Die Grundlagen der Leiterplattenherstellung

Die Grundlagen der Leiterplattenherstellung

Bei jedem Herstellungsvorgang werden die Langlebigkeit und Funktionalität eines Produkts maßgeblich von der Qualität der Konstruktion bestimmt. Leiterplatten oder PCBs sind da nicht anders.

Der PCB-Fertigungsprozess produziert die blanke Leiterplatte, eines der wichtigsten Merkmale eines jeden Produkts. Der Herstellungsprozess als solcher ist eine Schlüsselkomponente des Lebenszyklus der Elektronikproduktion und trägt maßgeblich zum Gesamterfolg eines Projekts bei. Um diesen Prozess optimal nutzen zu können, müssen Kunden jedoch die Antworten auf drei Kernfragen verstehen:

• Was ist PCB-Fertigung?
• Warum ist es wichtig?
• Wie wirkt sich die Fertigung auf den PCB-Montageprozess aus?

Über PCBs

Eine Leiterplatte trägt elektrische Schaltkreise und ermöglicht die Übertragung von Signalen und Strom zwischen Geräten. Leiterplatten bestehen aus mehreren Materialschichten:

• Substrat: Der Kern der Platte ist ein Substrat oder Basismaterial. Herkömmliche Boards verwenden ein Glasfasermaterial namens FR4, obwohl andere Boards Aluminium-, Keramik- oder Polymersubstrate verwenden können.
• Kupfer: Das Substrat der Leiterplatte wird mit einer dünnen Kupferfolie bedeckt und mit Hitze und Klebstoff laminiert. Die Anzahl der „Schichten“ in einer Platine wird durch die Anzahl der Kupferschichten bestimmt – bei doppelseitigen Leiterplatten wird beispielsweise Kupfer auf beide Seiten eines Substrats aufgetragen, und bei einer vierlagigen Platine werden insgesamt vier Kupferschichten verwendet. Die meisten PCBs enthalten eine Unze Kupfer pro Quadratfuß, obwohl Hochleistungs-PCBs zwei oder drei Unzen verwenden können.

Diese Materialien werden im Herstellungsprozess kombiniert, um die nackte Leiterplatte zu erstellen. Diese blanke Leiterplatte wird dann durch den Montageprozess oder PCBA geschickt, um Lötmittel und die elektronischen Komponenten aufzubringen, was zu einer voll funktionsfähigen Leiterplatte führt.

Was ist PCB-Fertigung?

Die Leiterplattenherstellung ist der Prozess, bei dem die oben genannten Materialien einer Platine zu funktionalen Schichten kombiniert werden, um die nackte Leiterplatte zu bilden. Die Fertigung von unbestückten Leiterplatten funktioniert wie folgt:

1. Designüberprüfung: Der Herstellungsprozess beginnt erst, wenn das Konstruktionsteam das Design überprüft hat. Dies wird als Design for Manufacturability Check bezeichnet, der sicherstellt, dass das Design gültig ist und die Toleranzen erfüllt und die Spezifikationen während der Herstellung eingehalten werden können.
2. Filmanwendung: Das Leiterplattendesign wird mittels Laserdirektbelichtung auf Folien gedruckt, die Fotonegative des Leiterplattenlayouts liefern. Diese Filme werden auf die Materialschichten aufgebracht und dienen als Leitfaden für jeden Herstellungsprozess.
3. Kupferätzung: Unter Verwendung verschiedener Verfahren wird das unerwünschte oder überschüssige Kupfer geätzt oder entfernt, um Spuren und Pads zu erzeugen. Dieser Prozess umfasst normalerweise mehrere Reinigungsrunden, um überschüssiges Material und unerwünschte Chemikalien zu entfernen.
4. Schichtaufbau und Laminierung: Handelt es sich bei der Platine um eine Mehrlagenplatine, werden die Innen- und Außenlagen nach dem Kupferätzprozess aufeinander ausgerichtet. Dies wird normalerweise unter Verwendung von Ausrichtungslöchern in der Platine selbst erreicht. Nach der Inspektion der Schichten wird ein Prepreg auf Epoxidbasis zwischen jede Schicht gelegt, und die Platte wird durch Anwendung von Wärme zusammenlaminiert – die Hitze schmilzt das Epoxid und verbindet die Schichten miteinander.
5. Bohren: Nachdem die Plattenschichten zusammenlaminiert wurden, wird ein Bohrer verwendet, um Löcher durch die Platte zu erzeugen. Diese Löcher werden für Montagelöcher, Durchgangslöcher und Vias verwendet.
6. Plattierung: Sobald das Bohren abgeschlossen ist, wird die Platine mit einer mikrometerdicken Kupferschicht plattiert, die die Innenseite der gebohrten Löcher bedeckt und plattierte Durchgangslöcher erzeugt. Darauf folgt normalerweise mehr Ätzen und Kupferentfernung auf der äußeren Schicht der Platine.
7. Lötmaskenauftrag: Nachdem die Kupferschichten fertig sind, werden die Platten gereinigt und mit Lötstopplack bedeckt. Lötstoppmasken verleihen der Leiterplatte ihre charakteristische grüne Farbe. Die Lötmaske isoliert Kupferspuren vor versehentlichem Kontakt mit anderen leitfähigen Materialien, die zu Funktionsproblemen führen könnten, und hilft bei der Montage, sodass das Lötmittel nur an den richtigen Stellen aufgetragen wird. Nach dem Auftragen werden unerwünschte Bereiche der Lötstoppmaske entfernt, und die Leiterplatte wird in einen Ofen gelegt, um die Lötstoppmaskenschicht auszuhärten.
8. Siebdruck:Unabhängig davon, ob dies erforderlich ist oder nicht, ist der nächste Schritt das Aufbringen des Siebdrucks, wonach die Platine die letzte Härtungsphase durchläuft. Auf der Lötmaskenschicht wird die Siebdruckschicht aufgetragen. Siebdruck ist in der Regel weiß und fügt der Leiterplatte Buchstaben, Zahlen und Symbole hinzu. Diese Siebdruckschicht hilft bei der Bestimmung des Komponententyps und der Position während der Bestückung der Leiterplatte.
9. Oberflächenveredelung:Nachdem die Lötstoppmaske und der Siebdruck ausgehärtet sind, kann die Leiterplatte mit Gold oder Silber oder einer anderen Oberflächenveredelung plattiert werden, um Schutz und Funktionalität zu gewährleisten.

