kupferbereiche physisch auf die Kupferschicht übertragen wird. Dies erfolgt nach der fotolithografischen Musterübertragung, aber vor der Endbearbeitung.

Der Weg vom PCB-Design zur fertigen Platine umfasst über ein Dutzend Fertigungsschritte. Die Schritte bis zum Ätzen der Leiterplatte sind:

● Design: Ingenieure erstellen das PCB-Layout in CAD-Software und geben dabei Leiterbahnen, Komponenten, Lochgrößen usw. an.
● Filmgeneration: Die CAD-Ausgabe wird verwendet, um einen hochauflösenden Fotomaskenfilm zu erstellen, der das Layout in undurchsichtigen und klaren Mustern definiert.
● Untergrundvorbereitung: Der kupferkaschierte Laminat-Leiterplattenrohling wird auf die richtige Dicke bearbeitet und für Durchkontaktierungen gebohrt.
● Oberflächenbehandlung: Die Leiterplatte wird gereinigt, gekörnt und anderen Oberflächenbehandlungen unterzogen, um die Haftung des Fotolacks zu verbessern.
● Fotolackanwendung: Ein lichtempfindliches Polymerresistmaterial wird durch Sprüh- oder Walzenbeschichtung gleichmäßig auf das Substrat aufgetragen.
● Vorbelichtungsbacken: Die Leiterplatte wird gebrannt, um Feuchtigkeit und Lösungsmittel aus der flüssigen Fotolackbeschichtung zu entfernen.
● Ausdruck: Der Layoutfilm wird präzise auf der Leiterplatte ausgerichtet und intensivem ultraviolettem Licht ausgesetzt. Das Licht härtet oder erweicht den Resist selektiv.
● Entwicklung: Je nachdem, ob ein positiver oder negativer Fotolack verwendet wird, werden entweder belichtete oder unbelichtete Bereiche durch die Entwicklerlösung weggelöst.

An diesem Punkt werden Kanäle und Pads aus blankem Kupfer auf der Leiterplatte freigelegt, während der Fotolack noch Teile der Oberfläche abschirmt. Nun kann die Leiterplatte geätzt werden, um das freiliegende Kupfer zu entfernen.

Zu den Schritten nach dem Ätzen gehören:

● Fotolack-Stripping: Die restliche Resistbeschichtung wird durch chemisches Stripping entfernt, wodurch ein makelloses Kupferschaltkreislayout zurückbleibt.
● Leitfähige Schichtbeschichtung: Verbindungslöcher/Vias werden plattiert, um leitfähige Pfade zwischen den Schichten zu bilden.
● Lötstopplackbeschichtung: Die Montagebereiche sind zum Schutz vor Lötbrücken und Umweltkorrosion maskiert.
● Legendendruck: Umrisse, Etiketten und Markierungen der Komponenten werden im Siebdruckverfahren aufgedruckt, um die Leiterplattenmontage zu erleichtern.

Das Ätzen der Leiterplatte ist der entscheidende Schritt, um das gewünschte Schaltungslayout durch präzises Entfernen überschüssigen Kupfers auf die leitfähige Kupferschicht zu übertragen. Es erfolgt nach der fotolithografischen Übertragung, aber vor der endgültigen Fertigstellung der Leiterplatte.

So ätzen Sie eine Leiterplatte (DIY-Leiterplattenätzen)

Durch Ätzen kann ein Schaltungslayout auf die Kupferschicht eines Leiterplattenrohlings übertragen werden, indem unerwünschte Kupferbereiche, die nicht durch einen Ätzresist geschützt sind, selektiv entfernt werden. 

Während beim kommerziellen Ätzen von Leiterplatten komplexe fotolithografische Geräte zum Einsatz kommen, können auch beim Ätzen zu Hause mit einfachen Techniken hochwertige Leiterplatten hergestellt werden. 

Befolgen Sie diese wichtigen Schritte zum Ätzen einer Leiterplatte:

Schritt 1: Schaltungslayout entwerfen 

Erstellen Sie das Leiterbahnlayout manuell oder mit EDA-Software wie Eagle, KiCad oder Fritzing. Planen Sie Padgrößen, Leiterbahnbreiten, Lochgrößen usw. entsprechend den Anforderungen der Schaltung. Ausgabe von Gerber-Dateien für die Leiterplattenfertigung.

Schritt 2: Layoutmuster drucken 

Beim Tonertransferverfahren drucken Sie das Layout auf eine Laserdrucker-Folie. Beim fotochemischen Ätzen drucken Sie das Layout auf eine hochauflösende Filmfotomaske. Richten Sie den Film mit der Emulsionsseite nach unten auf Kupfer aus, um das Muster später zu übertragen.

Schritt 3: Kupferkaschiertes Laminat vorbereiten

Wählen Sie eine glasfaserverstärkte Kupferfolie mit der passenden Größe von 1⁄4 oz bis 2 oz Kupfergewicht. Schrubben Sie die Kupferfolie leicht mit Stahlwolle oder feinem Schleifpapier ab, um Oxidation zu entfernen, und reinigen Sie sie anschließend mit Isopropylalkohol. Alternativ können Sie freiliegendes Kupfer mit einer flüssigen Verzinnungslösung beschichten.

