Prototypenbau gestern und heute

Ideen umsetzen ist eines der Ziele der Make Bewegung. Egal ob man im Bereich Stricken, Holzarbeiten oder Elektronik unterwegs ist – man möchte irgendwie schnell ans Ziel kommen. Da auch die Maker durch die Verfügbarkeit von günstigen Herstellungsmethoden und immer günstiger werdenden Geräten ihre Art und Weise des Prototypenbaus verändert haben, möchte ich einmal kurz vorstellen, wie meine Vorgehensweise mittlerweile aussieht und auch zeigen, wie ich das früher gemacht habe.

Möchte ich heute ein Projekt umsetzen, so starte ich nur noch sehr selten mit einem einzelnen Mikrocontroller, um den ich die Logik auf einer Lochrasterplatine aufbaue, da es viele unterschiedliche Entwicklungsboards gibt, die mir die Arbeit hier stark vereinfachen können. Hier liegt die Arduino Plattform, die ESP8266 und ESP32 Boards aber auch die Discovery Boards mittlerweile weit vorne. Für diese Boards gibt es bereits eine große Community, die sich um Bibliotheken und Anbindung von externen Sensoren, etc. kümmern. Im Idealfall sucht man sich also nur noch ein passendes Modul aus, lädt ein Beispielprogramm herunter und fertig ist der Prototyp.

Früher: Lochrasterplatine mit Atmel Mikrocontroller

Heute: verschiedene (LoRa) Entwicklungsboards

Reicht die einfache Variante nicht aus, so kann man sich im Bereich von Open Hardware umschauen. In meinem Beispiel habe ich nach einem LoRa Board geschaut, das möglichst flexibel einzusetzen ist, Standardkomponenten verwendet,  stromsparend arbeitet und auch über Batterie betrieben werden kann. Wie so oft wird man hier bei GitHub fündig. Bei diesem Board hatte ich wieder Glück, denn es verwendet wieder ein Standardentwicklungsboard – den Arduino Pro Mini – und lässt sich dadurch wieder ganz einfach programmieren.
Findet man kein passendes Board setzt man sich einfach hin und bastelt schnell ein eigenes Platinenlayout. Passende Layoutsoftware gibt es mittlerweile für kleinere Designs umsonst, bspw. EAGLE oder KiCad. In letzter Zeit verwende ich ab und an auch mal das Online-Layoutprogramm EasyEDA.

Heute: Fertig designtes Open Hardware Board (grün)

Früher habe ich mich dann noch selbst in den Keller gestellt und per Tonertransferverfahren das Platinenlayout auf die Rohplatine gebracht und danach dann in dem selbst gebauten Ätzgerät geätzt. Danach einmal kurz drüberschauen, ob die Leiterbahnen in Ordnung sind, die Löcher für die Bauteile bohren und zum Schluß Leiterbahnen verzinnen.

Früher: selbstgebautes Ätzgerät

Das das alles sehr umständlich und zeitraubend ist und wir als Maker, wenn wir gerade mal ein paar Stunden in der Woche an unseren Projekten arbeiten, auch zu wenig Zeit dafür haben, dürfte klar sein. Aus diesem Grund bin ich dazu übergegangen, einen der vielen Leiterplattenhersteller zu verwenden, die mir die fertigen Platinen durchkontaktiert, mit Lötstopplack und Beschriftung direkt nach Hause liefern und dank der Konkurrenz aus Fernost bekommt man so als Maker sehr schnell eine sehr gute Qualität, sodass sich das Design eines Prototypen schon lohnt.

Weiter geht’s mit der Bestückung: während man früher eher PTH Bauelemente verwendet hat, verwende ich – wenn möglich – heute ausschließlich SMD Bauteile. Das hat den Grund, das sie wesentlich einfacher zu verarbeiten sind und ich natürlich auch kleinere Boards bauen kann. Mit einer kleinen Spritze mit Lötpaste, werden die freien Pads auf dem Boards „eingeschmiert“ und die SMD Bauteile in die Lötpaste gesetzt. Man braucht hier nicht einmal sehr genau zu arbeiten, da der Kapillareffekt und der Lötstopplack der Platine dafür sorgen, dass das Bauteil notfalls auch in Position gezogen wird. Danach geht’s ab in den Reflow-Ofen – wir Maker haben uns dafür Pizza Öfen umgebaut oder einfach einen der günstigen Reflow-Öfen aus Fernost gekauft. Ich besitze einen letzteren und habe ihn erstmal umgebaut: Krepp Band raus und Kapton Band rein, Gehäuse vernünftig geerdet, neue Temperaturreferenz eingebaut und eine neue Firmware eingespielt. Damit kann man dann auch schnell mal ein paar Platinen mehr „backen“.

