Die Tonertransfermethode

Hallo allerseits. Ich bin derzeit dabei, für meine Wetterstation einen neuen Sensor zu bauen. Die erste Zeit hatte ich mich immer mit Lochraster- und Streifenrasterplatinen arrangiert. Irgendwann stieß ich auf die Tonertransfermethode, bei welcher der Toner des Laserdruckers das Kupfer der Platine vor dem Ätzen schützt. Seit dem entsteht jede meiner Platinen am Computer. Aber wie kam ich zu der Tonertransfermethode und welche Erfahrungen habe ich mit den Lochraster- und Streifenrasterplatinen gemacht?

Lochrasterplatine – ständig überall Zinnbrücken

Angefangen habe ich mit Lochrasterplatinen. Bei ihr haben sich nach 2-3 mal Löten bereits die Lötaugen gelöst und das Kabel hing in der Luft. Auch das Lötzinn ließ mit jedem Mal Nachlöten immer mehr zu wünschen übrig. Das Flussmittel war nach kurzer Zeit aufgebraucht und das Lötzinn verteilte sich nicht mehr. Die Lötspitze kam dann schnell mal an einen anderen Kontakt und schon war eine Lötbrücke entstanden. Diese wieder zu entfernen ging meist nur mit der Vakuumsaugpumpe, deren Unterrduck auch gleich das Lötauge von der Platine riss.

Streifenrasterplatine – “Schön aussehen” ist etwas anderes

Deutlich besser machten sich die Streifenrasterplatinen. Hier sind die Leiterbahnen in horizontaler Richtung von links nach rechts durchgängig. Das Lötzinn hat viel Platz und zerfließt schön. Durch die deutlich größeren Leiterbahnen haftet das Kupfer auch viel besser auf der Platine. Selbst die Vakuumsaugpumpe schafft es nicht, die Leiterbahnen von der Platine zu reißen. Allerdings sollte man mit dem Lötzinn sparsam sein. Schnell schließt es benachbarte Bohrungen, so dass zum Einstecken weiterer Bauteile, erst das Lötzinn wieder erwärmt werden muss.

Beide Lochrasterplatinenarten haben aber den großen Nachteil, dass es schnell unübersichtlich wird. Bei der Streifenrasterplatine müssen zum Teil etliche Leiterbahnen mit einem Cuttermesser vorsichtig durchtrennt werden. Dies wäre im Fall meines Attiny44 Mikrokontrollers beispielsweise der Fall, da dieser oben links VCC und oben rechts GND hat. Ohne Durchtrennen der Leiterbahn gäbe es einen Kurzschluss. Dabei entstehen dann zum Teil solche Kunstwerke:

Dies ist eine relativ einfache Versuchsschaltung mit einem Atmega16. Angeschlossen sind lediglich der Max232 Pegelwandler, sowie der ISP-Port über welchem der Chip programmiert wird. Da hier eine Lochrasterplatine Verwendung fand, wurden so ziemliche alle Verbindungen oberseitig per Kabel hergestellt. Nicht nur das dieses Kabelwirrwarr nicht schön aussieht, es macht auch viel Arbeit. Jedes Kabel muss an beiden Enden abisoliert und verzinnt werden, bevor es auf der Platine verlötet werden kann.

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Der lange Weg zur Tonertransfermethode

So lang war dieser Weg genau genommen gar nicht. Gefrustet von meinen Erfahrungen mit den Lochrasterplatinen war ich auf der Suche nach anderen Wegen zur Platinenherstellung. Als erstes begegnete mir natürlich die Platinenbelichtung. Im Handel gibt es überall Platinen, welche mit Fotolack beschichtet sind. Je nach Platine, mit Negativ- oder Positivlack, zerfällt der Lack an der belichteten Stelle oder härtet aus. Nach der Belichtung muss der Lack fixiert und entwickelt werden. Hierfür sind weitere Chemiekalien notwendig. Erst danach kann die Platine ins Ätzbad. Nicht zu verschweigen, dass hierfür auch bedruckbare Projektorfolien, sowie ein Belichtungsgerät benötigt werden. Und sehr wichtig ist die Belichtungszeit. Ist sie zu kurz, härtet der Fotolack nicht ausreichend stark aus, ist sie zu lang, dringt das Licht selbst durch ausgeschwärzte Stellen.

Klingt kompliziert? Richtig. Das habe ich mir auch gedacht. Spätestens nach dem ich die Preise für fotolackbeschichtete Platinen sah, wusste ich, dass ich diesen Weg nicht gehen würde.

Einige Tage später stieß ich aber auf eine Methode zur Platinenherstellung, welche mich faszinierte. Hier wird einfach der Toner eines Laserdruckers verwendet, um das Kupfer vor dem Ätzmittel zu schützen. Die hierfür notwendigen Mittel hatte ich, bis auf den Laserdrucker, alle im Haus, Bei Pollin hatte ich mir mal 1kg Platinenmaterial bestellt. Teils einseitig Kupferschichtet, zum anderen Teil beidseitig Kupferbeschichtet. Das Bügeleisen war ohnehin vorhanden. Somit fehlte nur noch der Laserdrucker, welcher auch gleich bestellt wurde. Meine Wahl fiel auf einen Ricoh SP112 (leider nicht mehr erhältlich, daher ähnliches Modell in der Amazonwerbung verlinkt 😉 ). Ein in Anschaffung und Betrieb recht günstiger Drucker.

