Details

 

Aufbau einer Durchkontaktierungsanlage auf Basis von Polypyrrol:

Die Anlage bestehtau 3 Tanks jeweils für:

- Manganbeizen (Tank ist aus Acryl da bei 60°C gearbeitet wird)

- Zwischenspülen (Tank ist aus Acryl)

- Galvanik (Tank ist aus PVC)

Der Schritt Polymerisation von Pyrrol wird in einer flachen Schale durchgeführt, damit nur wenig Pyrrollösung gebraucht wird.

Der Aluminiumrahmen wird über einen Getriebemotor und einen Exzenter bewegt. Der Rahmen selbst ist auf zwei Kugelauszügen gelagert. Um die Flüssigkeiten bequem aus der Anlage entleeren zu können, sind die Tanks über Gummischläuche nach außen geführt. Das Ganze ist in einer stabilen Kunststoffbox untergebracht.

Der Platinenhalter:

Der Platinenhalter kann über 4 Steckkontakte in die Buchsen auf dem Alurahmen eingesteckt und somit elektrisch leitend verbunden werden. Die Platine wird über eine Gabel geklemmt.

Ablauf:

1.) beidseitig Kupfer Beschichtet Platine CNC-Bohren, notfalls von Hand, aber dann mit feinem Schmirgelpapier entgraten. Dannach die Platine eventuell entfetten.



2.) Beizen der Bohrungen mit folgender Mischung:

- 45g/l NaOH

- 45g/l KMnO4

- Rest Dest. Wasser

alternativ siehe Seite 3 KMnO4 mit Bohrsäure

bei 70°C die Leiterplatten ca 20-30min unter leichter Bewegung beizen.

die Bohrungen und Leiterplattenkanten sind dann dunkelbraun gefärbt

Achtung die Chemikalien sind giftig ,ätzend und reizen die Atemwege, entsprechende Schutzmaßnahmen sind vorzusehen und die Sicherheitsdatenblätter sind zu beachten!

Keine Haftung für gesundheitliche Schäden!



3.) Spülen in 2% H2SO4. Die Schwefelsäure neutralisiert die noch vorhandenen Reste an NaOH und beseitigt Oxidationen auf dem Kupfer. Der Braunstein in den Bohrlöchern wird dabei nicht angegriffen

 


4.) Abscheiden von Polypyrrol

für 23 ml Lösung braucht man

-2ml Pyrrol

-20ml Isopropanol

-0.5ml Zironensäurelösung 50% (oder entsprechend)

-0.5 ml H2SO4 20%

 

Achtung die Chemikalien sind giftig ,ätzend und reizen die Atemwege, entsprechende Schutzmaßnahmen sind vorzusehen und die Sicherheitsdatenblätter sind zu beachten!

Keine Haftung für gesundheitliche Schäden!

die Platine bleibt 10min in der Lösung. Die Bohrungen und Kanten färben sich dabei tief schwarz



5.) Spülen im warmem Wasser. Dannach trocknen. Anschließend kann der Erfolg der Polymerisation gemessen werden. Der Widerstand sollte im Bereich von 20kOhm liegen

 

6.) Galvanischer Kupferaufbau

 

anschließend aufbringen von Lötstopplaminat, belichten, entwickeln, ätzen

Anbei eine Bilderfolge einer realen Platine:

bohren:

beizen:

Erzeugung der Polypyrrolschicht:

Galvanischer Kupferauftrag:

Aufbringen, belichten und entwickeln des Photoresists:

Ätzen der Leiterplatte:


 


Optimierungen:

Nachdem seit den ersten Versuchen mit chemisch polymerisiertem Polypyrrol (PPY) durchkontaktierte Leiterplatten selbst herzustellen nun etwa ein Jahr vergangen ist, ist es an der Zeit auf ein paar Probleme und deren Lösungen einzugehen. Grundsätzlich ist die Herstellung von selbst durchkontaktierten Leiterplatten nur etwas für denjenigen der keinen Bogen um Chemie macht:


Bohren der Leiterkarte:


beim Bohren der Leiterkarte muss darauf geachtet werden, dass keine Bohrgrate entstehen, diese müssen eventuell mit feinem Schmirgelpapier abgeschliffen werden. Der Bohrer sollte scharf sein, sonst entstehen Verschmierungen in den Bohrlöchern welche später Probleme bereiten. Löcher bis 0,3mm sollten kein Problem darstellen.