Heute: bestücktes Board mit Lötpaste und aufgesetzten Bauteilen

Heute: Platinen backen im Reflow Ofen

Danach überprüfe ich mit einem Mikroskop nochmal den Sitz der Bauteile und ob die Lötstellen soweit in Ordnung sind. Falls nicht, wird nochmal nachgearbeitet und entweder mit einer Reflow Workstation nachgelötet oder mit Entlötsauglitze überschüssiges Lot entfernt.

Heute: Sichtprüfung mit Mikroskop – hier zu viel Lot zwischen zwei Kontakten

Das war’s auch schon. Klar, dass ich mittlerweile das ein oder andere Gerät in meiner Werkstatt habe, das ein Anfänger noch nicht haben dürfte – ist halt alles so nach und nach zusammen gekommen, aber dennoch denke ich, dass es nie einfacher war, selbst eigene Schaltungen zu realisieren und das alles für sehr wenig Geld.

Wie sieht bei euch denn die Entwicklung aus? Immernoch Lochrasterplatinen und Kupferlackdraht? Auch schon gefertigte Platinen? PTH Komponenten oder auch schon SMD? Würde mich freuen, wenn ihr mir einen Kommentar hinterlasst und mal schreibt wie ihr das macht.

Ätzgerät in Betrieb genommen

Vor kurzem habe ich meinen ersten Testlauf meines selbstgebauten ‚Ätzgeräts durchgeführt und darüber auch schon einen Blogeintrag geschrieben. Es wurde also langsam mal Zeit, das Ding jetzt auch mal in den “Live-Betrieb” zu bringen und mal eine erste Platine damit zu ätzen. Dementsprechend habe ich das Wasser jetzt durch etwa 3l Natriumpersulfat ersetzt. Der Platinenhalter ist momentan für meinen Geschmack noch arg improvisiert: Ich habe einfach eine Holzplatte genommen und dort dann Kabelbinder so in Bohrungen gesteckt, dass sie eine Schlaufe bilden, mit denen die Platine gehalten wird.
Der Ätzvorgang lief wie gewünscht, d.h. die Platine wurde sauber geätzt und ich brauchte nicht die ganze Zeit beim Ätzvorgang anwesend sein – das war letztendlich der Grund, warum ich das Ding gebaut habe :).

Hier ein Bild meines Ätzgeräts während dem Ätzvorgang:

aetzgeraet-ersteplatine

Und hier das Ergebnis, wobei ich das Platinenlayout wieder mit dem Tonertransferverfahren auf die Platine aufgebügelt habe:

ps2mouseplatine

Platine herstellen – jetzt aber richtig!

Nachdem mein erster Versuch ja letztes Mal fehlgeschlagen ist, hier nochmal mein zweiter Versuch und einer kleinen Beschreibung, wie ich Platinen herstelle:

1. Schritt: Belichtungsvorlage herstellen
Zum Herstellen meiner Belichtungsvorlage verwende ich einen Laserdrucker und einfache Laserdrucker-Klarsichtfolie. Da ein einfacher Druck nicht für genug Abdeckung zur Belichtung sorgt drucke ich für meine Layoutvorlage die Platine auf zwei Folien (beides mal gleich) und schneide eine der beiden Folien aus. Das ausgeschnittene Stück wird dann einfach passgenau über die andere Folie gelegt und mit Klebeband an allen vier Seiten fixiert.

2. Schritt: Belichtung
Um die Platine zu belichten verwende ich einen Gesichtsbräuner, den ich mal bei dem allgemein bekannten Auktionshaus im Internet ersteigert habe. Damit die Folie mit dem Platinenlayout auf der Platine auch gut aufliegt, habe ich einen alten Scanner zweckentfremdet. Bei meinen Reichelt Platinen beträgt die Belichtungszeit ca. 7 Minuten wobei der Gesichtsbräuner einen Abstand von 25cm zur Platine hat. Die genaue Belichtungszeit kann man durch eine Belichtungsserie, in der man unterschiedliche Belichtungszeiten (Abdecken von Platinenteilen) testet, herausfinden.
Nach dem Belichten kann man das Platinenlayout leicht auf der Platine erkennen.