Schritt 4: Layout auf Kupfer übertragen 

Für den Tonertransfer die Folie mit der Tonerseite nach unten auf die gereinigte Kupferfolie kleben. Verwenden Sie Zeitschriftenseiten zur Druckverteilung. Bügeln Sie das Papier 3–5 Minuten lang auf höchster Stufe und ziehen Sie die Folie anschließend ab. Für die fotochemische Ätzung verwenden Sie ein UV-Belichtungsgerät.

Schritt 5: Ätzen der Platte in Eisenchlorid 

Mischen Sie Eisenchlorid-Ätzmittel gemäß dem Datenblatt des Herstellers und tauchen Sie die Platine in den gerührten Ätzbehälter. Die benötigte Zeit beträgt 30–60 Minuten, um das Kupfer aus offenen Bereichen vollständig zu entfernen, sodass nur noch Toner- oder UV-gehärtete Resist-geschützte Spuren zurückbleiben.

Schritt 6: Spülen und trocknen 

Nehmen Sie die Platine aus dem Ätzbad und spülen Sie die restlichen Chemikalien gründlich unter fließendem Wasser ab. Tupfen Sie die Platine mit einem saugfähigen Tuch trocken oder trocknen Sie sie bei Raumtemperatur. Überprüfen Sie die vollständige Ätzung des Kupfers visuell.

Schritt 7: Löcher bohren 

Wenn das Design Pad-Löcher oder Durchkontaktierungen aufweist, bohren Sie mit einer kleinen Bohrmaschine Löcher an den markierten Kreuzungspunkten. Entgraten Sie die Löcher vollständig.

Schritt 8: Resist entfernen 

Entfernen Sie mit Aceton getränkte Wattebäusche die trockenen Resistrückstände von Toner oder Fotolack, wodurch das fertige Kupfermuster sichtbar wird, das für die Installation der Komponenten benötigt wird.

Die geätzte Platine dient als Grundlage für das Hinzufügen von Pads, plattierten Löchern, Lötmasken und Siebdruck, wodurch sie in eine funktionsfähige Leiterplattenbaugruppe umgewandelt wird.

Obwohl das chemische Ätzen zu Hause zeitaufwändig ist, bietet es einen kostengünstigen DIY-Prozess zum Prototyping von Leiterplatten, bevor in die Herstellung großer Mengen von Leiterplatten investiert wird, um Produktideen zum Leben zu erwecken. 

Mit etwas Übung lassen sich hochpräzise Leiterplatten auch zu Hause ätzen. Das Verständnis der oben beschriebenen Schritte sollte Ihnen helfen, die Parameter für eine verbesserte Layoutübertragung und optimale Ätzqualität zu optimieren.

Hier ist eine vollständige Anleitung zum DIY-Ätzen von Leiterplatten zu Hause:

Häufige Probleme beim Ätzen von Leiterplatten

Während das Ätzen von Leiterplatten die Übertragung von Layoutmustern auf die Kupferschicht ermöglicht, können verschiedene Verarbeitungsfehler auftreten, die zu Ätzfehlern führen. 
Wenn Sie wissen, was schiefgehen könnte, können Sie den Ätzprozess leichter beheben und optimieren. 

Hier sind sieben häufige Probleme, die beim Ätzen von Leiterplatten auftreten können:

Unterschneiden 

Dies bezeichnet übermäßiges seitliches Ätzen aufgrund isotropen Ätzverhaltens. Dies führt zu schmaleren Leiterbahnbreiten und schlechter Auflösung. Der Einsatz alkalischer Ätzmittel, kontrollierter Rührgeschwindigkeit und optimaler Zeitsteuerung reduziert Unterätzungen.

Überschneiden 

Ist die verwendete Ätzlösung zu stark oder die Ätzzeit zu lang, greift sie die Resistschicht an, was zu Ätzdefekten auf der Leiterplatte über die Strukturgrenzen hinaus führt. Die Überwachung der Ätzraten und eine visuelle Inspektion gewährleisten ein optimales Ergebnis ohne Überätzung.

Lochfraß und Nadellöcher 

Raue Kupferoberflächen mit Dellen, Kratzern oder Verunreinigungen werden schneller geätzt, was nach dem Ätzen zu löchrigen Kupferoberflächen führt. Eine ordnungsgemäße Oberflächenvorbereitung der Leiterplatte durch Entschmieren und Metallbürsten minimiert ungleichmäßiges Ätzen.

Kupferkerben 

Einkerbungen entstehen, wenn Rückstände aus der Resistentwicklung schneller geätzt werden als Kupfer. Dadurch entstehen Kerben und Hohlräume an den Leiterbahnkanten. Eine vollständige Entwicklung zur Entfernung von Rückständen verhindert Einkerbungen.

Gebrochene Spuren

Mechanische oder handhabungsbedingte Belastungen können dünne Kupferleiterbahnen nach dem Ätzen ablösen. Ebenso können kleine Löcher oder Kerben in der Resistschicht das Kupfer vorzeitigem Ätzen aussetzen. Schonende Handhabung und einwandfreier Resistauftrag erhalten die intakten Leiterbahnen.

