Lasertoner-Thermotransfer – oder wie bügelt man eine Platine
von Christian, DL9NL
Wie viele Eigenbauprojekte sind erst gar nicht begonnen worden, weil dazu eine gedruckte Schaltung (PCB) erforderlich gewesen wäre, deren Anfertigung viel zu aufwändig erschien? Für das fotochemischen Verfahren war ein Belichtungsgerät Voraussetzung, Chemikalien mussten vorgehalten werden und die Belichtungsvorlage musste für eine gute Qualität ziemlich lichtdicht sein. Wollte man aber Platinen mit geringerem Aufwand herstellen, kamen für das “Rapid Prototyping” Verfahren wie “Manhatten style”, “ugly construction”, “dead bug-method” oder Dremel-Methode in Frage. Diese Platinen waren HF-tauglich, einfach herzustellen und sehr flexibel in der Anwendung.
Mit allmählicher Ablösung der bedrahteten Bauteile durch immer kleiner werdende SMD-Bauteile und einer zunehmenden Konzentrierung der Schaltungen kommen diese Rapid-Prototyping-Verfahren jedoch an ihre Grenzen. So gelingt es z.B. mit dem Dremel kaum mehr, Leiterbahnen unter 1mm Breite zu fräsen.
Mit der hier vorgestellten Thermotransfer-Methode können jedoch Leiterbahnbreiten und Leiterbahnabstände bis zu 0,2mm vergleichsweise einfach realisiert werden, voraussetzt ein PC und ein Laserdrucker stehen zu Verfügung. Der Aufwand ist sehr gering, auch eine komplexe Platine ist vom Ausdruck bis zum Ätzbad in 45 -60min fertiggestellt.
Die Methode beruht auf der Übertragung der Tonerschicht eines Laserdrucks auf die Platine. Beim Laserdruck nimmt eine elektrisch geladene Bildtrommel Tonerpartikel auf und überträgt sie auf das Papier. Dort werden sie mit Druck und bei einer Temperatur von ca. 180° geschmolzen und fixiert. Die Tonerpartikel bestehen aus Kunstharz, Farbpigmenten und magnetisierbaren Metalloxiden. Für einen nahezu vollständigen Transfer der Tonerschicht auf die Platine ist nun entscheidend – ebenfalls unter Druck und Wärmeeinwirkung – den Toner fest der Kupferoberfläche zu fixieren und anschließend das Transfermedium ohne Mitnahme von Toneranteilen zu entfernen.
Daraus ergeben sich zwei wichtige Bedingungen für die Qualität des Tonertransfers:
1. Die Kupferoberfläche der Platine muss so vorbereitet werden, dass eine optimale Haftfähigkeit für den Toner gegeben ist.
2. Die Oberfläche des Transfermediums muss so beschaffen sein, das bei scharfer Abbildung des Druckbildes der Toner zwar gut haftet, aber nicht durch die Oberfläche in das Transfermedium eindringt.
Laserausdruck
Das Platinenlayout wird mit einem beliebigen Grafikprogramm erstellt. Dazu kann Paint von Windows, Corel Draw oder z.B. eine spezielle Software wie Sprint-Layout der Fa. Abacom verwendet werden. Letzteres ist sehr ergonomisch und flexibel, so dass auch aufwändige Leiterbahnstrukturen und kleinste SMD-Bauteile mühelos gezeichnet werden können. Die Software steht im OV jedem zur Verfügung. Mit einem Laserdrucker wird das Platinenlayout spiegelverkehrt auf die Vorderseite eines glänzenden Fotopapiers für Tintenstrahldrucker gedruckt. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Layout an den Ecken mit Passkreuzen für die spätere Lageorientierung der Platine versehen ist. Bei den Optionen des Laserdruckers ist zu beachten, dass höchste Druckqualität eingestellt ist und nicht etwa ein toner-sparender Economy-Mode.