platine-belichten.jpg

3. Schritt: Entwickeln
Der nächste Schritt ist eigentlich schnell durchgeführt. Man setzt die Entwicklerlösung an (10g NaOH auf 1l warmen Wasser) und dann rein mit der Platine. Innerhalb von 10-20 Sekunden ist das ganze dann auch schon „gegessen“ – besser gesagt: gelöst. Die belichteten Stellen werden durch den Entwickler abgelöst. Nach dem Entwickeln könnt ihr die Platine aus der Lösung herausnehmen und unter fliessend Wasser gründlich abspülen.
Bitte denkt an der Stelle daran, dass ihr im Umgang mit den verschiedenen Lösungen (auch später beim Ätzen) auf die üblichen Sicherheitsvorkehrungen achtet, also Handschuhe, Schutzbrille, etc.!!! Die Entwicklerlösung gehört auch nicht in den Abfluss, sondern sollte, genau wie das Ätzmittel später, gesammelt und dann bei seiner nächsten Sammelstelle abgegeben werden!

4. Schritt: Ätzen
Der letzte große Schritt, das Ätzen. Ich verwende zum Ätzen Natriumpersulfat (ca. 250g pro 1l Wasser). Das Wasser sollte möglichst warm sein, nicht heisser als 50°C, da dies den Ätzvorgang beschleunigt. Ich verwende zum Ätzen eine Ätzschale, die ich dann in einem Wasserbad auf Temperatur halte. Mit leichtem hin- und herbewegen geht’s übrigens noch mal ein wenig schneller. Die Ätzdauer variiert bei mir je nach Größe der Platine, nimmt aber durchaus einiges an Zeit in Anspruch (ca. 20 Minuten).
Auch hier wieder nach dem Ätzvorgang die Platine aus der Ätzlösung nehmen (ich verwende dafür eine Plastikpinzette, da Metall angegriffen wird) und wieder gründlich abspülen.

platine-aetzen.jpg

5. Schritt: Weg mit den Resten
Nachdem die Platine fertig geätzt ist muss nur noch die überflüssige Fotoschicht von der Platine runter, damit man später auch gut löten kann. Da macht man am besten mit Aceton.

platine-aceton.jpg

Das war’s!
Das war dann auch schon alles. Die Platine ist fertig entwickelt und kann jetzt gebohrt und bestückt werden. Auf den nachfolgenden beiden Bildern seht ihr die endgültige, fertige Platine und einen Ausschnitt, der einen Teil der Platine für einen SSOP Chip zeigt (RM 0,6mm).
Vielleicht hilft die Beschreibung ja dem einen oder anderen, sich selbst mal an das Thema heranzuwagen.

platine-fertig.jpg

platine-fertig-smd.jpg

Platine entwickeln – aber bitte richtig herum!

Toll, da moechte man ein kleines Projekt nachbauen und besorgt sich schon die entsprechenden Layouts und dann verhaut man das doch noch. Aber mal von vorn… Was hab ich gemacht:

Zuerst einmal habe ich mir das Platinenlayout von der entsprechenden Projektseite besorgt (da ich da noch am basteln bin, werde ich das Projekt noch nicht weiter erwähnen :)). Nachdem ich das dann hatte, habe ich das Platinenlayout 2x auf Klarsichtfolie für Laserdrucker ausgedruckt. Eines der beiden Layouts habe ich dann ausgeschnitten und zusätzlich über das andere Layout gelegt. Die ist für den nächsten Schritt, der Belichtung, wichtig, da man sonst eine zu schwache Schwärzung auf der Folie hat und die Belichtung schief läuft.
Der nächste Schritt, war dann die Belichtung. Dazu habe ich eine fotobeschichtete Platine verwendet. Um die Platine zu belichten habe ich einen UV Gesichtsbräuner, den ich mal günstig ersteigert habe, verwendet. Dieser wurde im Abstand von 25cm 7 Minuten lang eingeschaltet. Man konnte nun schon leicht das Platinenlayout auf der Platine sehen.
Als nächstes kam die Platine dann ins Entwicklerbad. Hier muss man ein wenig aufpassen, da der Entwicklungsprozess sehr schnell abläuft und man bei zu langem entwickeln das Layout „verlieren“ kann.
Tja, alles eigentlich so gut – wie immer – verlaufen (siehe Bild unten – leider etwas schlecht zu erkennen), selbst die SMD Stellen des Platinenlayouts sind gut durchgekommen, leider habe ich beim Belichten einen gravierenden Fehler gemacht – ich habe das Layout spiegelverkehrt aufgelegt und somit war die ganze Arbeit für die Katz. D.h. ich werde das ganzen Prozedere nächste Woche nochmal vornehmen – diesmal dann aber richtig herum. Ich werde mal ein paar Fotos machen und damit ein kleines Tutorial erstellen, vielleicht kann ja jemand, der das auch als Hobby macht, die Anleitung gebrauchen.

platine-resized.jpg