So bauen Sie wunderschöne Gehäuse aus FR4 – auch bekannt als PCBs

May 24, 2023

Die meisten Bastler sagen, dass es einfacher ist, einen funktionsfähigen Prototyp eines elektronischen Geräts zu bauen, als das Gehäuse dafür herzustellen. Man könnte sagen, dass es auf dem Markt viele fertige Gehäuse gibt, diese jedoch nie genau das sind, was Sie brauchen. Sie könnten auch einen 3D-Drucker verwenden, um ein individuelles Gehäuse zu bauen, aber hochwertige 3D-Drucker sind zu teuer, und die günstigeren Modelle produzieren Gehäuse, die oft nicht robust genug sind und zudem viel Nachbehandlung erfordern.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Gehäuse aus FR4 zu bauen, einem Material, das üblicherweise in der Leiterplattenproduktion verwendet wird. Solche Gehäuse sind kostengünstig, haben dünne Wände, sind aber dennoch sehr stabil, sehen gut aus, fühlen sich angenehm an und verfügen über eine ausgezeichnete Wärme- und Feuchtigkeitsstabilität. FR4 bietet noch einige weitere Möglichkeiten – effiziente Verkabelung ohne Kabel im Gehäuse, integrierte UHF- oder SHF-Antennen oder RFID-Spulen, kapazitive Schalter, elektrische Abschirmung, selektive Halbtransparenz, Wasser- oder Luftdichtheit und sogar die Integration komplexer mechanischer Baugruppen.

Hier werde ich den Prozess des Baus dieser „magischen“ Gehege erklären. Es basiert auf fast fünfzig Jahren persönlicher Erfahrung und mehr als hundert Gehäusen, die für die meisten meiner Projekte gebaut wurden. Hier zwei Beispiele – dieses Gehäuse für einen Hardware-Passwort-Manager ist nur wenige Zentimeter lang, während das andere (Transportschutzhülle für den Synthesizer meines Sohnes) 125 cm (ca. 49 Zoll) misst, und doch sind beide stabil genug, um dem standzuhalten Auf ihnen stand ein erwachsener Mann.

Der globale Ansatz ist einfach: Sie nehmen das einseitig kupferkaschierte FR4-Blech, schneiden es ab und löten die Teile zusammen. Das klingt einfach, aber es gibt viele Details, die beachtet werden sollten, wenn Sie Top-Ergebnisse erzielen möchten. Bitte lesen Sie sie sorgfältig durch. Sie könnten versucht sein, einige der hier beschriebenen Schritte zu überspringen, aber wenn Sie dies tun, werden Sie höchstwahrscheinlich von den Ergebnissen enttäuscht sein.

Es gibt mehrere allgemeine Designkonzepte für Gehäuse aus FR4. Die erste nutzt die Hauptplatine mit allen elektronischen Komponenten als mechanische Basis, auf der vier Wände verlötet werden. Normalerweise sollten zuerst alle elektronischen Komponenten verlötet werden, dann wird die Leiterplatte getestet und schließlich werden die Wände zusammengelötet.

Die Hauptplatine muss an allen Kanten über einen etwa 4 mm breiten Kupferbereich und große Pads für Abstandshalter verfügen. Obere und untere Abdeckungen sind sehr einfach und benötigen keine Kupferflächen, sodass Sie auch Acryl, Aluminium, Kunststoff usw. verwenden können. Dieses Konzept eignet sich für einfache Projekte, die nur eine Leiterplatte enthalten. Bei dicken Gehäusen ist dies nicht zu empfehlen, da dies die Wartung erschweren würde.

Es gibt einen anderen Ansatz, der für größere und komplexere Geräte geeignet ist, da viel freier Speicherplatz vorhanden ist, der entsprechend den Anforderungen des Projekts organisiert werden kann.

Sie sollten Kupferbereiche zum Anlöten der Schraubenmuttern freilassen, diese jedoch nicht verlöten, bevor das gesamte Gehäuse fertig ist. Nachdem die Arbeit erledigt ist, können Sie es schließen und die Löcher an den Innenwänden bohren, sodass sie perfekt zu den Außenlöchern passen. Anschließend können Sie die Schraubenmuttern mit viel Flussmittel verlöten.