Reinigung der Leiterkarte:
nach dem Bohren muss die Leiterkarte entfettet werden, dazu einfach in heißem Spülmittel bewegen und darauf achten, dass auch die kleinen Bohrungen durchspült werden. Nach dem Reinigen in Dest. Wasser nachspülen welchem 1-2 Tropfen Tween 20 als Netzmittel zugefügt wurden, die reduziert im anschließenden Prozess dann die Wahrscheinlichkeit, dass Luftblasen in den Löchern hängen bleiben.

Queller:(vorsicht nur fürChemiker!)


Die Verwendung eines Queller ist optional. Er dient dazu die Oberfläche des Epoxides aufzuweichen und somit den nachfolgenden Schritt des Anätzens zu erleichtern. Die dazu benötigten Chemikalien sind nicht ganz unproblematisch, so dass ich diesen Schritt nicht unbedingt empfehlen würde. Eine Mischung von 250ml Butylcarbitol (Diethylenglykolmonobutylether), 100ml Ethylenglykol, 650ml Dest. Wasser und 7g NaOH werden auf ca 60° erwärmt. Die Verweilzeit im Bad beträgt ca 10min. Die Mischung muss in einer Glasflasche aufbewahrt werden!

250ml Butylcarbitol
100ml Ethylenglykol
650ml H20
7g NaOH
Verweilzeit 10min bei 60°

 

Achtung die Chemikalien sind giftig ,ätzend und reizen die Atemwege, entsprechende Schutzmaßnahmen sind vorzusehen und die Sicherheitsdatenblätter sind zu beachten!

Keine Haftung für gesundheitliche Schäden!

 

Erzeugen der Manganschicht

Eine gute Mangandioxidschicht (Braunstein) ist der Schlüssel zum Erfolg dieses Verfahrens, sämtliche Fehler beim Erzeugen der Mangandioxid Schicht führen zu einer schlechten Leitfähigkeit im Polypyrrol und somit zu schlechten Durchkontaktierungen in der Platine. Im Prinzip gibt es mehrere verschiedene Möglichkeiten die Manganschicht auf dem Epoxid zu erzeugen. Die Verfahren lassen sich grob in 2 Gruppen einteilen, alkalische Verfahren welche bei einem PH von ca 10 arbeiten und saure Verfahren welche im PH-Bereich 1-3 arbeiten. Die meisten sauren Verfahren haben den Nachteil, dass sie das Kupfer anlösen, bei zu langen Verweilzeit im Bad kann das Kupfer auch komplett aufgelöst werden, eine Ausnahme stellt das Verfahren auf Basis von Borsäure dar, welches zum Schluss behandelt wird.
Zuerst das zuvor beschriebene alkalische Verfahren.

alkalisches Verfahren: Dazu werden in 1l Dest. Wasser 45g Kaliumpermanganat (KMnO4) und 45g NaOH gelöst. Bei ca 80°C bleibt die Platine 20min mit hoher Bewegung im Bad. Die Kanten der Leiterkarte müssen danach dunkelbraun gefärbt sein ( Braunstein ).
 

45g NaOH
45g KMnO4
Verweilzeit 20min bei 80°

Achtung die Chemikalien sind giftig ,ätzend und reizen die Atemwege, entsprechende Schutzmaßnahmen sind vorzusehen und die Sicherheitsdatenblätter sind zu beachten!