Zuerst wird das Layout auf normales Papier Größe DIN A4 ausgedruckt. Um das Fotopapier sparsam zu verwenden, wird über dem Vordruck das etwas größer geschnittene Fotopapier überlappend platziert und die Kante in Einzugsrichtung mit einem Klebefilm sicher fixiert. Die übrigen Kanten bleiben frei, um dem Fotopapier bei Erwärmung und bei Biegung Gelegenheit zur Ausdehnung zu gegeben. Der Klebefilm muss gut angerieben werden und darf sich nicht ablösen, weil durch Klebstoffreste ansonsten das Walzensystem des Laserdruckers verunreinigt werden kann. Diese Papierformation wird nun erneut in gleicher Einzugsrichtung entweder über ein Einzelfach eingezogen oder in die Papierladekassette gelegt. Der erneute Ausdruck erfolgt nun passgerecht auf dem Fotopapier. Anschließend wird das Fotopapier vom Klebestreifen abgezogen. Der Ausdruck wird auf Fehlstellen kontrolliert und steht dann für den Thermotransfer zur Verfügung.
Vorbereitung der Platine
Um die Ätzfläche der Platine möglichst gering zu halten, empfiehlt es sich, diese bis auf wenige Millimeter Überstand passgerecht zuzuschneiden. Am besten gelingt dieses mit einer Laubsäge, die mit einem Qualitätssägeblatt bestückt ist (z. B. das Laubsägeblatt „Super-Cut“, sehr fein verzahnt für harte Werkstoffe mit der Artikel-Nr. 28 106 der Fa. Proxxon, erhältlich bei „R“). Anschließend müssen alle Kanten sorgfältig entgratet werden, damit die Druckvorlage auch am Platinenrand völlig plan aufliegt. Werden fotobeschichtete Platinen verwendet, ist die Beschichtung rückstandslos zu entfernen, am einfachsten mit dem Lösungsmittel Azeton. Anschließend wird die immer vorhandene Kupferoxidschicht mit einer Stahlwolle Größe 000 entfernt und danach für eine optimale Haftung des Toners mit 400er Schmirgelpapier mit kleinen kreisenden Bewegungen über die gesamte Fläche, besonders zu berücksichtigen ist der Rand, oberflächlich mit einer gleichmäßigen Textur aufgeraut. Zum Schluss wird die Platine mehrfach mit Azeton entfettet und jedweder Abrieb entfernt. Ohne die Oberfläche wieder zu berühren, wird sie auf den vorbereiteten Laserausdruck gelegt und anhand der Passkreuze justiert. Zur Fixation genügen zwei Klebestreifen.
Tonertransfer mit dem Bügeleisen
Hierzu sollte nicht unbedingt gerade das aktuelle Bügeleisen der XYL verwendet werden. Es wird die maximale Temperatur eingestellt (meist mit “Leinen” bezeichnet) und das bedruckte Fotopapier auf einer temperaturfesten planen Unterlage aufgebügelt. Für einen vollständigen und gleichmäßigen Tonertransfer ist es erforderlich, mehrfach aus verschiedenen Richtungen mit einem durchaus kräftigen Anpressdruck zu bügeln, bis die Rückseite des Fotopapiers gleichmäßig
bräunlich bis braun verfärbt ist. Dabei ist ein besonderes Augenmerk auf die Platinenmitte zu richten, da sich diese temperaturbedingt etwas verformt und dadurch bedingt möglicherweise geringerer Tonertransfer stattfindet. Die Bügeltemperatur dürfte etwa bei 250 bis 270° liegen. Nach dem Bügelvorgang, der etwa 5 min in Anspruch nimmt, wird die Platine vor dem nächsten Arbeitsschritt abkühlen gelassen.