Beachten Sie, dass nicht alle Schraubenmuttern leicht zu löten sind und daher etwas Experimentieren erforderlich ist. Meiner Erfahrung nach sind in dieser Hinsicht vernickelte Messing-Schraubenmuttern die besten, allerdings kann es manchmal schwierig sein, sie zu bekommen. Ich verwende also M3x5 mm Abstandshalter (aber nicht solche aus Aluminium), die sich sehr gut löten lassen.

Wenn Sie ein Gehäuse ohne Schrauben herstellen möchten, können Sie zwei Unterbaugruppen durch Reibung fest zusammenhalten. Stellen Sie zunächst den oberen (äußeren) Teil des Gehäuses fertig und passen Sie dann die Positionen der Innenwände an der unteren Abdeckung an. Die Außenwände sind immer leicht zur Mitte geneigt (der Grund dafür wird später erklärt) und es entsteht etwas Reibung, wenn Sie die Box schließen.

Um die Spannung anzupassen, löten Sie die Innenwände an die untere Platte, jedoch nur am zentralen Punkt, und achten Sie dabei darauf, den rechten Winkel zwischen den Wänden und der unteren Platte beizubehalten. Versuchen Sie dann, die obere Abdeckung anzubringen. Es könnte zu locker oder zu eng sein, daher müssen Sie die richtige Position für einen festen Sitz einstellen. Wiederholen Sie dies für kürzere Wände und verlöten Sie dann die Länge der Wände an der unteren Platte und untereinander. Sie sollten auch die Verbindungskanten der Innenwände abraspeln, um Platz für das Lot zu schaffen, das die Außenwände zusammenhält.

Die dichteste Verbindung zwischen Innen- und Außenwänden sollte sich in der Mitte der Wände befinden, mit der Möglichkeit einer Lücke in der Nähe der Ränder, daher müssen die Innenwände leicht gebogen sein, wie im mittleren Bild oben gezeigt.

Im Allgemeinen sollten alle Platten aus einseitigem FR4 bestehen, in einigen Sonderfällen benötigen Sie jedoch doppelseitiges FR4. Versuchen Sie, die doppelseitige Wand auf der Zeichnung rechts in der Galerie oben zu finden.

Das waren allgemeine Konzepte, aber auch alle Kombinationen sind möglich. Bald werden wir sehen, dass einige Anwendungen so komplex sind, dass es schwierig ist, sie zu klassifizieren.

Obwohl es möglich ist, das verwendbare Gehäuse ohne Kupferätzen zu bauen, wird dringend empfohlen, alle Platten zu ätzen und nur Bereiche (ca. 4 mm breit) zu belassen, die gelötet werden. Dies wird viele Vorteile mit sich bringen. Erstens ist es viel einfacher, die schmalen Kupferbereiche zu löten, wenn das umgebende Kupfer nicht viel Wärme verbraucht, sodass das Risiko einer Überhitzung und Beschädigung der FR4-Basis viel geringer ist. Zweitens erhalten Sie einen aufgeräumteren Innenraum. Auch wenn kein blankes Kupfer vorhanden ist, findet keine Korrosion statt. Die Gefahr eines Kurzschlusses ist geringer usw.

Bei Bedarf an einem abgeschirmten Gehäuse, für HF-Anwendungen oder einem lichtgeschützten Bereich empfiehlt sich dieses Muster. Der einzige Nachteil des Ätzens besteht darin, dass Sie bei der Gestaltung des Gehäuses alle Details planen müssen, da nach dem Ätzen kein Rückgängigmachen möglich ist. Wenn Sie einen Bereich auslassen, der zum Löten verwendet werden soll, können Sie die Kupferschicht später nicht hinzufügen.

Nehmen Sie sich etwas Zeit, um das Gehäuse sorgfältig zu entwerfen, da jede Fehleinschätzung in diesem Schritt Ihre Bemühungen zunichte machen kann. Achten Sie gut darauf, welches Stück sich mit einem anderen überlappt, da dies die Position der Kupferleiterbahnen beeinflusst. Für die Abmessungen überlappender Platten muss die Dicke des verwendeten FR4 berücksichtigt werden.