Los geht’s mit der Platinenproduktion

Das Papier zum Übertragen der Schaltung auf die Platine sollte auf jeden Fall beschichtet sein, so das der Toner daran nur leicht haftet und nicht in die Papierfasern eindringen kann. Als ideal hat sich hier Katalogpapier erwiesen. Da ich zahllose Pollinkataloge hier habe, müssen diese her halten.

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Platinenlayout mit Eagle erstellen

Der große Vorteil bei der Herstellung von Platinen ist es, dass man die Platine gemütlich am Computer erstellen kann. Kein zurecht knipsen und abisolieren von Kabeln mehr, oder Durchtrennen von Leiterbahnen. Einfach die gewünschten Bauteile aus einer Bauteilbibliothek auf die virtuelle Platine ziehen und miteinander verbinden.

Zuerst hatte ich unter Eagle stets einen Schaltplan erstellt, aus welchem dann ein Board generiert wurde. Leider hat Eagle alle Pins der ausgewählten Bauteile schon miteinander verknüpft, so dass eine sinnvolle Anordnung der Bauteile auf der Platine relativ schwer fiel. Ich habe hier die erste Zeit den Autorouter verwendet, welcher auf einer Ebene alle Pins mit Leiterbahnen miteinander verknüpfen sollte. Es dauerte Teils Stunden bis ich eine Bauteilanordnung gefunden hatte, bei welcher der Autorouter alle Bauteile auf einer Ebene miteinander verbinden konnte.

Nach dieser Erfahrung hatte ich eine Weile lang keine Lust mehr auf Platinenerstellung unter Eagle. Bis sich mir die Frage stellte: Muss ich denn für jede Platine einen Schaltplan erstellen, oder kann ich die Platine auch ohne Schaltplan erstellen? Somit legte ich in Eagle gleich ein neues Board an, ohne zuvor einen Schaltplan erstellt zu haben. Und siehe da, es funktionierte. Ich kann mir Bauteile aus der Bibliothek auf die virtuelle Platine legen und Leiterbahnen ziehen.

Einen Haken hat die Sache allerdings. Die Pins der Bauteile sind nun nicht mehr beschriftet und die Auswahl geschieht anhand des Gehäusetyps. Mein Attiny44 beispielsweise ist in einem DIL14-Gehäuse untergebracht. Um die Pins richtig miteinander zu verbinden, benötigte ich noch ein Pinout des Attiny44 um zu wissen, wo sich welcher Pin befindet. Innerhalb einer halben Stunde hatte ich meine neue Platine fertig:

Noch schnell die Schaltung mit einer Polygon-Linie eingerahmt und mit Ratsnest eine Massefläche geschaffen und dann war sie auch schon bereit für den Laserdrucker.

Schaltung ausdrucken und auf die Platine übertragen

Schaltung auf Katalogpapier ausdrucken

Zum Drucken reiße ich mir immer eine komplette Seite aus dem Pollinkatalog und lege diese direkt in den Drucker ein. Auf vielen Seiten ist zu lesen, dass dieses Katalogpapier mittels Klebestreifen an normalen Papier festgeklebt werden soll. Mein Drucker hat jedoch keine Einwände, wenn er das Katalogpapier ohne Trägerpapier bedrucken soll. Ganz im Gegenteil. Ich habe Befürchtungen das dass Klebeband durch die Hitze im Drucker sich aufrollt und an einer der Druckerwalzen festklebt. Allerdings sollte es vermieden werden, eine bereits bedruckte Katalogseite ein zweites Mal zu bedrucken. Hierbei hat sich bei mir das Katalogpapier einmal um eine der Druckerwalzen gewickelt, da der bereits vorhandene Toner an ihr festgeklebt ist. Das Papier war zwar nach Entnahme der Tonerkartusche einfach zu entnehmen, aber auf Dauer mögen das die Druckerwalzen bestimmt nicht.

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Platine zum Übertragen des Toners vorbereiten

Die Platine sollte mit feiner Stahlwolle angeschliffen und nachfolgend mit Aceton oder Alkohol (Handdesinfektion, Spiritus oder anderweitgen Alkohol) von Fett und Verunreinigungen befreit werden. Dies ist notwendig um eine optimale Haftung des Toners zu gewährleisten. Da meine Platine beidseitig beschichtet ist, habe ich die Rückseite mit Alu-Klebeband abgeklebt. Sonst ist das Ätzbad unnötig schnell mit Kupfer gesättigt.

Aufkleben des Audrucks auf die Platine

Den Ausdruck lasse ich an einer Seite stets etwas länger, so dass ich ihn um die Seite umklappen und auf der Rückseite festkleben kann. Dadurch kommt kein Klebeband auf die Vorderseite und der Druck, welcher beim Bügeln auf die Platine ausgeübt wird, verteilt sich gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche. Würde das ausgedruckte Platinenlayout auf der Vorderseite festgeklebt werden, so mindert das Klebeband den Druck auf den Ausdruck, wodurch der Toner an der Klebestelle nicht so gut auf der Platine haftet.