Ablösung des Fotopapiers
Die Platine wird in handwarmes Wasser gelegt und nach einigen Minuten Aufweichen die Trägerschicht des Fotopapiers sowie die Klebestreifen abgezogen. Nach weiterem Aufweichen gelingt es bereits mit dem Daumen, wesentliche Anteile der restlichen Papierschicht abzurubbeln. Dies kann durchaus mit kräftigem Druck geschehen, da die Tonerschicht sehr fest auf der Kupferoberfläche haftet. Verbliebene Papierreste, vor allem zwischen den Leiterbahnen mit einem Abstand von nur 0,2 mm, lassen sich am besten mit einer kräftigen Wurzelbürste (wie zur Fingernagelreinigung verwendet) unter kräftigem Druck und
verschiedenen Bürstrichtungen beseitigen. Dabei überrascht, wie fest die Tonerschicht selbst von feinen Leiterzügen haftet. Erleichtert wird die Reinigung durch Anlösen der Papierreste mit Seife. Zuletzt wird die Platine sorgfältig auf Papierreste untersucht, da diese eine Ätzung verhindern. Am einfachsten lässt sich die Platine nach Trocknung kontrollieren, da sich dann die Papierreste weißlich hervorheben. Zur leichteren Entfernung können die Reste mit einer feinen Nadel- oder Skalpellspitze aufgeraut werden und dann durch einen erneuten Bürstvorgang rückstandslos beseitigt werden.
Kontrolle der Platine und Vorbereitung für den Ätzvorgang
Sind bei Betrachtung der Platine, ggf. mit einer Lupe, keine Papierreste mehr zu erkennen, werden die Leiterplanen auf Tonerdefektstellen untersucht. Diese können mit einem schwarzen wasserfesten Filzstift mit der Spitzengröße F 0,4 mm übermalt werden, ebenso wie Fehlstellen in der Massefläche. Die Deckung durch zweimaliges Übermalen genügt für die Aussparung beim Ätzen. Die nun fehlerfreie tonerbeschichtete Platine wird an der Rückseite und an den Rändern mit breiterem Klebeband wasserdicht abgeklebt. Nach Montage in den Platinenhalter ist sie fertig für das Ätzbad.
Der Ätzvorgang
Sehr bewährt hat sich das Ätzen der Platine in einer Ätzküvette, die aus Fensterglas hergestellt wurde, das mit Aquariumsilikon verklebt wurde (siehe Bauanleitung Ätzküvette). Die Lösung aus so und so viel prozentigem Natriumhydrogensulfat (Feinätzkristall) wird thermostatgeregelt auf 45 bis 50° erhitzt. Zur Beschleunigung des Ätzvorganges und gleichmäßiger Temperaturverteilung der Lösung wird diese mit Luft durchströmt. Unter diesen Bedingungen dauert der gesamte Ätzvorgang ca. 5 bis 10 min. Auch bei diesem Arbeitsschritt wird das Ergebnis optisch kontrolliert und ggf. nachgeätzt.
Reinigung der geätzten Platine
Die Klebestreifen werden abgezogen und der Toner sowie die Klebstoffreste auf der Rückseite mit einer Nitro- oder Universalverdünnung entfernt. Zur Fertigstellung werden die Platinenränder passgerecht beigetrimmt, Bohrungen angelegt und die Oberfläche nochmals mit feiner Stahlwolle gereinigt. Mit einem Durchgangsprüfer werden alle Leiterbahnen auf Intaktheit überprüft und Kurzschlussverbindungen untereinander und zur Massefläche ausgeschlossen. Eventuelle Massenbrücken lassen sich leicht mit einem Teppichmesser oder Skalpell entfernen. Die Oberfläche wird entweder so belassen, verzinnt oder versilbert und ggf. zuletzt mit einer Korrosionsschicht versehen. Nun kann sie mit den Bauteilen bestückt werden.
Obwohl einige Details zu beachten sind, ist es ein einfaches sicheres Verfahren mit einer erfreulich hohen Genauigkeit und Qualität, so dass nur ganz selten eine Wiederholung des Tonertransfers erforderlich wird. Sind alle Hilfsmittel vorhanden, dauert die gesamte Herstellung vom Laserausdruck auf Fotopapier bis zur Fertigstellung (ohne abschließende Oberflächenbehandlung) weniger als eine Stunde. Damit ist die Herstellung auch anspruchsvoller Platinen so einfach geworden, so dass sie bei Entwicklung oder Bau von Schaltungen kein Hemmnis mehr darstellt. Ganz im Gegenteil, die Tonertransfermethode animiert geradezu mit einem latenten Süchtigkeitsfaktor zum Eigenbau.
Christian, DL9NL