Mönsterkortstillverkning - kemi och praktik


Version 1.3, augusti 2005


Då man vill göra ett mönsterkort/kretskort bestämmer man sig först för om det ska vara enkel- eller dubbelsidigt kort man behöver. Layout kan man generera med något CAD-program, exempelvis Eagle, kopiera från en tidning eller rita/gnugga direkt på kortet. Lämpligt laminat införskaffas därefter och sågas till avsedd storlek. Om man har en färdig layout printar man denna på overheadfilm och klipper till lite snyggt. Använder man laserskrivare är det en bra idé att printa två kopior och tejpa ihop så att man får bättre kontrast och täckning. Är det svart där det ska vara koppar kvar är det positivt fotoresist man ska ha på sitt kort. Lättast är att köpa kort belagda med detta från början, men det går också att applicera själv.
Laminatet, med overheadfilmen på, ska sedan belysas med UV-ljus. Glöm inte att ta bort eventuell skyddsfilm bara. Belysning görs normalt i för ändamålet avsedd ljuslåda (finns på ETA). Har man ingen sådan kan det funka med att bygga en stapel av köksutensilier så att kortet kan läggas ca 20 cm under det lysröret man normalt har över diskbänken och låta det lysa en sisådär 10 min. Om man inte har något lysrör funkar det att lägga sitt kort i solen också, men det blir nog lite knepigt att få exponeringstiden rätt. När man har belyst med någon metod framkallas mönstret i alkalisk (basisk) lösning. Natriumhydroxid som köpes på Konsum i form av kaustiksoda för avloppsrens är helt ok. Ta inte för mycket bara, för då försvinner även mönstret. På ETA finns / ska finnas / färdigblandad framkallarlösning. Har man belyst med solen eller kökslysrör kan det dock vara en god idé att börja med en svag lösning och öka styrkan succesivt för att nå lämplig koncentration. Men ta upp ditt kort om du tillsätter fast NaOH, annars får du mycket basisk miljö lokalt i iläggningsögonblicket! Blanda väl. Om man inte vill göra tvål av sitt handfett kan det också vara en god idé att ha på sig plasthandskar. När mönstret framträder tydligt tas kortet upp och torkas av med hushållspapper. Ibland kan det vara skäl att lägga tillbaks det i lösningen en stund för att bli av med ytterligare lite belyst fotoresist. Torka igen och tvätta därefter noga så att all basisk lösning försvinner. Torka det torrt.
Om man inte hade någon färdig layout från början gör man istället så att man tvättar sitt laminat utan fotoresist med aceton och/eller stålull. Därefter tar man en BRA penna och ritar sitt kopparmönster. Alternativt använder man gnuggsymboler.
När man sedan har sitt laminat med mönster på är det dags för etsning. Det vi då vill göra är att oxidera all oövertäckt koppar till Cu2+ så att den går i lösning och senare kan hällas i kopparslask. (Använd etsvätska kan också saneras genom att kopparjonerna fälls ut som hydroxid med NaOH, men ta då inte i extremt mycket NaOH ty då kan kopparhydroxiden gå i lösning som komplexa joner typ Cu(OH)3- istället ).
För etsningen kan man använda i princip vilket oxidationsmedel som helst som är starkare än Cu2+ (jo, kopparjoner är också ett oxidationsmedel, lägg i en bit stålull så faller fast koppar ut och Fe2+ går i lösning istället). Det vanligaste man använder numera är natriumperoxidisulfat (peroxi-disulfat, inte peroxid-i-sulfat), Na2S2O8, även känt som natriumpersulfat (MSDS). Reaktionen blir som följande:

Cu (s) + S2O82-  --->  Cu2+ + 2 SO42-   ,  E0 = 1.67 V

Det som är bra med detta etsmedel är att den reducerade formen (sulfatjonen, SO42-) stannar i lösningen och man slipper obehaglig gasutveckling. Det trista är att reaktionen har en såpass hög aktiveringsenergi att lösningen måste värmas för att det ska fungera. På ETA finns en etstank med doppvärmare som sköter detta. Där finns också färdig etslösning. Är den för blå är det dags att blanda ny. Om man etsar hemma går det annars bra att fylla sitt handfat med så varmt vatten man kan få ur kranen. I detta bad låter man en plastburk flyta med en skvätt varmt vatten, lite etsmedel och det kort man önskar etsa. Omrörningen får man stå för själv.  OBS att oxidationsmedel i allmänhet och etsmedel i synnerhet är mycket elaka mot cellulosa. Man bör alltså skydda sig med en labrock eller liknande (ta ett gammalt lakan). Om man etsar på ETA är det obligatoriskt att se till att ingen annan riskerar att få kemikalier på sig! Ett stänk syns inte direkt men upptäcks när man tvättat. Och rosa fläckar är inte kul att få på byxorna.
När man etsar med natriumperoxidisulfat är det inte sällan det blir små till synes oetsade fläckar kvar på kortet. Kanske för att man petat för mycket med fettiga fingrar innan eller så. Då kan man med fördel slutetsa med något oxidationsmedel som är mer reaktivt. Lite vatten och en skvätt väteperoxid i en platsburk brukar göra susen.

Cu (s) + 2 H2O2 (aq) +  H+ --> 2 H2O + Cu2+ ,  E0 = 1.44 V

Det trista är bara att sönderdelning av väteperoxid katalyseras av koppar:

                    Cu
H2O2 (aq)   ------>  2 H2O + O2(g)

Och vi får alltså kraftig syrgasgasutveckling! Att etsa större kopparmängder med H2O2 är därför inte att rekommendera.
Väteperoxid kan köpas på välsorterade apotek i 30% lösning.

Blandar man 1 del saltsyra, 1 del väteperoxid och >3 delar vatten (med vatten först, syra i vatten) får man en blandning känd som "Gröna Blixten". Om "en del" byts ut mot "en matsked" får man en mängd lämplig för ett litet (~5x4cm) kort. Denna blandning alstrar dock ångor som enligt uppgift ger en rödbrun nyans på verktyg och dyl. i etslokalen. Alltså inget att syssla med på ETA.

Att notera är att man tidigare ofta använde järn(III)klorid för etsning:

Fe3+ + Cu (s) --> <-- Cu+ +  Fe2+  ,  E0 = 0.25 V

Reaktionen sker inte fullständigt av sig själv (låg potential, blir noll vid en viss jämviktskoncentration), men drivs av fortsatt reaktion med tillgängligt syre.

4 Cu+  +  O2  -->  2 CuO22+

Kopparoxiden faller därefter som kloridsalt:

CuO22+   +  2 Cl-  -->   CuO2Cl2 (s)

För att få denna etsningsprocess att fungera måste man alltså se till att det finns tillräckligt med syre i lösningen. Det kan lösas genom användandet av en liten luftpump.
 
Många andra oxidationsmedel är tänkbara, men om man använder för reaktiva blandningar kan man få problem med att etsningen även sker en bit under mönstret. Dessutom kan man starkt misstänka att om man använde exempelvis koncentrerad, rykande salpetersyra skulle den även kunna ge sig på laminatmaterialet. Och det vill vi ju inte. Att etsa mönsterkort med vätefluorid är inte heller att rekommendera eftersom detta ämne även etsar glas och tar sig igenom hud för att fräta sönder ben!
Värdena för E0 i reaktionsformlerna ovan är de elektrokemiska potentialfall som sker då reaktanterna i vänsterleden övergår till produkter. Är ett E0-värde positivt är reaktionen termodynamiskt gynnad, vilket är en förutsättning för att den ska kunna ske, men värdet säger ingenting om reaktionens kinetik, d.v.s. hur snabbt den sker i en given temperatur. Värdena förutsätter också att alla ingående ämnen i vattenlösning har en koncentration av 1 mol/l (standardkoncentration). Eftersom man ganska sällan har detta kriterium uppfyllt får man en viss avvikelse i praktiken. Har vi ett lågt potentialfall vid standardkoncentrationen kan det innebära att reaktionen når ett jämviktsläge där någon oxidation inte längre sker. Se järnkloridfallet ovan. Men vid höga reaktionspotentialer är detta inget problem.

Efter etsning tvättas laminatet och fotoresist/färg/gnugg avlägsnas.  Stålull är att rekomendera, men annars funkar också aceton, CH3COCH3 , bra för färg och gnugg. För fotoresist är det bättre med basisk lösning.

Skölj, torka och kortet är klart för borrning.

Notera att om man vill ha ett dubbelsidigt kort blir det hela lite krångligare. Pysslar man med radiofrekvens vill man ofta ha ena sidan av ett dubbelsidigt kort oetsad. Då blir det enkelt eftersom man bara sparar skyddsfilmen på denna sida tills efter etsningen.


Daniel Uppström