Keine Haftung für gesundheitliche Schäden!

saure Verfahren:
(siehe auch Thread im Progforum 'Durchkontaktierung ohne Paladiumsalze'

Kaliumpermanganat in Schwefelsäure:
das saure Verfahren hat den Nachteil, dass jedesmal neu KMnO4 zugegeben werden muss und auch immer etwas neue H2SO4, jedoch werden jeweils immer nur 10g KMnO4 benötigt. Kaliumpermanganat ist aufgrund der Gefahrstoffverordnung nur noch schwer zu bekommen, somit bevorzuge ich das saure Verfahren, da es nicht soviel KMnO4 benötigt. (auch das alkalische Verfahren ist nicht beliebig haltbar!!!).
1l 10% Schwefelsäure wird zunächst auf 50° erwärmt. In einem Becherglas o.ä. werden dann die 10g KMnO4 in etwa 200ml Wasser gelöst. Die Platine wird in die heiße Schwefelsäure gegeben und laufend bewegt. (Die Löcher sollten keine Luftblasen mehr enthalten). Nun wird die Kaliumpermanganatlösung zugegen und rasch mit der Schwefelsäure vermischt. Die Platine bleibt bei starker Bewegung ca 10min im der Lösung. Die Lösung wird dabei allmählich braun und es fällt auch Braunstein aus. Anschließend wird die Platine in destilliertem Wasser gewaschen. Die restliche Lösung kann wiederverwendet werden. Dazu wird die Lösung dekantiert.Der restliche Braunstein kommt zum Chemiemüll. Folgende Fehler können auftreten:

1.) Das Kupfer verfärbt sich dunkel, dann ist entweder zu viel KMnO4 benutzt worden oder die Konzentration an H2SO4 ist zu gering. Dies ist schlecht, da das Kupferoxid eine Isolierschicht zwischen PPY und Kupferbildet und somit die Durchkontaktierungen nicht leitfähig werden.

2.) Die Epoxidstellen sind nur leicht braun. Entweder zu kalt,zu kurz oder einfach zu wenig KMnO4.

3.) Einige Löcher sind nicht braun. Ein Problem was besonders bei kleinen Bohrungen auftritt. Es waren dann Luftblasen in den Bohrungen. Dies kann etwas verbessert werden wenn die LP vor dem Beizen in Dest.Wasser + Netzmittel getaucht wird.
 

10g KMNO4 in 200ml H2O
1l 10% H2SO4
ca 10min Verweilzeit bei 50°

 

Achtung die Chemikalien sind giftig ,ätzend und reizen die Atemwege, entsprechende Schutzmaßnahmen sind vorzusehen und die Sicherheitsdatenblätter sind zu beachten!

Keine Haftung für gesundheitliche Schäden!


Kaliumpermanganat in Borsäure:

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Kupfer nicht angegriffen wird, da es von einer Kupferboratschicht geschützt wird. Nach dem Prozess wird die Kupferboratschicht mit verdünnter Schwefelsäure entfernt. 10g Borsäure werden in 1l heissem Wasser gelöst. Dann werden 40g KMnO4 zugegeben. In Kaltem Zustand ist die Lösung lange stabil. Zum Oxidieren wird eine Temperatur von 70°-80° benötigt, die Verweilzeit im Bad beträgt ca 20min bei starker Bewegung.
 

40g KMNO4
10g Borsäure
1l H20
2% Schwefelsäure zum reinigen
ca 20min Verweilzeit bei 70°-80°


Achtung die Chemikalien sind giftig ,ätzend und reizen die Atemwege, entsprechende Schutzmaßnahmen sind vorzusehen und die Sicherheitsdatenblätter sind zu beachten!

Keine Haftung für gesundheitliche Schäden!

hier ein Bild einer 2mm Durchkontaktierung nach dem Manganisieren.