Verwenden Sie ein CAD-Programm oder zeichnen Sie das gesamte Gehäuse mit Farbstiften. Es dient als nützliche Referenz beim Schneiden und Zusammenbauen der Teile. Es empfiehlt sich, das Gehäuse mindestens einige Millimeter größer zu bauen, als ursprünglich geplant. In den meisten Fällen wird es sich später lohnen – egal wie sorgfältig Sie ausmessen und planen, früher oder später benötigen Sie etwas mehr Platz.

Insgesamt sind es hier 10 Blätter. Zeichnen Sie jeden von ihnen im Detail, einschließlich der geätzten Kupferpositionen und aller Abmessungen, oder zumindest derjenigen, die nicht berücksichtigt werden.

Wenn Sie das Glück haben, über einen CNC-Fräser zu verfügen, können Sie damit FR4-Teile schneiden. Jeder mechanische oder Wasserstrahlschneider ist in Ordnung, aber verwenden Sie keinen Laserschneider, da die Reflexion der Kupferoberfläche ihn beschädigen kann. Andernfalls können Sie einige Handwerkzeuge verwenden, beispielsweise einen Laubsägerahmen. Ein Sicherheitsklingenschneider kann auch zum Schneiden gerader Linien verwendet werden, aber die Anforderungen an große Kraft und Genauigkeit können frustrierend sein, wenn Sie nicht über die nötige Erfahrung verfügen.

Probieren Sie es aus: Drücken Sie einfach mit einer Hand fest auf ein Metalllineal, nehmen Sie mit der anderen den Sicherheitsmesser und machen Sie einen V-Schnitt. Sie sollten etwa 5–10 Klingendurchgänge auf jeder Seite des FR4 ausführen, beginnend leicht, bis Sie einen guten Kratzer hinterlassen, und dann den Druck erhöhen, bis Sie so viel Kraft wie möglich aufwenden. Machen Sie zuerst den V-Schnitt auf der Kupferseite, da FR4 transparent genug ist, um die Linie auf der anderen Seite sehen zu können, sodass Sie beide V-Schnitte präzise ausrichten können.

Wenn die Klinge scharf genug ist und Sie viel Kraft aufwenden, sind die Rillen auf beiden Seiten tief genug und wenn sie gut ausgerichtet sind, lässt sich das Blatt leicht von Hand brechen. Die Schnittlinie wird rau sein, daher sollten Sie sie mit der feinen Raspel bearbeiten.

Kurven und Innenlinien können Sie natürlich nicht mit einem Sicherheitsklingenschneider schneiden, daher müssen Sie in diesem Fall den Laubsägerahmen verwenden.

Überprüfen Sie die Maße nach jedem Schritt sorgfältig und geben Sie Ihr Bestes, um möglichst genaue Maße zu erhalten (versuchen Sie, den Fehler auf weniger als einen halben Millimeter zu begrenzen). Waschen Sie die Kupferseite nach dem Schneiden und Bearbeiten mit etwas pulverförmigem Reinigungsmittel ab, das stark genug ist, um die Oberfläche zu reinigen, aber nicht zu beschädigen.

Hinweis: FR4 besteht aus Glasfasermatten, die mit Epoxidharz imprägniert wurden. Kleine Glaspartikel, die während der Behandlung freigesetzt werden, können bei Personen mit empfindlicher Haut vorübergehende Hautreizungen verursachen. Tragen Sie in diesem Fall Schutzhandschuhe und waschen Sie sich nach der Arbeit die Hände bis zum Ellenbogen.

Ziel dieses Schrittes ist die Erstellung der Maske für die Kupferätzung. Sie können auch das Fotolackverfahren anwenden, aber es ist viel billiger und einfacher, jede Art von selbstklebendem Laminat zu verwenden, vorzugsweise transparent.