Zelten

Liegen zwei Kupferflächen eng beieinander, bildet das Resistmaterial oft eine Brücke zwischen ihnen. Beim Ätzen wird Kupfer unter dem Resist-Zelt eingeschlossen, was zu Kurzschlüssen führen kann. Durch ausreichende Belichtung werden saubere Öffnungen geschaffen.

Fehlstarts und fehlende Pad-Verbindungen

Unvollständige Übertragung oder verstopfte Düsen führen zu fehlenden Stellen der Resistbeschichtung. Dadurch wird das Kupfer vorzeitig freigelegt, was nach dem Ätzen zu Unterbrechungen in Leiterbahnen oder isolierten Pads führt. Eine Verfeinerung des Beschichtungsprozesses verbessert die Übertragungseffizienz.

Die genaue Ursache von Ätzfehlern lässt sich durch Beobachtung und Analyse realer Leiterplatten ermitteln. Die Anpassung relevanter Parameter wie Resisthaftung, Belichtungstiefe, Ätzmittelkonzentration und Rührgeschwindigkeit trägt dann dazu bei, Probleme zu beheben und bessere Ätzergebnisse zu erzielen.

Sicherheitsvorkehrungen beim Ätzen einer Leiterplatte zu Hause

Beim Ätzen von Leiterplatten kommt es auf aggressive Chemikalien wie Eisenchlorid, Salzsäure oder Natriumpersulfat an. Ohne entsprechende Vorsichtsmaßnahmen können die säurehaltigen Dämpfe und der Hautkontakt schnell zu gesundheitlichen Problemen führen. 

Diese Sicherheitstipps zum Ätzen in Eigenleistung sollten Sie beachten:

1. Arbeiten Sie in einem belüfteten Bereich und verwenden Sie eine Dunstabzugshaube, um die Dämpfe der Ätzchemikalien aus der Luft zu entfernen. Dies verhindert Atemreizungen. Geeignete persönliche Schutzausrüstung, wie z. B. ein Atemschutzgerät für säurebedingte Gase, bietet zusätzlichen Schutz für die Atemwege.

2. Tragen Sie Nitrilhandschuhe, um Ihre Hände vollständig zu schützen. Achten Sie auf die Handschuhverträglichkeit, da Vinylhandschuhe in Ätzlösungen schnell zerfallen. Eine Schutzbrille schützt die Augen vor Spritzern, während eine Schürze Körper und Kleidung schützt.

3. Ätzen Sie in einem großen, nichtmetallischen Behälter statt in kleinen Schüsseln, die leicht überlaufen. Stellen Sie den Behälter in eine größere Plastikwanne, um verschüttete Flüssigkeit aufzufangen. Stellen Sie den Behälter für mehr Stabilität auf eine säurefeste Werkbank oder einen Betonboden.

4. Bereiten Sie eine Natron- oder verdünnte Boraxlösung vor, um verschüttete Säure auf Haut oder Oberflächen schnell zu neutralisieren. Halten Sie außerdem eine Augendusche bereit.

5. Beim Mischen von Säurepulverkonzentraten das Pulver ins Wasser geben, nicht umgekehrt. So vermeiden Sie heftige Reaktionen mit Spritzern.

6. Bewahren Sie verbrauchte Ätzchemikalien sicher gekennzeichnet in verschlossenen Kunststoffbehältern auf, um eine ordnungsgemäße Entsorgung der Chemikalienabfälle zu gewährleisten und eine Umweltkontamination zu vermeiden. Achten Sie außerdem auf gute Hygiene, indem Sie sich nach der Arbeit die Hände waschen und in der Nähe nicht essen oder trinken. 

Bei verantwortungsvoller Handhabung kann das Ätzen von Leiterplatten relativ sicher durchgeführt werden, sogar in Heimwerkerumgebungen.

Fazit 

Das Ätzen von Leiterplatten ist der entscheidende Fertigungsschritt, bei dem unerwünschtes Kupfer entfernt wird, um das Layout durch chemische Auflösung auf die Platine zu übertragen.
Wie bereits erwähnt, sind die beiden wichtigsten Ätzmethoden das Nassätzen mit sauren oder alkalischen Lösungen und das Trockenätzen mit Plasma/Lasern. 

Das Ätzen der Leiterplatte erfolgt nach den ersten Schritten der Musterübertragung, wie Tonertransfer oder Fotolithografie. Häufige Probleme, die hierbei auftreten können, sind das Unterätzen unterbrochener Leiterbahnen aufgrund von Ätzparametern, Handhabungsfehler oder Probleme mit der Widerstandshaftung. 

Mit den richtigen Vorsichtsmaßnahmen liefert selbst das Ätzen zu Hause mit einfachen Chemikalien gute Ergebnisse. Voraussetzung dafür ist das Verständnis der Ätzmechanismen, der Prozessoptimierung und der Fehlerbehebung. Nur so lassen sich leere Platinen effektiv in funktionsfähige Schaltkreise für die Elektronik umwandeln.

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