 


 



Die Farbe des Bohrloch sollte dunkelbraun sein (siehe rechte Seite) auf der linken Seite im Bild ist eine Fehlstelle zu sehen welche durch eine kleine Luftblase verursacht wurde!
 


 



 

Diese Loch ist perfekt manganisiert!
 

 


Optimierungen 2:

 

Die Erzeugung der Polypyrrolschicht:

Nun kommt der komplizierteste Schritt. Die chemische Polymerisation von Pyrrol zu Polypyrrol. Polypyrrol entsteht relativ leicht, jedoch meist nicht mit der gewünschten Leitfähigkeit. In den ersten Seiten wurde eine Einkomponentenlösung beschrieben, diese funktioniert zwar recht zuverlässig, jedoch hat sie einen Haken, es entstehen dabei kleine Polypyrrolfäden welche die Löcher verstopfen und Luftblasen halten. Das hier beschriebene 2-Komponenten Verfahren ist noch im Experimentalstadium, funktioniert aber bisher auch recht zuverlässig. Leitfähiges Polypyrrol entsteht nur bei einer ganz bestimmten Konzentration von Pyrrol in der Monomerlösung. Hier mal ein Beispiel:

10% Pyrrol 90% Isopropanol -> sehr hochohmig >1MOhm
12% Pyrrol 88% Isopropanol -> 100kOhm
15% Pyrrol 85% Isopropanol ->1kOhm
20% Pyrrol 80% Isopropanol -> 200kOhm

Die Optimale Konzentration der Monomerlösung liegt somit im Bereich von 15% Pyrrol. Als 2. Komponente dient Schwefelsäure mit Zusätzen. Ich habe hier mal die bisherigen Versuchsergebnisse, es heißt nicht, dass dies das Optimum ist, weitere Versuche sind in Planung, wer Ideen hat kann sie gerne einbringen. Hier die Versuchsreihen:
Monomerlösung 0,75ml Pyrrol 5ml Isopropanol, Leiterkarte mit einem 2mm Loch 1,5mm stark. Zuerst kurz in der Monomerlösung getaucht dann in die Säure

1.) 6% H2SO4 -> 100kOhm
2.) 6% H2SO4 mit etwas Tween 20 -> 75kOhm
3.) 6% H2SO4 mit etwas Toluolsulfonsäure ->7KOhm
4.) 6% H2SO4 mit etwas Toluolsulfonsäure und Tween 20 ->6kOhm
5.) 25% H2SO4 -> 4kOhm
6.) 25% H2SO4 mit etwas Toluolsulfonsäure 2kOhm
7.) 25% H2SO4 mit Toluolsulfonsäure und Tween 20 1kOhm

die Ergebnisse streuen jeweils um 1 paar kOhm so dass die Versuche 5,6,7 nur als Anhalt dienen sollen. Prinzipiell ist somit 25% H2SO4 geeignet niederohmiges Polypyrrol ( ppy )zu erzeugen. Der Einfluss der Toluolsulfonsäure ist noch nicht geklärt und es ist somit noch nicht sicher ob es überhaupt etwas bewirkt. Tween 20 stört zumindest nicht und hilft bei der Benetzung, es sieht sogar so aus als ob es einen leichten positiven Effekt hat., aber auch dies ist noch zu klären. Es gibt aber Hinweise, dass ein anderes anionisches Tensid positive Effekte auf die Polymerisation hat, aber dies muss ich noch untersuchen.
Es wird nur eine ganz geringe Menge an Monomerlösung benötigt, wenn die Platine in einer flachen Schale gerade mit der Lösung bedeckt wird (ca 20ml reichen aus) Die Monomerlösung ist leider nicht stabil, aber zumindest ein paar Tage bleibt sie verwendungsfähig.


 

Monomerlsg:
1,5ml Pyrrol
10ml Isopropanol
10ml Dest. H20

Polymerisationslösung:
1l 25% Schwefelsäure
1-2 Tropfen Tween 20
 


 

Achtung die Chemikalien sind giftig ,ätzend und reizen die Atemwege, entsprechende Schutzmaßnahmen sind vorzusehen und die Sicherheitsdatenblätter sind zu beachten!