Ausdruck “aufbügeln”

Die erste Zeit habe ich tatsächlich ein Bügeleisen verwendet. Mit diesem übt man aber nie an allen Stellen der Platine einen gleichmäßigen Druck aus. Entsprechend hält der Toner an einigen Stellen sehr gut, an anderen löst er sich beim Entfernen des Katalogpapiers. Deutlich bessere Ergebnisse erzielt ein Laminiergerät. Bei meinem (Siehe zweite Runde Amazonwerbung. Dort ist mein Laminator aufgeführt) habe ich die Rückseite entfernt, so dass ich auch kleine Platinen problemlos hindurch schieben kann. Zudem besitzt es einen Wahlschalter. Einmal für 80-90 micron dicke Folien und einmal für 125 micron dicke Folien. Da bei den 125er mehr Hitze verwendet wird und der Toner reichlich Hitze zum Schmelzen benötigt, ist stets die 125er Option zu nutzen.

In den beiden Bildern oben, habe ich die Platine ca. 10-13 mal durch den Laminator geschickt. Dabei wird sie gut heiß und ist mit den Fingern kaum noch anzufassen. Wichtig ist, dass die Seite mit dem Klebeband zuerst durch den Laminator geht. Dadurch wird das Schaltungslayout an die Platine gepresst, ohne das es zu Knickbildungen kommt. Nach den ersten 2 Durchgängen ist der Toner geschmolzen und hat sich mit dem Kupfer verbunden. Dadurch klebt das Stück Pollinpapier fest an der Platine. Nach etwa 10-13 Durchgängen hat sich der Toner fest mit dem Kupfer verbunden. Nach einigen Minuten Abkühlzeit kann das Klebeband vorsichtig entfernt werden.

Ablösen des Katalogpapiers in Spülwasser

Nachfolgend kommt die Platine ins Spülwasser (lauwarmes Wasser + Spülmittel) um das Katalogpapier zu lösen. Dieses hat sich nach 10-15 Minuten soweit aufgelöst das es sich durch sanftes Reiben von der Platine lösen lässt.

Die kleine Bilderserie beschreibt das Ablösen des Katalogpapiers sehr gut. Ergänzend ist zu sagen, das die Papierfasern von den Kupferflächen restlos zu entfernen sind. Die Papierfasern verhindern andernfalls einen erfolgreichen Ätzvorgang und es sind nachfolgend übrig gebliebene Kupferflecken zu entfernen, bzw. dadurch verbundene Leiterbahnen zu trennen.

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Nach dem Ätzen

War der Ätzvorgang erfolgreich, ist die Platine umgehend mit reichlich Wasser zu spülen um den Ätzvorgang zu stoppen. Nachfolgend sollte mit einem Durchgangsprüfer geprüft werden, ob alle Leiterbahnen von Anfang bis zum Ende leitend sind. Auch sollte es keine Verbindungen zwischen benachbarten Leiterbahnen geben. Danach kann die Platine verzinnt werden. Hierfür trage ich mit einem breiten Pinsel eine dünne Schicht Lötfett bzw. Kolophonium auf. Dieses sorgt dafür, dass das Lötzinn entlang der Leiterbahnen zerfließt. Das Verzinnen schützt zum einem das Kupfer vor Oxidation, zum anderen erleichert es das Löten erheblich, da sich Lötzinn besser mit einer bereits verzinnten Leiterbahn verbindet.

So sehen nun meine fast fertige Platine und Schaltung aus. Die Schaltung stellt einen Kombisensor für meine Wetterstation dar. Enthalten sind 1 DS18B20 Temperatursensor, ein Regensensor sowie ein Infrarot-Temperatursensor. Der Infrarottemperatursensor wird die Aufgabe haben, die Wolkentemperatur zu messen. Je niedriger diese ist, desto höher befinden sich die Wolken. Die tiefsten Werte sind bei klarem Himmel zu messen. Der Regensensor meldet wenn Regen fällt und der Temperatursensor misst die Temperatur auf dem Dach. Gerade im Sommer sind diese Werte sicherlich nicht ganz uninteressant.

Der Attiny44 wurde unter Bascom programmiert. Das Sendemodul stammt von einem ehemaligen Sensor meiner Wetterstation. Da deren Produktion bereits seit 2008 zu Ende ist und die letzten Sensoren 2010 über den Ladentisch gingen, bleibt nur der Selbstbau von Sensoren. Da mir Dank Veröffentlichtungen im Internet das Funkprotokoll meiner Wetterstation bekannt ist, kann ich die Wetterstation im beliebigen Umfang ausbauen und erweitern.

Über Bascom und AVR-Mikrokontroller werde ich mich in einem zukünftigen Beitrag auslassen. Für Heute ist hier Schluß. Ich wünsche allen Platinenerstellern viel Spaß und Erfolg beim Schaltungsaufbau mittels Tonertransfermethode.