Wenn die FR4-Teile trocken und sauber sind, kleben Sie die Laminatplatten auf die Kupferseite und vermeiden Sie Blasen und Schmutz. Verwenden Sie einen superdünnen Permanentmarker, um alle Linien gemäß der oben in Design Concepts erwähnten Zeichnung präzise auf dem Laminat zu zeichnen, und verwenden Sie den Sicherheitsklingenschneider oder das Kunstmesser, um das Laminat zu schneiden. Ziehen Sie alle Bereiche ab, die beim Ätzen ungeschützt bleiben sollen.

Verwenden Sie Eisenchloridlösung, um die Kupferschicht zu ätzen. Dieses Verfahren ist allen Bastlern bekannt, die ihre Leiterplatten selbst herstellen. Entfernen Sie nach dem Ätzen das Laminat und waschen Sie alle Teile mit Pulverwaschmittel.

Halten Sie den Atem an, das ist ein entscheidender Schritt. Alle Kupferoberflächen sollten vor dem endgültigen Löten verzinnt werden; Verwenden Sie viel Flussmittel, denn viel Flussmittel bedeutet eine gute Verbindung, und die gute Verbindung ist das, was wir hier brauchen. Versuchen Sie nicht, das abschließende Löten ohne Verzinnen durchzuführen, da dies zu einer schlechten Verbindung führen, die FR4-Basis beschädigen und Ihre Fähigkeit beeinträchtigen könnte, die genauen Positionen im Montageprozess beizubehalten.

Beim Zusammenlöten von FR4-Platten ist es schwierig, die Ausrichtung auf allen Achsen (X, Y und zwei Winkel) sicherzustellen. Wenn Sie sich jedoch an die Vorgehensweise halten, können Sie jeweils einen Parameter anpassen.

Achten Sie zunächst nur auf die X-Position (schwarzer Pfeil) und ignorieren Sie die Genauigkeit für alle anderen. Löten Sie zwei Platten an einer Stelle nahe einer der Kanten.

Als nächstes können Sie die YB-Position am anderen Ende der Lötlinie anpassen. FR4 ist elastisch genug, um die anfängliche Fehlausrichtung auszugleichen, die bereits angepasste X-Position bleibt jedoch erhalten.

Jetzt ist es an der Zeit, die YA-Position am ersten Punkt neu anzupassen, ohne sich Gedanken über die ersten beiden eingestellten Positionen (X und YB) machen zu müssen, da es keine Möglichkeit mehr gibt, sie zu verderben. Dies sollte zu einer perfekten Ausrichtung der gesamten Lötlinie führen.

Übrig bleibt nur noch der Winkel zwischen zwei Platten. Verwenden Sie als Referenz ein quadratisches oder dreieckiges Lineal, aber stellen Sie den Winkel zwischen den Platten nicht genau ein, sondern machen Sie ihn leicht stumpf. Sie können die Winkel an jeder Kante einzeln feinjustieren, insbesondere wenn die Platte lang genug ist, um ein Biegen dazwischen zu ermöglichen.

Wenn alle Positionen angepasst und überprüft sind, können Sie weitere Lötpunkte zwischen den Platten platzieren und dabei den Winkel für jeden von ihnen überprüfen. Bei kürzeren Platten sollte es irgendwo in der Mitte oder alle 4–5 cm (1,5–2 Zoll) liegen, wenn die Lötlinie länger ist. Dann löten Sie die gesamte Leitung, aber versuchen Sie, die bereits gelöteten Punkte nicht zu schmelzen, da Sie sonst den Winkel und die Position der Platte beeinträchtigen könnten. Wenn Sie fertig sind, können Sie die fehlenden Punkte zurückgeben und verlöten.

Während das Lot abkühlt, schrumpft es und zieht die obere Platte um etwa zwei Grad, sodass der endgültige Winkel etwa 90 Grad beträgt. Wenn es immer noch stumpf ist, machen Sie einen weiteren Durchgang mit dem Lötkolben (ohne Kraftaufwand) und beobachten Sie, wie es schrumpft. Wenn es akut ist, machen Sie einen weiteren Durchgang und üben Sie dabei etwas Kraft mit der Hand aus.

Wenden Sie den gleichen Vorgang für alle Wände an. Danach können Sie die Wände miteinander verlöten. In diesem Schritt können Sie nicht mit einem stumpfen Winkel beginnen, sodass Sie am Ende leicht spitze Winkel erhalten. Sie können dies ignorieren oder es sogar verwenden, um eine dichte Verbindung zu erzielen, wie oben erwähnt.