Nachdem die Platinen diese Schritte abgeschlossen haben, werden sie normalerweise einer elektrischen Zuverlässigkeitsprüfung unterzogen, um sicherzustellen, dass sie funktionsfähig sind. Danach werden die Platten, wenn sie in einer Platte produziert wurden, zerlegt, geprüft und bei Bedarf repariert.

Wie die Fertigung in den gesamten Herstellungsprozess fällt

Die Fertigung ist nur ein Schritt im PCB-Fertigungsprozess. Um die Bedeutung der Leiterplattenherstellung vollständig zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wo sie im Zyklus liegt.

Der Leiterplatten-Herstellungsprozess fällt in drei allgemeine Stufen, die unten ausführlicher beschrieben werden:

1. PCB-Entwicklung: Die Leiterplattenentwicklung ist die Anfangsphase des Herstellungsprozesses. Im Wesentlichen wird hier das PCB-Design konzipiert, modifiziert und finalisiert. Die PCB-Entwicklung umfasst normalerweise mehrere Design-, Prototyping- und Testrunden, insbesondere bei komplexeren Designs.
2. Leiterplattenherstellung: Nachdem das PCB-Design in der Entwicklungsphase abgeschlossen ist, geht die PCB zum Fertigungsprozess über. Die Herstellung umfasst zwei Schritte – Fertigung und Montage. Die Fertigung erzeugt das Design der Platine, während die Montage Komponenten auf die Oberfläche der Platine aufbringt. Am Ende dieses Prozesses sind die Boards fertig.
3. PCB-Bewertung: Die letzte Stufe des Herstellungsprozesses ist eine Bewertung. Dazu gehört eine abschließende Testrunde nach Abschluss des Herstellungsprozesses. Diese Testphase bewertet die Fähigkeit des zusammengebauten Boards, die beabsichtigte Leistung zu erbringen, und eliminiert Boards, die die Tests nicht bestehen. In einigen Fällen kann das Testen ergeben, dass das Board eine Designanpassung erfordert, und der Zyklus beginnt von vorne. Wenn Boards die Tests bestehen, werden sie vor dem Versand einer Endkontrolle auf eventuelle Mängel unterzogen.

Warum die Leiterplattenherstellung wichtig ist

Die Leiterplattenherstellung ist eine ausgelagerte Aktivität, die von einem Dritthersteller unter Verwendung der von seinen Kunden bereitgestellten Designs durchgeführt wird. Es ist wichtig, die Herstellung zu verstehen, da Hersteller nur das Design sehen, nicht die für Ihr Design vorgesehene Leistung. Wenn Designer den Herstellungsprozess und die Einschränkungen während des Designprozesses nicht im Auge behalten, können hergestellte Platinen in den folgenden Bereichen beeinträchtigt werden:

• Herstellbarkeit: Designentscheidungen wirken sich auf die Herstellbarkeit von Leiterplatten aus. Die Plattendesigns müssen die Materialeigenschaften der Platte berücksichtigen und einen angemessenen Abstand zwischen den Oberflächenelementen zulassen. Wenn die Platte in Platten produziert werden muss, sollte dies auch das endgültige Design beeinflussen. Designs, die diese Faktoren vernachlässigen, können ohne Neudesigns möglicherweise nicht hergestellt werden.
• Ertragsrate: Unter bestimmten Umständen können Platinen unter Verwendung des bestehenden Designs erfolgreich hergestellt werden. Bestimmte Designentscheidungen können jedoch zu Herstellungsproblemen führen, die mehrere Platinen unbrauchbar machen – beispielsweise durch Überschreiten der Toleranzgrenzen Ihrer Fertigungsanlagen.
• Zuverlässigkeit: Die meisten Boards unterliegen Branchenspezifikationen, die ein erforderliches Maß an Leistungszuverlässigkeit vorschreiben. Die Nichteinhaltung der Industrieanforderungen beim Design kann zu unzuverlässigen oder nicht funktionsfähigen Platinen führen.

Der beste Weg, diese Probleme zu vermeiden, besteht darin, den PCB-Fertigungsprozess während des Designzyklus zu berücksichtigen. Sie können dies tun, indem Sie Design for Manufacturing (DFM)-Regeln verwenden und die Fähigkeiten Ihres PCB-Herstellers während des Designzyklus überprüfen. Wenn Sie mit einem hochwertigen PCB-Hersteller zusammenarbeiten, können Sie eng mit ihm zusammenarbeiten, um Ihr Design für den PCB-Fertigungsprozess zu optimieren.

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