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.

Tonertransfer – und es funktioniert doch!

Normalerweise belichte ich ja meine Platinen, entwickel sie dann und starte dann den Ätzvorgang. Leider hat das bisher nicht immer reibungslos funktioniert, d.h. es sind nach dem Entwickeln leere Kupferplatinen übrig geblieben und es wäre doch schade, wenn man die einfach wegwerfen würde. Doch wie bekommt man sein Layout auf die Platine? Klar, das Tonertransferverfahren – da gibt es ja schliesslich viele Artikel zu also wird das nicht so schwer sein. Denkste – da gingen erst etliche Versuche ins Land, bis ich endlich auf die Lösung gekommen bin.

Das Layout habe ich von Anfang an auf die Seiten des Reichelt Katalogs gedruckt – dabei ist es auch geblieben und es funktioniert damit auch sehr gut. Tolles Recycling btw ;-). Anfangs war ich aber der Meinung, dass die Hitze des Bügeleisens wohl auch so ausreichen würde und habe die Platine auf das Bügelbrett gelegt und ein Leinen-Tragetasche um die Platine und das Layout gelegt – negativ. Das funktionierte nicht.
Anschliessend habe ich die Platinen immer vorbehandelt, d.h. mit einem geeignetem Schleifpapier abschleifen und mit Aceton nochmal reinigen. Das selbe Verfahren wie vorher – nix, nur die Leiterbahnen war leicht auf der Platine zu erkennen.
Es musste also mehr Hitze her… Das Bügeleisen war aber schon auf Anschlag, also entfiel die Leinen-Tragetasche und das Bügelbrett wurde durch ein einfaches Brett ersetzt. Im ersten Schritt wurde ausserdem nur die Platine auf das Brett gelegt und mit dem Bügeleisen vorgewärmt. Anschliessend das Layout auf die Platine legen und ein wenig aufpassen, denn diesmal haftete das Layout sofort an der Platine. Nachdem das Layout dann schon fest an der Platine haftete, habe ich das gesamte Bügeleisen auf die Platine gelegt und mit versucht viel Druck auf die Platine auszuüben. Danach dann mehrfach mit den Kanten des Bügeleisens, die normalerweise abgerundet sind, über die Platine streichen. Das ganze dann 2-3x wiederholen, bis das Layout leicht durch die Reichelt-Katalogseite durchscheint. Danach kann eigentlich gar nichts mehr passieren…

Im abschliessenden Schritt wird die Platine dann in kaltes Wasser mit einem Tropfen Spüli gelegt. Das Papier wird dann “matschig” und man kann es nach ca. 5 Minuten ohne Probleme von der Platine rubbeln. Als Ergebnis kam dabei folgendes bei meinem ersten Testversuch heraus:

tonertransfer1

Wie man sieht, sind hier noch einige Papierfasern auf dem Layout vorhanden, sie spielen für den Ätzprozess aber keine Rolle, also einfach ignorieren. Hat also wunderbar geklappt. Nach dem Ätzen und dem Reinigen der Platine mit Aceton sah dann das Ergebnis so aus:

tonertransfer2

Damit kann man echt zufrieden sein. Nur am oberen Rand der Platine ist eine Leiterbahn unterbrochen, die ich aber ziemlich leicht flicken kann.
Insgesamt bin ich also sehr zufrieden mit dieser Methode und freue mich, dass ich meine alten Platinen jetzt doch noch weiterverwenden kann und das sogar mit relativ einfachen Mitteln. Ich denke, dass das Tontertransferverfahren wohl noch oft bei mir zum Einsatz kommen wird.