Keine Haftung für gesundheitliche Schäden!



Polypyrrol beschichtetes Bohrloch
 


 



Hier hat sich Polypyrrol auf dem Kupfer abgeschieden, d.h. auf dem Kupfer war eine nicht leitende Braunsteinschicht, ( es wurde mit zu geringem H2SO4 Gehalt manganisiert !!! Dieses Loch leitet nicht!
 

 


Optimierungen 3:

 

Galvanisches Verkupfern:

Als nächster Schritt zur durchkontaktierten Leiterplatte folgt das Galvanische Verkupfern. Als Elektroden für die Galvanik empfiehlt sich Kupferblech mit einer Stärke von 8mm. Als Bad eignet sich ein schwefelsaurer Elektrolyt auf Basis von Kupfersulfat und Schwefelsäure. Als Glanzbildner können noch 50mg Kochsalz zugefügt werden, alternativ gehen auch 50g Ethanol. Damit die Löcher leichter benetzt werden kommt auch hier wieder das Tensid Tween 20 zum Einsatz, 0.5ml/l reichen aus. Die Temperatur des Elektrolyten sollte ca 40°C betragen.

Die ideale Stromdichte beträgt 1A/100cm^2, also sind für eine doppelseitige Eurokarte 3A Strom nötig. Die Spannung sollte dabei nicht mehr als 1.5V betragen, da sonst Sauerstoff entsteht welcher das abgeschiedene Kupfer oxidiert. Die Platine dient als Minuspol, die beiden Kupferplatten sind mit der positiven Spannung verbunden. Bei mir ist ein kleines Schaltnetzteil (0-15V 0-5A) in Verwendung. Die Platine wird über einen Exzenter etc. mit ca 0.5cm/s bewegt, damit eine gleichmäßige Abscheidung in den Löchern erfolgt. Das abgeschiedene Kupfer ist leicht matt was für die weitere Verarbeitung eher günstig ist, da hierbei die Lötstoppmaske besser haftet. Ein erhöhter Zusatz an Glanzbildner kann zu kleinen Kufpernadeln führen welche die Bohrlöcher blockieren.
hier ein bischen Theorie zur Schichtdicke:


aus dem Faradayschen Gesetz folgt:
Q=I*t=m*z*F/M
wobei:
M die Mohlmasse (bei Kupfer 63,55g/mol)
z die Ladungszahl (in diesem Falle 2)
F die Faradaykonstante 9,648*10^4 C/mol

bei 1dm^2 (100cm^2) beträgt das Gewicht von 1um Kupfer 89,2 mg.
somit benötigen wir für 2 Seiten (somit gesamt 2um) 542s/um bei einer Stomdichte von 1A/dm^2 für 18um somit rund 162min.





Bei ausreichender Leitfähigkeit des Polypyrrols scheidet sich gleich nach dem Anlegen des Stroms eine gleichmässige Kupferschicht in den Bohrungen ab, die zunächst etwas grobkörnig ist und zunehmend feinkörniger und dicker wird. Bei schlecht leitendem Polypyrrol 'wächst' die Kuferschicht von den beiden Seiten her langsam zu Mitte des Lochs. Die Qualität der Kupferabscheidung kann verbessert werden indem der Stromfluss immer wieder kurzzeitig umgepolt wird.

 


 

 

1l Dest. Wasser
180g H2SO4
45g Kupfersulfat
50mg NaCl oder 30-50ml Ethanol
0.5ml Tween 20
Temperatur 20-40°C
 

Achtung die Chemikalien sind giftig ,ätzend und reizen die Atemwege, entsprechende Schutzmaßnahmen sind vorzusehen und die Sicherheitsdatenblätter sind zu beachten!

Keine Haftung für gesundheitliche Schäden!