Achten Sie darauf, beim Löten nicht zu langsam zu sein, da dies zu einer Überhitzung des FR4 führen könnte, und vor allem nicht zu stark auf den Lötkolben zu drücken. Dadurch wird die FR4-Basis verformt oder sogar das Kupfer gelöst. FR4 ist transparent. Wenn Sie also auf der anderen Seite die weißen Bereiche anstelle des dunkelbraunen Kupfers sehen, können Sie sicher sein, dass sich das Kupfer von der Basis gelöst hat. Es kann nützlich sein, mit FR4-Restteilen zu experimentieren. Wenn Sie selbst sehen möchten, wie viel Misshandlung das Material aushält, können Sie versuchen, die Verbindungen nach dem ordnungsgemäßen Löten mit den Händen zu lösen, oder sogar die Verbindungen testen, bei denen Sie zu wenig oder zu viel Lot verwendet haben oder an denen Sie die Lötstelle festgehalten haben zu lange bügeln oder zu stark drücken.

Es kann auch hilfreich sein, ein spezielles Holzwerkzeug für den Zusammenbau anzufertigen. Die Idee dazu kommt Ihnen wahrscheinlich aus dieser Zeichnung. Lötverbindungen werden noch stärker, wenn die Platten in einem Winkel von etwa 45° zur horizontalen Ebene gehalten werden, sodass sich das geschmolzene Zinn gleichmäßig mit beiden Platten verbindet.

Wenn die Montage abgeschlossen ist, bearbeiten Sie alle Kanten mit der Raspel und polieren Sie sie anschließend mit feinem Schleifpapier. Waschen Sie die Innenseite mit Alkohol, um alle verbleibenden Kolophoniumkerne und Flussmittel (falls Sie diese verwendet haben) zu entfernen. Waschen Sie im letzten Schritt das gesamte Gehäuse mit Spülmittel und viel Wasser, trocknen Sie es ab und genießen Sie die Früchte Ihrer Arbeit. Wenn Sie alle Schritte sorgfältig befolgt haben, werden Sie guten Grund haben, stolz zu sein.

Schneiden, Laminieren und Ätzen sind die schwierigsten Teile des Prozesses. Warum also nicht einfach alle Platten bei Ihrem Leiterplattenlieferanten bestellen? Natürlich können Sie es tun, wenn Ihnen der Preis nichts ausmacht. In manchen Fällen (für Prototypenbau und Produktion in sehr kleinem Maßstab) könnte der Endpreis der Einheit die Kosten für Leiterplatten rechtfertigen. Es klingt wie ein wahrgewordener Traum – vermeiden Sie den schlimmsten Teil der Arbeit und erhalten Sie alle Teile mit perfekter Genauigkeit, robuster Lackierung und überlagerten Buchstaben und Schildern. Dies ist eines dieser Projekte.

Sie können die Leiterbahnen auch innerhalb der Gehäusewände anbringen, sodass Sie auch komplexe Verkabelungen ohne Drähte erhalten. Dies erfordert natürlich eine sorgfältige Planung während des Designprozesses. Hier ist ein Teil eines Gehäuses, in dem Kupferschichten sowohl für die mechanische Unterbaugruppe als auch für die elektrische Verbindung verwendet werden.

Auch kapazitive Schalter, induktive Koppler, Reed-Schalter, Hall-Effekt-Sensoren und RFID-, UHF- oder SHF-Antennen lassen sich problemlos in Gehäusewände integrieren. Gedruckte Leitungen für LED-Anzeigen können SMD-Strombegrenzungswiderstände und Lötpads enthalten, die sich in der Nähe von LEDs befinden.

Kupfer ist nicht transparent, FR4 weist jedoch an den geätzten Stellen eine diffuse Transparenz auf. Einige dünne (0,8 oder 1 mm) FR4-Platten verleihen einen schönen milchigen oder gelblichen Farbton, der gut aussehen kann, wenn er für Anzeige-LEDs, oder sogar Nachtlampen oder einige LED-Art-Geräte verwendet wird. Die folgenden Beispiele kombinieren transparente Frontplatten mit Leitern, die nicht nur in FR4-Kupferleiterbahnen implementiert sind, sondern auch im Heck des Drachens (das ein Netzkabel ist) und schwarzen Stäben (M3-Abstandshalter mit Schrumpfschläuchen). Schwarze Ränder sind Kupferspuren, die zum Löten übrig bleiben.

Leider bringen die meisten Hersteller die farbigen Logomarkierungen auf FR4-Epoxidbasis an. Da es keine Möglichkeit gibt, die Tinte zu löschen, ist dieses Material für solche Anwendungen kaum geeignet. Erschwerend kommt hinzu, dass es keine Möglichkeit gibt, diese Markierungen zu erkennen, bevor Sie die Platine ätzen. Einige FR4-Boards haben diese Markierungen jedoch nicht, und mit etwas Glück können Sie sie finden und kaufen.

FR4-Platten können bis zu einem gewissen Grad gebogen werden, sodass sie für sanft geschwungene Wände verwendet werden können. Hier ist eine wie ein Pfannkuchen gebogene Digitaluhr, eine Hommage an Salvador Dalis berühmtes Bild „Die Beständigkeit der Erinnerung“.

Die Frontplatte besteht aus 0,8 mm FR4, das sich recht leicht biegen lässt. Die 7-Segment-Bereiche wurden in einem CAD-Programm entworfen und zum Schneiden von selbstklebendem Laminat für den Ätzprozess verwendet. Alle anderen Platten sind 1,5 mm dick.

Achten Sie beim Zusammenlöten solcher gekrümmten Wände sehr darauf, dass die Platinen nicht überhitzt werden, insbesondere wenn sie 1 mm oder weniger dick sind. Die mechanische Spannung der gebogenen FR4-Platte macht sie extrem anfällig für Überhitzung, und selbst die geringste Verformung ist unmöglich zu reparieren. Sie müssen die Platten in ihrer endgültigen Position und Form fixieren und zügig zusammenlöten.

Es ist sogar möglich, die mechanischen Einheiten zu bauen, möglicherweise kombiniert mit einigen vorgefertigten Metall- oder Kunststoffteilen. Dies gilt insbesondere für Projekte, die sowohl elektronische als auch mechanische Komponenten enthalten, da es eine effiziente Platzierung von Treibern und Anschlüssen in der Nähe von Motoren und Magnetspulen, Sensoren zur Home-Erkennung beweglicher Teile, Verkabelung mit gedruckten Leitern, einfache Platzierung von Anzeige-LEDs zum Debuggen ermöglicht, Integration elektronischer Schaltkreise an den Gehäusewänden usw.

Hier sind einige Beispiele für solche Baugruppen, die viele Möglichkeiten von FR4-Gehäusen erkunden.

Der richtige Einsatz von FR4 kann Projekte erheblich verbessern und sie wie High-End-Produkte aussehen lassen, selbst wenn sie unter Amateurbedingungen gebaut wurden. Es sollte als Baumaterial für Hobbyprojekte oder für die Produktion im kleinen Maßstab nicht vernachlässigt werden.

Natürlich ist handwerkliches Können von entscheidender Bedeutung, daher benötigen Sie etwas Erfahrung, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Geben Sie nicht auf und schon bald werden Sie stolz auf das Erscheinungsbild Ihrer Projekte sein!

​​Voja Antonic arbeitet als freiberuflicher Mikrocontroller-Ingenieur in Belgrad. Seine ersten Mikroprozessorprojekte auf Basis des Z80 stammen aus dem Jahr 1977, nur wenige Jahre nach dem Erscheinen des ersten Intel 4004. Er baute die Firmware manuell mit Stift und Papier zusammen. 1983 veröffentlichte er sein ursprüngliches DIY-Mikrocomputerprojekt namens Galaksija, das von rund 8000 Enthusiasten im ehemaligen Jugoslawien gebaut wurde. Bis heute hat er mehr als 50 Projekte veröffentlicht, die größtenteils auf Mikrocontrollern basieren, und sie alle als Public Domain freigegeben.